專利名稱：采用滾動(dòng)預(yù)測(cè)的飛機(jī)表面積冰短時(shí)預(yù)報(bào)系統(tǒng)及預(yù)報(bào)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于民航機(jī)場(chǎng)設(shè)施技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種采用滾動(dòng)預(yù)測(cè)的飛機(jī)表面積冰短時(shí)預(yù)報(bào)系統(tǒng)及預(yù)報(bào)方法。
背景技術(shù)：
航班的安全、準(zhǔn)時(shí)運(yùn)行與氣象條件密切相關(guān)。積冰是影響航班正常運(yùn)行的重要?dú)庀髼l件之一。飛機(jī)表面積冰不僅破壞了飛機(jī)繞流流場(chǎng)，使起飛過(guò) 程中的升阻力、失速迎角等發(fā)生變化，嚴(yán)重的積冰還可導(dǎo)致飛行事故的發(fā)生。2004年包頭“11. 21”空難就是由起飛前機(jī)翼表面結(jié)霜造成的。在積冰氣象條件下，飛機(jī)必須在除冰作業(yè)后才能起飛。除冰過(guò)程涉及到飛機(jī)表面積冰檢測(cè)和除冰液用量問(wèn)題。而目前飛機(jī)表面積冰檢測(cè)的主要手段是目測(cè)，采用目測(cè)評(píng)估機(jī)翼表面積冰情況，其準(zhǔn)確率和效率不高，并且不能準(zhǔn)確地給出積冰量和積冰分布。而積冰時(shí)候檢測(cè)則會(huì)降低積冰事件處理效率，導(dǎo)致航班的延誤。在未知積冰類型以及其分布的情況下對(duì)飛機(jī)表面進(jìn)行除冰會(huì)造成飛機(jī)除冰資源的浪費(fèi)，從而導(dǎo)致對(duì)機(jī)場(chǎng)環(huán)境的污染。因此飛機(jī)表面積冰的短時(shí)預(yù)報(bào)對(duì)飛機(jī)的飛行安全、資源的優(yōu)化利用、飛機(jī)防除冰等具有重要意義。飛機(jī)表面積冰預(yù)報(bào)是一個(gè)包含氣象學(xué)、流體力學(xué)、空氣動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)以及計(jì)算流體力學(xué)等多學(xué)科的復(fù)雜問(wèn)題。由于飛機(jī)表面邊界條件復(fù)雜，影響因素很多，因此積冰是一個(gè)非線性的復(fù)雜物理過(guò)程。氣象預(yù)報(bào)中I 6小時(shí)的短時(shí)預(yù)報(bào)僅能給出積冰事件發(fā)生與否的概率，而不能準(zhǔn)確地給出積冰量和分布。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者應(yīng)用數(shù)值計(jì)算方法對(duì)飛機(jī)在飛行狀態(tài)時(shí)的積冰進(jìn)行了研究，并且已經(jīng)開(kāi)發(fā)出積冰預(yù)測(cè)軟件，如NASA的LEWICE軟件、加拿大的FENSAP-ICE軟件、中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心開(kāi)發(fā)的IRC軟件等。但是，積冰的數(shù)值計(jì)算方法主要考慮的是大氣中過(guò)冷水滴的凍結(jié)，而水蒸汽凝固現(xiàn)象卻并未見(jiàn)考慮，如夜間的積霜現(xiàn)象。因此，到目前為止地面飛機(jī)表面積冰短時(shí)預(yù)報(bào)的系統(tǒng)及方法并未見(jiàn)報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述問(wèn)題，本發(fā)明的目的在于提供一種信息準(zhǔn)確且實(shí)用性強(qiáng)的采用滾動(dòng)預(yù)測(cè)的飛機(jī)表面積冰短時(shí)預(yù)報(bào)系統(tǒng)。本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供一種上述采用滾動(dòng)預(yù)測(cè)的飛機(jī)表面積冰短時(shí)預(yù)報(bào)系統(tǒng)的預(yù)報(bào)方法。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供的采用滾動(dòng)預(yù)測(cè)的飛機(jī)表面積冰短時(shí)預(yù)報(bào)系統(tǒng)包括模擬飛機(jī)機(jī)翼、傳感器系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)；所述的模擬飛機(jī)機(jī)翼設(shè)置在地面上飛機(jī)表面積冰監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)；傳感器系統(tǒng)包括多個(gè)積冰傳感器、溫濕度傳感器、風(fēng)速風(fēng)向傳感器、多個(gè)表面溫度傳感器、壓力傳感器和降水傳感器，其中多個(gè)積冰傳感器和多個(gè)表面溫度傳感器相隔距離安裝在模擬飛機(jī)機(jī)翼的表面，溫濕度傳感器、風(fēng)速風(fēng)向傳感器、壓力傳感器和降水傳感器安裝在飛機(jī)表面積冰監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)，并且上述傳感器均通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相連。
