本發(fā)明涉及相似性度量技術(shù)領(lǐng)域，具體地說，是一種面向海洋領(lǐng)域的多元時間序列相似性度量方法。

背景技術(shù)：

21世紀是海洋世紀，在面臨可持續(xù)發(fā)展大課題的新時代，海洋的地位及開發(fā)價值日益為人們所重視。我國作為一個發(fā)展中的沿海國家，毋庸置疑，海洋對我國的發(fā)展也將發(fā)揮越來越重要的作用。然而，近幾十年來，在促進經(jīng)濟發(fā)展的同時，各類海洋災害隨之而來，海洋災害有許多類，其引發(fā)的因素也各不相同。主要有災害性海冰、赤潮、風暴潮和海嘯等等，與大氣相關(guān)的災害現(xiàn)象還有臺風等，其中，我國是受臺風影響最嚴重的國家之一。因此能夠有效描述海洋災害并進行災害預報、發(fā)展趨勢分析具有重要意義。

臺風具有動態(tài)性、空間性、可預測性等特點，動態(tài)性是指其強度在不斷變化；空間性是指在不同區(qū)域其強度不同或者具有相同強度但不發(fā)生在同一個區(qū)域；可預測性是指其發(fā)生過程具有規(guī)律性。臺風數(shù)據(jù)庫中記載了已發(fā)生臺風的發(fā)生時間、結(jié)束時間、經(jīng)緯度、等級、速度、移動速度、移動方向以及壓強等信息，臺風數(shù)據(jù)具有多屬性，需要利用多元時間序列進行研究。目前，對于臺風數(shù)據(jù)的描述、定量分析還不是很完善。

中國發(fā)明專利CN201610811178.3，公開日為2017.02.08，公開了一種交通流相似性的判別方法。但是該方法得到的相似性精確度不如本發(fā)明方法高。

中國發(fā)明專利CN201610264725.0，公開日為2016.08.31，公開了一種基于大數(shù)據(jù)的趨勢曲線局部特征的匹配方法。但是該方法進行二次篩選，數(shù)據(jù)處理量增大，處理速度較慢。

因此，亟需一種準確描述臺風數(shù)據(jù)、進行臺風相似性度量的加權(quán)DTW度量方法，而目前關(guān)于這種相似性度量方法還未見報道。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種面向海洋領(lǐng)域的多元時間序列相似性度量方法。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是：

一種面向海洋領(lǐng)域的多元時間序列相似性度量方法，所述的相似性度量方法包括以下步驟：

S1：收集臺風數(shù)據(jù)；

S2：對臺風數(shù)據(jù)進行預處理；

S3：對臺風數(shù)據(jù)進行描述；

S4：對臺風數(shù)據(jù)進行相似性度量；

S5：輸出相似臺風；

其中，所述的步驟S2包括篩選臺風屬性、補充數(shù)據(jù)，所述的步驟S3包括移動方向表示、臺風時間序列表示，所述的步驟S4包括臺風屬性權(quán)重計算、W-DTW距離計算、W-DTW距離判斷。

所述的步驟S1收集臺風數(shù)據(jù)包括收集現(xiàn)有臺風原始數(shù)據(jù)、收集數(shù)據(jù)庫中臺風數(shù)據(jù)。

所述的步驟S2對臺風原始數(shù)據(jù)進行預處理的步驟如下：

S21：篩選臺風屬性

選擇需要考慮的臺風屬性，所屬的臺風屬性包括強度L、風速V、移動方向MD、移動速度MV、壓強P；

S22：補充數(shù)據(jù)

將篩選出的臺風屬性值為null的字段根據(jù)前后數(shù)據(jù)進行補充。

所述的步驟S3對臺風數(shù)據(jù)進行描述的步驟如下：

S31：移動方向表示

由于臺風的移動方向采用十六風向圖表示，對其進行數(shù)值化，即臺風數(shù)據(jù)中的移動方向共有16種，用0-15表示，以正北為0，順時針旋轉(zhuǎn)，依次是1，2，……，15，對于未采用十六風向圖表示的，也對其進行數(shù)值化表示；

S32：臺風時間序列表示

設(shè)臺風強度L＝[L₁,L₂,……,L_n]^T，風速V＝[V₁,V₂,……,V_n]^T，移動方向MD＝[MD₁,MD₂,……,MD_n]^T，移動速度MV＝[MV₁,MV₂,……,MV_n]^T，壓強P＝[P₁,P₂,……,P_n]^T，則臺風時間序列A為：

