基于自由搜索算法优化小波神经网络的海杂波最优软测量仪表及方法与流程

本发明涉及最优软测量仪表及方法领域，具体是一种基于自由搜索算法优化小波神经网络的海杂波最优软测量仪表及方法。

背景技术：

雷达领域中把从海水表面反射的回波信号称为海杂波，海杂波与海情、风潮、雷达参数等多种因素有关。对于海岸警戒雷达、舰载雷达等工作于海洋环境的雷达来说，严重的海面反射回波将影响对海面目标的检测与跟踪性能，掌握海杂波的性质，建立准确的海杂波模型是分析和改善雷达性能的前提。海杂波的统计特性包括幅度特性和相关特性。海杂波的相关特性包括时间相关性和空间相关性。时间相关性也称为脉间相关性，反映了海杂波幅度随时间的起伏，可以等价地用功率谱来表示。海杂波的空间相关性分为方位相关性和距离相关性。海杂波能为我们研究海洋的动态特性提供帮助，但是，如果要从海杂波背景下检测目标，如浮冰、船只等，它就成为很大的障碍，必须尽可能地抑制以减弱或消除这些干扰。研究海杂波的主要目的：一方面是对海杂波的自然机理进行解释，进而提出合理的模型；另一方面，是要降低海杂波对检测目标的干扰，找出如何将淹没于强海杂波背景中目标信号提取出来的方法。精确的海杂波模型的建立是实现上述各目的的关键

近年来关于海杂波的建模预报的研究工作大部分都集中在人工神经网络上面，取得了不错的效果。但是人工神经网络也有其自身的缺点，例如过拟合、隐含层的节点数目和参数不好确定。其次，观测现场采集到的数据也因为噪音、人工操作误差等带有一定的不确定误差，所以使用确定性强的人工神经网络的预报模型一般推广能力不强。支持向量机，由vapnik在1998年引入，由于其良好的推广能力，被广泛应用在模式识别、拟合和分类问题中。由于标准支持向量机对孤立点和噪点敏感，所以后来又提出了小波神经网络。小波神经网络相比于标准支持向量机能够更好地处理带有噪点的样本数据，这里用来建模。自由搜索算法，即fruitflyoptimizationalgorithm，是由中国台湾wen-tsaopan教授提出来的一种基于果蝇觅食行为从尔推演出的一种生物智能寻优算法，简称foa。该算法通过群体中粒子间的相互影响，减少了搜索算法陷入局部最优解的风险，具有很好的全局搜索性能。自由搜索算法被用来搜索小波神经网络的最优参数组合，以达到优化模型的目的。

技术实现要素：

为了克服已有的雷达的测量精度不高、对噪声敏感度低、推广性能差的不足，本发明提供一种在线测量、计算速度快、模型自动更新、抗噪声能力强、推广性能好的基于自由搜索算法优化小波神经网络的海杂波最优软测量仪表及方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于自由搜索算法优化小波神经网络的海杂波最优软测量仪表，包括雷达、用于测量易测变量的现场智能仪表、用于测量操作变量的控制站、存放数据的现场数据库以及海杂波预报软测量值显示仪，所述现场智能仪表、控制站与丙烯聚合生产过程连接，所述现场智能仪表、控制站与现场数据库连接，所述软测量仪表还包括基于自由搜索算法优化小波神经网络的最优软测量上位机，所述现场数据库与所述基于自由搜索算法优化小波神经网络的最优软测量上位机的输入端连接，所述基于自由搜索算法优化小波神经网络的最优软测量上位机的输出端与海杂波软测量值显示仪连接，所述基于自由搜索算法优化小波神经网络的最优软测量上位机包括：

数据预处理模块，用于将从现场数据库输入的模型训练样本进行预处理，对训练样本中心化，即减去样本的平均值，然后对其进行标准化：

计算均值：

计算方差：

标准化：

其中，tx为训练样本，n为训练样本数，为训练样本的均值，x为标准化后的训练样本，σx为计算方差。

小波神经网络模块，采用小波神经网络进行建模。假设输入层的节点个数为m个，隐含层小波神经元的个数为n，而输出层节点个数为n，输入样本为xn，输出为y，输入层与隐含层节点的连接权值为wkj,而输出层与隐含层节点的连接权值为wji,第j个隐含层节点的伸缩平移系数分别为aj和bj。隐含层的小波神经元采用morlet小波作为基函数ψ：

