專利名稱：一種實時采樣數(shù)據(jù)的平滑統(tǒng)計方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及實時采樣數(shù)據(jù)的處理方法，尤其涉及實時采樣數(shù)據(jù)的平滑統(tǒng)計方法。
現(xiàn)有的一些統(tǒng)計平滑處理方法都很難做到用極小的時間和空間開銷達到很好的統(tǒng)計平滑效果。如直接上報采樣數(shù)據(jù)法每個采樣周期直接上報本周期采樣數(shù)據(jù)的瞬時值。但由于采樣數(shù)據(jù)變化常常過于劇烈而失去參考價值。這種方法在某些采樣數(shù)據(jù)比較穩(wěn)定的情況下有應(yīng)用。
定期累加法是采用一個計數(shù)器，在一個合適的間隔內(nèi)用一個累加器對所有的采樣數(shù)據(jù)進行累加，最后上報這個累加值或者平均值，這種開銷很小，容易實現(xiàn)，每次采樣僅僅需要計算一次加法，但是在間隔較長的時候，對統(tǒng)計數(shù)據(jù)的變化過于遲鈍，容易將一些短暫但卻重要的波動抹平甚至忽略。而較短的間隔又可能造成變化過于劇烈而失去參考價值。
滑動窗口法使用一個先進先出(FIFO)的環(huán)型緩沖區(qū)，緩沖最近一段時間的采樣數(shù)據(jù)。每一次采樣，當(dāng)前最新的采樣數(shù)據(jù)都將最老的數(shù)據(jù)淘汰，并且上報緩沖區(qū)中所有數(shù)據(jù)的平均值。為了保證速度，不能每一次采樣都將所有的數(shù)據(jù)重新求和一次，而是將上一次采樣時的累加結(jié)果減去最老的數(shù)據(jù)再加上最新的數(shù)據(jù)作為本次累加結(jié)果。相對于定時累加平均法，這種方法可以連續(xù)地上報采樣數(shù)據(jù)的統(tǒng)計平均值，效果較好，不會丟失突發(fā)的變化，并且也能夠?qū)⒏哳l的劇烈變化抹平，開銷很小。缺點是如果采樣數(shù)據(jù)中偶爾出現(xiàn)一個狹窄劇烈的抖動時，造成的波動會一直持續(xù)到這個尖峰的數(shù)據(jù)被完全淘汰出緩沖區(qū)，并且在該抖動離開緩沖區(qū)的時候再次產(chǎn)生一個假的統(tǒng)計抖動，而此時采樣數(shù)據(jù)可能早已恢復(fù)到正常狀態(tài)了。另外，當(dāng)某些波動周期是窗口尺寸的整數(shù)倍時，此方法的統(tǒng)計數(shù)據(jù)可能會完全看不出來有任何波動。由于需要管理一個FIFO緩沖區(qū)，占用的空間還和時間窗口的長度成正比，對于大多數(shù)通常的應(yīng)用來說就沒有什么吸引力，只有少數(shù)系統(tǒng)實現(xiàn)。
卷積法使用一些好的平滑函數(shù)對采樣數(shù)據(jù)進行卷積運算，可以得到更好的效果。上述的滑動窗口法是卷積法的一個特例，相當(dāng)于采用了一個矩形函數(shù)作為平滑函數(shù)對采樣數(shù)據(jù)進行平滑處理，采用其它特性更好的平滑函數(shù)，可以得到更好的結(jié)果，但是速度太慢，無法連續(xù)進行實時數(shù)據(jù)上報。
