结合自适应噪声完备集合经验模态分解的深度学习模型在电离层闪烁预报中的研究

电离层闪烁可能导致通信系统误码率增加和GNSS定位精度下降。由于电离层闪烁的偶发性,闪烁预报非常困难。为了提高对电离层闪烁的预测精度,提出了一种综合多种方法的混合预测模型,利用电离层闪烁标签值(S4label)进行辅助,结合“分解-集成”思想的深度学习模型进行预测。首先采用CEEMDAN算法将原始数据分解为多个子信号,并基于样本熵指标,使用K-Means算法将这些子信号重构为高频、低频和趋势3种信号。后利用VMD法对高频信号进行二次分解,借助自注意力LSTM模型实现对高低频信号的逐步预测。实验结果表明,与传统的LSTM模型相比,混合模型预测精度明显提高。在地磁平静期,该模型的预测效果得到显著改善,R^(2)、RMSE、MAE、MAPE代表的精度分别提升了32.2%、58.7%、51.2%、44.7%。因此,该模型能更准确地预测电离层闪烁现象的发生,对电离层闪烁的预测研究具有很好的参考价值。

基于集合经验模态分解和指数能量法的水泵水轮机尾水管压力脉动信号特征提取

提取水泵水轮机尾水管压力脉动信号中的动态特征信息,准确识别涡带强度,是近年来水泵水轮机工程领域的研究重点。本文基于集合经验模态分解(ensemble empirical mode decomposition,EEMD)和模态指数能量法,对某水泵水轮机发电工况不同负荷下的尾水管压力脉动信号进行特征提取,得到如下结论。首先,基于EEMD的模态指数能量能够有效地反映信号中的能量分布规律。其次,在涡带增强过程中,基于EEMD的最大模态指数能量不断升高,表明尾水管内的流动状况变得更加复杂,涡带特征信息也更加丰富。最后,使用最大与平均指数能量构建的特征向量能够准确反映不同的尾水管涡带强度,并且能够作为智能分类器的输入特征向量,有利于后续进一步的识别与诊断,具有重要的工程意义。

基于集合经验模态分解的河北唐山井同震响应特征

集合经验模态分解(EEMD)能够客观真实地从非线性、非平稳信号中提取有用信息,地震观测井的井水位表征的波形信号也是典型的非线性、非平稳信号,因此,集合经验模态分解在获取井水位同震响应信息方面具有重要的应用潜力。通过观测河北唐山井2016~2023年多次井水位同震响应,研究集合经验模态分解对井水位分析处理的优缺点,识别唐山井对远震、近震的井水位同震响应特征,应用地震能量密度经验公式推测唐山井记震能力。结果表明:唐山井水位观测数据秒值在经过集合经验模态分解后,对合适的高频分量进行重构可以压制噪声干扰,有利于观察井水位同震响应特征;对于远场大震引起的振荡型同震响应可以客观真实地进行识别和提取;对于近场地震引起的脉冲型和阶变型同震响应,需结合原始数据进行研究;井水位观测数据秒值有利于揭示区域应力场的变化,因观测数据秒值记震精度提高,唐山井能够记录到地震能量密度为1.77×10^(-7) J·m^(-3)的地震,观测井对不同方位地震的敏感度可用于研究其所在断裂带的裂隙走向。对于超过一定距离的远场地震,井-含水层系统能够记录到的井水位同震响应频率可在一定的范围内估算观测井的固有振动频率,唐山井固有振动频率和地震瑞丽面波频率接近。