其中

通过前向计算得到隐含层第j个小波神经元的输出为

因此网络输出层的输出为

其中w是连接权重，h是隐含层的单元输出。

自由搜索算法优化模块，用于采用自由搜索算法对小波神经网络的核函数宽度进行优化，具体步骤如下：

自由搜索算法模块，用于采用自由搜索算法对小波神经网络的核函数宽度进行优化，具体步骤如下：

(1)初始化种群的规模n和维数m，[xmini，xmaxi]作为第i维的变化范围，最大迭代次数为maxgen，勘测步数为t，第i个体第j维的可变邻域值为rji∈[rmin,rmax]。根据这些设置即可对种群位置进行初始化设置：

xtji＝x0ji-δxtji+2δxtji*randomtji(0,1)(7)

x0ji是随机产生的初始值：

δxtji＝rji*(xmax-xmin)*randomtji(0,1)(8)

(2)每个个体开始行动，个体i每次进行t步探测，位置的更新由以下表达式确定：

x0ji＝xmini+(xmaxi-xmini)*randomji(0,1)(9)

在一次的勘探行为中，个体的勘探行为可表示为：

式中f(xtji)是每个个体完成搜索后作标记的位置。

信息素定义如下：

且灵敏度按照如下公式更新：

式中smin和smax分别是灵敏度的最小值和最大值，信息素的最小值和最大值分别为pmin和pmax，并且在此规定pmin＝smin和pmin＝smax。

在本轮的搜索结束后，按照如下公式更新下一轮搜索的起始点：

(3)算法的终止策略有3种情况：

a)目标函数已经达到其全局最优解，即fmax≥fopt；

b)当前迭代次数g已经超过最大迭代数maxgen；

c)满足上述任意一种情况。否则重复步骤(2)。

作为优选的一种方案，所述基于自由搜索算法优化小波神经网络的最优软测量上位机还包括：模型更新模块，用于模型的在线更新，定期将离线化验数据输入到训练集中，更新小波神经网络模型。

一种基于自由搜索算法优化小波神经网络的海杂波最优软测量方法，所述软测量方法包括以下步骤：

1)、对雷达对象，根据特性分析和气候分析，选择操作变量和易测变量作为模型的输入，操作变量和易测变量由现场数据库获得；

2)、将从现场数据库输入的模型训练样本进行预处理，对训练样本中心化，即减去样本的平均值，然后对其进行标准化，使得其均值为0，方差为1。该处理采用以下算式过程来完成：

2.1)计算均值：

2.2)计算方差：

2.3)标准化：

其中，tx为训练样本，n为训练样本数，为训练样本的均值，x为标准化后的训练样本。3)、对从数据预处理模块传过来的训练样本，采用小波神经网络进行建模。小波神经网络模块，采用小波神经网络进行建模。假设输入层的节点个数为m个，隐含层小波神经元的个数为n，而输出层节点个数为n，输入样本为xn，输出为y，输入层与隐含层节点的连接权值为wkj,而输出层与隐含层节点的连接权值为wji,第j个隐含层节点的伸缩平移系数分别为aj和bj。隐含层的小波神经元采用morlet小波作为基函数ψ：

其中

通过前向计算得到隐含层第j个小波神经元的输出为

因此网络输出层的输出为

其中w是连接权重，h是隐含层的单元输出。

4)、采用自由搜索算法对小波神经网络的惩罚因子和误差容限值进行优化，具体步骤如下：

(1)初始化种群的规模n和维数m，[xmini，xmaxi]作为第i维的变化范围，最大迭代次数为maxgen，勘测步数为t，第i个体第j维的可变邻域值为rji∈[rmin,rmax]。根据这些设置即可对种群位置进行初始化设置：

xtji＝x0ji-δxtji+2δxtji*randomtji(0,1)(7)

x0ji是随机产生的初始值：

δxtji＝rji*(xmax-xmin)*randomtji(0,1)(8)

(2)每个个体开始行动，个体i每次进行t步探测，位置的更新由以下表达式确定：

x0ji＝xmini+(xmaxi-xmini)*randomji(0,1)(9)

