1、 收稿日期：基金项目：年陕西省自然科学基础研究计划（青年人才项目）（）；陕西省教育厅自然科学专项（）；陕西省自然科学基础研究计划（）；陕西工业职业技术学院校级重点项目（）第一作者：张小洁（），硕士，副教授，主要研究方向为智能制造与检测、数据挖掘技术。：基于 的三阶 自适应滤波器的时间序列数据预测算法的研究张小洁，白 蕾，（西部创新研究院；陕西工业职业技术学院，陕西 咸阳）摘要：为了确保工业复杂系统运行过程中的安全性和可靠性，对生产过程中的非线性数据进行预测分析成为一种有效手段。为了提高时间序列数据预测准确性，提出基于非线性归一化最小均方算法（）的三阶 自适应滤波器预测算法。首先针对时间序列数据
2、的预测问题，利用有限项记忆单元的三阶 级数对复杂系统运行数据进行预测。针对权重初始值会严重影响预测效果的问题，采用 自适应滤波算法对滤波器系数进行在线更新，对未来时刻的数据进行预测。最后利用联合循环发电厂数据对该预测算法进行实验，火电厂运行数据的预测值和实际观测值之间的误差很小，说明基于 的三阶 自适应预测算法具有较好的预测效果，能够为实际的预测及控制提供有利的依据。关键词：时间序列数据；自适应中图分类号：文章编号：（）文献标识码：，（；，）：，（），：；引言复杂系统已经广泛的存在于航空、航天、电子、机械、医疗等领域，成为人们生活中的一部分。这些系统无论出现任何故障，危害都是巨大的。在工业复杂
3、系统中随处可见各种不确定性现象，并且随工业仪表与自动化装置 年第 期着系统的大型化、智能化的发展，系统的不确定性也会愈加明显，带来的可靠性问题不容忽视。因此复杂系统的可靠性研究成为了一个备受关注的热点。复杂系统的工作寿命以及工作效率取决于其性能及可靠性，并且系统灾难性的故障难以通过事后维修和计划性维修预防，而且维修还会引起不必要的停机，从而带来维修损坏风险。因此，利用系统运行中的过程数据对系统的可靠性进行分析十分必要。如果设备的真实运行状态无法用过程数据反映出来，自动控制系统运行也会收到直接影响。因此，为了保证复杂系统运行的安全性和经济性，做好测量数据的预测和验证是十分必要的。一般情况下，利用
4、物理量的合理阈值来衡量测量值是否正确是一种比较粗糙的判断方法，这种方法无法准确判断阈值范围内的测量值是否准确。而利用预测值对系统运行过程状态值进行准确性判断是一种有效途径，同时预测值可以在传感器故障而无法值提供测量值时替代状态测量值完成后续工作。数据预测方法被证实是一种非常有效的手段，并得到了非常广泛的应用。经过不断研究，学者们提出了全局预测法、局域预测法和非线性自适应预测法等多种预测时间序列的方法。其中，非线性自适应预测法相较于全局预测法、局域预测法具有更多的优点，尤其是在工程应用中有更好的效果。由于变量的信息随着时间在不断发生变化，并且过程数据是非线性的时间序列数据，导致常用预测算法的预测
5、效果不佳。因此，为了克服线性滤波器的缺陷并使预测性能得到较好的提高，近年来非线性滤波理论已成为人们研究的热点。滤波器结构简单，综合考虑了系统的线性和非线性结构，以其良好的性能较适合构建各种系统的非线性模型。在系统辨识、回波对消、信道均衡、图像处理、混沌预测等领域 滤波器的应用十分广泛。在时间序列的非线性自适应预测中，滤波器因其输出是其滤波核的线性函数，易于用现有的线性分析工具来分析其滤波性能，已经成为最广泛使用的预测模型之一。针对非线性时间序列数据的预测问题，经过大量的理论研究和实践表明，级数对这样的时间序列的预测是很有效的。由于二阶 级数的非线性的逼近能力有限，导致预测结果不理想，并且 滤波
6、器表示非线性系统时的复杂性是该方法的主要问题。因此该文选择三阶 级数对系统未来的数值信息进行在线预测，获取未来的数值信息。为了在滤波器的系数减少的情况下获得良好的预测性能，采用非线性归一化 算法更新各个系数。最后利用实际工业复杂系统生产数据对本算法进行验证。实验表明，基于 的三阶 自适应滤波器的时间序列数据预测算法能够准确的预测未来数据，因此具有很好的使用前景。基于 的三阶 自适应滤波器的时间序列数据预测算法 首先利用 组历史数据和 组当前的数据定义输入数据为：（）（），（），（）（）一步预测的输出为：（）（）（）则该非线性系统的三阶 级数可表示为：（）（）（）（）（，）（）（）（，）（）（）
