專(zhuān)利名稱(chēng)：一種基于時(shí)間序列相似匹配的海洋災(zāi)害預(yù)警裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用GPS、陀螺儀、電子指南針組合的導(dǎo)航裝置，及使用傳感器接 收數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間序列相似匹配的海洋災(zāi)害預(yù)警裝置。
背景技術(shù)：
海洋是資源寶庫(kù)、是食品資源基地、是重要的能源基地、是金屬礦產(chǎn)資源基地、是 水資源基地、是再生能源基地、是生產(chǎn)生活的空間資源、是世界交通的要道。而最近由于經(jīng) 濟(jì)的發(fā)展和環(huán)境的變化，每年發(fā)生的海洋災(zāi)害給沿海地區(qū)造成的經(jīng)濟(jì)損失與人員傷亡，已 對(duì)沿海地區(qū)的經(jīng)濟(jì)建設(shè)與和諧社會(huì)建設(shè)構(gòu)成嚴(yán)重威脅。因此，研究預(yù)警技術(shù)，加強(qiáng)沿海地區(qū) 海洋災(zāi)害監(jiān)測(cè)，獲取海洋即時(shí)信息，研制防災(zāi)決策輔助系統(tǒng)，發(fā)布準(zhǔn)確的災(zāi)情，是保障人民 生命財(cái)產(chǎn)安全與社會(huì)穩(wěn)定的迫切需要。時(shí)間序列相似性匹配在統(tǒng)計(jì)理論、機(jī)器學(xué)習(xí)以及數(shù)據(jù)挖掘等方面具有重要的意 義，相似性度量常用于發(fā)現(xiàn)具有相似起伏的股票、確定具有相似銷(xiāo)售模式的產(chǎn)品、分類(lèi)具有 相似形狀的恒星光譜曲線(xiàn)等等。海洋災(zāi)害的歷史數(shù)據(jù)比較豐富，充分利用這些數(shù)據(jù)是保障 人民生命安全的一個(gè)有力手段。定位裝置在汽車(chē)導(dǎo)航中使用最為廣泛，技術(shù)也比較成熟，與 目前基于現(xiàn)實(shí)技術(shù)相結(jié)合，更好的疊加現(xiàn)實(shí)世界內(nèi)容。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于相似性匹配的海洋災(zāi)害預(yù)警手持裝置，尤其適于風(fēng) 暴潮災(zāi)害的預(yù)警裝置，方便用戶(hù)攜帶。主要應(yīng)用于海上作業(yè)人員和研究員。在全球氣候變 化和沿海經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展的背景下，海洋災(zāi)害發(fā)生頻率和強(qiáng)度突顯，如風(fēng)暴潮、江蘇南通的 怪潮等。為了實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明是采用如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的1)定位裝置通過(guò)電子指南針、MEMS陀螺儀與GPS接收信息，當(dāng)GPS信號(hào)被阻擋 時(shí)，由陀螺儀和電子指南針接收信息，同時(shí)，MEMS陀螺提供手持設(shè)備的姿態(tài)，根據(jù)設(shè)備的不 同方向而讀取不同的場(chǎng)景內(nèi)容；電子指南針指示用戶(hù)當(dāng)前所在位置的準(zhǔn)確方向；GPS定位 用戶(hù)所處位置的準(zhǔn)確方向。通過(guò)LBS位置服務(wù)獲得矯正對(duì)象手持設(shè)備的經(jīng)緯度，從而確定 用戶(hù)的具體位置。2)獲得用戶(hù)的場(chǎng)景內(nèi)容用戶(hù)通過(guò)視頻獲取設(shè)備攝取定位裝置和LBS所定位的場(chǎng) 景，并呈現(xiàn)在多點(diǎn)觸摸手持設(shè)備上。3)傳感器的使用海洋災(zāi)害上多于溫度、氣壓等相關(guān)，因此本發(fā)明確定至少擁有 溫度、氣壓兩個(gè)傳感器，可以根據(jù)需要再增加傳感器的種類(lèi)。傳感器接收回來(lái)的數(shù)據(jù)傳給數(shù) 據(jù)處理裝置，與歷年案例相比較，給出一個(gè)閾值，如果相似度大于等于這個(gè)閾值，則認(rèn)為是 危險(xiǎn)區(qū)域。傳給報(bào)警裝置一個(gè)信號(hào)，告知此地是危險(xiǎn)區(qū)域，且手持設(shè)備上顯示紅色區(qū)域。4)數(shù)據(jù)處理裝置數(shù)據(jù)處理裝置在本發(fā)明中非常關(guān)鍵，它接收來(lái)自傳感器的數(shù) 據(jù)，同時(shí)存有歷年災(zāi)害發(fā)生時(shí)的特征數(shù)據(jù)和處理方法。步驟如下
A、將海洋災(zāi)害目錄數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為一定時(shí)空范圍內(nèi)、一定級(jí)別以上的海洋災(zāi)害事件系 列集。這樣，不同時(shí)空范圍內(nèi)的海洋災(zāi)害就構(gòu)成了不同的海洋災(zāi)害序列。下面給出海洋災(zāi) 害序列及其相似性的定義和海洋災(zāi)害序列相似性的度量模型。定義1(海洋災(zāi)害相關(guān)地區(qū))海洋災(zāi)害發(fā)生頻繁的地理區(qū)域。定義2 (海洋災(zāi)害事件).將海洋災(zāi)害目錄數(shù)據(jù)庫(kù)中記錄的每一次海洋災(zāi)害看作一 個(gè)事件。將所有海洋災(zāi)害事件按空間屬性和區(qū)域而分為不同的海洋災(zāi)害事件集，把發(fā)生在 一定級(jí)別以上且同時(shí)在t時(shí)刻發(fā)生的海洋災(zāi)害事件記為E(t)。定義3 (海洋災(zāi)害事件序列).