所述的模擬飛機(jī)機(jī)翼共有四個(gè)機(jī)翼，分別代表不同的典型風(fēng)向情況下的積冰情況。所述的多個(gè)積冰傳感器分別安裝在模擬飛機(jī)機(jī)翼的前緣、上下表面以及后緣部位，并以其安裝點(diǎn)作為積冰預(yù)測(cè)點(diǎn)。所述的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括輸入接口電路和數(shù)據(jù)采集器，其中，輸入接口電路的多個(gè)輸入端分別與傳感器系統(tǒng)之中的傳感器相連接，輸出端與數(shù)據(jù)采集器相連接，其用于接收傳感器系統(tǒng)所采集的現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)；數(shù)據(jù)采集器與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相連接，用于將上述數(shù)據(jù)采集器采集到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，然后傳送給計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。 所述的輸入接口采用PCLD-880輸入端子，數(shù)據(jù)采集器采用PCL-812PG數(shù)據(jù)采集卡；計(jì)算機(jī)系統(tǒng)采用工業(yè)用計(jì)算機(jī)，其包括數(shù)據(jù)庫(kù)、數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)和信息發(fā)布平臺(tái)。本發(fā)明提供的采用滾動(dòng)預(yù)測(cè)的地面飛機(jī)積冰短時(shí)預(yù)報(bào)系統(tǒng)的預(yù)報(bào)方法包括按順序進(jìn)行的下列步驟步驟I)準(zhǔn)備階段在地面上飛機(jī)監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置模擬飛機(jī)機(jī)翼，并且在模擬飛機(jī)機(jī)翼上需要預(yù)測(cè)積冰的表面安裝多個(gè)積冰傳感器和多個(gè)溫度傳感器，同時(shí)在飛機(jī)監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)安裝一個(gè)溫濕度傳感器、風(fēng)速風(fēng)向傳感器、壓力傳感器和降水傳感器；步驟2)數(shù)據(jù)采集階段傳感器系統(tǒng)利用其上的積冰傳感器、溫濕度傳感器、風(fēng)速風(fēng)向傳感器、表面溫度傳感器、壓力傳感器和降水傳感器分別實(shí)時(shí)采集飛機(jī)表面冰層的厚度、飛機(jī)監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的溫度、大氣濕度、風(fēng)速風(fēng)向、大氣壓力、降水量和飛機(jī)表面溫度，然后將采集到的信號(hào)首先傳輸給數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的輸入接口電路，以進(jìn)行濾波與電壓/電流轉(zhuǎn)換，然后再通過(guò)數(shù)據(jù)采集器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)并傳輸給計(jì)算機(jī)系統(tǒng)；步驟3)數(shù)據(jù)處理階段計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對(duì)傳感器系統(tǒng)所采集的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，以提取出結(jié)冰天氣環(huán)境下飛機(jī)監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的特征信息；步驟4)建立預(yù)測(cè)模型階段計(jì)算機(jī)系統(tǒng)將得到的特征信息分為2部分，用于建立支持向量機(jī)的訓(xùn)練樣本集、測(cè)試樣本集；并根據(jù)歷史積冰數(shù)據(jù)，采用遺傳算法自動(dòng)搜索和確定支持向量機(jī)的參數(shù)，從而建立起基于遺傳算法優(yōu)化參數(shù)的支持向量機(jī)的積冰預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)模型；步驟5)滾動(dòng)預(yù)測(cè)階段計(jì)算機(jī)系統(tǒng)3利用步驟4)得出的積冰預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)模型，采用最新的輸入變量和對(duì)應(yīng)的積冰預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)模型來(lái)對(duì)未來(lái)幾個(gè)小時(shí)內(nèi)積冰情況進(jìn)行預(yù)測(cè)，通過(guò)預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值不斷交互，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)表面積冰的滾動(dòng)預(yù)測(cè)，之后將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)形成數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中；步驟6)完成最后計(jì)算機(jī)系統(tǒng)將信號(hào)發(fā)送給指揮調(diào)度中心。