7、（）（）式中：，（），（，），（，）是 的核，也就是 级数滤波器的系数。如果将公式（）中的无穷项改为有限项的话，也就意味着它的记忆单元为有限项的数值。使用 组数据进行预测，因此可以将无穷换为，此时的记忆单元就为 个数据，这样所有的三阶滤波器的系数总和为 。随着阶次的不断提高，那么 算法的计算量是会呈现几何倍数增长的。为了降低计算复杂度、减小滤波器系数和计算复杂度，将带常数项的 滤波器的乘积耦合用于求解过程中，此时滤波器的输出就被定义为如下形式：（）（）（，（）（，（）（，（）（）年第 期 工业仪表与自动化装置式中：，都是滤波器的系数。简化后滤波器的系数减少为 ，与之前相比数量和计算复杂度都大大
8、减少。对式（）利用非线性归一化的 算法对滤波器系数进行在线更新。该文采用一步预测法，训练阶段，使用 组数据预测下一时刻的数值，得到了预测值和测得的真实值进行比较，得到误差，使用误差再次对所有的滤波器的系数进行更新。迭代过程会不断地提高精度，误差逐渐地减小，最后获得理想的预测结果。假设在 时刻系统实际的输出为（），预测的输出为（），滤波器的系数为，则在 时刻的误差可以表示为：（）（）（）（）使代价函数最小的非线性归一化 自适应滤波算法为：（）（）（）（）（）（）式中：是使系统能够稳定收敛的一个常数；是收敛控制的辅助常数（，），因此上述的三阶滤波器可以简化为：（）（）（）（）（）（）（）（）式中：
9、（），（），（）分别为三个滤波器各自的系数，（）就是系统的输入。因此可以根据公式（）所给的表达式将三个滤波器的系数进行求解：（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）式中：，三者是不相同的，（），（），（），是当前时刻的滤波器系数，（），（），（），是下一时刻的滤波器系数，（），（），（），是在基础上，利用代价函数对其进行不断更新得到的。因此在初始时刻需要给三个滤波器的系数赋初始值，即：（），（），（），（），（），（），（）（）通过式（），不断地从初始时刻开始每次选取
10、 组数据对下一时刻数据进行预测，利用预测值和真实值进行比较得到误差，不断地更新三个滤波器的系数，最终实现对所有数据的预测，即基于 的三阶 自适应滤波器的时间序列数据预测算法的实现过程。仿真实验该文提出的预测算法的难点在参数的调整，由于权重的初始值会影响初始的预测效果，需要调节初始权重的取值；并且历史数据的数目也会影响最终的预测结果；最主要的是收敛控制辅助常数，选取不同的常数值并不断地调节三个收敛控制辅助参数的取值，得到不同的预测结果，选取预测误差最小的一组预测结果，得到每个变量各自对应的参数值。为了验证该文提出的基于 的三阶 自适应滤波器的时间序列数据预测算法的效果，本节采用联合循环发电厂在满
11、负荷情况下的运行状态数据 进行实验。该数据集包括 组数据，其中包括环境温度（），环境压力（），相对湿度（）以及排气真空（）。该文选择 组数据，选择前 组数据作为训练数据，利用后 组数据对算法进行验证。仿真结果如图 图 所示。图 环境压力的实验结果工业仪表与自动化装置 年第 期图 排气真空的实验结果图 环境温度的实验结果图 相对湿度的实验结果 以上是四个指标的预测结果，红线是原始的数据，蓝线是使用三阶 滤波器自适应滤波算法的预测结果。根据真实数据与预测结果重合的情况以及误差的大小，可以看出该文提出的预测方法根据实际值与预测值的误差不断地更新滤波器系数，使误差越来越小，有较好的预测效果。小结针对复