在某海洋災(zāi)害相關(guān)地區(qū)中，把發(fā)生在時(shí)間范圍F內(nèi) 的事件集Et = {E(t) |t e時(shí)間范圍F}在時(shí)間軸上的一個(gè)排列稱(chēng)為海洋災(zāi)害事件序列，其 中每一個(gè)單獨(dú)的事件E(t)稱(chēng)為一個(gè)事件項(xiàng)。定義4 (海洋災(zāi)害序列).依據(jù)海洋災(zāi)害發(fā)生的時(shí)間和等級(jí)，把海洋災(zāi)害事件項(xiàng)的 空間屬性略去，在時(shí)間軸上抽象為一個(gè)時(shí)間單位上的風(fēng)暴潮強(qiáng)度值。從而，一個(gè)海洋災(zāi)害事 件序列就被抽象為一個(gè)時(shí)間序列，稱(chēng)其為海洋災(zāi)害序列，用S= {S(t)|t = 0，l，2，. . . , η} 來(lái)表示，海洋災(zāi)害事件序列中，一個(gè)事件項(xiàng)對(duì)應(yīng)海洋災(zāi)害序列中的一個(gè)元素。這里要特別 說(shuō)明的是，根據(jù)領(lǐng)域特性，將海洋災(zāi)害事件發(fā)生的時(shí)間t擴(kuò)展為一個(gè)單位時(shí)間間隔范圍，即 t ^ Tgap0定義5 (海洋災(zāi)害序列長(zhǎng)度).對(duì)于海洋災(zāi)害序列S，用|S|表示其長(zhǎng)度，即海洋災(zāi) 害序列S的元素個(gè)數(shù)。S[i]表示海洋災(zāi)害序列S中的第i個(gè)元素，S(t)表示海洋災(zāi)害序列 S在t時(shí)刻的等級(jí)取值。定義6 (稠密海洋災(zāi)害序列).在某一時(shí)間區(qū)域內(nèi)，對(duì)海洋災(zāi)害序列S，在沒(méi)有發(fā)生 海洋災(zāi)害事件的單位時(shí)間段補(bǔ)充了空元素以后形成的海洋災(zāi)害序列，稱(chēng)為稠密海洋災(zāi)害序 列S'。注以下所說(shuō)的序列及元素都是指稠密序列或稠密序列之中的元素。定義7 (海洋災(zāi)害相似性).設(shè)χ和y是任意兩個(gè)不同海洋災(zāi)害序列中的對(duì)應(yīng)元 素，用標(biāo)記函數(shù)A (X，y)來(lái)描述χ和y元素的相似性，元素x、y之間的距離使用動(dòng)態(tài)彎曲距 離(DTW)，記為D(x，y)。標(biāo)記函數(shù)A(x，y)定義為如果D(x，y) ( Mthreshold，則 A (X，y) = 0 ；如果 D(x，y) > Mthreshold，則 A (χ，y) = 1。 這里，Mttoestold為誤差閾值，由用戶(hù)根據(jù)具體需求來(lái)確定。誤差閾值越小，表示兩個(gè)元素所代 表的海洋災(zāi)害強(qiáng)度差別越小。特別值得注意的是，因?yàn)樵试S相關(guān)海洋災(zāi)害發(fā)生的時(shí)間有一 定的間隔，所以χ和y兩元素可以對(duì)應(yīng)不同的時(shí)間點(diǎn)，用戶(hù)可以根據(jù)需要給定這個(gè)時(shí)間間隔 的范圍。另一方面，海洋各災(zāi)害序列中常常會(huì)出現(xiàn)這樣的現(xiàn)象在時(shí)間軸的某些單位時(shí)間 段內(nèi)，沒(méi)有海洋災(zāi)害事件發(fā)生。這時(shí)，可以在序列中補(bǔ)充空元素，即在沒(méi)有海洋災(zāi)害事件的 時(shí)間段補(bǔ)充取值為0的元素。當(dāng)非空元素與空元素進(jìn)行相似性比較時(shí)，標(biāo)記函數(shù)取值為0。定義8 (海洋災(zāi)害相似性度量模型).設(shè)S和Q是兩個(gè)不同的海洋災(zāi)害序列，則S
和R的相似性可以用兩序列中的相似性標(biāo)記函數(shù)和來(lái)度量。其定義如下 定義9 (海洋災(zāi)害序列分段線(xiàn)性表示).在一定時(shí)間范圍內(nèi)，將海洋災(zāi)害序列按照時(shí)間t表示成多段相鄰的近似直線(xiàn)。由于海洋災(zāi)害的數(shù)據(jù)具有局部離群的特征，此線(xiàn)性分 段采用滑動(dòng)窗口的方法。即給定一個(gè)長(zhǎng)度為η的海洋災(zāi)害事件序列s和長(zhǎng)度為w的時(shí)間窗 口，記s為(xl，x2，. . .，χη)，將時(shí)間窗口放在時(shí)間序列的起始位置，此時(shí)時(shí)間窗口對(duì)應(yīng)序列 上長(zhǎng)度為w的一段子序列，依次類(lèi)推，共分為η-w+l段。定義10 (相關(guān)海洋災(zāi)害支持?jǐn)?shù)及支持度).相關(guān)海洋災(zāi)害支持?jǐn)?shù)Sup (S，Q)及支持 度η定義為ViElT-TtapiT + Ttap ],e{Stf]Qt}^ Sup(E(t)) = 1,Vi e [T~Ttap,T + Ttap],^3E(t)(E(t) e 估門(mén)⑴=^ Sup{E(t)) = 0,Sup(S, 0 = J Sup(E(T))
