一種基于arma模型的海洋波浪波高預(yù)測(cè)方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于ARMA模型的海洋波浪波高預(yù)測(cè)方法，首先利用波高傳感器采集歷史和當(dāng)前的海洋波浪波高數(shù)據(jù)序列，并對(duì)歷史和當(dāng)前的海洋波浪波高數(shù)據(jù)序列依次進(jìn)行差分運(yùn)算和標(biāo)準(zhǔn)化處理，之后計(jì)算歷史和當(dāng)前的海洋波浪波高數(shù)據(jù)序列的自相關(guān)系數(shù)和偏相關(guān)系數(shù)，從而獲得數(shù)據(jù)序列的固有特性和截尾性，進(jìn)而建立適當(dāng)自回歸階數(shù)和移動(dòng)平均階數(shù)的ARMA模型；最后通過(guò)ARMA模型計(jì)算未來(lái)某一時(shí)間段內(nèi)的海洋波浪波高數(shù)據(jù)序列。獲得未來(lái)某一時(shí)間段內(nèi)的海洋波浪波高數(shù)據(jù)序列之后，可以實(shí)現(xiàn)海洋波浪發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)化控制，從而可以最大化地把海洋波浪能轉(zhuǎn)換成電能。
【專利說(shuō)明】-種基于ARMA模型的海洋波浪波高預(yù)測(cè)方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于ARMA模型（自回歸滑動(dòng)平均模型）的海洋波浪波高預(yù)測(cè)方 法，屬于數(shù)據(jù)處理和預(yù)測(cè)技術(shù)。

【背景技術(shù)】
[0002] 海洋波浪發(fā)電系統(tǒng)的作用是把海洋波浪能轉(zhuǎn)換成電能，然后向海上平臺(tái)和偏遠(yuǎn)島 嶼上的用電設(shè)備進(jìn)行供電，或者進(jìn)行遠(yuǎn)距離并網(wǎng)輸電。在較少的資金投入的情況下，如何能 夠最大化地把海洋波浪能轉(zhuǎn)換成電能，成為當(dāng)前海洋波浪發(fā)電研究領(lǐng)域的熱門問(wèn)題。根據(jù) 能量傳遞和機(jī)械振蕩理論，只有海洋波浪發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行頻率與海洋波浪的運(yùn)行頻率達(dá)到 共振的條件下，才能夠最大化地把海洋波浪能轉(zhuǎn)換成電能。因此，預(yù)測(cè)未來(lái)某一時(shí)間段內(nèi)的 海洋波浪波高數(shù)據(jù)序列，對(duì)于實(shí)施海洋波浪發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)化控制，尤為重要。
[0003] 通常情況下，獲得未來(lái)某一時(shí)間段內(nèi)的海洋波浪波高數(shù)據(jù)序列，有兩種方法：第一 種方法是在海洋波浪發(fā)電系統(tǒng)的波前某一距離點(diǎn)裝設(shè)波高傳感器采集裝置，在采集到當(dāng)前 位置的波高之后，根據(jù)波高傳感器采集裝置與海洋波浪發(fā)電系統(tǒng)之間的距離和波浪向前傳 播的速度，進(jìn)而對(duì)海洋波浪發(fā)電系統(tǒng)實(shí)施優(yōu)化控制，從而使海洋波浪發(fā)電系統(tǒng)與當(dāng)前海洋 波浪波高的運(yùn)行頻率達(dá)到共振；第二種方法是采用AR(Auto-Regressive)模型或Bp神經(jīng)網(wǎng) 絡(luò)算法等方式，預(yù)測(cè)未來(lái)某一時(shí)間段的海洋波浪波高數(shù)據(jù)序列，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)海洋波浪發(fā)電系 統(tǒng)的優(yōu)化控制。然而，上述兩種獲得未來(lái)某一時(shí)間段內(nèi)的海洋波浪波高數(shù)據(jù)序列的方法，均 有其難點(diǎn)或不足。針對(duì)第一種方法，需要在海洋中獨(dú)立地安裝波高傳感器采集裝置，不僅增 加了安裝工程的實(shí)施費(fèi)用，也降低了海洋波浪面積的利用效率，尤其是針對(duì)大規(guī)模的海洋 波浪發(fā)電陣列而言；針對(duì)第二種方法，由于AR模型是一種線性模型，而海洋波浪波高的變 化是非線性的，所以AR模型無(wú)法準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)未來(lái)某一時(shí)間段內(nèi)的海洋波浪波高數(shù)據(jù)序列。 Bp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法耗時(shí)長(zhǎng)，且由于海洋波浪波高的周期是非恒定的，所以BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法也 不適合未來(lái)某一時(shí)間段的海洋波浪波高預(yù)測(cè)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 發(fā)明目的：為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種基于ARMA模型的海 洋波浪波高預(yù)測(cè)方法，以準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)海洋波浪波高的數(shù)據(jù)序列，使海洋波浪發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn) 行效率最大化。
