[發明專利]一種基于傳感數據融合的溫度場預測方法

有效

• 申請號: 201811066070.1
• 申請日: 2018-09-13
• 公開（公告）號: CN109388856B
• 公開（公告）日: 2023-03-24
• 發明（設計）人: 王迪;張璽
• 申請（專利權）人: 北京大學
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06F119/08
• 代理公司: 北京萬象新悅知識產權代理有限公司 11360
• 代理人: 黃鳳茹

本發明公布了一種基于時空條件自回歸過程的溫度預測方法，屬于工業工程技術領域。建立由全局溫度變化過程和局部溫度變化過程組成的時空預測模型，通過熱力學模型描述全局溫度變化，通過時空遷移學習模型描述局部溫度變化，實現對工程溫度系統的全面而準確的預測。本發明利用現有溫度傳感器數據對未來短期內溫度系統進行預測，可以得到未來一段時間內溫度系統全面而準確的信息；能夠解決目前在工程系統中存在的由于傳感器數據不足、數據部分缺失而導致的不能準確預測溫度系統的問題。

技術領域

本發明提供一種溫度預測方法，具體涉及一種利用已有傳感數據并基于時空條件自回歸過程的溫度預測方法，屬于工業工程技術領域。

背景技術

溫度預測技術在工程系統中發揮著重要作用，已經在加工制造業、氣象、糧食倉儲等領域得到廣泛應用。工程系統中，溫度預測技術對監測產品質量、改善系統性能等任務提供重要信息。

現有的溫度預測技術通過無線傳感設備采集某一工程系統中的溫度數據，并利用這些現有數據建立溫度預測模型，對未來一段時間該工程系統的溫度進行預測。在工程應用中，由于傳感器配置成本的限制，在溫度系統中安裝的傳感設備數目較少，因此通過傳感設備只能獲取一少部分稀疏的數據。傳感器數據的不足導致現有溫度預測技術的精確度大大降低。

現有的溫度預測技術主要有兩大類：基于熱傳遞原理的熱力學模型和基于傳感器數據的數據驅動模型。熱力學模型是對理想狀態下由于傳熱機理而引起的工程系統的溫度變化的描述。通過給定初始溫度和邊界條件，建立三維熱力學模型，實現對未來短期內溫度的預測。該模型描述理想狀態下工程溫度系統的全局變化，沒有考慮在實際工程應用中溫度會受到一些不確定性因素的影響而產生的局部變化，例如倉儲糧食溫度會收到蟲害、霉變的影響而升高。因此，熱力學模型的對溫度系統的預測誤差較大。數據驅動模型是基于現有的傳感器數據建立數學模型，實現對未來短期內溫度的預測，包括回歸分析模型，克里金模型等。由于傳感器數據的不足，該類模型預測的準確率較低。此外，工程領域中的溫度系統是一個復雜的傳熱系統，溫度不僅隨著時間變化，在系統的內部空間中也發生變化，即溫度系統是一個時空動態耦合的復雜系統。現有技術對溫度系統的時空動態耦合特性考慮較少，難以獲得較為準確的溫度預測結果。

發明內容

針對上述現有技術存在的不足，本發明提供一種利用已有傳感數據并基于時空條件自回歸過程的溫度預測方法。利用現有溫度傳感器數據對未來短期內溫度系統進行預測，可以得到未來一段時間內溫度系統全面而準確的信息。

本發明充分考慮工程溫度系統的時空動態耦合特性和溫度傳感器數據不足的問題，提出一種全局的時空預測模型。為更好地刻畫溫度系統的時空動態耦合特性，該模型由兩個過程模型組成：其一是由熱力學模型刻畫的全局溫度變化過程，其二是由時空遷移學習模型刻畫的局部溫度變化過程，從而實現對工程溫度系統的預測。特別地，為解決當前溫度傳感器數據不足的問題，本發明提出時空遷移學習模型，同時考慮多個具有相似屬性的工程系統的溫度傳感器數據對目標溫度系統進行預測，實現對工程溫度系統的精準預測。通過本發明能夠解決目前在工程系統中存在的由于傳感器數據不足、數據部分缺失而導致的不能準確預測溫度系統的問題，可以預測未來短期內工程溫度系統全面而準確的信息。

本發明提供的技術方案如下：

一種基于傳感數據融合的溫度場預測方法，建立由全局溫度變化過程和局部溫度變化過程組成的時空預測模型。通過熱力學模型描述全局溫度變化，通過時空遷移學習模型描述局部溫度變化，實現對工程溫度系統的全面而準確的預測；包括如下步驟：

1)利用熱力學模型與時空遷移學習模型，建立混合效應時空預測模型框架。將工程溫度系統表示為全局溫度變化項、局部溫度變化項、和由隨機或不可控因素引起的噪聲項的加和。

為預測目標工程溫度系統l^*，考慮L個具有相似屬性的工程溫度系統。對于實際工程溫度系統l(l＝1,…,L)，假設表示在時空點(s,t)的溫度值，s和t分別表示空間和時間的自變量，混合效應模型的框架表示為式1：