其中，n表示時間點數(shù)，第一行的元素表示該臺風在時刻1時的強度、風速、移動方向、移動速度、壓強的相關(guān)記錄，依此類推，最后一行表示該臺風在時刻n時的強度、風速、移動方向、移動速度、壓強的相關(guān)記錄。

所述的步驟S4對臺風數(shù)據(jù)進行相似性度量的步驟如下：

S41：臺風屬性權(quán)重計算

利用層次構(gòu)造法構(gòu)造判斷矩陣，獲取臺風屬性權(quán)重，其步驟如下：

S411：設(shè)臺風的強度、風速、移動方向、移動速度、壓強的屬性權(quán)重分別為W₁、W₂、W₃、W₄、W₅；

S412：構(gòu)造判斷矩陣

利用層次構(gòu)造法構(gòu)造判斷矩陣，所得矩陣如下：

S413：對判斷矩陣進行近似解計算

S4131：計算判斷矩陣各行各元素乘積M_i，計算公式為

M_i＝L_i×V_i×MV_i×MD_i×P_i(i∈[1,5])；

S4132：計算M_i的n次方根W_i′，計算公式為

S4133：歸一化處理，得到權(quán)重W_i，計算公式為

S4134：計算判斷矩陣的最大特征值λ_max；

S4135：進行一致性檢驗，計算公式為

CR＝CI/RI

其中，CR是檢驗系數(shù)，CI是一致性指標，RI是隨機一致性指標，若CR＜0.1，則通過一致性檢驗，則表明權(quán)重符合要求；若CR＞0.1，則一致性檢驗不通過，需重新進行權(quán)重計算；

S42：W-DTW距離計算

W-DTW距離為加權(quán)的DTW距離，其計算步驟如下：

S421：選擇現(xiàn)有臺風的時間序列和數(shù)據(jù)庫中任一臺風的時間序列，分別設(shè)為X、Y，則X、Y分別為

S422：計算基距離d(x_i,y_j)，計算公式為

其中，i∈[1,m]，j∈[1,n]；

S423：計算時間序列X與Y的W-DTW距離，計算公式為

其中，r(i,j)表示r(X(1:i),Y(1:j))，i∈[1,m]，j∈[1,n]；

S424：重復步驟S421-S423，獲得現(xiàn)有臺風與數(shù)據(jù)庫中每一個臺風的W-DTW距離；

S43：W-DTW距離判斷

將所有的W-DTW距離進行兩兩對比，獲得一個最小的W-DTW距離。

所述的步驟S5輸出相似臺風為輸出與現(xiàn)有臺風W-DTW距離最小的數(shù)據(jù)庫中的臺風。

所述的步驟S413，近似解計算還包括和法計算、冪法計算。

本發(fā)明優(yōu)點在于：

1、判斷具有動態(tài)性、空間性、可預測性以及多屬性的兩個海洋時間序列是否相似；

2、根據(jù)已發(fā)生的海洋事件來判斷當前海洋事件的發(fā)展趨勢；

3、對于海洋災害，可以為相關(guān)部門提供便捷的輔助決策，做好防護措施，減少其帶來的經(jīng)濟損失和人員傷亡。

附圖說明

附圖1是本發(fā)明的一種面向海洋領(lǐng)域的多元時間序列相似性度量方法的流程圖。

附圖2是臺風移動方向數(shù)值化表示參照圖。

附圖3是重要性等級及其賦值參照圖。

附圖4是隨機一致性指標值參照圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明提供的具體實施方式作詳細說明。

實施例1

參照圖1，本發(fā)明的一種面向海洋領(lǐng)域的多元時間序列相似性度量方法的步驟如下：

S1：收集臺風數(shù)據(jù)；

S2：對臺風數(shù)據(jù)進行預處理；

S3：對臺風數(shù)據(jù)進行描述；

S4：對臺風數(shù)據(jù)進行相似性度量；

S5：輸出相似臺風；

其中，所述的步驟S2包括篩選臺風屬性、補充數(shù)據(jù)，所述的步驟S3包括移動方向表示、臺風時間序列表示，所述的步驟S4包括臺風屬性權(quán)重計算、W-DTW距離計算、W-DTW距離判斷。

實施例2

本發(fā)明的一種面向海洋領(lǐng)域的多元時間序列相似性度量方法的具體工作步驟如下：

S1：收集臺風數(shù)據(jù)