基于集合经验模态分解的心电信号自适应降噪及基线漂移修正

在心电信号的采集过程中,各种噪声的干扰会引起信号失真及基线漂移,进而影响对心脏信号的精准判断。针对此,提出一种基于集合经验模态分解的自适应算法。首先,对含有噪声及基线漂移的心电信号进行集合经验模态分解(EEMD),分解出固有模态函数(IMF)分量。然后,筛选出需要处理的IMF分量。最后,通过自适应窗口处理带噪的低阶IMF以及移除导致基线漂移的高阶IMF,从而达到降噪和修正基线漂移的目的。在MIT-BIH数据库中的实验结果表明,基于EEMD方法的降噪效果良好,在同等肌电噪声情况下,与基于EMD的自适应窗口法对比,在平均信噪比上提升1.7507,增幅约为13%;在同等基线漂移情况下,与基于EEMD的阈值法对比,在平均基线矫正率上下降0.0795,降幅约为14%。

基于改进经验模态分解的直线电机伺服系统迭代学习控制

针对直线电机伺服系统迭代学习过程中因误差积累效应引起的收敛速度慢和跟踪精度差的问题,提出一种基于改进经验模态分解的控制策略。首先,设计一种具有自适应性调节特点的迭代学习位置控制器。然后,提出一种基于三角极值波延拓与互补集合经验模态分解的改进算法,该算法可将各次迭代的跟踪误差进行分解,筛选并剔除影响误差收敛的分量。通过仿真分析并与传统迭代学习控制进行比较,证明了本文方法具有更快的收敛速度,能够以较少的迭代次数实现直线电机的高精度跟踪控制。

基于完全自适应噪声集合经验模态分解和互相关分析的核电厂信号降噪研究

针对在强噪声背景中提取核电厂信号有效成分的问题,本文提出一种将完全自适应噪声集合经验模态分解与互相关分析法相结合的降噪方法并进行验证。该方法的主要步骤如下。首先,通过完全自适应噪声集合经验模态分解法对电站信号进行有效分解,得到全部的本征模态分量。然后,根据互相关系数将上述分量进行筛选,得到有用信号主导的分量,将其叠加、重构成降噪后信号。最后,使用降噪指标对降噪效果进行评价。结果表明:与基于经验模态分解、集合经验模态分解的降噪方法相比,本文所提方法得到的降噪后信号信噪比更高、均方根误差更小、相关系数更大、平滑度更好,具有更优的降噪效果。

基于集合经验模态分解和排列熵的核电厂信号降噪研究

本文提出了一种基于集合经验模态分解和排列熵的电站信号降噪方法。该方法流程如下,首先,采用集合经验模态分解对电站典型实测信号进行了分解,获得对应的本征模态分量。其次,采用排列熵对本征模态分量进行混沌度的定量评价,从而实现实测信号中的有用信号和噪声信号的区分。对于后者,采用改进的小波软阈值降噪法进行降噪。最后,根据排列熵筛分后的有用信号和改进的小波软阈值降噪后的噪声信号进行重构,得到降噪后的信号。另外,本文也采用了主流的经验模态分解和局部均值分解对该信号进行了处理,并将分析结果进行对比。对比结果表明,基于本文所提方法得到的降噪后信号排列熵较小,表明降噪效果要优于以上两种方法。

基于完备集合经验模态分解的含抽蓄微电网混合储能容量优化配置

为减缓微电网并网联络线功率波动,拓展混合储能参与系统调节的能力边界,提出一种含抽蓄的微电网混合储能系统结构及基于完备集合经验模态分解(complete ensemble empirical mode decomposition,CEEMDAN)的容量优化配置方法。首先,考虑抽水蓄能、蓄电池的能量型储能特性与超级电容器的功率型储能特性,在微电网中搭建混合储能系统结构模型;其次,根据负荷出力确定联络线协议功率及混合储能总功率,并采用完备集合经验模态分解法对混储系统总功率进行分解;最后,建立以储能年综合成本最小为优化目标的混合储能系统容量优化配置模型,并给出相应求解方法。算例结果表明:较不含抽蓄的混储系统,该结构模型的调控能力得到提升,在有效平抑联络线功率波动的同时提高系统经济性,且蓄电池设备动作频次有所减少,提升了其使用寿命,验证了所提混合储能结构的合理性及优化模型的有效性。

