一种铁路沿线风速观测资料质量控制方法及系统

摘要

本发明公开了一种铁路沿线风速观测资料质量控制方法及系统，获取铁路沿线目标站的风速时间序列；利用局部均值分解法对风速时间序列进行分解得到

说明书

技术领域

本发明涉及一种铁路沿线风速观测资料质量控制方法及系统，属于数据处理技术领域。

背景技术

近年来，我国高铁建设飞速发展，随着高铁运行速度的不断提高，高铁运行安全成为人们关注的热点。大风是影响高铁安全运行的主要气象灾害之一，当列车遭遇较大环境风速时，极易导致列车脱轨或者倾覆。为保证高铁的运行安全，需监测高铁沿线风速观测资料，在大风频发区域设置防风墙，并对高速铁路沿线大风实现提前预报预警。

由于高铁沿线测风塔的局限性，风速观测资料在采集和传输的过程中易受到各种误差的干扰，而数据的质量在一定程度上会影响对高铁能否安全运行的评估，因此需要对高铁沿线风速观测资料进行严格的质量控制。

风速观测资料质量控制的目的主要有两个：其一，保证风速观测资料的完备性，即在测风周期内具有完整的风速观测资料；其二，检测原始观测资料中异常的观测资料并加以修正。气象领域传统的风速观测资料质量控制方法由单站质量控制方法和多站质量控制方法两部分组成。单站质量控制方法包括极值检查、时间一致性检查和内部一致性检查等；多站质量控制方法主要包括空间一致性检查。传统的风速观测资料质量控制方法存在以下几点问题：1)只能检测出风速观测资料中存在的粗大误差并加以标记或剔除，无法实现精细化检查且不能对其进行修正；2)当风速观测资料中存在缺测值时，无法对缺测值进行补全；3)风速观测资料的空间分布具有非均匀性，利用空间一致性检查对其进行质量控制效果不佳。同时在实际工程应用中，无法直接将气象领域的风速观测资料质量控制方法应用到高铁沿线风速观测资料质量控制中。目前，行业内没有一种专门针对高铁沿线风速观测资料的质量控制方法以解决高铁沿线风速资料的质量问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种铁路沿线风速观测资料质量控制方法及系统，实现较高的预测精度，有效地检测出原始数据中的错误数据，同时也可以补全缺测值。

为解决上述技术问题，本发明提供一种铁路沿线风速观测资料质量控制方法，包括：

获取铁路沿线目标站的风速时间序列；

利用局部均值分解法对风速时间序列进行分解得到k个PF分量和1个残余分量，其中PF分量为瞬时频率具有物理意义的乘积函数；

利用预先确定的最佳的时间卷积网络预测模型对各分量进行预测，将预测的结果叠加，得到目标站预测值；

首先检测风速数据中是否含有缺失值，当检测到缺失值时，用所得预测值来补全缺测值；然后利用预先设置的检错公式以及所述目标预测值对待检目标站观测值进行质量判定，若满足所述检错公式则该待检观测值为正确数据，若不满足所述检错公式则该待检目标站观测值为存疑数据，将存疑数据标记并用预测值代替。

进一步的，所述最佳的卷积网络预测模型的确定过程，包括：

获取目标站的某段时间的历史风速时间序列，利用局部均值分解法对历史风速时间序列进行分解得到k个PF分量和1个残余分量；

对分解得到的k个PF分量和1个残余分量分别建立时间卷积网络模型，利用网格搜索对时间卷积网络模型中的卷积核大小、卷积核个数、舍弃率以及膨胀系数进行寻优，得到最佳的时间卷积网络预测模型。

进一步的，所述获取目标站的某段时间的历史风速时间序列，包括：

获取目标站的测风塔的某段时间的历史风速观测资料；

对历史风速观测资料进行极值检查、时间一致性检查和内部一致性检查，标记并剔除错误值，选取没有错误值的连续时间段数据作为历史风速时间序列。

进一步的，所述检错公式为：

|T

其中，f为质量控制参数设置，σ为待检目标站观测值T

进一步的，所述铁路沿线为高铁沿线。

一种铁路沿线风速观测资料质量控制系统，包括：

获取模块，用于获取铁路沿线目标站的风速时间序列；

分解模块，用于利用局部均值分解法对风速时间序列进行分解得到k个PF分量和1个残余分量，其中PF分量为瞬时频率具有物理意义的乘积函数；

预测模块，用于利用预先确定的最佳的时间卷积网络预测模型对各分量进行预测，将预测的结果叠加，得到目标站预测值；

处理模块，用于首先检测风速数据中是否含有缺失值，当检测到缺失值时，用所得预测值来补全缺测值；然后利用预先设置的检错公式以及所述目标预测值对待检目标站观测值进行质量判定，若满足所述检错公式则该待检观测值为正确数据，若不满足所述检错公式则该待检目标站观测值为存疑数据，将存疑数据标记并用预测值代替。