在一次的勘探行为中，个体的勘探行为可表示为：

式中f(xtji)是每个个体完成搜索后作标记的位置。

信息素定义如下：

且灵敏度按照如下公式更新：

式中smin和smax分别是灵敏度的最小值和最大值，信息素的最小值和最大值分别为pmin和pmax，并且在此规定pmin＝smin和pmin＝smax。

在本轮的搜索结束后，按照如下公式更新下一轮搜索的起始点：

(3)算法的终止策略有3种情况：

a)目标函数已经达到其全局最优解，即fmax≥fopt；

b)当前迭代次数g已经超过最大迭代数maxgen；

c)满足上述任意一种情况。否则重复步骤(2)。

作为优选的一种方案：所述软测量方法还包括以下步骤：5)、定期将离线化验数据输入到训练集中，更新小波神经网络模型。

本发明的技术构思为：对海杂波进行在线最优软测量，克服已有的海杂波测量仪表稳定性差、易陷入局部最优的不足，引入自由搜索算法对小波神经网络模型进行自动优化，不需要人为经验来多次调整小波神经网络的参数，以得到最优的软测量结果。此模型相对于已有的海杂波软测量模型有以下优点：通过小波神经网络模型进行建模，具有较高的预报精度；已有的模型参数一般通过操作工的经验来确定，有一定的限制性和不确定性，如果一旦取值不当，会造成模型预报输出的震荡以及比较大的预报误差，而模型通过自由搜索算法对模型的参数进行自动寻优，得到最优的软测量模型。

本发明的有益效果主要表现在：实现了海杂波的在线最优软测量，克服了人为因素造成的随机性影响，提高了模型预报的稳定性，降低了模型预报陷入局部最优的可能性。

附图说明

图1是小波神经网络的拓扑结构图；

图2是基于自由搜索算法优化小波神经网络的海杂波建模过程最优软测量仪表及方法的基本结构示意图；

图3是基于自由搜索算法优化小波神经网络的最优软测量上位机结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。本发明实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

实施例1

参照图1、图2和图3，一种基于自由搜索算法优化小波神经网络的海杂波最优软测量仪表，包括雷达1、用于测量易测变量的现场智能仪表2、用于测量操作变量的控制站3、存放数据的现场数据库4以及海杂波软测量值显示仪6，所述现场智能仪表2、控制站3与雷达1连接，所述现场智能仪表2、控制站3与现场数据库4连接，所述软测量仪表还包括自由搜索算法优化小波神经网络的最优软测量上位机5，所述现场数据库4与所述基于自由搜索算法优化小波神经网络的最优软测量上位机5的输入端连接，所述基于自由搜索算法优化小波神经网络的最优软测量上位机5的输出端与海杂波软测量值显示仪6连接。现场智能仪表2测量雷达对象的易测变量，将易测变量传输到现场数据库4；控制站3控制雷达对象的操作变量，将操作变量传输到现场数据库4。现场数据库4中记录的变量数据作为基于自由搜索算法优化小波神经网络的最优软测量上位机5的输入，软测量值显示仪6用于显示基于自由搜索算法优化小波神经网络的最优软测量上位机5的输出，即软测量值。所述基于自由搜索算法优化小波神经网络的最优软测量上位机5，包括以下4个部分：

数据预处理模块7，用于将从现场数据库输入的模型训练样本进行预处理，对训练样本中心化，即减去样本的平均值，然后对其进行标准化：

计算均值：

计算方差：

标准化：

其中，tx为训练样本，n为训练样本数，为训练样本的均值，x为标准化后的训练样本，σx为方差。

小波神经网络模块，采用小波神经网络进行建模。假设输入层的节点个数为m个，隐含层小波神经元的个数为n，而输出层节点个数为n，输入样本为xn，输出为y，输入层与隐含层节点的连接权值为wkj,而输出层与隐含层节点的连接权值为wji,第j个隐含层节点的伸缩平移系数分别为aj和bj。隐含层的小波神经元采用morlet小波作为基函数ψ：

其中

通过前向计算得到隐含层第j个小波神经元的输出为

因此网络输出层的输出为

其中w是连接权重，h是隐含层的单元输出。

自由搜索算法模块9，用于采用自由搜索算法对小波神经网络的惩罚因子和误差容限值进行优化，具体步骤如下：

(1)初始化种群的规模n和维数m，[xmini，xmaxi]作为第i维的变化范围，最大迭代次数为maxgen，勘测步数为t，第i个体第j维的可变邻域值为rji∈[rmin,rmax]。根据这些设置即可对种群位置进行初始化设置：

xtji＝x0ji-δxtji+2δxtji*randomtji(0,1)(7)

x0ji是随机产生的初始值：

δxtji＝rji*(xmax-xmin)*randomtji(0,1)(8)

(2)每个个体开始行动，个体i每次进行t步探测，位置的更新由以下表达式确定：

x0ji＝xmini+(xmaxi-xmini)*randomji(0,1)(9)

在一次的勘探行为中，个体的勘探行为可表示为：

式中f(xtji)是每个个体完成搜索后作标记的位置。

信息素定义如下：

且灵敏度按照如下公式更新：

式中smin和smax分别是灵敏度的最小值和最大值，信息素的最小值和最大值分别为pmin和pmax，并且在此规定pmin＝smin和pmin＝smax。

在本轮的搜索结束后，按照如下公式更新下一轮搜索的起始点：

(3)算法的终止策略有3种情况：

a)目标函数已经达到其全局最优解，即fmax≥fopt；

b)当前迭代次数g已经超过最大迭代数maxgen；

c)满足上述任意一种情况。否则重复步骤(2)。

作为优选的一种方案，所述基于自由搜索算法优化小波神经网络的最优软测量上位机还包括：模型更新模块10，用于模型的在线更新，定期将离线化验数据输入到训练集中，更新小波神经网络模型。