12、杂系统时间序列数据难以预测的问题，该文将非线性归一化最小均方（）算法与三阶 算法相结合，利用三阶 级数对运行数据进行预测；为了降低权重初始值对预测效果的影响，利用非线性归一化最小均方自适应滤波算法对所有的系数进行在线更新，从而降低误差。最后，利用火电厂数据集对环境温度、环境压力、相对湿度和排气真空数据进行预测，基于 的三阶 自适应滤波器时间序列数据预测算法能够很好地根据已有数据预测下一时刻的数据，能够为实际的预测及控制提供有利的依据。参考文献：，（）：朱菊香，张赵良，王玉芳，等 列车车厢空气质量检测与自动控制系统的研究 现代电子技术，（）：韩敏，马俊珠，任伟杰，等 基于核自适应滤波器的时间序列
13、在线预测研究综述 自动化学报，（）：钱虹，江诚，潘岳凯，等 基于时间序列神经网络的蒸汽发生器传热管泄漏程度诊断研究 核动力工程，（）：王栋，张自强，高建勇，等 基于支持向量机的配电网全域大数据自动化预测模型设计 自动化技术与应用，（）：（下转第 页）年第 期 工业仪表与自动化装置 监控平台设计监视平台主要完成对外展示、运营管理等功能，因此在画面及功能设计上以用户需求为出发点，开发了大屏画面和管理后台。大屏画面主要包括总画面和 个学校供热分画面。画面内容丰富、数据清晰、图文并茂，具有良好的展示效果。管理后台主要是运营人员及管理人员用于查看所有实时数据、历史数据、报表，进行设备管理、系统权限管理等
14、。平台满足了对 所学校整个供热系统集中监视、管理的功能。另配套手机，画面设计着眼于方便运营管理者使用，主要以单个学校供热信息自主选择进行展示，包括锅炉信息、循环泵及补水泵信息、视频信息等，一目了然。实施效果通过对现场多种信息的采集，基于 网络及无线网络传输，实现了对分布式锅炉远程集中监控，保证了数据传输的完整性和稳定性。经过实施验证，运营人员能够实时监测现场设备运行状况、视频信息，了解各项工艺参数，查看各类统计分析结果等，操作方便、效率提高，现场无人值守、降低运营成本，整体实施效果良好。结语随着企业发展、技术革新，远程监控已成为时代所需，将自动化技术融合 网络的安全、灵活、可靠性能使得系统远程
15、信息共享更具有可行性，推动系统向更加智能化、信息化、无人化方向发展。将 技术应用到远程监控，利用其专用性及较高的性价比，保证信息有效可靠传输，实现数据信息的互联互通、多元共享；在某种程度上大大优化了系统结构、提高了管理效率、降低了运营成本。参考文献：李晓红 基于 城市集中供热监控系统的设计化工自动化及仪表，：钱建生，黄朝晖，曹国清，等 基于 的分布式安全监控系统的设计 煤炭科学技术，（）：张明杰，丛智慧 风电场智能化远程监控管理系统设计与应用 内蒙古电力技术，（）：武利斌，杨嘉伟，王正杰，等 基于 网络的分布式电站监控系统设计与实现 东方电气评论，（）：李健华 集中供水远程监控系统的设计及应用
16、 现代电子技术，（）：顾向荣 增压泵站远程监控系统的设计与应用 自动化控制理论与应用，（）：（上接第 页）芦泽阳，李树江，王向东 计及位置不确定的喷雾机喷杆系统仿形姿态渐近跟踪控制 应用数学和力学，（）：徐传忠，王永初，杨冠鲁 模拟退火粒子群算法的 主动噪声消除器 自动化与仪器仪表，（）：张家树，肖先赐 用于混沌时间序列自适应预测的一种少参数二阶 滤波器 物理学报，（）：奚之飞，徐安，寇英信，等 基于改进粒子群算法辨识 级数的目标机动轨迹预测 航空学报，（）：相赟，林崇，陈兵 自适应事件触发网络化非线性系统滤波器设计 控制理论与应用，（）：王启林 基于 级数的结构非线性识别研究 大连：大连理工大学，陈乐瑞，曹建福，胡河宇，等 一种基于 频域核的非线性频谱智能表征方法 中南大学学报：自然科学版，（）：韩琛晔 基于多新息算法的阶次未知的 系统参数估计 河南理工大学学报：自然科学版，（）：韦保林，罗晓曙，王秉宏，等 一种基于三阶 滤波器的混沌时间序列自适应预测方法 物理学报，（）：，（）：，：，：赵雅利，王玉丰，纪静，等 基于 算法的配电网终端设备运行数据实时采集 电子设计工程，（）：年第