收集臺風數(shù)據(jù)包括收集現(xiàn)有臺風原始數(shù)據(jù)、收集數(shù)據(jù)庫中臺風數(shù)據(jù)。

S2：對臺風原始數(shù)據(jù)進行預處理

S21：篩選臺風屬性

選擇需要考慮的臺風屬性，所屬的臺風屬性包括強度L、風速V、移動方向MD、移動速度MV、壓強P；

S22：補充數(shù)據(jù)

將篩選出的臺風屬性值為null的字段根據(jù)前后數(shù)據(jù)進行補充。

S3：對臺風數(shù)據(jù)進行描述

S31：移動方向表示

由于臺風的移動方向采用十六風向圖表示，對其進行數(shù)值化，參照圖2，即臺風數(shù)據(jù)中的移動方向共有16種，用0-15表示，以正北為0，順時針旋轉(zhuǎn)，依次是1，2，……，15，對于未采用十六風向圖表示的，也對其進行數(shù)值化表示；

S32：臺風時間序列表示

設(shè)臺風強度L＝[L₁,L₂,……,L_n]^T，風速V＝[V₁,V₂,……,V_n]^T，移動方向MD＝[MD₁,MD₂,……,MD_n]^T，移動速度MV＝[MV₁,MV₂,……,MV_n]^T，壓強P＝[P₁,P₂,……,P_n]^T，則臺風時間序列A為：

其中，n表示時間點數(shù)，第一行的元素表示該臺風在時刻1時的強度、風速、移動方向、移動速度、壓強的相關(guān)記錄，依此類推，最后一行表示該臺風在時刻n時的強度、風速、移動方向、移動速度、壓強的相關(guān)記錄；

S4：對臺風數(shù)據(jù)進行相似性度量

S41：臺風屬性權(quán)重計算

利用層次構(gòu)造法構(gòu)造判斷矩陣，獲取臺風屬性權(quán)重，其步驟如下：

S411：設(shè)臺風的強度、風速、移動方向、移動速度、壓強的屬性權(quán)重分別為W₁、W₂、W₃、W₄、W₅；

S412：構(gòu)造判斷矩陣

利用層次構(gòu)造法構(gòu)造判斷矩陣，所得矩陣如下：

S413：對判斷矩陣進行近似解計算

近似解計算包括根法計算、和法計算、冪法計算，本步驟利用根法進行近似解計算，其步驟如下：

S4131：計算判斷矩陣各行各元素乘積M_i，計算公式為

M_i＝L_i×V_i×MV_i×MD_i×P_i(i∈[1,5])；

S4132：計算M_i的n次方根W_i′，計算公式為

S4133：歸一化處理，得到權(quán)重W_i，計算公式為

S4134：計算判斷矩陣的最大特征值λ_max；

S4135：進行一致性檢驗，計算公式為

CR＝CI/RI

其中，CR是檢驗系數(shù)，CI是一致性指標，RI是隨機一致性指標，若CR＜0.1，則通過一致性檢驗，則表明權(quán)重符合要求；若CR＞0.1，則一致性檢驗不通過，需重新進行權(quán)重計算；

S42：W-DTW距離計算

W-DTW距離為加權(quán)的DTW距離，其計算步驟如下：

S421：選擇現(xiàn)有臺風時間序列和數(shù)據(jù)庫中任一臺風時間序列，分別設(shè)為X、Y，則X、Y分別為

S422：計算基距離d(xi,y_j)，計算公式為

其中，i∈[1,m]，j∈[1,n]；

S423：計算時間序列X與Y的W-DTW距離，計算公式為

其中，r(i,j)表示r(X(1:i),Y(1:j))，i∈[1,m]，j∈[1,n]；

S424：重復步驟S421-S423，獲得現(xiàn)有臺風與數(shù)據(jù)庫中每一個臺風的W-DTW距離；

S43：W-DTW距離判斷

將所有的W-DTW距離進行兩兩對比，獲得一個最小的W-DTW距離；

S5：輸出相似臺風

輸出與現(xiàn)有臺風W-DTW距離最小的數(shù)據(jù)庫中的臺風。

本發(fā)明的一種面向海洋領(lǐng)域的多元時間序列相似性度量方法的優(yōu)點在于，判斷具有動態(tài)性、空間性、可預測性以及多屬性的兩個海洋時間序列是否相似；根據(jù)已發(fā)生的海洋事件來判斷當前海洋事件的發(fā)展趨勢；對于海洋災害，可以為相關(guān)部門提供便捷的輔助決策，做好防護措施，減少其帶來的經(jīng)濟損失和人員傷亡。