；=0η = Sup (S, Q)/I S其中，E(t) e {St，Qt}表示在一個(gè)時(shí)間間隔范圍t e [T-Tgap,T+Tgap]內(nèi)，只要序 列S和序列Q中均有海洋災(zāi)害事件發(fā)生，支持度總數(shù)就增加1 ；如果序列S和序列Q有一個(gè) 沒(méi)有海洋災(zāi)害事件，就不記入支持度總數(shù)。式(2)中的η為時(shí)間間隔總數(shù)。B、尋找海洋災(zāi)害相關(guān)地區(qū)的序列相似性匹配算法結(jié)合相關(guān)海洋災(zāi)害的特點(diǎn)，在定義了海洋災(zāi)害序列分段線(xiàn)性表示、相關(guān)海洋災(zāi)害 的支持度和海洋災(zāi)害序列相似性度量模型的基礎(chǔ)上，提出了一種基于支持?jǐn)?shù)和線(xiàn)性分段的 整體序列相似性匹配算法。下面給出算法的步驟步驟1 預(yù)處理——從海洋災(zāi)害目錄數(shù)據(jù)中取出數(shù)據(jù)，根據(jù)其包含的經(jīng)緯度信息， 按空間位置劃分為不同的區(qū)域，并將經(jīng)緯度和區(qū)域的對(duì)應(yīng)信息都一同存放在預(yù)處理結(jié)果文 件中；步驟2 構(gòu)成海洋災(zāi)害序列——從預(yù)處理結(jié)果文件中，提取具有相同區(qū)域編號(hào)的 數(shù)據(jù)歸并到一起，分別放入不同的臨時(shí)文件中，并累計(jì)此區(qū)域內(nèi)的海洋災(zāi)害記錄條數(shù)，記入 (區(qū)域號(hào)、條數(shù))鏈表結(jié)構(gòu)中。最后，各區(qū)域內(nèi)的案例記錄按時(shí)間排序，就形成一組海洋災(zāi)害 時(shí)間序列EQS ；步驟3 序列分段線(xiàn)性表示——將海洋災(zāi)害時(shí)間序列EQS按照滑動(dòng)窗口劃分的方 法將序列分為η-w+l段，如定義9所示。步驟4 兩兩進(jìn)行相似性分析——具體過(guò)程是分別取出處于不同區(qū)域中的海洋 災(zāi)害時(shí)間序列，若兩序列的相似度達(dá)到要求，則作相應(yīng)的記錄。然后計(jì)算支持度，并根據(jù)支 持度是否達(dá)到閾值輸出相關(guān)序列并查看于此相關(guān)的歷史處理記錄；步驟5 合并結(jié)果——將海洋災(zāi)害相關(guān)地區(qū)依據(jù)地理位置進(jìn)行合并，并重新計(jì)算支持度。在此算法中對(duì)兩個(gè)序列進(jìn)行相似性判定時(shí)，需要逐個(gè)元素比較。根據(jù)需要給定一個(gè)閾值，利用傳感器接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，如果所得結(jié)果大于或 等于這個(gè)閾值，則判斷是危險(xiǎn)區(qū)域，把信號(hào)傳給報(bào)警裝置，同時(shí)，如果用戶(hù)已經(jīng)在危險(xiǎn)區(qū)域， 則在觸摸屏上查看地圖，選擇離該危險(xiǎn)區(qū)域最近的地方撤退。如果是管理人員使用，還可以 進(jìn)一步確定其與歷史數(shù)據(jù)哪一年的最接近，借鑒當(dāng)年處理險(xiǎn)情的方法，把危害降到最低。5)報(bào)警裝置，包括一個(gè)顏色變換裝置和一個(gè)發(fā)聲裝置，根據(jù)數(shù)據(jù)處理裝置的結(jié)果， 報(bào)警裝置給予不同的回應(yīng)，當(dāng)?shù)搅宋ｋU(xiǎn)區(qū)域時(shí)，發(fā)聲系統(tǒng)發(fā)出警報(bào)，同時(shí)該區(qū)域變?yōu)榧t色。
6)傳感器裝置，及時(shí)接收溫度、氣壓、水溫等數(shù)據(jù)傳給數(shù)據(jù)處理裝置進(jìn)行處理。


圖1為本發(fā)明海洋預(yù)警裝置的結(jié)構(gòu)圖。圖2為發(fā)明海洋預(yù)警裝置的邏輯功能圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明公開(kāi)了一種基于時(shí)間序列相似匹配的海洋災(zāi)害預(yù)警裝置的方法與分析，下 面結(jié)合附圖對(duì)實(shí)施方式進(jìn)行說(shuō)明。圖1所示為本發(fā)明海洋災(zāi)害預(yù)警裝置的邏輯結(jié)構(gòu)圖，包括定位裝置102 (由電子指 南針、MEMS陀螺儀與GPS組成),LBS和GPS技術(shù)結(jié)合105、數(shù)據(jù)處理裝置104 存放歷年海洋 災(zāi)害發(fā)生時(shí)記載的特征數(shù)據(jù)及處理方法、報(bào)警裝置106 根據(jù)數(shù)據(jù)處理裝置傳回來(lái)的數(shù)據(jù) 判斷是否產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)、傳感器裝置107 把接收回來(lái)的數(shù)據(jù)傳給數(shù)據(jù)處理裝置進(jìn)行處理、 視頻獲取設(shè)備103 把定位裝置攝取的場(chǎng)景通過(guò)該設(shè)備獲取并呈現(xiàn)在多點(diǎn)觸控手持設(shè)備上 以及多點(diǎn)觸控手持設(shè)備101。與傳統(tǒng)的海洋災(zāi)害預(yù)警裝置不同，該裝置具有實(shí)時(shí)性，且攜帶 方便，使用對(duì)象更加廣泛。通過(guò)LBS基于位置服務(wù)和視頻獲取設(shè)備，在現(xiàn)實(shí)世界上，疊加更 多信息，具有現(xiàn)實(shí)增強(qiáng)的特點(diǎn)。其中定位裝置102，用于接收定位信號(hào)確定使用者所在的位置和方向以及當(dāng)前所見(jiàn)的 范圍。GPS模塊，用于接收衛(wèi)星定位信號(hào)，實(shí)時(shí)定位，并將定位結(jié)果保存在定位裝置中；電子 指南針模塊，用于指示預(yù)警裝置所處的方向，并隨著陀螺儀姿態(tài)的轉(zhuǎn)變而顯示不同的方向； 陀螺儀模塊，輔助GPS提供準(zhǔn)確的方位，在GPS接收信號(hào)不穩(wěn)定時(shí)，可以作為定位裝置提供 移動(dòng)信息。數(shù)據(jù)處理裝置104，用于接收來(lái)自傳感器的數(shù)據(jù)，同時(shí)存有歷年災(zāi)害發(fā)生時(shí)的特征 數(shù)據(jù)和處理方法。利用時(shí)間序列相似性匹配的方法，下面以海洋風(fēng)暴潮為例(可以是海洋 災(zāi)害的任意一種，如臺(tái)風(fēng)、怪潮等)，步驟如下A、將風(fēng)暴潮目錄數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為一定時(shí)空范圍內(nèi)、一定級(jí)別以上的風(fēng)暴潮事件系列 集.