水質(zhì)自動(dòng)在線監(jiān)測設(shè)備測量誤差的分析和估計(jì)方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種水質(zhì)自動(dòng)在線監(jiān)測設(shè)備測量誤差的分析和評估方法，其基于數(shù)據(jù)對比統(tǒng)計(jì)，且分類進(jìn)行有針對性的誤差估計(jì)，能夠提高評估結(jié)果的準(zhǔn)確性。首先，采用穩(wěn)健剔除異常數(shù)據(jù)的方法，剔除在線監(jiān)測數(shù)據(jù)中的粗大誤差；然后從剔除粗大誤差后的在線監(jiān)測數(shù)據(jù)提取中位數(shù)，判斷該中位數(shù)是否在水質(zhì)樣本均值置信區(qū)間內(nèi)；如果不在，則確定沒有系統(tǒng)誤差，結(jié)束本流程；否則，確定存在系統(tǒng)誤差，將系統(tǒng)誤差分為周期性系統(tǒng)誤差、線性及多項(xiàng)式型系統(tǒng)誤差和常量系統(tǒng)誤差分別采用基于Burg法的譜分析和回歸分析相結(jié)合的方法、回歸分析方法、均值濾波方法和卡爾曼濾波相結(jié)合的方法進(jìn)行估計(jì)。最后，將三類系統(tǒng)誤差的估計(jì)結(jié)果相加，得到最終的系統(tǒng)誤差估計(jì)結(jié)果。
【專利說明】水質(zhì)自動(dòng)在線監(jiān)測設(shè)備測量誤差的分析和估計(jì)方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及監(jiān)測數(shù)據(jù)校準(zhǔn)領(lǐng)域，具體涉及一種水質(zhì)自動(dòng)在線監(jiān)測數(shù)據(jù)誤差分析和 估計(jì)方法，可用于各類型水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測儀器中。

【背景技術(shù)】
[0002] 在線監(jiān)測設(shè)備的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，必須由專業(yè)人員進(jìn)行維護(hù)和校準(zhǔn)，同時(shí)，監(jiān)測結(jié)果 的準(zhǔn)確性受到多方面因素的影響，試劑濃度不準(zhǔn)確、管路污染、測量溫度變化等都會(huì)造成結(jié) 果產(chǎn)生誤差。目前，監(jiān)測設(shè)備應(yīng)用廣泛，但是監(jiān)測結(jié)果的準(zhǔn)確性受到多方質(zhì)疑。許多專家 學(xué)者對誤差產(chǎn)生原因、儀器維護(hù)、監(jiān)測質(zhì)量控制方法等進(jìn)行了探討，試圖通過規(guī)范儀器的使 用，加強(qiáng)儀器維護(hù)等方法，提高測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。同時(shí)，也有學(xué)者采用一些數(shù)學(xué)方法（如 濾波、最小二乘法等），對其他類型的監(jiān)測數(shù)據(jù)（如電容、測井等數(shù)據(jù)）進(jìn)行分析和校正。由 于水質(zhì)在線監(jiān)測儀器設(shè)計(jì)復(fù)雜，還沒有人嘗試過采用數(shù)學(xué)分析的方法對在線監(jiān)測儀器的誤 差進(jìn)行分析。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 有鑒于此，本發(fā)明提供了一種用于水質(zhì)在線監(jiān)測的誤差估計(jì)方法，該方法采用數(shù) 據(jù)對比統(tǒng)計(jì)的方式，且將誤差分類后，分別估計(jì)誤差值，然后再整合，能夠提高測量結(jié)果的 準(zhǔn)確性。
[0004] 為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的：