[0005] 技術(shù)方案：為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：
[0006] -種基于ARMA模型的海洋波浪波高預(yù)測(cè)方法，包括如下步驟：
[0007] (1)利用波高傳感器采集海洋波浪波高的歷史數(shù)據(jù)和當(dāng)前數(shù)據(jù)，形成一組具有時(shí) 間順序的數(shù)據(jù)序列，該數(shù)據(jù)序列的時(shí)長(zhǎng)為8?16秒為宜；
[0008] (2)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)序列進(jìn)行差分運(yùn)算，消除數(shù)據(jù)序列的不平穩(wěn)趨勢(shì)性，使數(shù)據(jù)序 列的變化過(guò)程為平穩(wěn)過(guò)程；
[0009] (3)對(duì)差分運(yùn)算后的數(shù)據(jù)序列進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，使數(shù)據(jù)序列之間具有規(guī)律性和可 比性；
[0010] ⑷計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)化處理后的數(shù)據(jù)序列的自相關(guān)系數(shù)和偏相關(guān)系數(shù)，自相關(guān)系數(shù)可以 體現(xiàn)數(shù)據(jù)序列構(gòu)成模式的固有特性，偏相關(guān)系數(shù)可以分析數(shù)據(jù)序列的截尾性，通過(guò)自相關(guān) 系數(shù)和偏相關(guān)系數(shù)建立具有一定自回歸階數(shù)和移動(dòng)平均階數(shù)的ARMA模型；
[0011] (5)通過(guò)建立的ARMA模型預(yù)測(cè)未來(lái)某一時(shí)間段內(nèi)（1?3秒為宜）海洋波浪波高 的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)序列。
[0012] 具體的，所述步驟（1)中，利用波高傳感器采集海洋波浪波高的歷史數(shù)據(jù)和當(dāng)前 數(shù)據(jù)，其中波高傳感器的采集頻率要適當(dāng)，一般情況下波高傳感器的采集頻率不低于20HZ， 只有單位時(shí)間內(nèi)采集足夠的歷史海洋波浪波高數(shù)據(jù)和當(dāng)前海洋波浪波高數(shù)據(jù)，才能夠更加 準(zhǔn)確地、有效地預(yù)測(cè)未來(lái)某一時(shí)間段內(nèi)海洋波浪波高的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)序列，從而為海洋波浪發(fā) 電系統(tǒng)的優(yōu)化控制提供參考依據(jù)。
[0013] 具體的，所述步驟（2)中，差分運(yùn)算的計(jì)算公式為H(n) =x(n)-x(n-l)，其中X(n) 為數(shù)據(jù)序列中的第η個(gè)元素，N為數(shù)據(jù)序列的個(gè)數(shù)，η = 1，2,…，N ;N為大于零的適當(dāng)整數(shù)， N越大，利用ARMA模型預(yù)測(cè)未來(lái)某一時(shí)間段內(nèi)海洋波浪波高的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)序列越準(zhǔn)確。
[0014] 具體的，所述步驟（2)中，為了保證數(shù)據(jù)序列的平穩(wěn)性，需要對(duì)數(shù)據(jù)序列進(jìn)行兩次 差分運(yùn)算。
[0015] 具體的，所述步驟（3)中，標(biāo)準(zhǔn)化處理的計(jì)算公式為B(n) = (H(n)-ux)/m，其中Ux 為數(shù)據(jù)序列的平均值，

【權(quán)利要求】