這樣，不同時(shí)空范圍內(nèi)的風(fēng)暴潮就構(gòu)成了不同的風(fēng)暴潮序列.下面給出風(fēng)暴潮序列及 其相似性的定義和風(fēng)暴潮序列相似性的度量模型。定義1 (風(fēng)暴潮相關(guān)地區(qū))風(fēng)暴潮發(fā)生頻繁的地理區(qū)域。定義2(風(fēng)暴潮事件).將風(fēng)暴潮目錄數(shù)據(jù)庫(kù)中記錄的每一次風(fēng)暴潮看作一個(gè)事 件。將所有風(fēng)暴潮事件按空間屬性和區(qū)域而分為不同的風(fēng)暴潮事件集，把發(fā)生在一定級(jí)別 以上且同時(shí)在t時(shí)刻發(fā)生的風(fēng)暴潮事件記為E(t)。定義3(風(fēng)暴潮事件序列).在某風(fēng)暴潮相關(guān)地區(qū)中，把發(fā)生在時(shí)間范圍F內(nèi)的事 件集Et = {E(t) |t e時(shí)間范圍F}在時(shí)間軸上的一個(gè)排列稱(chēng)為風(fēng)暴潮事件序列，其中每一 個(gè)單獨(dú)的事件E(t)稱(chēng)為一個(gè)事件項(xiàng)。定義4 (風(fēng)暴潮序列).依據(jù)風(fēng)暴潮發(fā)生的時(shí)間和等級(jí)，把風(fēng)暴潮事件項(xiàng)的空間屬 性略去，在時(shí)間軸上抽象為一個(gè)時(shí)間單位上的風(fēng)暴潮強(qiáng)度值。從而，一個(gè)風(fēng)暴潮事件序列就 被抽象為一個(gè)時(shí)間序列，稱(chēng)其為風(fēng)暴潮序列，用S= {S(t) =0,1,2,...,η}來(lái)表示，風(fēng)暴潮 事件序列中，一個(gè)事件項(xiàng)對(duì)應(yīng)風(fēng)暴潮序列中的一個(gè)元素。這里要特別說(shuō)明的是，根據(jù)領(lǐng)域特性，將風(fēng)暴潮事件發(fā)生的時(shí)間t擴(kuò)展為一個(gè)單位時(shí)間間隔范圍，即t e Tgap。定義5(風(fēng)暴潮序列長(zhǎng)度).對(duì)于風(fēng)暴潮序列S，用|S|表示其長(zhǎng)度，即風(fēng)暴潮序列 S的元素個(gè)數(shù)。Sm表示風(fēng)暴潮序列S中的第i個(gè)元素，S (t)表示風(fēng)暴潮序列S在t時(shí)刻的 等級(jí)取值。定義6 (稠密風(fēng)暴潮序列).在某一時(shí)間區(qū)域內(nèi)，對(duì)風(fēng)暴潮序列S，在沒(méi)有發(fā)生風(fēng)暴 潮事件的單位時(shí)間段補(bǔ)充了空元素以后形成的風(fēng)暴潮序列，稱(chēng)為稠密風(fēng)暴潮序列S'。注 以下所說(shuō)的序列及元素都是指稠密序列或稠密序列之中的元素。定義7 (風(fēng)暴潮相似性).設(shè)χ和y是任意兩個(gè)不同風(fēng)暴潮序列中的對(duì)應(yīng)元素，用標(biāo) 記函數(shù)A(x，y)來(lái)描述X和y元素的相似性，元素x、y之間的距離使用動(dòng)態(tài)彎曲距離(DTW)， 記為D(x，y)。標(biāo)記函數(shù)A(x，y)定義為如果D (X，y) ( Mthreshold,則 A (x, y) = 0 ；如果 D (x, y) > Mthreshold,則 A (x，y) = 1。 這里，Mttoestold為誤差閾值，由用戶(hù)根據(jù)具體需求來(lái)確定。誤差閾值越小，表示兩個(gè)元素所代 表的風(fēng)暴潮強(qiáng)度差別越小。特別值得注意的是，因?yàn)樵试S相關(guān)風(fēng)暴潮發(fā)生的時(shí)間有一定的 間隔，所以χ和y兩元素可以對(duì)應(yīng)不同的時(shí)間點(diǎn)，用戶(hù)可以根據(jù)需要給定這個(gè)時(shí)間間隔的范 圍。另一方面，海洋各災(zāi)害序列中常常會(huì)出現(xiàn)這樣的現(xiàn)象在時(shí)間軸的某些單位時(shí)間 段內(nèi)，沒(méi)有海洋災(zāi)害事件發(fā)生。這時(shí)，可以在序列中補(bǔ)充空元素，即在沒(méi)有海洋災(zāi)害事件的 時(shí)間段補(bǔ)充取值為0的元素。當(dāng)非空元素與空元素進(jìn)行相似性比較時(shí)，標(biāo)記函數(shù)取值為0。定義8 (風(fēng)暴潮相似性度量模型).設(shè)S和Q是兩個(gè)不同的風(fēng)暴潮序列，則S和R
的相似性可以用兩序列中的相似性標(biāo)記函數(shù)和來(lái)度量。其定義如下定義9 (風(fēng)暴潮序列分段線(xiàn)性表示).在一定時(shí)間范圍內(nèi)，將風(fēng)暴潮序列按照時(shí)間 t表示成多段相鄰的近似直線(xiàn)。由于海洋災(zāi)害的數(shù)據(jù)具有局部離群的特征，此線(xiàn)性分段采 用滑動(dòng)窗口的方法。即給定一個(gè)長(zhǎng)度為η的風(fēng)暴潮事件序列s和長(zhǎng)度為w的時(shí)間窗口，記 s為(xl，χ2, ... , χη)，將時(shí)間窗口放在時(shí)間序列的起始位置，此時(shí)時(shí)間窗口對(duì)應(yīng)序列上長(zhǎng) 度為w的一段子序列，依次類(lèi)推，共分為η-w+l段。定義10 (相關(guān)風(fēng)暴潮支持?jǐn)?shù)及支持度).相關(guān)風(fēng)暴潮支持?jǐn)?shù)Sup (S，Q)及支持度η 定義為V, G[r-Ttap,T + TtapI 3E(t)(E(t) e 偶 f| β }。Sup{E{t)) = 1，^[T-Ttap,T + Tlap],^3E(t)(E(t) e fj β } ^ Sup{E{t)) = 0,Sup(S, Q) = Y Sup(E(T)) n = Sup (S, Q)/I S其中，E(t) e {St，Qt}表示在一個(gè)時(shí)間間隔范圍t e [T-Tgap,T+Tgap]內(nèi)，只要序 列S和序列Q中均有風(fēng)暴潮事件發(fā)生，支持度總數(shù)就增加1 ；如果序列S和序列Q有一個(gè)沒(méi) 有風(fēng)暴潮事件，就不記入支持度總數(shù)。式(2)中的n為時(shí)間間隔總數(shù)。B、尋找風(fēng)暴潮相關(guān)地區(qū)的序列相似性匹配算法