一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，其特征在于，所述一个或多个程序包括指令，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备执行所述的方法中的任一方法。

一种计算设备，包括，

一个或多个处理器、存储器以及一个或多个程序，其中一个或多个程序存储在所述存储器中并被配置为由所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序包括用于执行所述的方法中的任一方法的指令。

本发明所达到的有益效果：

本发明在时间卷积网络方法中加入局部均值分解方法，用局部均值分解方法分解风速时间序列，降低风速时间序列的非平稳性。该方法能够减小预测的误差，提高预测精度，并能够有效检测出高铁沿线风速观测资料中存在的错误数据，在高铁沿线风速观测资料质量控制方面具有较强的实用价值。

附图说明

图1本发明方法流程图；

图2四种方法预测结果；

图3四种方法MAE、RMSE和NSC评价指标。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

一种铁路沿线风速观测资料质量控制方法，包括：

获取铁路沿线目标站的风速时间序列，数据是铁路沿线安装的测风仪采集的风速数据；数据的分辨率是5min。预测是单步预测，用前10个的风速数据预测后1个风速数据；

利用局部均值分解法对风速时间序列进行分解得到k个PF分量和1个残余分量，其中PF分量为瞬时频率具有物理意义的乘积函数；

利用预先确定的最佳的时间卷积网络预测模型对各分量进行预测，将预测的结果叠加，得到目标站预测值；

首先检测风速数据中是否含有缺失值，当检测到缺失值时，用所得预测值来补全缺测值；然后利用预先设置的检错公式以及所述目标预测值对待检目标站观测值进行质量判定，若满足所述检错公式则该待检观测值为正确数据，若不满足所述检错公式则该待检目标站观测值为存疑数据，将存疑数据标记并用预测值代替

具体过程包括：

步骤1：将采集到的风速观测资料经过极值检查、时间一致性检查和内部一致性检查这三个初步的质量控制标记并剔除错误值，选取没有错误值的连续时间段数据，具体为该测风塔的2018年的风速观测资料，对每天的风速求5分钟平均以组成长度为105120的5分钟平均风速序列。

步骤2：将长度为105120的5分钟平均风速序列进行划分，2018年1月—2018年8月的5分钟平均风速数据作为训练集x(t),t＝1,2,...,T；2018年9月—2018年12月的风速数据作为测试集，用T

步骤3，利用局部均值分解法对x(t),t＝1,2,...,T分解得到k个PF分量和1个残余分量u

步骤4，对分解得到的k个PF分量和1个残余分量u

步骤5，将各分量预测的结果叠加，得到目标站的预测值。

步骤6，将预测值T

步骤7，检错方法公式为：|T

为了突出本方法的优点，将LMD-TCN并与TCN、长短期记忆神经网络法(LongShort-Term Memory，LSTM)、支持向量回归法(Support Vector Regression，SVR)这三种方法对比，为便于观察预测值与实际观测值的对比结果，仅截取其中一部分预测结果作图，其结果见图2，预测精度从高到低排序为LMD-TCN>TCN>LSTM>SVR。本方法得到的评价指标MAE、RMSE和NSC明显优于其他方法，见图3。

本实施例利用京沪高铁某路段测风塔5min平均风速数据，将序列经过局部均值分解，对分解后的分量分别建立时间卷积网络模型，将结果叠加得到预测结果，该算法的模型预测精度高，能够有效地检测出高铁沿线风速观测资料中的错误数据并补全缺测值。通过图2和图3的对比分析验证了本发明方法质量控制效果明显。

相应的本发明还提供一种铁路沿线风速观测资料质量控制系统，包括：

获取模块，用于获取铁路沿线目标站的风速时间序列；

分解模块，用于利用局部均值分解法对风速时间序列进行分解得到k个PF分量和1个残余分量，其中PF分量为瞬时频率具有物理意义的乘积函数；

预测模块，用于利用预先确定的最佳的时间卷积网络预测模型对各分量进行预测，将预测的结果叠加，得到目标站预测值；

处理模块，用于首先检测风速数据中是否含有缺失值，当检测到缺失值时，用所得预测值来补全缺测值；然后利用预先设置的检错公式以及所述目标预测值对待检目标站观测值进行质量判定，若满足所述检错公式则该待检观测值为正确数据，若不满足所述检错公式则该待检目标站观测值为存疑数据，将存疑数据标记并用预测值代替。

相应的本发明还提供一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，其特征在于，所述一个或多个程序包括指令，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备执行所述的方法中的任一方法。

相应的本发明还提供一种计算设备，包括，

一个或多个处理器、存储器以及一个或多个程序，其中一个或多个程序存储在所述存储器中并被配置为由所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序包括用于执行所述的方法中的任一方法的指令。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。