在步驟2)數(shù)據(jù)采集階段中，所述的傳感器采用間隔的方式采集數(shù)據(jù)，其采集數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔為2分鐘。在步驟4)建立預(yù)測(cè)模型階段中，所述的建立基于遺傳算法優(yōu)化參數(shù)的支持向量機(jī)的積冰預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)模型的具體方法是首先通過(guò)遺傳算法對(duì)支持向量機(jī)預(yù)測(cè)模型中的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)，并找到最優(yōu)的支持向量機(jī)參數(shù)的取值，然后將其代入到支持向量機(jī)預(yù)測(cè)模型中，得到基于遺傳算法的支持向量機(jī)模型，并利用此模型對(duì)飛機(jī)表面積冰情況進(jìn)行預(yù)測(cè)，并利用滾動(dòng)預(yù)測(cè)方法對(duì)飛機(jī)表面積冰進(jìn)行修正。所述的步驟4)中采用的遺傳算法優(yōu)化參數(shù)方法包括按順序進(jìn)行的下列步驟
步驟a)產(chǎn)生初始種群確定要優(yōu)化的支持向量機(jī)參數(shù)，利用遺傳算法隨機(jī)產(chǎn)生支持向量機(jī)參數(shù)的初始種群；步驟b)訓(xùn)練利用初始的種群，對(duì)氣象樣本和積冰樣本進(jìn)行訓(xùn)練，由訓(xùn)練好的模型對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試，計(jì)算它的誤差函數(shù)，從而確定其適應(yīng)度；選擇若干適應(yīng)度大的個(gè)體，直接遺傳給下一代；步驟c)產(chǎn)生下一代參數(shù)種群利用遺傳、變異以及交叉等遺傳操作算子對(duì)當(dāng)前一代種群進(jìn)行處理，選擇產(chǎn)生下一代參數(shù)種群；
步驟d)產(chǎn)生并測(cè)試結(jié)果利用得到的子代數(shù)參數(shù)種群，重新對(duì)支持向量機(jī)預(yù)測(cè)模型進(jìn)行訓(xùn)練和測(cè)試，計(jì)算適應(yīng)度；如果滿足遺傳算法訓(xùn)練準(zhǔn)則，可得到最優(yōu)的支持向量機(jī)預(yù)測(cè)模型，否則，返回步驟b)，最終建立支持向量機(jī)的最優(yōu)參數(shù)。本發(fā)明提供的地面飛機(jī)積冰的短時(shí)預(yù)報(bào)方法及系統(tǒng)是將氣象數(shù)據(jù)以及積冰數(shù)據(jù)等因素作為地面飛機(jī)表面結(jié)冰預(yù)報(bào)數(shù)學(xué)模型的輸入，通過(guò)遺傳算法優(yōu)化參數(shù)的支持向量機(jī)的滾動(dòng)預(yù)測(cè)算法得到未來(lái)幾個(gè)小時(shí)的積冰厚度，可以對(duì)地面飛機(jī)表面結(jié)冰進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)警，能為機(jī)場(chǎng)除冰調(diào)度提供充裕時(shí)間。此外，本方法還具有預(yù)報(bào)信息準(zhǔn)確且實(shí)用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。


圖I為本發(fā)明提供的采用滾動(dòng)預(yù)測(cè)的飛機(jī)表面積冰短時(shí)預(yù)報(bào)系統(tǒng)主要部件構(gòu)成框圖。圖2為本發(fā)明提供的采用滾動(dòng)預(yù)測(cè)的飛機(jī)表面積冰短時(shí)預(yù)報(bào)系統(tǒng)的預(yù)報(bào)方法中使用的遺傳算法優(yōu)化參數(shù)的支持向量機(jī)的滾動(dòng)預(yù)測(cè)算法框圖。圖3為本發(fā)明提供的采用滾動(dòng)預(yù)測(cè)的飛機(jī)表面積冰短時(shí)預(yù)報(bào)方法中步驟4)中采用的遺傳算法優(yōu)化參數(shù)方法流程圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明提供的采用滾動(dòng)預(yù)測(cè)的飛機(jī)表面積冰短時(shí)預(yù)報(bào)系統(tǒng)及方法進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。如圖I所示，本發(fā)明提供的采用滾動(dòng)預(yù)測(cè)的飛機(jī)表面積冰短時(shí)預(yù)報(bào)系統(tǒng)包括模擬飛機(jī)機(jī)翼、傳感器系統(tǒng)I、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)2和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)3 ;所述的模擬飛機(jī)機(jī)翼設(shè)置在地面上飛機(jī)表面積冰監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)；傳感器系統(tǒng)I包括多個(gè)積冰傳感器11、溫濕度傳感器12、風(fēng)速風(fēng)向傳感器13、多個(gè)表面溫度傳感器14、壓力傳感器15和降水傳感器16，其中多個(gè)積冰傳感器11和多個(gè)表面溫度傳感器14相隔距離安裝在模擬飛機(jī)機(jī)翼的表面，溫濕度傳感器12、風(fēng)速風(fēng)向傳感器13、壓力傳感器15、降水傳感器16安裝在飛機(jī)表面積冰監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)，并且上述傳感器11-17均通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)2與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)3相連。