專利名稱：動力學結(jié)構(gòu)突變的檢測方法與檢測系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及物理學領(lǐng)域，具體而言涉及一種動力學結(jié)構(gòu)突變的檢測方法與檢測系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
自然界許多物理現(xiàn)象的演化和發(fā)展往往表現(xiàn)為非線性、非平穩(wěn)性和復雜性，這是因為其內(nèi)在動力學結(jié)構(gòu)隨著外強迫作用的變化而發(fā)生了突變。因此研究合適的動力學結(jié)構(gòu)突變檢測方法對系統(tǒng)的觀測序列進行檢測和分析以預測系統(tǒng)未來的演變趨勢就顯得尤為重要。傳統(tǒng)的突變檢測方法如:濾波檢測法、滑動t-檢驗、F檢測法以及Yamamoto信噪比法等因其方法的統(tǒng)計性和線性性使得其對物理過程的描述不太明顯。其中有一些方法如滑動t-檢驗和F檢測法在檢測均值突變時經(jīng)常會檢測到一些虛假的突變點。近年來，隨著非線性科學的不斷發(fā)展，非線性動力學領(lǐng)域中的諸多指數(shù)被用于描述系統(tǒng)的動力學特征，如關(guān)聯(lián)維數(shù)、李雅普諾夫指數(shù)、柯爾莫哥羅夫熵等，然而要直接根據(jù)這些指數(shù)的定義來進行具體的計算并不容易。有鑒于此，有些學者基于某一具體的研究領(lǐng)域如氣候系統(tǒng)研究出了各種各樣的檢測方法，發(fā)表的文獻主要有:《物理學報》的“一種基于重標極差方法的動力學結(jié)構(gòu)突變檢測新方法”和“近似熵檢測氣候突變的研究”等。前者應用的前提條件是待分析時間序列應具有分形特征，這使得其應用的范圍受到了限制。而后者的檢測結(jié)果依賴于子序列長度，且不能夠準確定位突變點的位置，只能夠給出一個大致的突變區(qū)域，這顯然不能夠滿足實際應用的需求。為此需要尋找一種更為有效、穩(wěn)健的突變檢測新技術(shù)，對系統(tǒng)的觀測序列進行檢測和分析，以預測系統(tǒng)未來的演變趨勢。實際中往往會面臨單變量的一維時間序列，很顯然，系統(tǒng)的非線性突變特征信息就蘊藏在這些序列中，如何有效地從中提取這類信息成為一個非常關(guān)鍵的問題。Fisher信息恰好為我們提供了表征這樣一類突變特征信息的可能性。原因是任何類型的數(shù)據(jù)和模型本質(zhì)上都可以轉(zhuǎn)換為信息而不管最初的學科是什么。不像系統(tǒng)信息的其他測量方法，F(xiàn)isher信息提供了一種通過監(jiān)測系統(tǒng)變量從而監(jiān)測系統(tǒng)的狀態(tài)和狀態(tài)突變的方法。然而由Fisher信息的實用計算公式可知，要計算出Fisher信息，先要解決系統(tǒng)狀態(tài)變量的概率密度分布的計算問題。因此狀態(tài)變量概率密度分布的計算一直以來作為Fisher信息計算中的難點困擾著人們。在本人先前的研究工作中，采用把觀察數(shù)據(jù)打包成狀態(tài)的方法來計算變量的概率密度分布，但這種方法僅僅適用于系統(tǒng)狀態(tài)比較單一、穩(wěn)定的情形，而對那些系統(tǒng)狀態(tài)在較大范圍內(nèi)震蕩的情形并不適用。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足和缺陷，本發(fā)明旨在提供一種系統(tǒng)動力學結(jié)構(gòu)突變的檢測方法和檢測系統(tǒng)，通過計算系統(tǒng)狀態(tài)變量概率密度分布，將計算得到的概率密度帶入Fisher信息計算公式，即可判斷系統(tǒng)動力學結(jié)構(gòu)是否發(fā)生了突變。為達成上述目的，本發(fā)明提出一種系統(tǒng)動力學結(jié)構(gòu)突變的檢測方法，包括以下步驟:(I)定義用于動力學結(jié)構(gòu)的突變的滑動時間窗口在描述系統(tǒng)狀態(tài)隨時間變化的觀察數(shù)據(jù)序列集上定義一個滑動時間窗口，該窗口寬度取決于可得到的數(shù)據(jù)量和系統(tǒng)的行為；(2)系統(tǒng)狀態(tài)的概率密度分布計算將步驟I定義的滑動時間窗口分成L個互不相交的區(qū)間Z1，并利用如下公式計算窗口中相應于Z1區(qū)間上的概率密度分WPm(Z1):
權(quán)利要求
