[發明專利]一種基于時間序列相似匹配的海洋災害預警裝置

有效

• 申請號: 201010292792.6
• 申請日: 2010-09-27
• 公開（公告）號: CN102005105A
• 公開（公告）日: 2011-04-06
• 發明（設計）人: 黃冬梅;廖娟;蘇誠;何盛琪;郭偉其;王建;張明華;袁小華;鄭小羅;謝文輝;裴軍峰
• 申請（專利權）人: 上海海洋大學
• 主分類號: G08B21/10
• 分類號: G08B21/10;G08B31/00;G01S19/14;G01C17/32;G01C19/58;H04N7/18;G06F19/00
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1.一種基于時間序列相似匹配的海洋災害預警裝置的方法，其特征在于，應該包括：一定位裝置102，由一電子指南針、一MEMS陀螺儀與一GPS組成；

一數據處理裝置104，存放歷年海洋災害發生時記載的特征數據及處理方法，且用時間序列相似匹配的方法；

一報警裝置106，根據數據處理裝置傳回來的數據判斷是否產生報警信號；

一傳感器裝置107，把接收回來的數據傳給數據處理裝置進行處理；

一LBS、GPS結合模塊105，把GPS技術的一部分嵌入到多點觸控手持設備上，結合LBS位置服務，獲得更多用戶所需的詳細信息；

一視頻獲取設備103，把定位裝置攝取的場景通過該設備獲取并呈現在多點觸控手持設備上。

一多點觸控手持設備101，該設備具有多點觸摸的功能，利用定位裝置和視頻獲取設備及LBS、GPS結合技術，就能判斷用戶所在的特定位置和存儲信息。

2.根據權利要求1所述的定位裝置，其特征是，GPS定位穩定時，GPS定位用戶所處位置的準確方向，MEMS陀螺提供手持設備的姿態，根據設備的不同方向而讀取不同的場景內容；電子指南針指示用戶當前所在位置的準確方向；當GPS不能準確定位時，由MEMS陀螺儀和電子指南針來確定。

3.根據權利要求1所述的數據處理裝置，其特征是，利用時間序列相似性匹配的方法，步驟如下：

A、將海洋災害目錄數據轉換為一定時空范圍內、一定級別以上的海洋災害事件系列集。這樣，不同時空范圍內的海洋災害就構成了不同的海洋災害序列。下面給出海洋災害序列及其相似性的定義和海洋災害序列相似性的度量模型。

定義1(海洋災害相關地區)：海洋災害發生頻繁的地理區域。

定義2(海洋災害事件).將海洋災害目錄數據庫中記錄的每一次海洋災害看作一個事件。將所有海洋災害事件按空間屬性和區域而分為不同的海洋災害事件集，把發生在一定級別以上且同時在t時刻發生的海洋災害事件記為E(t)。

定義3(海洋災害事件序列).在某海洋災害相關地區中，把發生在時間范圍F內的事件集Et＝{E(t)|t∈時間范圍F}在時間軸上的一個排列稱為海洋災害事件序列，其中每一個單獨的事件E(t)稱為一個事件項。

定義4(海洋災害序列).依據海洋災害發生的時間和等級，把海洋災害事件項的空間屬性略去，在時間軸上抽象為一個時間單位上的風暴潮強度值。從而，一個海洋災害事件序列就被抽象為一個時間序列，稱其為海洋災害序列，用S＝{S(t)|t＝0，1，2，...，n}來表示，海洋災害事件序列中，一個事件項對應海洋災害序列中的一個元素。這里要特別說明的是，根據領域特性，將海洋災害事件發生的時間t擴展為一個單位時間間隔范圍，即t∈Tgap。

定義5(海洋災害序列長度).對于海洋災害序列S，用|S|表示其長度，即海洋災害序列S的元素個數。S[i]表示海洋災害序列S中的第i個元素，S(t)表示海洋災害序列S在t時刻的等級取值。

定義6(稠密海洋災害序列).在某一時間區域內，對海洋災害序列S，在沒有發生海洋災害事件的單位時間段補充了空元素以后形成的海洋災害序列，稱為稠密海洋災害序列S′。注：以下所說的序列及元素都是指稠密序列或稠密序列之中的元素。