实施例2

参照图1、图2和图3，一种基于自由搜索算法优化小波神经网络的海杂波最优软测量方法，所述软测量方法包括以下步骤：

1)、对雷达对象，根据工艺分析和操作分析，选择操作变量和易测变量作为模型的输入，操作变量和易测变量由现场数据库获得；

2)、将从现场数据库输入的模型训练样本进行预处理，对训练样本中心化，即减去样本的平均值，然后对其进行标准化，使得其均值为0，方差为1。该处理采用以下算式过程来完成：

2.1)计算均值：

2.2)计算方差：

2.3)标准化：

其中，tx为训练样本，n为训练样本数，为训练样本的均值，x为标准化后的训练样本，σx为计算方差。

3)、对从数据预处理模块传过来的训练样本，采用小波神经网络进行建模。小波神经网络模块，采用小波神经网络进行建模。假设输入层的节点个数为m个，隐含层小波神经元的个数为n，而输出层节点个数为n，输入样本为xn，输出为y，输入层与隐含层节点的连接权值为wkj,而输出层与隐含层节点的连接权值为wji,第j个隐含层节点的伸缩平移系数分别为aj和bj。隐含层的小波神经元采用morlet小波作为基函数ψ：

其中

通过前向计算得到隐含层第j个小波神经元的输出为

因此网络输出层的输出为

其中w是连接权重，h是隐含层的单元输出。

4)、采用自由搜索算法对小波神经网络的核函数宽度进行优化，具体步骤如下：

(1)初始化种群的规模n和维数m，[xmini，xmaxi]作为第i维的变化范围，最大迭代次数为maxgen，勘测步数为t，第i个体第j维的可变邻域值为rji∈[rmin,rmax]。根据这些设置即可对种群位置进行初始化设置：

xtji＝x0ji-δxtji+2δxtji*randomtji(0,1)(7)

x0ji是随机产生的初始值：

δxtji＝rji*(xmax-xmin)*randomtji(0,1)(8)

(2)每个个体开始行动，个体i每次进行t步探测，位置的更新由以下表达式确定：

x0ji＝xmini+(xmaxi-xmini)*randomji(0,1)(9)

在一次的勘探行为中，个体的勘探行为可表示为：

式中f(xtji)是每个个体完成搜索后作标记的位置。

信息素定义如下：

且灵敏度按照如下公式更新：

式中smin和smax分别是灵敏度的最小值和最大值，信息素的最小值和最大值分别为pmin和pmax，并且在此规定pmin＝smin和pmin＝smax。

在本轮的搜索结束后，按照如下公式更新下一轮搜索的起始点：

(3)算法的终止策略有3种情况：

a)目标函数已经达到其全局最优解，即fmax≥fopt；

b)当前迭代次数g已经超过最大迭代数maxgen；

c)满足上述任意一种情况。否则重复步骤(2)。

作为优选的一种方案：所述软测量方法还包括以下步骤：4)、定期将离线化验数据输入到训练集中，更新小波神经网络模型。

本实施例的方法具体实施步骤如下：

步骤1：对雷达对象1，根据特性分析和气候分析，选择操作变量和易测变量作为模型的输入。操作变量和易测变量由现场数据库4获得。

步骤2：对样本数据进行预处理，由数据预处理模块7完成。

步骤3：基于模型训练样本数据建立初始小波神经网络模型8。输入数据如步骤2所述获得，输出数据由离线化验获得。

步骤4：由自由搜索算法模块9优化初始小波神经网络模型的参数。

步骤5：模型更新模块10定期将离线化验数据输入到训练集中，更新小波神经网络模型，基于自由搜索算法优化小波神经网络模型的最优软测量上位机5建立完成。

步骤6：海杂波软测量值显示仪6显示基于自由搜索算法优化小波神经网络模型的最优软测量上位机5的输出，完成对海杂波的最优软测量的显示。

基于自由搜索算法优化小波神经网络的最优软测量上位机，包括数据预处理模块、小波神经网络模块、模型更新模块，以及提供了一种用软测量仪表实现的软测量方法。本发明实现了海杂波的在线最优软测量，克服了人为因素造成的随机性影响，提高了模型预报的稳定性，降低了模型预报陷入局部最优的可能性。