1. 一種基于ARMA模型的海洋波浪波高預(yù)測(cè)方法，其特征在于：包括如下步驟： (1) 利用波高傳感器采集海洋波浪波高的歷史數(shù)據(jù)和當(dāng)前數(shù)據(jù)，形成一組具有時(shí)間順 序的數(shù)據(jù)序列； (2) 對(duì)采集到的數(shù)據(jù)序列進(jìn)行差分運(yùn)算，消除數(shù)據(jù)序列的不平穩(wěn)趨勢(shì)性，使數(shù)據(jù)序列的 變化過(guò)程為平穩(wěn)過(guò)程； (3) 對(duì)差分運(yùn)算后的數(shù)據(jù)序列進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，使數(shù)據(jù)序列之間具有規(guī)律性和可比 性； (4) 計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)化處理后的數(shù)據(jù)序列的自相關(guān)系數(shù)和偏相關(guān)系數(shù)，自相關(guān)系數(shù)可以體現(xiàn) 數(shù)據(jù)序列構(gòu)成模式的固有特性，偏相關(guān)系數(shù)可以分析數(shù)據(jù)序列的截尾性，通過(guò)自相關(guān)系數(shù) 和偏相關(guān)系數(shù)建立具有一定自回歸階數(shù)和移動(dòng)平均階數(shù)的ARMA模型； (5) 通過(guò)建立的ARMA模型預(yù)測(cè)未來(lái)某一時(shí)間段內(nèi)海洋波浪波高的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)序列。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于ARMA模型的海洋波浪波高預(yù)測(cè)方法，其特征在于：所述 步驟（1)中，利用波高傳感器采集海洋波浪波高的歷史數(shù)據(jù)和當(dāng)前數(shù)據(jù)，其中波高傳感器 的采集頻率不低于20Hz。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于ARMA模型的海洋波浪波高預(yù)測(cè)方法，其特征在于：所述 步驟（2)中，差分運(yùn)算的計(jì)算公式為H(n) =X(n)-X(n-l)，其中X(n)為數(shù)據(jù)序列中的第η 個(gè)元素，Ν為數(shù)據(jù)序列的個(gè)數(shù)，η = 1，2,…，Ν。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于ARMA模型的海洋波浪波高預(yù)測(cè)方法，其特征在于：所述 步驟（2)中，為了保證數(shù)據(jù)序列的平穩(wěn)性，需要對(duì)數(shù)據(jù)序列進(jìn)行兩次差分運(yùn)算。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于ARMA模型的海洋波浪波高預(yù)測(cè)方法，其特征在于：所述 步驟（3)中，標(biāo)準(zhǔn)化處理的計(jì)算公式為B(n) = (H(n)-Ux)/m，其中仏為數(shù)據(jù)序列的平均值，
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于ARMA模型的海洋波浪波高預(yù)測(cè)方法，其特征在于：所述 步驟⑷中：自相關(guān)系數(shù)的計(jì)算公式為A =奶A--! +朽A--2 +…+ % A--其中奶為ARMA模型 的自回歸階數(shù)系數(shù)，P為ARMA模型的自回歸階數(shù)，i = 1，2,…，p ;偏相關(guān)系數(shù)通過(guò)求解耶 爾-瓦克爾方程組獲得，結(jié)合偏相關(guān)系數(shù)獲得ARMA模型的移動(dòng)平均階數(shù)系數(shù)％和ARMA模 型的移動(dòng)平均階數(shù)q，j = 1，2,…，q。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于ARMA模型的海洋波浪波高預(yù)測(cè)方法，其特征在于：所述 步驟（4)中：首先根據(jù)數(shù)據(jù)序列的自相關(guān)系數(shù)和偏相關(guān)系數(shù)，可以分析數(shù)據(jù)序列的截尾性， 進(jìn)而初步估計(jì)ARMA模型的自回歸階數(shù)和移動(dòng)平均階數(shù)；接著利用最小二乘法和AIC準(zhǔn)則來(lái) 最終確定ARMA模型的自回歸階數(shù)和移動(dòng)平均階數(shù)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于ARMA模型的海洋波浪波高預(yù)測(cè)方法，其特征在于：所述 步驟（5)中：通過(guò)建立的ARMA模型預(yù)測(cè)未來(lái)某一時(shí)間段內(nèi)海洋波浪波高的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)序列， 具體依據(jù)的公式為K +··· + %%-廠2--7，其中ε t為獨(dú) 立的誤差項(xiàng)，Wt為平穩(wěn)、正態(tài)和零均值的未來(lái)某一時(shí)間段內(nèi)海洋波浪波高的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)序列。
【文檔編號(hào)】G06F19/00GK104050379SQ201410290745
【公開日】2014年9月17日 申請(qǐng)日期:2014年6月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月25日
【發(fā)明者】余海濤, 陳中顯, 胡敏強(qiáng), 黃磊 申請(qǐng)人:東南大學(xué)