序列相似性匹配可以分為兩類(lèi)一類(lèi)是整體匹配，即給定m個(gè)長(zhǎng)度為η的數(shù)據(jù)序 列，一個(gè)長(zhǎng)度為η的查詢(xún)序列和一個(gè)容忍度ε，從m個(gè)數(shù)據(jù)序列中找出與查詢(xún)序列相似的數(shù) 據(jù)序列；另一類(lèi)是子序列匹配，查詢(xún)序列比數(shù)據(jù)庫(kù)中的記錄序列要短，需要在記錄序列中尋 找和查詢(xún)序列相似的子序列，也即給定m個(gè)數(shù)據(jù)序列，一個(gè)查詢(xún)序列和一個(gè)容忍度ε，從m 個(gè)數(shù)據(jù)序列中找出其子序列與查詢(xún)序列相似的數(shù)據(jù)序列，并給出子序列在數(shù)據(jù)序列中的偏 移量。用序列相似性匹配的算法來(lái)查找風(fēng)暴潮相關(guān)地區(qū)，主要思想就是在各個(gè)地區(qū)的風(fēng)暴 潮序列中，用整體序列相似性匹配的方法尋找具有高相似度的風(fēng)暴潮序列。為此，我們結(jié)合 相關(guān)風(fēng)暴潮的特點(diǎn)，在定義了風(fēng)暴潮序列分段線(xiàn)性表示、相關(guān)風(fēng)暴潮的支持度和風(fēng)暴潮序 列相似性度量模型的基礎(chǔ)上，提出了一種基于支持?jǐn)?shù)和線(xiàn)性分段的整體序列相似性匹配算 法。下面給出算法的步驟步驟(1)預(yù)處理——從風(fēng)暴潮目錄數(shù)據(jù)中取出數(shù)據(jù)，根據(jù)其包含的經(jīng)緯度信息， 按空間位置劃分為不同的區(qū)域，并將經(jīng)緯度和區(qū)域的對(duì)應(yīng)信息都一同存放在預(yù)處理結(jié)果文 件中；步驟(2)構(gòu)成風(fēng)暴潮序列——從預(yù)處理結(jié)果文件中，提取具有相同區(qū)域編號(hào)的數(shù) 據(jù)歸并到一起，分別放入不同的臨時(shí)文件中，并累計(jì)此區(qū)域內(nèi)的風(fēng)暴潮記錄條數(shù)，記入(區(qū) 域號(hào)、條數(shù))鏈表結(jié)構(gòu)中。最后，各區(qū)域內(nèi)的案例記錄按時(shí)間排序，就形成一組風(fēng)暴潮時(shí)間 序列EQS ；步驟(3)序列分段線(xiàn)性表示——將風(fēng)暴潮時(shí)間序列EQS按照滑動(dòng)窗口劃分的方 法將序列分為η-w+l段，如定義9所示。步驟(4)兩兩進(jìn)行相似性分析——具體過(guò)程是分別取出處于不同區(qū)域中的風(fēng) 暴潮時(shí)間序列，若兩序列的相似度達(dá)到要求，則作相應(yīng)的記錄。然后計(jì)算支持度，并根據(jù)支 持度是否達(dá)到閾值輸出相關(guān)序列并查看于此相關(guān)的歷史處理記錄；步驟(5)合并結(jié)果——將風(fēng)暴潮相關(guān)地區(qū)依據(jù)地理位置進(jìn)行合并，并重新計(jì)算支持度。在此算法中對(duì)兩個(gè)序列進(jìn)行相似性判定時(shí)，需要逐個(gè)元素比較。根據(jù)需要給定一個(gè)閾值，利用傳感器接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，如果所得結(jié)果大于或 等于這個(gè)閾值，則判斷是危險(xiǎn)區(qū)域，把信號(hào)傳給報(bào)警裝置，同時(shí)，如果用戶(hù)已經(jīng)在危險(xiǎn)區(qū)域， 則在觸摸屏上查看地圖，選擇離該危險(xiǎn)區(qū)域最近的地方撤退。如果是管理人員使用，還可以 進(jìn)一步確定其與歷史數(shù)據(jù)哪一年的最接近，借鑒當(dāng)年處理險(xiǎn)情的方法，把危害降到最低。報(bào)警裝置106，包括一個(gè)顏色變換裝置和一個(gè)發(fā)聲裝置，根據(jù)數(shù)據(jù)處理裝置的結(jié) 果，報(bào)警裝置給予不同的回應(yīng)，當(dāng)?shù)搅宋ｋU(xiǎn)區(qū)域時(shí)，發(fā)聲系統(tǒng)發(fā)出警報(bào)，同時(shí)該區(qū)域變?yōu)榧t 色。傳感器裝置107，及時(shí)接收溫度、氣壓、水溫等數(shù)據(jù)傳給數(shù)據(jù)處理裝置進(jìn)行處理。視頻獲取設(shè)備103，用于獲取定位裝置所攝取的范圍，從而在現(xiàn)實(shí)世界上疊加更多 fn息ο多點(diǎn)觸控手持設(shè)備101，使用GIS和位置信息服務(wù)結(jié)合起來(lái)，把所需的某些GIS技 術(shù)(如把GIS中的球體、地圖等信息)移植到手持設(shè)備上，利用空間定位技術(shù)和GIS技術(shù)， 將獲取的位置信息以及其他空間和屬性信息搜集起來(lái)，供用戶(hù)選擇所需的信息。圖2為本發(fā)明海洋災(zāi)害預(yù)警裝置的邏輯功能圖，定位裝置利用GPS或者陀螺儀獲取位置信息，電子指南針指明裝置所處的方向，陀螺儀根據(jù)裝置角度的改變而設(shè)置不同的 姿態(tài)，即在不同姿態(tài)下，所攝取的范圍內(nèi)容是不同的，如在同一海灣區(qū)，可能前邊有漩渦或 者溝壑，GPS顯示的地理位置信息是相同的，但陀螺儀可以使得攝取的范圍更加精確。