基于互补集合经验模态分解和改进麻雀搜索算法优化双向门控循环单元的交通流组合预测模型

该文针对短时交通流预测过程呈现的非线性、非平稳性及时序相关性特征,为提升预测的精度及收敛速度,提出一种基于互补集合经验模态分解(CEEMD)和改进麻雀搜索算法(ISSA)优化双向门控循环单元(BiGRU)的组合预测模型。首先,考虑到端点飞翼问题,通过改进CEEMD算法将交通流量序列分解为体现路网交通趋势性、周期性及随机性的本征模态函数(IMF)分量,有效提取了其中的先验特征;随后,利用BiGRU网络挖掘交通流量序列中的时序相关性特征,为避免局部最优,并提高麻雀搜索算法(SSA)全局搜索及局部开发能力,采用ISSA对BiGRU网络权值参数迭代择优。实验结果表明,该组合预测模型中各组件对提高预测精度均起到正向作用,同时在不同交通流量数据集下的预测性能较对比算法均更优,展现了精准、快速的预测表现以及良好的泛化能力。

基于完备集合经验模态分解的SE-BiGRU超短期风速预测

考虑风力发电具有随机性和不稳定性,为准确预测风速,提出一种基于完备集合经验模态分解和双向门控单元网络相结合的短期风速组合预测方法。首先,采用完备集合经验模态分解,将原始风速序列分解为若干个具有较强规律性的子序列,以减少不同特征尺度序列间的相互影响;然后,利用样本熵来评估风速子序列的复杂度,将复杂度相近的子序列组合为一个新序列,以减少输入到神经网络的模型数量;最后,将新组合的子序列分别输入到双向门控单元网络中进行预测,得到各子序列的预测结果,叠加得最终的风速预测结果。实例预测结果表明,所提出的风速预测方法具有较高的精度和运行效率。

基于集合经验模态分解和编码器-解码器的风电功率多步预测

准确的风电功率预测对于推动风电大规模并网具有积极意义,现有的研究多集中于超短期范围内的单步预测。为了实现更加贴近工程应用实际的风电功率多步预测,提出了一种基于集合经验模态分解和编码器-解码器的风电功率多步预测方法。首先采用k均值聚类算法对风电机组进行聚类,然后引入集合经验模态分解算法对机组群功率序列进行分解,从而提取风电场功率的时空分布特征,通过预先搭建的基于门控循环单元的编码器-解码器预测网络实现风电功率的超前多步预测,最后将各预测值重构获得风电场总功率的预测值。利用某风电场的真实数据进行算例分析,结果表明所提算法在超前1~6 h不同应用场景下的预测性能均优于其他传统模型,预测准确度提升了6.45%~13.56%。

中值互补集合经验模态分解

针对经验模态分解(Empirical mode decomposition,EMD)系列方法存在的模态分裂(Mode splitting,MS)问题,提出中值互补集合经验模态分解(Median complementary ensemble EMD,MCEEMD)算法.通过概率模型量化互补集合经验模态分解(Complementary ensemble EMD,CEEMD)的MS问题,证明了使用中值算子替代算术平均算子对抑制MS的有效性.为了兼具抑制MS和残留噪声的性能,MCEEMD算法首次在集合过程中结合了中值和平均算子.具体地,所提方法首先添加N对互补的白噪声至原信号中,并经过EMD分解得到2N组固有模态函数(Intrinsic mode functions,IMFs),然后分别对其中互补相关的IMFs两两取平均得到N组IMFs,最后使用中值算子处理上述N组IMFs得到输出结果.对仿真信号与两个真实案例的分析结果表明,本文提出的MCEEMD方法不仅有效抑制了CEEMD的MS问题,而且避免了单一使用中值算子的两个缺点:分解完备性差和IMFs中存在的毛刺现象.