所述的模擬飛機(jī)機(jī)翼共有四個(gè)機(jī)翼，分別代表不同的典型風(fēng)向情況下的積冰情況。所述的多個(gè)積冰傳感器11分別安裝在模擬飛機(jī)機(jī)翼的前緣、上下表面以及后緣部位，并以其安裝點(diǎn)作為積冰預(yù)測(cè)點(diǎn)。所述的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)2包括輸入接口電路21和數(shù)據(jù)采集器22，其中，輸入接口電路21的多個(gè)輸入端分別與傳感器系統(tǒng)I之中的傳感器11-16相連接，輸出端與數(shù)據(jù)采集器22相連接，其用于接收傳感器系統(tǒng)I所采集的現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)；數(shù)據(jù)采集器22與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)3相連接，用于將上述數(shù)據(jù)采集器22采集到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，然后傳送給計(jì)算機(jī)系統(tǒng)3。其每隔2分鐘更新一下數(shù)據(jù)信號(hào)，并將數(shù)據(jù)傳送給計(jì)算機(jī)系統(tǒng)3。所述的輸入接口 21采用PCLD-880輸入端子，數(shù)據(jù)采集器22采用PCL-812PG數(shù)據(jù)采集卡；計(jì)算機(jī)系統(tǒng)3采用工業(yè)用計(jì)算機(jī)，其包括數(shù)據(jù)庫(kù)31、數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)32和信息發(fā)布平臺(tái)33。
地面積冰與氣象因素、飛機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)，是一個(gè)時(shí)變、非線性、非穩(wěn)態(tài)、帶有隨機(jī)性的系統(tǒng)，很難用簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)模型來(lái)描述。支持向量機(jī)(SVM)是一種基于統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)理論的基于結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)最小化原則方法的機(jī)器學(xué)習(xí)工具，不存在容易陷入局部最優(yōu)等問(wèn)題，在小樣本情況下具有良好的外推能力，明顯優(yōu)于經(jīng)驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)最小化原則的常規(guī)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法。支持向量機(jī)可以從小樣本數(shù)據(jù)中挖據(jù)和分析出規(guī)律并進(jìn)行預(yù)測(cè)，因此可以將其應(yīng)用到飛機(jī)表面積冰短時(shí)預(yù)報(bào)中。支持向量機(jī)對(duì)參數(shù)選擇比較敏感。遺傳算法在處理一些非線性、多模型、多目標(biāo)的函數(shù)優(yōu)化問(wèn)題時(shí)，可以很方便地得到結(jié)果，因此可以采用遺傳算法對(duì)支持向量機(jī)的參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)搜索和確定。由于機(jī)場(chǎng)氣象因素多變，采用滾動(dòng)預(yù)測(cè)的方法，可以實(shí)時(shí)更新積冰數(shù)據(jù)，并且能得到較為精確的數(shù)據(jù)。根據(jù)歷史監(jiān)測(cè)氣象數(shù)據(jù)以及積冰現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的積冰數(shù)據(jù)，并據(jù)此提出了利用基于遺傳算法優(yōu)化參數(shù)的支持向量機(jī)的滾動(dòng)預(yù)測(cè)方法。圖2為本發(fā)明提供的采用滾動(dòng)預(yù)測(cè)的飛機(jī)表面積冰短時(shí)預(yù)報(bào)方法中使用的遺傳算法優(yōu)化參數(shù)的支持向量機(jī)的滾動(dòng)預(yù)測(cè)算法框圖。