GIS 和LBS技術(shù)結(jié)合，把所需的某些GIS技術(shù)(如把GIS中的球體、地圖等信息)移植到手持設(shè) 備上，利用空間定位技術(shù)和GIS技術(shù)，將獲取的位置信息以及其他空間和屬性信息搜集起 來(lái)，供用戶(hù)選擇所需的信息。視頻攝取設(shè)備把當(dāng)前定位裝置和GIS、LBS結(jié)合的位置服務(wù)所 見(jiàn)的場(chǎng)景內(nèi)容拍攝下來(lái)并呈現(xiàn)在多點(diǎn)觸摸手持設(shè)備上，從而在現(xiàn)實(shí)世界上疊加更多信息， 具有增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的服務(wù)。用戶(hù)如果處在海洋災(zāi)害危險(xiǎn)地形區(qū)域中，則進(jìn)行預(yù)警，手持設(shè)備上立 即顯示該區(qū)域?yàn)榧t色，且發(fā)出警報(bào)聲。如果用戶(hù)沒(méi)有在海洋災(zāi)害危險(xiǎn)地形區(qū)域中，則根據(jù)傳 感器的數(shù)據(jù)，利用數(shù)據(jù)處理裝置進(jìn)行計(jì)算，判斷該區(qū)域是否會(huì)發(fā)生災(zāi)害，如海洋風(fēng)暴潮，可 以根據(jù)溫度、氣壓等數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，把實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)處理裝置中存儲(chǔ)的歷年特征數(shù)據(jù)相 似匹配，如果匹配的結(jié)果值大于或等于給出的閾值，則進(jìn)行預(yù)警，多點(diǎn)觸控手持設(shè)備上立即 顯示該區(qū)域?yàn)榧t色，且發(fā)出警報(bào)聲。綜上所述，本發(fā)明是一種基于時(shí)間序列相似匹配的海洋災(zāi)害預(yù)警裝置，數(shù)據(jù)處理 裝置把傳感器獲得的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采用相似匹配的方法判斷用戶(hù)是否處在危險(xiǎn)地帶，定位裝置 提供準(zhǔn)確的方向，并呈現(xiàn)在多點(diǎn)觸控手持設(shè)備上。以上所述僅為舉例性，而非為限制性，如MEMS陀螺儀不受限制，可以是其它類(lèi)型， 傳感器的個(gè)數(shù)和種類(lèi)也可以由用戶(hù)自行確定等。本說(shuō)明書(shū)內(nèi)容不應(yīng)理解為對(duì)本發(fā)明的限 制，任何未脫離本發(fā)明的精神與范疇，均應(yīng)包含于申請(qǐng)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種基于時(shí)間序列相似匹配的海洋災(zāi)害預(yù)警裝置的方法，其特征在于，應(yīng)該包括 一定位裝置102，由一電子指南針、一 MEMS陀螺儀與一 GPS組成；一數(shù)據(jù)處理裝置104，存放歷年海洋災(zāi)害發(fā)生時(shí)記載的特征數(shù)據(jù)及處理方法，且用時(shí)間 序列相似匹配的方法；一報(bào)警裝置106，根據(jù)數(shù)據(jù)處理裝置傳回來(lái)的數(shù)據(jù)判斷是否產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)； 一傳感器裝置107，把接收回來(lái)的數(shù)據(jù)傳給數(shù)據(jù)處理裝置進(jìn)行處理； 一 LBS、GPS結(jié)合模塊105，把GPS技術(shù)的一部分嵌入到多點(diǎn)觸控手持設(shè)備上，結(jié)合LBS 位置服務(wù)，獲得更多用戶(hù)所需的詳細(xì)信息；一視頻獲取設(shè)備103，把定位裝置攝取的場(chǎng)景通過(guò)該設(shè)備獲取并呈現(xiàn)在多點(diǎn)觸控手持 設(shè)備上。一多點(diǎn)觸控手持設(shè)備101，該設(shè)備具有多點(diǎn)觸摸的功能，利用定位裝置和視頻獲取設(shè)備 及LBS、GPS結(jié)合技術(shù)，就能判斷用戶(hù)所在的特定位置和存儲(chǔ)信息。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的定位裝置，其特征是，GPS定位穩(wěn)定時(shí)，GPS定位用戶(hù)所處位 置的準(zhǔn)確方向，MEMS陀螺提供手持設(shè)備的姿態(tài)，根據(jù)設(shè)備的不同方向而讀取不同的場(chǎng)景內(nèi) 容；電子指南針指示用戶(hù)當(dāng)前所在位置的準(zhǔn)確方向；當(dāng)GPS不能準(zhǔn)確定位時(shí)，由MEMS陀螺 儀和電子指南針來(lái)確定。
3 根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)據(jù)處理裝置，其特征是，利用時(shí)間序列相似性匹配的方法， 步驟如下A、將海洋災(zāi)害目錄數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為一定時(shí)空范圍內(nèi)、一定級(jí)別以上的海洋災(zāi)害事件系列 集。這樣，不同時(shí)空范圍內(nèi)的海洋災(zāi)害就構(gòu)成了不同的海洋災(zāi)害序列。下面給出海洋災(zāi)害 序列及其相似性的定義和海洋災(zāi)害序列相似性的度量模型。定義1 (海洋災(zāi)害相關(guān)地區(qū))海洋災(zāi)害發(fā)生頻繁的地理區(qū)域。 定義2 (海洋災(zāi)害事件).將海洋災(zāi)害目錄數(shù)據(jù)庫(kù)中記錄的每一次海洋災(zāi)害看作一個(gè)事 件。