定義7(海洋災害相似性).設x和y是任意兩個不同海洋災害序列中的對應元素，用標記函數A(x，y)來描述x和y元素的相似性，元素x、y之間的距離使用動態彎曲距離(DTW)，記為：D(x，y)。標記函數A(x，y)定義為：

如果D(x，y)≤M_threshold，則A(x，y)＝0；如果D(x，y)＞M_threshold，則A(x，y)＝1。這里，M_threshold為誤差閾值，由用戶根據具體需求來確定。誤差閾值越小，表示兩個元素所代表的海洋災害強度差別越小。特別值得注意的是，因為允許相關海洋災害發生的時間有一定的間隔，所以x和y兩元素可以對應不同的時間點，用戶可以根據需要給定這個時間間隔的范圍。

另一方面，海洋各災害序列中常常會出現這樣的現象：在時間軸的某些單位時間段內，沒有海洋災害事件發生。這時，可以在序列中補充空元素，即在沒有海洋災害事件的時間段補充取值為0的元素。當非空元素與空元素進行相似性比較時，標記函數取值為0。

定義8(海洋災害相似性度量模型).設S和Q是兩個不同的海洋災害序列，則S和R的相似性可以用兩序列中的相似性標記函數和來度量。其定義如下：

定義9(海洋災害序列分段線性表示).在一定時間范圍內，將海洋災害序列按照時間t表示成多段相鄰的近似直線。由于海洋災害的數據具有局部離群的特征，此線性分段采用滑動窗口的方法。即給定一個長度為n的海洋災害事件序列s和長度為w的時間窗口，記s為(x1，x2，...，xn)，將時間窗口放在時間序列的起始位置，此時時間窗口對應序列上長度為w的一段子序列，依次類推，共分為n-w+1段。

定義10(相關海洋災害支持數及支持度).相關海洋災害支持數Sup(S，Q)及支持度η定義為

∀t∈[T-Ttap,T+Ttap],∃E(t)(E(t)∈{St∩Qt}⇒Sup(E(t))=1,]]>

∀t∈[T-Ttap,T+Ttap],⫬∃E(t)(E(t)∈{St∩Qt}⇒Sup(E(t))=0,]]>

Sup(S,Q)=Σi=0nSup(E(T))]]>

η＝Sup(S，Q)/|S|

其中，E(t)∈{S_t，Q_t}表示在一個時間間隔范圍t∈[T-Tgap，T+Tgap]內，只要序列S和序列Q中均有海洋災害事件發生，支持度總數就增加1；如果序列S和序列Q有一個沒有海洋災害事件，就不記入支持度總數。式(2)中的n為時間間隔總數。

B、尋找海洋災害相關地區的序列相似性匹配算法

結合相關海洋災害的特點，在定義了海洋災害序列分段線性表示、相關海洋災害的支持度和海洋災害序列相似性度量模型的基礎上，提出了一種基于支持數和線性分段的整體序列相似性匹配算法。下面給出算法的步驟：

步驟(1)：預處理——從海洋災害目錄數據中取出數據，根據其包含的經緯度信息，按空間位置劃分為不同的區域，并將經緯度和區域的對應信息都一同存放在預處理結果文件中；

步驟(2)：構成海洋災害序列——從預處理結果文件中，提取具有相同區域編號的數據歸并到一起，分別放入不同的臨時文件中，并累計此區域內的海洋災害記錄條數，記入(區域號、條數)鏈表結構中。最后，各區域內的案例記錄按時間排序，就形成一組海洋災害時間序列EQS；

步驟(3)：序列分段線性表示——將海洋災害時間序列EQS按照滑動窗口劃分的方法將序列分為n-w+1段，如定義9所示。

步驟(4)：兩兩進行相似性分析——具體過程是：分別取出處于不同區域中的海洋災害時間序列，若兩序列的相似度達到要求，則作相應的記錄。然后計算支持度，并根據支持度是否達到閾值輸出相關序列并查看于此相關的歷史處理記錄；

步驟(5)：合并結果——將海洋災害相關地區依據地理位置進行合并，并重新計算支持度。

在此算法中對兩個序列進行相似性判定時，需要逐個元素比較。