本發(fā)明提供的采用滾動(dòng)預(yù)測(cè)的飛機(jī)表面積冰短時(shí)預(yù)報(bào)方法包括按順序進(jìn)行的下列步驟步驟I)準(zhǔn)備階段在地面上飛機(jī)監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置模擬飛機(jī)機(jī)翼，并且在模擬飛機(jī)機(jī)翼上需要預(yù)測(cè)積冰的表面安裝多個(gè)積冰傳感器11和多個(gè)表面溫度傳感器14，同時(shí)在飛機(jī)監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)安裝一個(gè)溫濕度傳感器12、風(fēng)速風(fēng)向傳感器13、壓力傳感器15和降水傳感器16，其中溫濕度傳感器12、風(fēng)速風(fēng)向傳感器13、壓力傳感器15和降水傳感器16為氣象參數(shù)傳感器，用于采集氣象參數(shù)；積冰傳感器11用于采集積冰數(shù)據(jù)；表面溫度傳感器14用于采集飛機(jī)表面溫度數(shù)據(jù)。步驟2)數(shù)據(jù)采集階段傳感器系統(tǒng)I利用其上的積冰傳感器11、溫濕度傳感器12、風(fēng)速風(fēng)向傳感器13、表面溫度傳感器14、壓力傳感器15和降水傳感器16分別實(shí)時(shí)采集飛機(jī)表面冰層的厚度、飛機(jī)監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的溫度、大氣濕度、風(fēng)速風(fēng)向、飛機(jī)表面溫度、大氣壓力和降水量，然后將采集到的信號(hào)首先傳輸給數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)2中的輸入接口電路21，以進(jìn)行濾波與電壓/電流轉(zhuǎn)換，然后再通過(guò)數(shù)據(jù)采集器22轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)并傳輸給計(jì)算機(jī)系統(tǒng)3 ；步驟3)數(shù)據(jù)處理階段計(jì)算機(jī)系統(tǒng)3對(duì)傳感器系統(tǒng)I所采集的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，以提取出結(jié)冰天氣環(huán)境下飛機(jī)監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的特征信息；步驟4)建立預(yù)測(cè)模型階段計(jì)算機(jī)系統(tǒng)3將得到的特征信息分為2部分，用于建立支持向量機(jī)的訓(xùn)練樣本集、測(cè)試樣本集；并根據(jù)歷史積冰數(shù)據(jù)，采用遺傳算法對(duì)支持向量機(jī)的參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)搜索和確定，從而建立起基于遺傳算法優(yōu)化參數(shù)的支持向量機(jī)的積冰預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)模型；
步驟5)滾動(dòng)預(yù)測(cè)階段計(jì)算機(jī)系統(tǒng)3利用步驟4)得出的積冰預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)模型，采用最新的輸入變量對(duì)未來(lái)I 6個(gè)小時(shí)內(nèi)積冰情況進(jìn)行預(yù)測(cè)，通過(guò)預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值不斷交互，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)表面積冰的滾動(dòng)預(yù)測(cè)，從而避免了建立求解物理方程的過(guò)程，之后將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)形成數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)3中；形成的數(shù)據(jù)庫(kù)可以作為樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行積冰預(yù)測(cè)模型的訓(xùn)練。步驟6)完成最后計(jì)算機(jī)系統(tǒng)3將信號(hào)發(fā)送給指揮調(diào)度中心。在步驟2)數(shù)據(jù)采集階段中，所述的傳感器11-16采用間隔的方式采集數(shù)據(jù)，其采集數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔為2分鐘。在步驟3)數(shù)據(jù)處理階段中，所述的預(yù)處理方法為 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)3將采集的數(shù)據(jù)按照時(shí)間先后順序排列成時(shí)間序列數(shù)據(jù)，并作為預(yù)報(bào)的原始樣本數(shù)據(jù)，并將樣本分為訓(xùn)練樣本、測(cè)試樣本，分別占總樣本數(shù)的70%，30%。樣本集為X = [Xij] (I)式(I)中，X表示氣象傳感器和積冰傳感器采集的樣本數(shù)據(jù)，i表示采集的樣本數(shù)據(jù)按時(shí)間排列的序號(hào)，i = 1，2，…n, j表不傳感器米集的積冰厚度、環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、風(fēng)速、飛機(jī)表面溫度、大氣壓力和降水量，j = 1，2，. . .，7。其中，飛機(jī)積冰厚度Xil為預(yù)測(cè)時(shí)間點(diǎn)的前N個(gè)小時(shí)的積冰厚度，N = O. 5，1，2，... 6。