為了解決以上技術(shù)問題，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是一種實時采樣數(shù)據(jù)的平滑統(tǒng)計方法，包括以下步驟(1)按采樣周期在第n+1次采樣得到該時刻的采樣數(shù)據(jù)瞬時值Sn+1，(2)對第n+1次采樣數(shù)據(jù)進行平滑統(tǒng)計得到平滑統(tǒng)計數(shù)據(jù)an+1，其特征是，所述的平滑統(tǒng)計數(shù)據(jù)an+1是根據(jù)前一次平滑統(tǒng)計數(shù)據(jù)an、第n+1次采樣數(shù)據(jù)瞬時值Sn+1和根據(jù)需要自行設(shè)定的統(tǒng)計特征時間L三個數(shù)據(jù)進行運算得到的，運算方法為an+1＝(1-e-1/L)Sn+1+e-1/Lan。
所述的通過前一次平滑統(tǒng)計數(shù)據(jù)an、第n+1次采樣數(shù)據(jù)瞬時值Sn+1和根據(jù)需要自行設(shè)定的統(tǒng)計特征時間L三個數(shù)據(jù)進行直接運算得到平滑統(tǒng)計數(shù)據(jù)an+1的運算方法也可近似為an+1＝(Sn+1+Lan)/(L+1)。
在采用了上述技術(shù)方案后，由于在每一個采樣周期僅僅需要利用上一個采樣周期的統(tǒng)計平均值和本次采樣數(shù)據(jù)進行簡單的運算就可以得到當(dāng)前的統(tǒng)計平均值，系統(tǒng)只需要記憶前一次采樣周期的的平滑統(tǒng)計數(shù)據(jù)而不需要象滑動窗口法那樣記憶緩沖區(qū)內(nèi)的所有采樣數(shù)據(jù)，大大節(jié)省了存儲空間；其次，在進行平滑統(tǒng)計時只需進行四步運算而無須象滑動窗口法那樣對位于窗口內(nèi)的采樣數(shù)據(jù)都要進行權(quán)值計算并進行累加的遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于四步的運算，節(jié)省了運算所需要的時間；另外，由于平滑統(tǒng)計中采用的運算方法是根據(jù)采樣數(shù)據(jù)權(quán)值隨經(jīng)過時間的指數(shù)下降的統(tǒng)計方法推導(dǎo)而來的，具有極好的平滑效果；因此本發(fā)明解決了現(xiàn)有技術(shù)中的統(tǒng)計平滑方法不能同時做到實時上報平滑數(shù)據(jù)、時間和空間開銷小、統(tǒng)計平滑效果好的技術(shù)問題。
圖2是采樣數(shù)據(jù)圖。
圖3是利用定期累加法對圖2中的采樣數(shù)據(jù)圖進行平滑統(tǒng)計得到的圖。
圖4是利用滑動窗口法對圖2中的采樣數(shù)據(jù)圖進行平滑統(tǒng)計得到的圖。
圖5是利用本發(fā)明的平滑統(tǒng)計方法對圖2中的采樣數(shù)據(jù)圖進行平滑統(tǒng)計得到的圖。
r值可以這樣確定r=e-1L,]]>L是統(tǒng)計的特征時間，以采樣周期為單位，也就是下圖中當(dāng)前時刻權(quán)值曲線的切線與水平軸交點距離當(dāng)前時刻的長度。L值可以根據(jù)需要進行設(shè)定，一般來說，L值要比采樣值中沒有意義的噪音波動周期長，但是不要比能夠反應(yīng)系統(tǒng)重要變化的周期長太多。采樣越大的L值，統(tǒng)計平均值平滑得越好，但是細(xì)節(jié)就越不明顯。
卷積運算的計算量太大，但是經(jīng)過觀察，很容易注意到an+1=(1-r)(sn+1+r1sn+r2sn-1r3sn-2+…)]]>=(1-r)(sn+1+r(sn+r1sn-1+r2sn-2+…))]]>=(1-r)(sn+1+ran1-r)]]>=(1-r)sn+1+ran]]>我們得到了遞推公式an+1＝(1-r)sn+1+ran…………………………………〔臨界阻尼法計算公式〕這樣我們每一個采樣周期僅僅需要利用上一個采樣周期的統(tǒng)計平均值和本次采樣數(shù)據(jù)，進行一次簡單的運算就可以得到當(dāng)前的統(tǒng)計平均值。
