[發(fā)明專利]一種基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解和深度學(xué)習(xí)的有效波高預(yù)警方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202310267127.9
• 申請日: 2023-03-20
• 公開（公告）號: CN116484271A
• 公開（公告）日: 2023-07-25
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 陳耀然;蔡燦冬;張丹;吳昊;毛方賽;李孝偉;彭艷
• 申請（專利權(quán)）人: 上海大學(xué);上海大學(xué)紹興研究院
• 主分類號: G06F18/241
• 分類號: G06F18/241;G06F18/213;G06F18/214;G06N3/0464;G06N3/0455;G06N3/08;G06N5/04
• 代理公司: 上海新隆知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 31366
• 代理人: 金利琴

本發(fā)明公開一種基于模態(tài)分解和深度學(xué)習(xí)的有效波高預(yù)測方法。該方法采用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解方法對原始時(shí)間序列進(jìn)行預(yù)處理分解得到各個(gè)模態(tài)；使用Transformer結(jié)構(gòu)的編碼器對各個(gè)模態(tài)的特征進(jìn)行提取，Transformer結(jié)構(gòu)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠并行得捕獲時(shí)間序列數(shù)據(jù)的全局特征，在加快模型訓(xùn)練和推理速度的同時(shí)仍然能夠有效得對時(shí)間序列數(shù)據(jù)進(jìn)行高效的特征提取；最后使用多層感知機(jī)根據(jù)提取到的高語義特征進(jìn)行分類得到最終結(jié)果。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解和深度學(xué)習(xí)的有效波高預(yù)警方法。

背景技術(shù)

海浪是一種重要的可再生能源能量。它們在水平面以下的功率流強(qiáng)度在0.1-0.3kW/m2到2-3kW/m2之間，比地表的風(fēng)能高6級。此外,海洋波浪能比風(fēng)能更可靠。盡管海浪發(fā)電技術(shù)尚未完全成熟，但是波浪發(fā)電未來的能源領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。海浪的有效波高(SWHs,Significant?Wave?Heights)是海洋環(huán)境的重要因素之一。實(shí)時(shí)捕獲和提前預(yù)測出SWHs對于有效利用海浪能量來說是至關(guān)重要的。對于海洋發(fā)電裝置而言，能夠用來獲取能量的SWHs存在一定的范圍，當(dāng)SWHs過低或者過高時(shí)，發(fā)電裝置應(yīng)當(dāng)進(jìn)行停機(jī)以減少對機(jī)械裝置的損耗。對于海浪能量收集而言，準(zhǔn)確得預(yù)測出SWHs具有重要意義。

海浪的有效波高(Significant?Wave?Heights，SWHs)是海洋環(huán)境的重要因素之一。對于海洋發(fā)電裝置而言，能夠用來獲取能量的SWHs存在一定的范圍，當(dāng)SWHs過低或者過高時(shí)，發(fā)電裝置應(yīng)當(dāng)進(jìn)行停機(jī)以減少對機(jī)械裝置的損耗。準(zhǔn)確得預(yù)測出SWHs等級能夠幫助海浪發(fā)電裝置對不同等級的海浪做出及時(shí)的調(diào)整和應(yīng)對，盡可能減少設(shè)備受到損害的可能性。實(shí)時(shí)捕獲和預(yù)測SWHs等級對于海浪能量收集具有重要意義。

有效波高(significant?wave?height)是指按一定規(guī)則統(tǒng)計(jì)的實(shí)際波高值。由于海面波浪實(shí)際上是各種不同波高、周期、進(jìn)行方向的多種波的無規(guī)則組合，因此一個(gè)波浪的波高值沒有代表性。為此，在任一個(gè)由n個(gè)波浪組成的波群中，將波列中的波高由大到小依次排列，確定前n/3個(gè)波為有效波。有效波的波高和周期則等于這n/3個(gè)波的平均波高和平均周期。

經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(Empirical?Mode?Decomposition，EMD)方法依據(jù)數(shù)據(jù)自身的時(shí)間尺度特征來進(jìn)行信號分解，無須預(yù)先設(shè)定任何基函數(shù)。EMD方法在理論上可以應(yīng)用于任何類型的信號的分解，因而在處理非平穩(wěn)及非線性數(shù)據(jù)上具有非常明顯的優(yōu)勢，適合于分析非線性、非平穩(wěn)信號序列，具有很高的信噪比。對數(shù)據(jù)信號進(jìn)行EMD分解就是為了獲得本征模函數(shù)，一個(gè)本征模函數(shù)必須滿足以下兩個(gè)條件：⑴函數(shù)在整個(gè)時(shí)間范圍內(nèi)，局部極值點(diǎn)和過零點(diǎn)的數(shù)目必須相等或最多相差一個(gè)；⑵在任意時(shí)刻點(diǎn)，局部最大值的包絡(luò)(上包絡(luò)線)和局部最小值的包絡(luò)(下包絡(luò)線)平均必須為零。

中國專利申請CN115659828A公開了一種波高預(yù)測模型及裝置。該方法采用編解碼結(jié)構(gòu)的神學(xué)學(xué)習(xí)方法。編碼器將波高有關(guān)的海洋多要素時(shí)間序列進(jìn)行特征編碼輸出海洋多要素高維特征；解碼器將得到的高維特征與零矩陣進(jìn)行拼接后作為輸入，輸出對于波高的預(yù)測結(jié)果。該方法使用了空洞卷積和自注意力機(jī)制捕捉了波高時(shí)間序列的長時(shí)間相關(guān)性，實(shí)現(xiàn)了對有效波高的時(shí)序預(yù)測。但是該專利將波高時(shí)序序列預(yù)測作為機(jī)器學(xué)習(xí)中的回歸問題，而在海洋能量收集領(lǐng)域更加關(guān)注的是對有效波高等級的預(yù)測，因此該方法對于海洋能量收集領(lǐng)域而言存在一定的局限性。