1.一种离岸流和海洋生物异常数据检测系统,其特征在于,包括检测模块、存储器、处理器、控制器、报警器、电源模块,所述检测模块包括红外线传感器、超声波传感器;
所述红外线传感器、超声波传感器与所述存储器连接,处理器通过将采集的传感器数据与存储器中预存的数据进行比对,检测出异常的离岸流情况和海洋生物行为,识别出不寻常的水流模式和海洋生物活动,及时通过报警器发出警报信号;所述电源模块为所述检测系统进行供电;
所述处理器中根据采集到的数据,基于VMD‑RBF算法识别离岸流和海洋生物的数据是否异常;所述处理器中设置的目标函数为:其中,yi为VMD‑RBF算法的实际输出值,Aρ,Aθ为k时段离岸流的测量值与海洋生物的检测结果, 为离岸流的测量值与海洋生物的检测结果的阈值;若γ≤1,则数据正常,反之则此阶段离岸流与海洋生物出现异常,需要进行报警提醒;
基于VMD‑RBF算法识别离岸流和海洋生物的数据是否异常,VMD‑RBF算法的具体操作为:S1:对传感器获取的信号用小波包阈值去噪进行初步降噪处理;
S2:利用VMD算法对降噪处理后的k时段离岸流的测量值与海洋生物的检测结果进行初步处理,对去噪后的信号进行VMD分解为若干本征模态函数IMF,用观察中心频率法确定参数K,将信号自适应分解为若干本征模态函数,由频率蕴含度高转化为不同中心频率和有限模态带宽,每阶IMF为一个非平稳调幅调频信号,即uk(t)=Ak(t)cos(Φk(t))
其中:Φk(t)为相位,满足Φk(t)≥0;Ak(t)≥0为信号uk(t)的瞬时幅值;
S3:利用RBF神经网络算法,对传感器获取的信号进行特征提取,将中心频率构造的特征向量训练神经网络,进行信号的识别;将不同位置的信号的能量特征向量训练神经网络,进行定位;具体的:将RBF作为隐单元的基构造隐含层空间,将输入矢量直接映射至隐空间,当RBF的中心点确定后,映射关系也得到确定;网络的输出层是隐含层输出的线性加权;由输入层、隐含层和输出层构成,输入层、隐含层及输出层的节点个数分别为m、n和p,神经网络输入层只是T把信号输入到网络,设模型输入向量为x=(x1,x2,...,xm),隐含层的神经元激活函数由径向基函数构成,其输出由非线性激活函数hj,j=1,2,···,n表示为:其中:cj为隐含层第j个节点的中心向量;||x‑cj||为二者之间的欧式距离;bj为一个正的标量,表示高斯基函数的宽度;
将激活函数改为多变量正态密度函数:
T ‑1
M=E[(x‑cj) (x‑cj)]
其中:M为输入协方差阵的逆;
输出层为隐含层输出的线性加权:
其中:wji为隐含层到输出层权值;yi,i=1,2,…,p为网络的输出。
2.根据权利要求1所述的一种离岸流和海洋生物异常数据检测系统,其特征在于,所述S2中小波包阈值去噪的具体过程如下:S2.1:对于给定的正交尺度函数μ(t)和小波函数σ(t)存在着二尺度关系:其中:hk、gk为多分辨率分析中的滤波器系数;μ为正交尺度函数;k决定平移幅度;
S2.2:进一步推广二尺度方程,定义如下递推关系:
当n=0时,w0(t)=μ(t),w1(t)=σ(t);
S2.3:由上式构造的序列{wn(t)}即为基函数μ(t)确定的正交小波包族,设函数wn(t)的闭包空间为 则有:小波包分解算法即为 求 与
S2.4:计算得到小波包重构算法为:
其中: 为c层小波包分解得到的第n个频带的第e个变换系数。
3.根据权利要求1所述的一种离岸流和海洋生物异常数据检测系统,其特征在于,所述S3中VMD算法对k时段离岸流的测量值与海洋生物的检测结果进行处理的过程如下:S3.1:通过Hilbert变换和指数修正对所有调幅调频uk(t)进行处理,得到K个IMF分量,分别对应一个中心频率,VMD通过构造约束变分模型获得中心频率和模态带宽,其约束变分模型为:其中: 为对时间t的偏导数;j为虚数单位;uk为第k个IMF分量;ωk为第k个IMF分量的中心频率;δ(t)为单位脉冲函数;*表示卷积运算;f(t)为待分解信号;
S3.2:引入交替方向乘子算法求解约束变分模型,不断更新 和 进行交替迭代寻优,求取扩展的Lagrange函数鞍点,此鞍点即为变分模型的最优解:其中:λ为Lagrange乘子;α为惩罚因子;
S3.3:计算得最优解即为本征模态函数分量 及其各自中心频率当迭代相对误差小于预先设定的门限值ε时,停止迭代,得到迭代结果;
VMD的具体迭代求解步骤如下:1)初始化 2)根据式(2)和式(3)更新uk和ωk;3)更新拉格朗日乘法算子 4)重复执行步
骤2)和步骤3),当满足条件式(4)时,结束循环。
4.根据权利要求1所述的一种离岸流和海洋生物异常数据检测系统,其特征在于,所述控制器根据处理器的分析结果触发报警器,一旦检测到离岸流超过预设的安全阈值或海洋生物出现异常行为,控制器将发送信号给报警器,使其发出声音、光或其他形式的警报信号。
5.根据权利要求1所述的一种离岸流和海洋生物异常数据检测系统,其特征在于,还包括通讯设备、监测中心,所述通讯设备采用无线或有线通信方式将采集到的数据和报警信息传输到监测中心;
电源模块能够为装置提供稳定的电力供应,并监测电量情况,电源模块包括电池,确保装置能够持续运行,同时,电源模块能够监测电量水平,并在电源模块电量过低时向监测中心发送电量报警,以提醒相关人员及时维护和更换电源,保证装置的正常运行。