基于改进集成经验模态分解和高斯过程回归的锂离子电池剩余容量及寿命预测方法

锂离子电池在储能电站中为消纳可再生能源作出了重要贡献,其运行的稳定性和可靠性受到了研究人员的持续关注。为了解决锂离子电池容量及剩余寿命的预测和抑制测量过程中因各种外界因素引起的噪声,提出了一种基于改进的集成经验模态分解MEEMD(Modified Ensemble Empirical Mode Decomposition)去噪和经贝叶斯优化的高斯过程回归BO-GPR(Gaussian process regression optimized by Bayesian optimization algorithm)的锂离子电池容量及剩余寿命预测方法。利用MEEMD方法识别并去除原始测量数据中的噪声分量。利用BO-GPR方法预测锂离子电池容量及剩余寿命,其中贝叶斯优化方法对高斯过程回归的部分超参数进行了进一步寻优。文章基于美国国家航空航天局研究中心提供的锂离子电池测量数据进行了预测实验,结果表明,该方法能够有效去除噪声信号,选取的协方差函数和超参数组合达成的预测效果优于初始GPR模型,证明了其有效性。

改进复合插值包络经验模态分解的滚动轴承故障特征提取方法

针对复合插值包络经验模态分解(CIEEMD)方法存在非平稳系数阈值无法自适应确定的问题,提出了一种改进复合插值包络经验模态分解(ICIEEMD)方法。首先,以边长为ε的网格覆盖振动信号求出其分形盒维数,实现信号非平稳阈值自适应选取,分解得到若干固有模态函数(IMF);其次,结合互相关系数、时域峭度和包络谱峭度建立互相关系数-TE峭度(C-indexTE)复合指标,筛选出有效IMF分量并重构信号,使用Teager能量算子解调获得重构信号的能量谱,实现滚动轴承故障特征提取;最后,基于仿真信号和实验台滚动轴承数据集进行实验分析,与CIEEMD方法和谱峭度法相比,所提方法能够提取出更加清晰的故障特征频率,证明了所提方法的可行性和有效性。

基于改进的集合经验模态分解的爆破振动信号趋势项消除方法

针对实测爆破振动信号中存在的趋势项干扰问题,基于改进的集合经验模态分解,提出一种趋势项消除方法,并进行了模拟信号的仿真计算和爆破振动信号的实例分析.信号仿真计算结果显示:对于持续振动信号,该方法的趋势项提取结果与已有的基于经验模态分解或集合经验模态分解的趋势项消除方法较为接近;但当测试信号呈间歇振动时,该方法对趋势项的提取更为充分,体现了其对分段爆破振动信号中趋势项消除的优越性和适用性.同时,爆破振动速度信号的实例分析验证了该方法在实际应用过程中的可靠性.

基于经验模态分解和改进小波软阈值降噪法的电站信号降噪研究

在对电站各类信号进行故障诊断时,由于其所处的复杂工作环境,采集设备得到的信号中经常包含背景中强噪声干扰,导致在后续信号关键特征的识别和处理时会出现较大困难。为降低噪声的影响,本文将经验模态分解与改进小波软阈值降噪法相结合进行电站信号的处理并进行了方法有效性验证。该方法的主要流程如下:首先,将信号进行经验模态分解,分离出若干个本征模态分量和残差。其次,对其与原始信号进行互相关分析,识别有用信号主导的分量和噪声主导的分量,并将噪声信号主导的分量进行改进小波软阈值降噪法处理后,将其与有用信号分量和残差进行重构。最后,将经验模态分解和改进小波软阈值降噪法降噪处理后的信号与传统只采用小波阈值降噪法处理后的信号进行评价,结果表明本文方法的信噪比更高、均方根误差更小、相关系数更高、平滑度更好,可有效消除背景噪声的影响。

基于改进的集合经验模态方法振动信号分解

针对集合经验模态分解(EEMD)中2个重要参数白噪声幅值系数和集合平均次数的优化问题,提出了一种基于变步长模式搜索的集合经验模态方法.该方法以EEMD期望的分解误差设定值为目标,利用自适应EEMD得到的白噪声幅值系数为初值,对不同振动信号能够自动获取合适的EEMD参数,解决模态混叠问题.仿真实验和工程案例验证结果表明:与传统EEMD和自适应EEMD相比,基于变步长模式搜索的EEMD方法具有更高的分解精度及更快的运算效率.