如對(duì)未來(lái)N小時(shí)積冰量進(jìn)行預(yù)測(cè)，需要將當(dāng)前時(shí)間點(diǎn)以前N小時(shí)內(nèi)采集到的積冰厚度、環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、風(fēng)速、表面溫度、大氣壓力和降水量的時(shí)間序列樣本作為輸入變量，未來(lái)N小時(shí)積冰厚度作為輸出變量。在步驟4)建立預(yù)測(cè)模型階段中，所述的積冰預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)模型的輸入?yún)?shù)為采集的積冰厚度、環(huán)境溫度濕度、風(fēng)速、飛機(jī)表面溫度、大氣壓力和降水量，輸出參數(shù)為N小時(shí)后的積冰厚度。飛機(jī)表面積冰厚度的支持向量機(jī)的預(yù)測(cè)函數(shù)為
I
/'(幻=Σ x)/ 例xZ ) +(2)
1=1核函數(shù)K(Xi，Xj)選用高斯型徑向基函數(shù)
\ 〔一IIX1-JCjII2K(Xl^Xj) = QXP ■■■■■■■■■■■■■■■■■■■2q3■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■(3)根據(jù)結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)最小化原理，回歸問(wèn)題可以表示為約束優(yōu)化問(wèn)題
Iγ η min ·/(!!’，e) = - H,. H’ + -J] c；⑷
s.i )., = ic/φ{(diào)χ ) + b + Ci, / = 1,2,...,η構(gòu)造拉格朗日函數(shù)為
權(quán)利要求
1.一種采用滾動(dòng)預(yù)測(cè)的地面飛機(jī)積冰短時(shí)預(yù)報(bào)系統(tǒng)，其特征在于采用滾動(dòng)預(yù)測(cè)的飛機(jī)表面積冰短時(shí)預(yù)報(bào)系統(tǒng)包括模擬飛機(jī)機(jī)翼、傳感器系統(tǒng)(I)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(2)和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(3);所述的模擬飛機(jī)機(jī)翼設(shè)置在地面上飛機(jī)表面積冰監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)；傳感器系統(tǒng)(I)包括多個(gè)積冰傳感器(11)、溫濕度傳感器(12)、風(fēng)速風(fēng)向傳感器(13)、多個(gè)表面溫度傳感器(14)、壓力傳感器(15)和降水傳感器(16)，其中多個(gè)積冰傳感器(11)和多個(gè)表面溫度傳感器(14)相隔距離安裝在模擬飛機(jī)機(jī)翼的表面，溫濕度傳感器(12)、風(fēng)速風(fēng)向傳感器(13)、壓力傳感器(15)、降水傳感器(16)安裝在飛機(jī)表面積冰監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)，并且上述傳感器(11-16)均通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)⑵與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(3)相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的采用滾動(dòng)預(yù)測(cè)的地面飛機(jī)積冰短時(shí)預(yù)報(bào)系統(tǒng)，其特征在于所述的模擬飛機(jī)機(jī)翼共有四個(gè)機(jī)翼，分別代表不同的典型風(fēng)向情況下的積冰情況。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的采用滾動(dòng)預(yù)測(cè)的地面飛機(jī)積冰短時(shí)預(yù)報(bào)系統(tǒng)，其特征在于所述的多個(gè)積冰傳感器(11)分別安裝在模擬飛機(jī)機(jī)翼的前緣、上下表面以及后緣部位，并以其安裝點(diǎn)作為積冰預(yù)測(cè)點(diǎn)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的采用滾動(dòng)預(yù)測(cè)的地面飛機(jī)積冰短時(shí)預(yù)報(bào)系統(tǒng)，其特征在于所述的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(2)包括輸入接口電路(21)和數(shù)據(jù)采集器(22)，其中，輸入接口電路(21)的多個(gè)輸入端分別與傳感器系統(tǒng)(I)之中的傳感器(11-17)相連接，輸出端與數(shù)據(jù)采集器(22)相連接，其用于接收傳感器系統(tǒng)(I)所采集的現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)；數(shù)據(jù)采集器(22)與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(3)相連接，用于將上述數(shù)據(jù)采集器(22)采集到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，然后傳送給計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(3)。