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。

基于完全自适应噪声集合经验模态分解的短时交通流组合预测

为了提高短时交通流预测的准确性,鉴于短时交通流非平稳、难预测的特征,提出了基于完全自适应噪声集合经验模态分解(CEEMDAN)短时交通流组合预测方法。利用CEEMDAN将原始短时交通流信号进行分解得多个复杂度、频率不同的时间序列分量,利用排列熵算法(PE算法)计算各分量的复杂度;然后根据复杂度和随机性的不同分为高频和低频,分别使用ATT-TCN-BIGRU模型和ARIMA模型对高频分量和低频分量进行预测,最后叠加高频和低频的每个分量预测结果作为最终短时交通流预测值。仿真分析结果表明:与ARIMA模型、TCN模型、BIGRU模型、ATT-TCN-BIGRU模型相比,此模型的平均绝对误差及平均绝对百分比误差为最小,预测精度更高。

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。

一种添加部分自适应噪声的集成经验模态分解方法

为了解决集成经验模态分解(EEMD)及其改进形式中普遍存在的噪声量和计算量需求大的问题,统计分析了白噪声内涵模态函数(IMF)的极值点和能量变化规律,总结出白噪声IMF极值点数随长度和阶数变化的经验公式。发现白噪声的高阶IMF不能有效调整信号的极值点分布,提出添加部分自适应噪声的集成经验模态分解(EEMDPAN)。相比于自适应噪声完全集成经验模态分解(CEEMDAN),EEMDPAN有2点改进:不使用全部独立的自适应噪声,而使用成对相加为0的互补自适应噪声;不添加全部阶的自适应噪声,而是在中间的某一阶停止,而后使用经典EMD方法。对2个人工信号进行分解,实验证明,EEMDPAN很好地继承了EEMD抑制模态混叠的能力,相比于CEEMDAN,计算量降低至1/3,并且分解结果的低阶成分信号附加噪声更小,高阶成分信号可信度更高。

基于自适应噪声完全集合经验模态分解算法和Hurst指数的地震数据去噪方法

在地震观测中,地震数据中普遍包含有噪声信号。由于噪声信号的干扰,地震分析的效率会受到不同程度的影响。传统的去噪方法通常需要噪声的先验知识,并且滤波时会造成部分有效信号丢失。针对这一问题,本文提出一种将自适应噪声完全集合经验模态分解(CEEMDAN)算法与Hurst指数相结合的地震数据去噪方法。首先通过CEEMDAN方法将信号分解为一系列本征模函数(IMF),然后利用Hurst指数对滤波后的IMF分量进行识别,最后对地震数据IMF分量进行重构,从而实现数据去噪。与传统方法的去噪效果对比表明,本文方法可将低信噪比波形的去噪效果提高32%,将高信噪比波形的去噪效果提高6倍。同时对地磁数据的去噪结果表明,本文方法能够较完整地将地铁噪声从地磁信号波形中滤除。

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。

基于自适应噪声完整聚合经验模态分解-极限学习机的短期血糖预测

糖尿病患者的血糖浓度时间序列具有时变、非线性和非平稳的特点,为提高血糖预测精度,提出一种自适应噪声的完整聚合经验模态分解(CEEMDAN)与极限学习机(ELM)相结合的短期血糖预测模型。首先,利用CEEMDAN方法将患者的血糖浓度时间序列进行分解,得到不同频段的血糖分量IMF(本征模态函数)和残余分量,以降低血糖时间序列的非平稳性;然后对各血糖分量IMF和残余分量分别构建极限学习机,并将各极限学习机的预测结果融合,获得患者未来血糖浓度的预测值,提高预测精度;在此基础上,进行低血糖预警。利用从河南省人民医院内分泌科采集的56例患者的数据进行模型检验,结果表明:与ELM模型和EMD-ELM模型相比,CEEMDAN-ELM短期血糖预测模型提前45 min的预测仍可达到较高预测水平(RMSE=0.205 1,MAPE=2.116 4%);低血糖预警虚警率和漏警率分别为0.97%和7.55%。血糖预测时间的延长,可以为医生和患者提供充足时间进行血糖浓度控制,提高糖尿病治疗的效果。

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.

基于互补自适应噪声的集合经验模式分解算法

经验模式分解(EMD)及其改进算法作为实用的信号处理方法至今仍然缺少严格的数学理论。该文尝试从数学理论上分析集合经验模式分解和自适应噪声集合经验模式分解的重构误差,推导了总体残留噪声的计算公式。针对自适应噪声集合经验模式分解在每一层固有模态分量上仍然存在残留噪声的问题,在分解过程中添加成对的正负噪声分量,提出一种基于互补自适应噪声的集合经验模式分解算法。实验结果表明,相比于集合经验模式分解和自适应噪声集合经验模式分解,所提的方法能够明显地减少每一层固有模态分量中残留的噪声,拥有较好的信号重构精度和更快的分解速度。