[0005] -種水質(zhì)自動(dòng)在線監(jiān)測設(shè)備測量誤差的分析和評估方法，其通過分析水質(zhì)自動(dòng)在 線監(jiān)測設(shè)備產(chǎn)生誤差的類型，將測量誤差分為系統(tǒng)誤差、偶然誤差和粗大誤差，其中系統(tǒng)誤 差進(jìn)一步分為周期性系統(tǒng)誤差、線性及多項(xiàng)式型系統(tǒng)誤差以及常量系統(tǒng)誤差三類；針對上 述誤差類型的評估，包括如下步驟：
[0006] 步驟一、采用穩(wěn)健剔除異常數(shù)據(jù)的方法，剔除在線監(jiān)測數(shù)據(jù)中的粗大誤差；
[0007] 步驟二、從剔除粗大誤差后的在線監(jiān)測數(shù)據(jù)提取中位數(shù)\，判斷該中位數(shù)\是否 在水質(zhì)樣本均值置信區(qū)間內(nèi)；如果是，則確定存在系統(tǒng)誤差，進(jìn)入步驟三；否則，確定沒有 系統(tǒng)誤差，結(jié)束本流程；
[0008] 步驟三、將系統(tǒng)誤差分為周期性系統(tǒng)誤差、線性及多項(xiàng)式型系統(tǒng)誤差和常量系統(tǒng) 誤差；
[0009] 采用基于Burg法的譜分析和回歸分析相結(jié)合的方法估計(jì)周期性系統(tǒng)誤差；
[0010] 采用回歸分析方法，估計(jì)線性及多項(xiàng)式型的系統(tǒng)誤差；
[0011] 采用均值濾波方法，估計(jì)常量系統(tǒng)誤差，再采用卡爾曼濾波方法對常量系統(tǒng)誤差 進(jìn)行估計(jì)和預(yù)測；同時(shí)，均值濾波和卡爾曼濾波還將偶然誤差消減；
[0012] 將三類系統(tǒng)誤差的估計(jì)結(jié)果相加，得到最終的系統(tǒng)誤差估計(jì)結(jié)果。
[0013] 優(yōu)選地，步驟一中，采用穩(wěn)健剔除異常數(shù)據(jù)的方法，剔除在線監(jiān)測數(shù)據(jù)中的粗大誤 差的具體步驟如下：
[0014] 步驟1、計(jì)算在線監(jiān)測數(shù)據(jù)均值置信區(qū)間的上限Mm和下限mm :
[0015]

【權(quán)利要求】
1. 一種水質(zhì)自動(dòng)在線監(jiān)測設(shè)備測量誤差的分析和評估方法，其特征在于，通過分析水 質(zhì)自動(dòng)在線監(jiān)測設(shè)備產(chǎn)生誤差的類型，將測量誤差分為系統(tǒng)誤差、偶然誤差和粗大誤差，其 中系統(tǒng)誤差進(jìn)一步分為周期性系統(tǒng)誤差、線性及多項(xiàng)式型系統(tǒng)誤差以及常量系統(tǒng)誤差三 類；針對上述誤差類型的評估，包括如下步驟： 步驟一、采用穩(wěn)健剔除異常數(shù)據(jù)的方法，剔除在線監(jiān)測數(shù)據(jù)中的粗大誤差； 步驟二、從剔除粗大誤差后的在線監(jiān)測數(shù)據(jù)提取中位數(shù)判斷該中位數(shù)&是否在水 質(zhì)樣本均值置信區(qū)間內(nèi)；如果是，則確定存在系統(tǒng)誤差，進(jìn)入步驟三；否則，確定沒有系統(tǒng) 誤差，結(jié)束本流程； 步驟三、將系統(tǒng)誤差分為周期性系統(tǒng)誤差、線性及多項(xiàng)式型系統(tǒng)誤差和常量系統(tǒng)誤 差； 采用基于Burg法的譜分析和回歸分析相結(jié)合的方法估計(jì)周期性系統(tǒng)誤差； 采用回歸分析方法，估計(jì)線性及多項(xiàng)式型的系統(tǒng)誤差； 采用均值濾波方法，估計(jì)常量系統(tǒng)誤差，再采用卡爾曼濾波方法對常量系統(tǒng)誤差進(jìn)行 估計(jì)和預(yù)測，同時(shí)均值濾波加卡爾曼濾波還消減了偶然誤差； 將三類系統(tǒng)誤差的估計(jì)結(jié)果相加，得到最終的系統(tǒng)誤差估計(jì)結(jié)果。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟一中，采用穩(wěn)健剔除異常數(shù)據(jù)的方 法，剔除在線監(jiān)測數(shù)據(jù)中的粗大誤差的具體步驟如下： 步驟1、計(jì)算在線監(jiān)測數(shù)據(jù)均值置信區(qū)間的上限Mm和下限_ :