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的采用滾動(dòng)預(yù)測(cè)的地面飛機(jī)積冰短時(shí)預(yù)報(bào)系統(tǒng)，其特征在于所述的輸入接口(21)采用PCLD-880輸入端子，數(shù)據(jù)采集器(22采用PCL-812PG數(shù)據(jù)采集卡；計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(3)采用工業(yè)用計(jì)算機(jī)，其包括數(shù)據(jù)庫(kù)(31)、數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)(32)和信息發(fā)布平臺(tái)(33)。
6.一種如權(quán)利要求I所述的采用滾動(dòng)預(yù)測(cè)的地面飛機(jī)積冰短時(shí)預(yù)報(bào)系統(tǒng)的預(yù)報(bào)方法，其特征在于所述的預(yù)報(bào)方法包括按順序進(jìn)行的下列步驟 步驟I)準(zhǔn)備階段在地面上飛機(jī)監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置模擬飛機(jī)機(jī)翼，并且在模擬飛機(jī)機(jī)翼上需要預(yù)測(cè)積冰的表面安裝多個(gè)積冰傳感器(11)和多個(gè)表面溫度傳感器(14)，同時(shí)在飛機(jī)監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)安裝一個(gè)溫濕度傳感器(12)、風(fēng)速風(fēng)向傳感器(13)、壓力傳感器(15)和降水傳感器(16)； 步驟2)數(shù)據(jù)采集階段傳感器系統(tǒng)(I)利用其上的積冰傳感器(11)、溫濕度傳感器(12)、風(fēng)速風(fēng)向傳感器(13)、表面溫度傳感器(14)、壓力傳感器(15)和降水傳感器(16)分別實(shí)時(shí)采集飛機(jī)表面冰層的厚度、飛機(jī)監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的溫度、大氣濕度、風(fēng)速風(fēng)向、飛機(jī)表面溫度、大氣壓力和降水量，然后將采集到的信號(hào)首先傳輸給數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(2)中的輸入接口電路(21)，以進(jìn)行濾波與電壓/電流轉(zhuǎn)換，然后再通過(guò)數(shù)據(jù)采集器(22)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)并傳輸給計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(3)； 步驟3)數(shù)據(jù)處理階段計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(3)對(duì)傳感器系統(tǒng)(I)所采集的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，以提取出結(jié)冰天氣環(huán)境下飛機(jī)監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的特征信息； 步驟4)建立預(yù)測(cè)模型階段計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(3)將得到的特征信息分為2部分，用于建立支持向量機(jī)的訓(xùn)練樣本集、測(cè)試樣本集；并根據(jù)歷史積冰數(shù)據(jù)，采用遺傳算法對(duì)支持向量機(jī)的參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)搜索和確定，從而建立起基于遺傳算法優(yōu)化參數(shù)的支持向量機(jī)的積冰預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)模型； 步驟5)滾動(dòng)預(yù)測(cè)階段計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(3)利用步驟4)得出的積冰預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)模型，采用最新的輸入變量和對(duì)應(yīng)不同的模型來(lái)對(duì)未來(lái)幾個(gè)小時(shí)內(nèi)積冰情況進(jìn)行預(yù)測(cè)，通過(guò)預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值不斷交互，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)表面積冰的滾動(dòng)預(yù)測(cè)，之后將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)形成數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)3中； 步驟6)完成最后計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(3)將信號(hào)發(fā)送給指揮調(diào)度中心。