自适应噪声均值优选集成经验模态分解及其在滚动轴承故障诊断中的应用

为了提高自适应噪声完备经验模态分解(complete ensemble empirical mode decomposition with adaptive noise, CEEMDAN)的分解能力和分解精度,解决CEEMDAN方法中噪声残留等问题,提出了一种改进的CEEMDAN方法——自适应噪声均值优选集成经验模态分解(mean-optimized ensemble empirical mode decomposition with adaptive noise, MEEMDAN)。MEEMDAN在迭代筛分过程中引入不同的权重,以正交性指标最小为依据,从不同权重下的分解结果中选取最优模态函数(IMF),确保了每一阶的IMF分量都是整体最优。通过仿真分析验证了MEEMDAN方法在分解能力和分解精度方面优于CEEMDAN方法。同时,将MEEMDAN和最大相关峭度反褶积相结合,并应用于滚动轴承仿真数据和实测数据分析,结果表明,与现有方法相比,所提方法能够更为准确地提取出故障特征频率,且在分解能力和抑制干扰频率方面更具有优越性。

基于完全自适应噪声集合经验模态分解与小波变换相结合的GPS/BDS-3多路径误差削弱研究

多路径误差是GNSS短基线相对定位过程中主要的误差源,已经影响定位的精度。针对经验模态分解(EMD)存在断点效应和模态混叠问题,提出了一种基于完全自适应噪声集合经验模态分解(CEEMDAN)-小波变换(WT)的提取GNSS多路径的方法。通过两天的GPS/BDS-3的实测数据处理分析,实验结果表明,采用CEEMDAN-WT提取多路径相关系数高于小波分析、经验模态分解(EMD),实时削弱多路径误差中使用CEEMDAN-WT比其他两者方法效果更好。

雨刮-风窗摩擦噪声声品质主动控制自适应均衡算法

雨刮-风窗摩擦噪声是影响车内声品质的重要因素之一,对其声品质主动控制有利于改善车内声学环境。为了实现对雨刮-风窗摩擦噪声声品质主动控制,提出一种基于集合经验模态分解的权重约束自适应噪声均衡(ensemble-empirical-mode-decomposition weight constrained adaptive noise equalizer,EWCANE)算法。首先通过集合经验模态分解(ensemble empirical mode decomposition,EEMD)方法分解雨刮-风窗摩擦噪声得到非平稳度较低的固有模式函数分量,计算各分量的方差比以表征各分量对噪声的影响程度;然后基于输入信号和误差信号的欧式范数以自适应对滤波器权重进行约束来降低噪声的瞬态冲击;最后根据方差比调整声音增益因子以均衡各分量的声品质主动控制。经过仿真验证,实车雨刮-风窗摩擦噪声信号响度得到有效降低,改善了雨刮-风窗摩擦噪声的声品质。

基于改进型集合经验模态分解的谐波检测方法

由于大功率器件使用,造成电网中有大量谐波,威胁设备的安全。本文提出运用改进型集合经验模态(Ensembel Empirical Mode Decomposition,EEMD)算法来检测电力系统谐波。首先,针对在EEMD分解过程中,由于白噪声信号的添加,势必会对各模态函数造成影响,提出添加正负幅值相反的白噪声信号,以消除其带来的弊端。其次,运用施密特正交化理论,对各个模态函数进行正交化,从而避免模态混叠现象,提高了谐波检测精度。最后,经过与其它检测方法的仿真对比,证明了本文所述方法具有较高的检测精度。

基于二次模态分解的LSTM短期电力负荷预测

为进一步提高短期电力负荷的预测精度,需要更深层次发掘负荷数据中隐藏的非线性关系。提出一种基于信号分解技术的二次模态分解的长短期记忆神经网络(long short-term memory network, LSTM)用于电力负荷的短期预测。所提算法先对原始负荷序列进行自适应噪声的完全集合经验模态分解(complete ensemble empirical mode decomposition with adaptive noise, CEEMDAN),再将CEEMDAN分解后分量中的强非平稳分量进行变分模态分解(variational mode decomposition, VMD),同时用中心频率法对VMD分解个数进行优化,然后将两次分解后得到的负荷子序列送入LSTM中进行预测,并将所得分量预测结果进行叠加。结果表明,本文所提方法对短期电力负荷预测结果精度和模型性能都有较大提升。

基于模态分解和机器学习的水平辐照度预测方法研究

光伏电站日渐发展成为新能源的焦点,准确、可靠的水平辐照度(GHI)预测是解决光伏电站相关问题的方法之一。因此,提出了一种有效的混合模型CEEMDAN-RF-LGBM-XGB,用于预测每小时的水平辐照度。首先,完全自适应噪声集合经验模态分解(CEEMDAN)将非线性和非平稳性的气象变量序列分解为若干个模态函数,依据对水平辐照度的影响程度,随机森林将分解的模态函数进行特征提取,降低数据复杂度,达到降维的目的,完全自适应噪声集合经验模态分解和随机森林相结合得到一组简单且信息量丰富的影响因子。其次,利用轻量级梯度提升机算法对中国三个不同气候地区的水平辐照度进行预测,得到初始的水平辐照度预测值。针对预测模型训练中产生的固有误差,引入极致梯度提升算法进行误差修正,提升模型的预测性能。针对一些混合模型和独立模型对所提模型的性能进行了测试。测试结果显示,最小%RMSE (%MAE)提高了23.14% (24.45%)。实验结果证明所提出的模型具有最高的预测精度,且提出的混合结构模型均提高了单一模型的预测能力。

