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专利号: 2017105014860
申请人: 重庆科技学院
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2026-05-07
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.共享直饮水水质自适应动态自学习在线监测方法,其特征在于:包括以下步骤:S110根据恒定水箱内水质的影响的控制参数,建立神经网络输入样本集;

S120根据实时测量的恒定水箱内水质指标,建立神经网络输出样本集;

S130将输入样本集和输出样本集进行归一化处理,获得归一化样本集;

S140根据所述归一化样本集构建三层的BP神经网络模型;

S150根据所述三层BP神经网络,运用UKF算法进行网络权值阈值动态调整;

S160对云端服务器上积累的海量数据,利用UKFNN算法进行建模,获取神经网络参数;

S170对实时变化的恒定水箱内水质的影响因素实现实时预测;根据恒定水箱水质实时预测,实现共享直饮水水质自适应动态自学习在线监测;所述恒定水箱内影响水质的控制参数包括,确定影响水箱内水质的影响因素,该影响因素包括:直饮水机滤芯性能、地区ID号码、直饮水机累计用水量、水箱内水温历史温度实时数据、实时水箱出水口处开关状态;

根据实时测量的恒定水箱内水质指标,建立神经网络输出样本集,包括:通过定期质检员巡检,抽取水箱内饮用水水样进行水质指标检测并实时传输到云端服务器,即获得神经网络输出样本集;

在所述步骤S150,

三层BP神经网络包括(M-s1-l)的拓扑结构,隐含层激发函数为s型函数,输出层为线性函数;输入层神经元数为M个,隐含层节点数由经验公式 所得,M,s1,l分别表示表输入层、隐含层、输出层的神经元个数,α为1-10的常数,输出层节点数为4个,则建立初始模型为:其中, 分别代表输入层与隐含层的连接权值、隐含层和输出层的连接权值、隐含层阈值,输出层阈值; 表示归一化的样本,i,j均为变量下标;函数f()为S型函数;

利用UKFNN算法对云端服务器存储的海量数据进行建模,获取神经网络参数具体包括以下子步骤:第 一 步 :设 B P 神 经 网 络 ,输 入 层 至 隐 含 层 神 经 元 的 连 接 权 值阈值为 隐含层至输出层的连接权值阈值为 则UKF神经网络中所有权值和阈值组成

的状态矩阵I为:

设I中的个数为n个值;设定非线性方程:

Ik表示k时刻状态变量,Ik+1表示(k+1)时刻状态变量,ωk,νk, 分别表示观测噪声,测量非线性方程,测量噪声;

其中,Xk为k时刻的神经网络输入样本;令ωk=0,vk=0,Yk为神经网络输出样本;

第二步:设定UKF计算过程中控制采样点的分布状态参数a、待选参数κ;

第三步:计算2n+1个σ点以及σ点的相应权重,其中,n为状态矩阵I的维度,λ=a2(n+κ)-n;σ表示sigma采样点,λ为缩放比例参数;

第四步:计算σ点的一步状态预测 及状态变量协方差Pk+1|k;

第五步:计算输出的一步提前预测以及协方差

第六步:进行滤波更新获取新的状态矩阵、协方差矩阵、增益矩阵;

第七步:对获取的新样本数据重新进行第二步至第六步,直至所有样本对状态矩阵、协方差矩阵、增益矩阵进行了更新;

第八步:对最后一组样本得到状态矩阵I作为前馈神经网络训练得到的权值和阈值;

第九步:根据获得网络参数各层权值、阈值,利用UKF神经网络构建的函数模型。

2.根据权利要求1所述的共享直饮水水质自适应动态自学习在线监测方法,其特征在于:所述步骤S120后还包括预处理步骤,所述预处理步骤具体为:将构建的建模输入样本集进行主元提取,并获得新样本集。

3.根据权利要求2所述的共享直饮水水质自适应动态自学习在线监测方法,其特征在于:利用主元分析算法对状态变量X进行主元提取,构建新的状态变量X′={xz1,xz2,…,xzm},X′为m个状态主元分量,每个状态主元分量的维度与输入中的训练样本的数量相同。

4.根据权利要求1所述的共享直饮水水质自适应动态自学习在线监测方法,其特征在于:所述步骤S150中,动态调整权值阈值算法流程如下:

1)对所述状态矩阵I进行Sigma采样,获得2n+1个采样点,初始化控制2n+1个采样点的分布状态参数α、待选参数κ,以及非负权系数β,对状态矩阵I的Sigma采样如下:其中, 为(k-1)时刻的最优状态变量估计的第i列,n为状态矩阵维度,pk-1为(k-1)时刻的最优状态变量的协方差,Ik-1为(K-1)时刻的状态变量,λ为缩放比例参数;

2)计算每个采样点的权重,每个采样点的权重如下:

其中,Wc为计算状态变量的协方差的权重,Wm为计算状态估计和观测预测时的权重,是 的第一列, 是 的第一列;

3)通过离散时间非线性系统的状态方程将每个采样点的(k-1)时刻的最优状态变量的状态估计变换为k时刻的状态变量的状态估计 并通过合并k时刻的状态估计 的向量,获得k时刻的状态变量的状态先验估计 和协方差Pk|k-1;其中,所述状态估计 为:

F()表示状态方程

其中,wk的协方差矩阵Qk为cov(ωk,ωj)=Qkδkj, wj表示状态噪声,cov(ωk,ωj)表示状态噪声协方差;

所述状态先验估计 为:

所述状态变量的协方差Pk|k-1为:

4)通过离散时间非线性系统的观测方程建立k时刻的状态变量的状态估计 和k时刻的观测预测估计 之间的联系以完成观测预测,并估计k时刻的观测预测的协方差所述k时刻的观测预测估计 为:最终状态变量估计为:

其中,νk的协方差矩阵Rk为cov(vk,vj)=Rkδkj, vj表示测量噪声;g(),f()分别表示神经网络输出层激发函数,隐含层激发函数;

所述k时刻的观测预测的协方差 为:

5)计算k时刻的状态变量和观测预测之间的协方差Pxy,k:

6)通过建立协方差Pxy,k和协方差 的关系,更新k时刻的状态变量的状态估计和协方差,获得k时刻的最优状态变量;

7)将获得的k时刻的最优状态变量代入步骤1)重新进行sigma采样,循环步骤1)-6),获得所述神经网络模型的最优状态变量;

其中,步骤6)中的通过建立协方差Pxy,k和协方差 的关系,更新k时刻的状态变量的状态估计和协方差,获得k时刻的最优状态变量,其中,Kk为增益矩阵,以此实现更新k时刻的最优状态变量的状态估计和更新k时刻的状态变量的协方差Pk;

更新后的k时刻的最优状态变量的状态估计Ik|k为:更新后的k时刻的状态变量的协方差Pk为:

将更新后的k时刻的状态变量的状态估计Ik和协方差Pk作为k时刻的最优状态变量。