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的采用滾動(dòng)預(yù)測(cè)的地面飛機(jī)積冰短時(shí)預(yù)報(bào)系統(tǒng)的預(yù)報(bào)方法，其特征在于在步驟2)數(shù)據(jù)采集階段中，所述的傳感器11-16采用間隔的方式采集數(shù)據(jù)，其采集數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔為2分鐘。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的采用滾動(dòng)預(yù)測(cè)的地面飛機(jī)積冰短時(shí)預(yù)報(bào)系統(tǒng)的預(yù)報(bào)方法，其特征在于在步驟4)建立預(yù)測(cè)模型階段中，所述的建立基于遺傳算法優(yōu)化參數(shù)的支持向量機(jī)的積冰預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)模型的具體方法是首先通過(guò)遺傳算法對(duì)支持向量機(jī)預(yù)測(cè)模型中的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)，并找到最優(yōu)的支持向量機(jī)模型參數(shù)取值，然后將其代入到支持向量機(jī)預(yù)測(cè)模型中，得到基于遺傳算法的支持向量機(jī)模型，并利用此模型對(duì)飛機(jī)表面積冰情況進(jìn)行預(yù)測(cè)，并利用滾動(dòng)預(yù)測(cè)方法對(duì)飛機(jī)表面積冰進(jìn)行修正。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的采用滾動(dòng)預(yù)測(cè)的地面飛機(jī)積冰短時(shí)預(yù)報(bào)系統(tǒng)的預(yù)報(bào)方法，其特征在于所述的步驟4)中采用的遺傳算法優(yōu)化參數(shù)方法包括按順序進(jìn)行的下列步驟 步驟a)產(chǎn)生初始種群確定要優(yōu)化的支持向量機(jī)參數(shù)向量，利用遺傳算法隨機(jī)產(chǎn)生支持向量機(jī)參數(shù)的初始種群； 步驟b)訓(xùn)練利用初始的種群，對(duì)氣象樣本和積冰樣本進(jìn)行訓(xùn)練，由訓(xùn)練好的模型對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試，計(jì)算它的誤差函數(shù)，從而確定其適應(yīng)度；選擇若干適應(yīng)度大的個(gè)體，直接遺傳給下一代； 步驟c)產(chǎn)生下一代參數(shù)種群利用遺傳、變異以及交叉等遺傳操作算子對(duì)當(dāng)前一代種群進(jìn)行處理，選擇產(chǎn)生下一代參數(shù)種群； 步驟d)產(chǎn)生并測(cè)試結(jié)果利用得到的子代數(shù)參數(shù)種群，重新對(duì)支持向量機(jī)預(yù)測(cè)模型進(jìn)行訓(xùn)練和測(cè)試，計(jì)算適應(yīng)度；如果滿足遺傳算法訓(xùn)練停止準(zhǔn)則，則得到最優(yōu)的支持向量機(jī)預(yù)測(cè)模型，否則，返回步驟b)，最終建立支持向量機(jī)的最優(yōu)參數(shù)。
全文摘要
一種采用滾動(dòng)預(yù)測(cè)的飛機(jī)表面積冰短時(shí)預(yù)報(bào)系統(tǒng)及預(yù)報(bào)方法。系統(tǒng)包括模擬飛機(jī)機(jī)翼、傳感器系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)；模擬飛機(jī)機(jī)翼設(shè)置在地面上飛機(jī)表面積冰監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)；傳感器系統(tǒng)安裝在模擬飛機(jī)機(jī)翼及飛機(jī)表面積冰監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)，并且傳感器通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相連。本發(fā)明提供的地面飛機(jī)積冰的短時(shí)預(yù)報(bào)方法及系統(tǒng)是將氣象數(shù)據(jù)以及積冰數(shù)據(jù)等因素作為地面飛機(jī)表面結(jié)冰預(yù)報(bào)數(shù)學(xué)模型的輸入，通過(guò)遺傳算法優(yōu)化參數(shù)的支持向量機(jī)的滾動(dòng)預(yù)測(cè)算法得到未來(lái)幾個(gè)小時(shí)的積冰厚度，可以對(duì)地面飛機(jī)表面結(jié)冰進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)警，能為機(jī)場(chǎng)除冰調(diào)度提供充裕時(shí)間。此外，本方法還具有預(yù)報(bào)信息準(zhǔn)確且實(shí)用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01D21/00GK102706389SQ201210201668
公開(kāi)日2012年10月3日 申請(qǐng)日期2012年6月19日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月19日
發(fā)明者于之靖, 王立文, 許丹丹, 陳斌 申請(qǐng)人:中國(guó)民航大學(xué)