實施例3

本發(fā)明的一種面向海洋領(lǐng)域的多元時間序列相似性度量方法的應(yīng)用實施例如下：

S1：收集臺風數(shù)據(jù)

收集臺風數(shù)據(jù)包括收集現(xiàn)有臺風原始數(shù)據(jù)1、收集數(shù)據(jù)庫中臺風數(shù)據(jù)2、3。

S2：對臺風原始數(shù)據(jù)進行預處理

S21：篩選臺風屬性

選擇需要考慮的臺風屬性，所屬的臺風屬性包括強度L、風速V、移動方向MD、移動速度MV、壓強P；

S22：補充數(shù)據(jù)

將篩選出的臺風屬性值為null的字段根據(jù)前后數(shù)據(jù)進行補充。

S3：對臺風數(shù)據(jù)進行描述

S31：移動方向表示

由于臺風的移動方向采用十六風向圖表示，對其進行數(shù)值化，參照圖2，即臺風數(shù)據(jù)中的移動方向共有16種，用0-15表示，以正北為0，順時針旋轉(zhuǎn)，依次是1，2，……，15，對于未采用十六風向圖表示的，也對其進行數(shù)值化表示；

S32：臺風時間序列表示

設(shè)臺風強度L＝[L₁,L₂,……,L_n]^T，風速V＝[V₁,V₂,……,V_n]^T，移動方向MD＝[MD₁,MD₂,……,MD_n]^T，移動速度MV＝[MV₁,MV₂,……,MV_n]^T，壓強P＝[P₁,P₂,……,P_n]^T，則臺風時間序列A為：

其中，n表示時間點數(shù)，第一行的元素表示該臺風在時刻1時的強度、風速、移動方向、移動速度、壓強的相關(guān)記錄，依此類推，最后一行表示該臺風在時刻n時的強度、風速、移動方向、移動速度、壓強的相關(guān)記錄。

獲得臺風1-3的時間序列，如下

S4：對臺風數(shù)據(jù)進行相似性度量

S41：臺風屬性權(quán)重計算

利用層次構(gòu)造法構(gòu)造判斷矩陣，獲取臺風屬性權(quán)重，其步驟如下：

S411：設(shè)臺風的強度、風速、移動方向、移動速度、壓強的屬性權(quán)重分別為W₁、W₂、W₃、W₄、W₅；

S412：構(gòu)造判斷矩陣

利用層次構(gòu)造法并參照圖3構(gòu)造判斷矩陣，所得矩陣如下：

S413：對判斷矩陣進行近似解計算

本步驟利用根法進行近似解計算，其步驟如下：

S4131：計算判斷矩陣各行各元素乘積M_i，計算公式為

M_i＝L_i×V_i×MV_i×MD_i×P_i(i∈[1,5])；

S4132：計算M_i的n次方根W_i′，計算公式為

S4133：歸一化處理，得到權(quán)重W_i，計算公式為

S4134：計算判斷矩陣的最大特征值λ_max；

S4135：進行一致性檢驗，計算公式為

CR＝CI/RI

其中，CR是檢驗系數(shù)，CI是一致性指標，RI是隨機一致性指標，RI的值參照圖4，若CR＜0.1，則通過一致性檢驗，則表明權(quán)重符合要求；若CR＞0.1，則一致性檢驗不通過，需重新進行權(quán)重計算；

得到權(quán)重W，權(quán)重W如下，

S42：W-DTW距離計算

W-DTW距離為加權(quán)的DTW距離，其計算步驟如下：

S421：選擇時間序列1、2，分別設(shè)為X、Y，則X、Y分別為

S422：計算基距離d(x_i,y_j)，計算公式為

其中，i∈[1,m]，j∈[1,n]；

取i＝8，j＝9，并代入相應(yīng)的W值，則d(x₈,y₉)＝1.673；

S423：計算時間序列X與Y的W-DTW距離，計算公式為

其中，r(i,j)表示r(X(1:i),Y(1:j))，i∈[1,m]，j∈[1,n]。

將d(x₈,y₉)＝1.673代入計算得r(8,9)＝17.297；

S424：重復步驟S421-S423，獲得時間序列1與3的W-DTW距離，r(8,9)＝340.928；

S43：W-DTW距離判斷

將所有的W-DTW距離進行對比，獲得一個最小的W-DTW距離，即17.297；

S5：輸出相似臺風

輸出與臺風1相似的臺風2。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明方法的前提下，還可以做出若干改進和補充，這些改進和補充也應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。