將所有海洋災(zāi)害事件按空間屬性和區(qū)域而分為不同的海洋災(zāi)害事件集，把發(fā)生在一定 級(jí)別以上且同時(shí)在t時(shí)刻發(fā)生的海洋災(zāi)害事件記為E(t)。定義3 (海洋災(zāi)害事件序列).在某海洋災(zāi)害相關(guān)地區(qū)中，把發(fā)生在時(shí)間范圍F內(nèi)的事 件集Et = {E(t) |t e時(shí)間范圍F}在時(shí)間軸上的一個(gè)排列稱(chēng)為海洋災(zāi)害事件序列，其中每 一個(gè)單獨(dú)的事件E(t)稱(chēng)為一個(gè)事件項(xiàng)。定義4(海洋災(zāi)害序列).依據(jù)海洋災(zāi)害發(fā)生的時(shí)間和等級(jí)，把海洋災(zāi)害事件項(xiàng)的空間 屬性略去，在時(shí)間軸上抽象為一個(gè)時(shí)間單位上的風(fēng)暴潮強(qiáng)度值。從而，一個(gè)海洋災(zāi)害事件 序列就被抽象為一個(gè)時(shí)間序列，稱(chēng)其為海洋災(zāi)害序列，用S = {S(t) 11 = 0，1，2，. . .，η}來(lái) 表示，海洋災(zāi)害事件序列中，一個(gè)事件項(xiàng)對(duì)應(yīng)海洋災(zāi)害序列中的一個(gè)元素。這里要特別說(shuō) 明的是，根據(jù)領(lǐng)域特性，將海洋災(zāi)害事件發(fā)生的時(shí)間t擴(kuò)展為一個(gè)單位時(shí)間間隔范圍，即 t ^ Tgap0定義5 (海洋災(zāi)害序列長(zhǎng)度).對(duì)于海洋災(zāi)害序列S，用Isl表示其長(zhǎng)度，即海洋災(zāi)害序 列S的元素個(gè)數(shù)。S[i]表示海洋災(zāi)害序列S中的第i個(gè)元素，S(t)表示海洋災(zāi)害序列S在 t時(shí)刻的等級(jí)取值。定義6(稠密海洋災(zāi)害序列).在某一時(shí)間區(qū)域內(nèi)，對(duì)海洋災(zāi)害序列S，在沒(méi)有發(fā)生海 洋災(zāi)害事件的單位時(shí)間段補(bǔ)充了空元素以后形成的海洋災(zāi)害序列，稱(chēng)為稠密海洋災(zāi)害序列S'。注以下所說(shuō)的序列及元素都是指稠密序列或稠密序列之中的元素。定義7 (海洋災(zāi)害相似性).設(shè)χ和y是任意兩個(gè)不同海洋災(zāi)害序列中的對(duì)應(yīng)元素，用標(biāo) 記函數(shù)A(x，y)來(lái)描述χ和y元素的相似性，元素x、y之間的距離使用動(dòng)態(tài)彎曲距離(DTW)， 記為D(x，y)。標(biāo)記函數(shù)A(x，y)定義為如果 D(x，y)≤ Mthresh。ld，則 A(x，y) = 0 ；如果 D(x，y) > Mthresh。ld，則 A (x，y) = 1。這 里，Mthresh。ld為誤差閾值，由用戶(hù)根據(jù)具體需求來(lái)確定。誤差閾值越小，表示兩個(gè)元素所代表 的海洋災(zāi)害強(qiáng)度差別越小。特別值得注意的是，因?yàn)樵试S相關(guān)海洋災(zāi)害發(fā)生的時(shí)間有一定 的間隔，所以χ和y兩元素可以對(duì)應(yīng)不同的時(shí)間點(diǎn)，用戶(hù)可以根據(jù)需要給定這個(gè)時(shí)間間隔的 范圍。另一方面，海洋各災(zāi)害序列中常常會(huì)出現(xiàn)這樣的現(xiàn)象在時(shí)間軸的某些單位時(shí)間段內(nèi)， 沒(méi)有海洋災(zāi)害事件發(fā)生。這時(shí)，可以在序列中補(bǔ)充空元素，即在沒(méi)有海洋災(zāi)害事件的時(shí)間段 補(bǔ)充取值為0的元素。當(dāng)非空元素與空元素進(jìn)行相似性比較時(shí)，標(biāo)記函數(shù)取值為0。定義8 (海洋災(zāi)害相似性度量模型).設(shè)S和Q是兩個(gè)不同的海洋災(zāi)害序列，則S和R 的相似性可以用兩序列中的相似性標(biāo)記函數(shù)和來(lái)度量。其定義如下M或!QISim (S5Q)= Σ A(S[i],Q[i])i=\定義9 (海洋災(zāi)害序列分段線(xiàn)性表示).在一定時(shí)間范圍內(nèi)，將海洋災(zāi)害序列按照時(shí)間 t表示成多段相鄰的近似直線(xiàn)。由于海洋災(zāi)害的數(shù)據(jù)具有局部離群的特征，此線(xiàn)性分段采 用滑動(dòng)窗口的方法。即給定一個(gè)長(zhǎng)度為η的海洋災(zāi)害事件序列s和長(zhǎng)度為w的時(shí)間窗口， 記s為(xl，χ2, ... , χη)，將時(shí)間窗口放在時(shí)間序列的起始位置，此時(shí)時(shí)間窗口對(duì)應(yīng)序列上 長(zhǎng)度為w的一段子序列，依次類(lèi)推，共分為η-w+l段。定義10 (相關(guān)海洋災(zāi)害支持?jǐn)?shù)及支持度).相關(guān)海洋災(zāi)害支持?jǐn)?shù)Sup (S，Q)及支持度η 定義為Vte[T-Ttap ,T+ T郵]，3E(t)(E(t) e {5；門(mén) β } 二 Sup{E{t)) = 1, V, e {T-Ttap,T + Ttapl^3E{t)(E{t) e {St^\Qt} =^ Sup(E{t)) 二 0,Sup(S,Q) = f^Sup(E(T)) =0n = Sup(s，Q)/1 s其中，E(t) e {St，Qj表示在一個(gè)時(shí)間間隔范圍t e [T-Tgap, T+Tgap]內(nèi)，只要序列S 和序列Q中均有海洋災(zāi)害事件發(fā)生，支持度總數(shù)就增加1 ；如果序列S和序列Q有一個(gè)沒(méi)有 海洋災(zāi)害事件，就不記入支持度總數(shù)。