1.一種系統(tǒng)動力學結(jié)構(gòu)突變的檢測方法，其特征在于，包括以下步驟: (1)定義用于動力學結(jié)構(gòu)的突變的滑動時間窗口 在描述系統(tǒng)狀態(tài)隨時間變化的觀察數(shù)據(jù)序列集上定義一個滑動時間窗口，該窗口寬度取決于可得到的數(shù)據(jù)量和系統(tǒng)的行為； (2)系統(tǒng)狀態(tài)的概率密度分布計算 將步驟I定義的滑動時間窗口分成L個互不相交的區(qū)間Z1，并利用如下公式計算窗口中相應于Z1區(qū)間上的概率密度分布Pm(Z1):
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)動力學結(jié)構(gòu)突變的檢測方法，其特征在于，前述步驟I中，滑動時間窗口的窗口寬度w至少包含8個數(shù)據(jù)點以確保窗口中的每一點不會過度影響整個計算。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)動力學結(jié)構(gòu)突變的檢測方法，其特征在于，前述的步驟I中，滑動時間窗口的滑動因子S小于窗口寬度w以使相鄰的滑動時間窗口間出現(xiàn)重疊。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)動力學結(jié)構(gòu)突變的檢測方法，其特征在于，前述步驟2中，L取值為4 12之間的整數(shù)。
5.一種系統(tǒng)動力學結(jié)構(gòu)突變的檢測系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括: 滑動時間窗口定義模塊，用以在描述系統(tǒng)狀態(tài)隨時間變化的觀察數(shù)據(jù)序列集上定義一個滑動時間窗口； 系統(tǒng)狀態(tài)的概率密度分布計算模塊，用以計算滑動時間窗口中相應于Z1區(qū)間上的概率密度分WPm (Z1)； Fisher信息值計算模塊，用以根據(jù)前述概率密度分WPm(Z1)計算Fisher信息值FI ;以及 突變檢測與觀察模塊，用于繪制FI值隨時間變化的曲線并根據(jù)該曲線的變化趨勢判斷系統(tǒng)動力學結(jié)構(gòu)的突變情況。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)動力學結(jié)構(gòu)突變的檢測系統(tǒng)，其特征在于，前述滑動時間窗口的窗口寬度w至少包含8個數(shù)據(jù)點以確保窗口中的每一點不會過度影響整個計算。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)動力學結(jié)構(gòu)突變的檢測系統(tǒng)，其特征在于，前述滑動時間窗口的滑動因子S應小于窗口寬度W以使相鄰的滑動時間窗口間出現(xiàn)重疊。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)動力學結(jié)構(gòu)突變的檢測系統(tǒng)，其特征在于，前述系統(tǒng)狀態(tài)的概率密度分布計算模塊將滑動時間窗口分成L個互不相交的區(qū)間Z1, L取值為4 12之間的整數(shù)，并利用如下公式計算窗口中相應于Z1區(qū)間上的概率密度分WPm(Z1):
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)動力學結(jié)構(gòu)突變的檢測系統(tǒng)，其特征在于，前述Fisher信息值計算模塊將概率密度分布Pm (Z1)開方求得Qm(Z1),即:
全文摘要
本發(fā)明提供一種系統(tǒng)動力學結(jié)構(gòu)突變的檢測系統(tǒng)和檢測方法，該系統(tǒng)包括滑動時間窗口定義模塊1，用以在描述系統(tǒng)狀態(tài)隨時間變化的觀察數(shù)據(jù)序列集上定義一個滑動時間窗口；系統(tǒng)狀態(tài)的概率密度分布計算模塊2，用以計算滑動時間窗口中相應于Zl區(qū)間上的概率密度分布Pm(Zl)；Fisher信息值計算模塊3，用以根據(jù)前述概率密度分布Pm(Zl)計算Fisher信息值FI；以及突變檢測與觀察模塊4，用于繪制FI值隨時間變化的曲線并根據(jù)該曲線判斷系統(tǒng)動力學結(jié)構(gòu)的突變情況。本發(fā)明的檢測系統(tǒng)和檢測方法適應性廣，且不依賴于被分析信號的長度和幅度，并具有一定的抗干擾能力。
文檔編號G06F19/00GK103150466SQ20121058983
公開日2013年6月12日 申請日期2012年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月29日
發(fā)明者蔡舒平 申請人:江蘇大學