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专利号: 2022111262534
申请人: 南京信息工程大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2026-08-19
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.基于EEMD和Seq‑to‑Seq模型的海浪波高预报方法,其特征在于,包括以下步骤:获取数据步骤:选取浪高数据集;

数据预处理步骤:对浪高数据集中的缺失数据进行补全后进行归一化处理,得到预处理后的浪高数据集;

EEMD分解步骤:将预处理后的浪高数据集进行EEMD分解,得到分解后的基本模态分量IMF;

数据划分步骤:按照一定比例将分解后的基本模态分量IMF进行训练数据集和测试数据集的划分,得到训练数据集和测试数据集;

网络训练步骤:利用训练数据集的数据对网络进行训练,训练所使用的损失函数为预测结果和真实值之间的均方误差MSE,通过梯度下降法进行反向传播,更新网络中的可训练参数;

训练结束判定步骤:判断训练的网络是否满足参数要求,若为否,则返回训练数据集选取步骤;若为是,则结束网络训练步骤,输出训练好的基于LSTM和注意力机制的Seq‑to‑Seq模型;

浪高数据预测步骤:向训练好的基于LSTM和注意力机制的Seq‑to‑Seq模型输入测试数据集,每个分解后的基本模态分量IMF,得到预测值分量,最后所有分解后的基本模态分量IMF上的预测结果求和,得到预测的海浪波高值。

2.根据权利要求1所述的基于EEMD和Seq‑to‑Seq模型的海浪波高预报方法,其特征在于,数据预处理步骤中的归一化处理的公式如下:

其中,XN是归一化后的结果,X代表输入数据。

3.根据权利要求2所述的基于EEMD和Seq‑to‑Seq模型的海浪波高预报方法,其特征在于,EEMD分解步骤中,EEMD分解步骤具体如下:

S101输入浪高数据,并且初始化试验次数M;

th

S102在m 次试验中,在原始数据x(t)中添加白噪声序列nm(t),公式为:xm=x(t)+nm(t)       (2)

th

S103对新得到的数据xm(t)进行EMD分解,得到的基本模态分量IMFj记为Cj,m,Cj,m为m 次试验中的第j个IMF;

S104判断是否为第M次试验,若不是则重复第S102‑S103,每次重复添加不同的白噪声;

对所有试验的IMF取平均得到IMF均值,如公式所示:

其中,IMFj表示为EMD分解的第j个IMF均值。

4.根据权利要求1所述的基于EEMD和Seq‑to‑Seq模型的海浪波高预报方法,其特征在于,网络训练步骤中的模型为基于LSTM与注意力机制结合的Seq‑to‑Seq模型结构,具有j个时间步的LSTM编码器输出每个时间步的结果,与LSTM解码器输出的第i‑1个时间步进行注意力值的计算,得出的结果作为第i个时间步的解码器LSTM的输入,i表示预测的第i个时刻。

5.根据权利要求4所述的基于EEMD和Seq‑to‑Seq模型的海浪波高预报方法,其特征在于,训练结束判定步骤中,编码器与解码器所使用的LSTM层均使用100个神经元,在解码器之后均使用一个神经元个数为1的全连接层作为输出,输出值的范围在[0,+∞];

模型所使用的损失函数为均方误差MSE,使用Adam优化器,学习率设置为0.001。

6.根据权利要求5所述的基于EEMD和Seq‑to‑Seq模型的海浪波高预报方法,其特征在于,训练结束判定步骤中MSE的公式如下:

其中,ypre为预测值,ytrue为真实值,n为预测样本总数量。

7.根据权利要求1所述的基于EEMD和Seq‑to‑Seq模型的海浪波高预报方法,其特征在于,训练结束判定步骤之后还包括模型性能评估步骤,具体内容为:

利用LSTM和注意力机制,以预测未来3至72小时为基准,以RMSE,MAE,MAPE,Pearson为评价指标验证基于LSTM和注意力机制的Seq‑to‑Seq模型的性能。

8.根据权利要求1所述的基于EEMD和Seq‑to‑Seq模型的海浪波高预报方法,其特征在于,数据划分步骤中,将分解后的基本模态分量IMF的前75%为训练数据集,分解后的基本模态分量IMF的后25%为测试数据集。

9.基于EEMD和Seq‑to‑Seq模型的海浪波高预报系统,其特征在于应用权利要求1‑8任一项所述的基于EEMD和Seq‑to‑Seq模型的海浪波高预报方法,包括:数据获取模块、数据预处理模块、EEMD模块、数据划分模块、网络训练模块、基于LSTM和注意力机制的Seq‑to‑Seq预测模块和浪高数据预测值输出模块;

数据获取模块,用于选取浪高数据集;

数据预处理模块,与数据获取模块的输出端连接,用于对浪高数据集中的缺失数据进行补全后进行归一化处理,得到预处理后的浪高数据集;

EEMD模块,与数据预处理模块的输出端连接,用于将预处理后的浪高数据集进行EEMD分解,得到分解后的基本模态分量IMF;

数据划分模块,与EEMD模块的输出端连接,用于按照一定比例将分解后的基本模态分量IMF进行训练数据集和测试数据集的划分,得到训练数据集和测试数据集;

网络训练模块,与数据划分模块的第一输出端连接,用于利用训练数据集的数据对网络进行训练,训练所使用的损失函数为预测结果和真实值之间的均方误差MSE,通过梯度下降法进行反向传播,更新网络中的可训练参数;判断训练的网络是否满足参数要求,若为否,则返回训练数据集选取步骤;若为是,则结束网络训练步骤,输出训练好的基于LSTM和注意力机制的Seq‑to‑Seq模型;并输出训练好的基于LSTM和注意力机制的Seq‑to‑Seq模型;

基于LSTM和注意力机制的Seq‑to‑Seq预测模块,与数据划分模块的第二输出端连接,用于向训练好的基于LSTM和注意力机制的Seq‑to‑Seq模型输入测试数据集,每个分解后的基本模态分量IMF,得到预测值分量,最后所有分解后的基本模态分量IMF上的预测结果求和,得到预测的海浪波高值;

浪高数据预测值输出模块,与基于LSTM和注意力机制的Seq‑to‑Seq预测模块的输出端连接,用于输出得到的预测的海浪波高值。

10.根据权利要求9所述的基于EEMD和Seq‑to‑Seq模型的海浪波高预报方法,其特征在于,还包括模型性能评估模块,与基于LSTM和注意力机制的Seq‑to‑Seq预测模块的输出端连接,用于验证基于LSTM和注意力机制的Seq‑to‑Seq模型的性能。