式(2)中的n為時(shí)間間隔總數(shù)。 B、尋找海洋災(zāi)害相關(guān)地區(qū)的序列相似性匹配算法結(jié)合相關(guān)海洋災(zāi)害的特點(diǎn)，在定義了海洋災(zāi)害序列分段線(xiàn)性表示、相關(guān)海洋災(zāi)害的支 持度和海洋災(zāi)害序列相似性度量模型的基礎(chǔ)上，提出了一種基于支持?jǐn)?shù)和線(xiàn)性分段的整體 序列相似性匹配算法。下面給出算法的步驟步驟⑴預(yù)處理——從海洋災(zāi)害目錄數(shù)據(jù)中取出數(shù)據(jù)，根據(jù)其包含的經(jīng)緯度信息，按 空間位置劃分為不同的區(qū)域，并將經(jīng)緯度和區(qū)域的對(duì)應(yīng)信息都一同存放在預(yù)處理結(jié)果文件 中；步驟(2)構(gòu)成海洋災(zāi)害序列——從預(yù)處理結(jié)果文件中，提取具有相同區(qū)域編號(hào)的數(shù)據(jù)歸并到一起，分別放入不同的臨時(shí)文件中，并累計(jì)此區(qū)域內(nèi)的海洋災(zāi)害記錄條數(shù)，記入(區(qū) 域號(hào)、條數(shù))鏈表結(jié)構(gòu)中。最后，各區(qū)域內(nèi)的案例記錄按時(shí)間排序，就形成一組海洋災(zāi)害時(shí) 間序列EQS ；步驟(3)序列分段線(xiàn)性表示——將海洋災(zāi)害時(shí)間序列EQS按照滑動(dòng)窗口劃分的方法 將序列分為η-w+l段，如定義9所示。步驟(4)兩兩進(jìn)行相似性分析——具體過(guò)程是分別取出處于不同區(qū)域中的海洋災(zāi) 害時(shí)間序列，若兩序列的相似度達(dá)到要求，則作相應(yīng)的記錄。然后計(jì)算支持度，并根據(jù)支持 度是否達(dá)到閾值輸出相關(guān)序列并查看于此相關(guān)的歷史處理記錄；步驟(5)合并結(jié)果——將海洋災(zāi)害相關(guān)地區(qū)依據(jù)地理位置進(jìn)行合并，并重新計(jì)算支持度。在此算法中對(duì)兩個(gè)序列進(jìn)行相似性判定時(shí)，需要逐個(gè)元素比較。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器裝置，其特征是至少包含溫度傳感器和氣壓傳感器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的視頻獲取設(shè)備，其特征是把當(dāng)前定位裝置所攝取的范圍獲取 到手持設(shè)備上。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多點(diǎn)觸控手持設(shè)備，其特征是有USB接口、發(fā)聲裝置，屏幕切 換功能，支持縮放與手持式且體積小、重量輕，適合便攜式攜帶。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述，其特征是多點(diǎn)觸控手持設(shè)備利用GIS和位置信息服務(wù)結(jié)合起 來(lái)，即把所需的某些GIS技術(shù)移植到手持設(shè)備上，利用空間定位技術(shù)和GIS技術(shù)，將獲取的 位置信息以及其他空間和屬性信息搜集起來(lái)，供用戶(hù)選擇所需的信息。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述，其特征是采用MEMS陀螺儀和電子指南針對(duì)GPS定位進(jìn)行補(bǔ)充 和使其更加準(zhǔn)確，當(dāng)GPS信號(hào)被擋住時(shí)，可以使用MEMS陀螺儀的移動(dòng)信息進(jìn)行路徑的引導(dǎo)， 再輔以電子指南針指明方向，從而，整個(gè)預(yù)警裝置的導(dǎo)航很穩(wěn)定。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于時(shí)間序列相似匹配和GPS/陀螺儀、電子指南針的海洋災(zāi)害預(yù)警裝置，該裝置包括GPS模塊、陀螺儀、電子指南針、視頻獲取設(shè)備、多點(diǎn)觸控設(shè)備、數(shù)據(jù)處理裝置、傳感器、GIS和LBS基于位置服務(wù)、報(bào)警裝置等。所述的GPS模塊、陀螺儀、電子指南針三部分構(gòu)成定位裝置，獲得定位信息。GIS和LBS基于位置服務(wù)用于地理位置的精確確定，疊加更多現(xiàn)實(shí)世界信息。數(shù)據(jù)處理裝置存儲(chǔ)歷年海洋災(zāi)害發(fā)生時(shí)記載的特征數(shù)據(jù)及處理方法，并把傳感器獲得實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采用相似匹配的方法告知海洋災(zāi)害預(yù)警裝置是否處在危險(xiǎn)地帶。最后，多點(diǎn)觸控手持設(shè)備會(huì)在海洋災(zāi)害預(yù)警裝置處在危險(xiǎn)地段時(shí)發(fā)出警報(bào)聲，及屏幕顯示為紅色區(qū)域，用戶(hù)可以多點(diǎn)滑動(dòng)找到安全地段并撤退或指導(dǎo)撤退。本發(fā)明不僅可以用于海上作業(yè)人員、普通漁民和研究員，而且領(lǐng)導(dǎo)可以把其作為一種輔助決策的手段，具有實(shí)時(shí)性，易于攜帶。
文檔編號(hào)G01C19/58GK102005105SQ20101029279
公開(kāi)日2011年4月6日 申請(qǐng)日期2010年9月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月27日
發(fā)明者何盛琪, 廖娟, 張明華, 王建, 蘇誠(chéng), 袁小華, 裴軍峰, 謝文輝, 鄭小羅, 郭偉其, 黃冬梅 申請(qǐng)人:上海海洋大學(xué)