改进的噪声总体集合经验模式分解方法在轴承故障诊断中的应用

在复杂的流程工业中,机械设备往往处在高速、重载、高温、高辐射的环境中,轴承作为主要的机械零部件起着重要作用。由于轴承故障振动信号的微弱和不平稳的特性,造成故障特征向量提取和故障诊断存在着困难。提出一种改进的CEEMDAN(Improved Complete Ensemble Empirical Mode Decomposition with Adaptive Noise,ICEEMDAN)轴承故障诊断方法。通过对比分析仿真信号和实测信号可以得知:ICEEMDAN方法可以改善信号重构质量,具有良好的自适应性,能够提高故障信号的信噪比,从而可以有效地识别并提取有用的故障特征信息。

白条猪价格预测模型构建

【目的】增强农产品价格预测准确度,为农产品价格的有效预测提供参考。【方法】以河南省白条猪每周平均批发价格为研究对象,提出一种基于序列分解、主成分分析和神经网络(CEEMDAN-PCA-CNN-LSTM)的白条猪价格预测方法。首先,使用自适应白噪声完全集合模态分解方法(CEEMDAN)对白条猪价格序列进行分解;其次,选用皮尔逊相关系数筛选影响价格波动的相关因素;再次,利用主成分分析(PCA)对影响因素及分解得到的子序列降维处理并作为原始价格序列的特征值,并行输入到作为编码器的卷积神经网络(CNN)中进行特征提取;最后,引入长短期记忆网络(LSTM)作为解码器输出得到预测结果。将该方法应用于河南省白条猪每周平均价格数据,与LSTM、门控循环单元(GRU)、CNN、基于卷积的长短期记忆网络(ConvLSTM)模型进行比较。【结果】CEEMDAN-PCA-CNN-LSTM组合模型预测方法得到的平均绝对误差分别降低了44.95%、27.30%、28.13%、43.17%。【结论】CEEMDAN-PCA-CNN-LSTM模型对于河南省白条猪市场价格的预测性能更优,有助于相关部门针对河南省白条猪价格波动做出科学决策。

基于ICEEMDAN和分布熵的SS-Y伸缩仪信号随机噪声压制方法

结合改进的自适应噪声完备集合经验模态分解(ICEEMDAN)与分布熵(DistEn),提出一种无需自定义算法参数、去噪效果较好的伸缩仪信号随机噪声压制方法。首先将伸缩仪信号进行ICEEMDAN处理,得到若干个本征模态函数(IMF);然后计算各IMF分量的分布熵值,根据不同分布熵值的大小和表征的分量信号混乱程度,有针对性地对各IMF进行取舍;最后进行线性重构。设计仿真信号去噪实验和SS-Y伸缩仪信号去噪实验,结果表明,基于ICEEMDAN-DistEn去噪模型的伸缩仪信号重构还原度较好,去噪效果显著,明显优于CEEMDAN-DistEn、小波去噪和卡尔曼滤波等去噪模型。

融合 OCEEMDAN的多模态互量纲一化与宽度学习改进的智能故障诊断

滚动轴承作为旋转机械的重要组成部分,在恶劣环境运行导致振动信号具有非线性和非平稳的特点,使得区分故障信号和正常信号变得困难。针对此,提出一种结合多模态互量纲一化(MMDI)与宽度学习系统(BLS)的智能故障诊断方法。通过优化完全自适应噪声集合经验模态(OCEEMDAN)与小波阈值对轴承观测信号进行分解处理,对有效的本征模态函数(IMF)重构并提取MDI,构建了一批MMDI;采用反向传播算法(BP)与堆叠模块方式优化BLS,改进的BLS算法能够快速识别不同的故障类型;最后通过凯斯西储大学轴承数据中心与某实验室提供的轴承数据集对所提方法进行验证,平均准确率分别为99.8%与100%,验证了方法的有效性。

基于CEEMDAN-WP-SSA的GPS/BDS-RTK多路径噪声抑制方法

针对GNSS-RTK技术在复杂环境下的多路径效应误差和随机噪声难以消除的问题,提出一种自适应完备集合经验模态分解(CEEMDAN)、小波包(WP)去噪和奇异谱分析(SSA)结合的联合去噪方法,来消除基线坐标序列的噪声影响,在此基础上构建适用于GPS/BDS组合的恒星日滤波模型。首先采用CEEMDAN方法将原始信号分解成若干个特征模态函数(IMF),使用排列熵区分高频和低频分量,然后分别利用WP和SSA对高频信号和低频信号进行去噪,最后重构去噪后信号并通过恒星日滤波削弱后续坐标序列里的多路径误差。实验结果表明,基于CEEMDAN-WP-SSA构建的恒星日滤波模型能够很好的去除随机噪声以及削弱多路径误差影响,与CEEMDAN和CEEMDAN-WP方法相比,文中方法东(E)、北(N)、高程(U)3个方向的定位精度分别提升约17%、23.6%、13.6%和17%、19.8%、10%。