如果你覺得r值的計算公式需要計算浮點指數(shù)函數(shù)，雖然只需要計算一次，但是在某些嵌入式系統(tǒng)中根本就不提供，也可以采用近似值r=LL+1,]]>當(dāng)L＝0時統(tǒng)計平均值就是采樣瞬時值。
從以上看可以提出一種如

圖1所示的實時采樣數(shù)據(jù)的平滑統(tǒng)計方法，包括以下步驟(1)按采樣周期在第n+1次采樣得到該時刻的采樣數(shù)據(jù)瞬時值Sn+1，(2)對第n+1次采樣數(shù)據(jù)進行平滑統(tǒng)計得到平滑統(tǒng)計數(shù)據(jù)an+1，平滑統(tǒng)計數(shù)據(jù)an+1是通過前一次平滑統(tǒng)計數(shù)據(jù)an、第n+1次采樣數(shù)據(jù)瞬時值Sn+1和根據(jù)需要自行設(shè)定的統(tǒng)計特征時間L三個數(shù)據(jù)進行直接運算得到的，運算方法為an+1＝(1-e-1/L)Sn+1+e-1/Lan；運算方法也可近似為an+1＝(Sn+1+Lan)/(L+1)。
從圖2、3、4和5中比較可以看出，定期累加法由于上報數(shù)據(jù)間隔過大，丟失了許多細(xì)節(jié)信息。滑動窗口法在波動周期和窗口寬度相近的時候丟失了波動信息。此外，滑動窗口發(fā)在虛線所示位置上有一個假象，采樣數(shù)據(jù)在該點并沒有明顯波動，只是優(yōu)于一個大的波動在該位置被淘汰，造成了這個假象。臨界阻尼法在一般情況下，效果和滑動窗口法相當(dāng)，少數(shù)情況下效果更好，不會出現(xiàn)假象，也不會丟失重要信息。
權(quán)利要求
1.一種實時采樣數(shù)據(jù)的平滑統(tǒng)計方法，包括以下步驟(1)按采樣周期在第n+1次采樣得到該時刻的采樣數(shù)據(jù)瞬時值Sn+1，(2)對第n+1次采樣數(shù)據(jù)進行平滑統(tǒng)計得到平滑統(tǒng)計數(shù)據(jù)an+1，其特征是，所述的平滑統(tǒng)計數(shù)據(jù)an+1是根據(jù)前一次平滑統(tǒng)計數(shù)據(jù)an、第n+1次采樣數(shù)據(jù)瞬時值Sn+1和根據(jù)需要自行設(shè)定的統(tǒng)計特征時間L三個數(shù)據(jù)進行運算得到的，運算方法為an+1＝(1-e-1/L)Sn+1+e-1/Lan。
2.如權(quán)利要求1所述的實時采樣數(shù)據(jù)的平滑統(tǒng)計方法，其特征是，所述的通過前一次平滑統(tǒng)計數(shù)據(jù)an、第n+1次采樣數(shù)據(jù)瞬時值Sn+1和根據(jù)需要自行設(shè)定的統(tǒng)計時間L三個數(shù)據(jù)進行直接運算得到平滑統(tǒng)計數(shù)據(jù)an+1的的運算方法也可近似為an+1＝(Sn+1+Lan)/(L+1)。
全文摘要
本發(fā)明涉及實時采樣數(shù)據(jù)的平滑統(tǒng)計方法。包括以下步驟(1)按采樣周期在第n+1次采樣得到該時刻的采樣數(shù)據(jù)瞬時值S
文檔編號G06F17/18GK1466080SQ0212296
公開日2004年1月7日 申請日期2002年6月13日 優(yōu)先權(quán)日2002年6月13日
發(fā)明者孫伊, 孫 伊 申請人:華為技術(shù)有限公司