[發明專利]一種多源異構油耗數據特征提取及融合方法

有效

• 申請號: 202110410643.3
• 申請日: 2021-04-13
• 公開（公告）號: CN113076655B
• 公開（公告）日: 2022-09-06
• 發明（設計）人: 左毅;朱永潔;李鐵山;馬赫
• 申請（專利權）人: 大連海事大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06N20/00
• 代理公司: 大連東方專利代理有限責任公司 21212
• 代理人: 魯保良;李洪福

本發明公開了一種多源異構油耗數據特征提取及融合方法，包括以下步驟：對油耗數據進行預處理；對預處理后的各類油耗數據進行時域的一致性操作；對各幀數據進行統計特征向量和時間序列特征向量提取操作；對統計特征向量與時間序列特征向量進行融合；將融合后的特征作向量為機器學習方法的輸入。本發明對船舶油耗數據應用分幀操作，并進行統計特征和時間序列特征提?。蝗缓髮y計特征和時間序列特征進行融合。通過本發明可以對現存的大量傳感器油耗數據進行處理，大幅提高了用于油耗建模的數據量。本發明通過對多源異構油耗數據進行特征提取及融合，大幅提高了油耗數據的質量，從而提高了油耗建模的精度。

技術領域

本發明屬于多源異構數據融合技術領域，特別涉及一種多源異構油耗數據特征提取及融合方法。

背景技術

船舶油耗評估主要包含數據處理和評估建模兩部分。其中，數據處理是船舶油耗評估中的關鍵技術，數據處理的效果將直接影響評估精度。在航海實踐中，船舶油耗數據可以被劃分為機艙日志數據和傳感器采集數據。機艙日志數據是船員在規定時間、按照固定格式手動填寫的，不可避免地存在著數據錯誤；并且采樣周期較長，對船舶油耗情況刻畫不準確。因此，絕大部分船舶油耗評估模型均使用傳感器數據進行建模。

隨著傳感器技術的不斷發展，現代船舶上安裝有大量的傳感器設備，例如多普勒計程儀、氣壓儀、GPS(Global Position System)全球定位系統和自動識別系統AIS(Automatic Identification System)等，這些傳感器可以準確測量并精確記錄油耗相關的船舶狀態及環境信息。但是，由于傳感器的廠家及制造標準各異，導致傳感器采樣頻率也各不相同。因此，基于傳感器的船舶油耗數據可以被視為多源異構數據。在使用這些數據對船舶油耗進行建模之前，必須對其進行特征提取及融合。

在已有研究中，Dario和Antonio針對基于傳感器的油耗數據做了變量重新定義，例如風向、排水量等。然后對不同的特征進行選擇以確保使用恰當的特征進行船舶油耗評估。Jianqin Zheng和Haoran Zheng對油耗數據做了正則化，加速模型的收斂速度和精度。Trodden和Murphy使用卡爾曼濾波器剔除臟數據。Lokukaluge和Mo將超出船舶正常操縱區域的數據予以剔除，并對數據歸一化，將不同尺度的變量縮放到同一尺度下。牟小輝等使用MATLAB軟件剔除數據中的奇異值，并且分析了不同變量的重要性。Brage對油耗數據作統計分析，分析其數據分布情況，并研究不同特征之間的關聯特性，然后使用高斯混合模型和主成分分析算法對船舶主機工作區域進行劃分。根據現有油耗數據處理辦法，現有的大量傳感器數據無法被用于油耗建模，且油耗評估精度普遍不高。

發明內容

為了解決現有技術存在的上述問題，本發明要提出一種多源異構油耗數據特征提取及融合方法，能夠將大量現存的傳感器油耗數據用于船舶油耗建模，并結合相關機器學習方法，可以大幅提高船舶油耗評估精度

為了實現上述目的，本發明采用的技術手段如下：一種多源異構油耗數據特征提取及融合方法，包括以下步驟：

S1、對油耗數據進行預處理

油耗數據即與油耗相關的傳感器數據，油耗數據預處理包括補充缺失值和刪除異常值兩部分。首先，使用插值法對因傳感器故障產生的缺失值進行補充，然后將油耗數據中超出船舶正常操作區域的數據作為異常數據予以剔除。油耗數據包括船舶風速數據、縱傾數據、舵角數據、主機燃油數據、螺距數據、航速數據和吃水數據。

S2、對預處理后的各類油耗數據進行時域的一致性操作

時域的一致性操作包括分幀操作和幀移操作。所述分幀操作，即采用等長度的幀長d對時域進行移動分幀；所述幀移操作，即在移動分幀過程中相鄰兩幀之間具有一定的重疊區域，重疊區域稱為幀移，幀移長度取幀長的20％～60％。通過上述操作，保證不同采樣頻率的傳感器數據實現時域上的一致性。

S3、對各幀數據進行特征提取操作