改进的自适应噪声总体集合经验模态分解在光谱信号去噪中的应用

针对近红外无创血糖检测过程中噪声对血糖浓度模型精度和稳定性的影响,提出用自适应噪声总体集合经验模态分解方法实现近红外光谱信号的去噪;同时,根据原始信号曲率和分解后本征模态函数(IMFs)曲率间的离散弗雷歇距离选择相关模态。首先,将自适应噪声的总体集合经验模态分解方法引入近红外光谱去噪过程,介绍了经验模态分解、集合经验模态分解、互补集合经验模态分解及自适应噪声总体集合经验模态分解的基本原理及具体实现过程。然后,应用基于曲率和离散弗雷歇距离的自适应噪声总体集合经验模态分解改进算法对仿真信号和光谱信号进行去噪,并将其标准差和信噪比作为评价指标。实验结果表明:应用提出的方法得到的血糖浓度近红外光谱数据其标准差为0.179 4,信噪比为19.117 5dB,实现了信号与噪声的分离,改善了重构信号质量,具有良好的自适应性,可以有效识别并提取有用信息。

基于集合经验模态分解的微电网混合储能优化配置

为了平抑微电网联络线功率,该文采用磷酸铁锂电池与超级电容组合的方式进行微电网混合储能优化配置。首先,根据电网调度安排,将微电网净负荷分解为联络线功率与混合储能系统总功率。其次,通过集合经验模态分解将混合储能总功率分解为锂电池平抑的低频分量与超级电容平抑的高频分量,并建立混合储能的等年值成本、平抑联络线功率、能量供需平衡目标函数,采用自适应粒子群算法求解混合储能容量。根据储能的荷电状态,采用模糊控制算法对锂电池、超级电容的充放电功率进行二次修正,保证储能系统的长期运行。基于某并网型微电网进行算例分析,仿真验证该方法的经济性与有效性。

基于集合经验模态分解降噪和优化LSTM的道路交通事故预测

道路交通事故精准预测是有效提升交通安全的重要手段,由于事故数据经常呈现非线性、波动性、无周期性等特征,现有的算法存在预测效果不佳的问题。为此本文提出基于集合经验模态分解降噪算法(ensemble empirical mode decomposition,EEMD)和优化长短时记忆神经网络(long short-term memory,LSTM)的交通事故数量预测模型。在单一模型的基础上,引入降噪算法EEMD对噪声大的交通事故时间序列进行降噪处理,利用EEMD对事故时间序列进行分解得到多个子序列和1个残差项;基于粒子群优化算法(particle swarm optimization,PSO)优化LSTM网络结构参数,并在LSTM的最优网络结构下提取数据中的时间特征信息进行预测,对各子序列及残差的预测结果求和得到最终预测结果。研究结果表明:相对于EMD-PSO-LSTM,PSO-LSTM,EEMD-LSTM,LSTM这4个模型,EEMD-PSO-LSTM的预测效果最好,其对应的预测误差e_(rmse)分别降低了8.7%、48.3%、53.1%、57.6%,误差e_(mape)分别降低了12.4%、36.9%、50.6%、61.2%。进一步研究表明,运用EEMD对数据进行降噪预处理能提高预测精度,与PSO-LSTM模型相比,EEMD-PSO-LSTM模型的误差e_(rmse)降低了60.2%,e_(mape)降低了12.4%,判定系数r^(2)提高了0.6165;引入PSO模型优化神经网络结构同样也能有效提升预测效果,与EEMD-LSTM模型相比,EEMD-PSO-LSTM模型的误差e_(rmse)减小了53.1%,e_(mape)降低了50.6%,判定系数r^(2)提高了0.8078。该研究结果能够提高交通事故预测精度,帮助相关部门有效提高道路交通安全水平。