式中，i是在線監(jiān)測數(shù)據(jù)的均值，〇是在線監(jiān)測數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差，n是在線監(jiān)測數(shù)據(jù)的個(gè) 數(shù)； 步驟2、提取在線監(jiān)測數(shù)據(jù)的中位數(shù)％ ;如果滿足mm < < Mm，則判定在線監(jiān)測數(shù)據(jù) 服從對稱beta分布，采用式I對參數(shù)g，h進(jìn)行估計(jì)：
上式I中承f為beta分布的參數(shù)估計(jì)值，u為在線監(jiān)測數(shù)據(jù)歸一化后的結(jié)果，i:為 u的平均值，su為u的標(biāo)準(zhǔn)差； 如果滿足m/mm或n^Mm，則判定在線監(jiān)測數(shù)據(jù)為不對稱分布，采用式II對參數(shù)g, h分 別進(jìn)行估計(jì)：
步驟3、根據(jù)估計(jì)好的beta分布，按在線監(jiān)測數(shù)據(jù)的中位數(shù)％及四分位離差FD來確定 粗差判別界限為D，mdk/D]，當(dāng)某個(gè)在線監(jiān)測數(shù)據(jù)&超出所述粗差判別界限時(shí)，將 在線監(jiān)測數(shù)據(jù)&判別為異常數(shù)據(jù)，進(jìn)行剔除；其中，匕、k"為與beta分布參數(shù)相關(guān)的系數(shù)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟二判斷是否存在系統(tǒng)誤差的方式具 體為： 步驟（1)、計(jì)算實(shí)驗(yàn)室對比數(shù)據(jù)置信區(qū)間的上限Mmd和下限mmd :
式中，〇 d是實(shí)驗(yàn)室對比數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差，J是實(shí)驗(yàn)室對比數(shù)據(jù)的均值，n是在線監(jiān)測數(shù)據(jù) 的個(gè)數(shù)； 步驟（2)、判斷在線監(jiān)測數(shù)據(jù)的中位數(shù)％是否在實(shí)驗(yàn)室對比數(shù)據(jù)的置信區(qū)間內(nèi)；如果 在，則判定為沒有系統(tǒng)誤差，本流程結(jié)束；如果不在，判定為含有系統(tǒng)誤差。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于Burg法的譜分析和回歸分析相 結(jié)合的方法分析周期性系統(tǒng)誤差的方式為：采用Burg譜分析的方法判斷在線監(jiān)測數(shù)據(jù)是 否含有周期性系統(tǒng)誤差；若含有周期性系統(tǒng)誤差，則將在線監(jiān)測數(shù)據(jù)按周期分割，針對每一 個(gè)周期的在線監(jiān)測數(shù)據(jù)采用回歸分析方法估計(jì)每個(gè)周期內(nèi)的線性及多項(xiàng)式型系統(tǒng)誤差。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的方法，其特征在于，所述采用回歸分析方法估計(jì)線性及多 項(xiàng)式型系統(tǒng)誤差的具體步驟如下： 依次將誤差擬合成一階、二階、三階多項(xiàng)式，得到回歸系數(shù)，F(xiàn)檢驗(yàn)方法進(jìn)行顯著性分 析，選擇擬合誤差最接近實(shí)際的作為最終結(jié)果。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，采用均值濾波方法估計(jì)常量系統(tǒng)誤差時(shí)， 濾波周期采用10?20個(gè)數(shù)據(jù)，重疊周期占濾波周期的1/3。
【文檔編號(hào)】G01N33/18GK104280526SQ201410571356
【公開日】2015年1月14日 申請日期:2014年10月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月23日
【發(fā)明者】潘峰, 李位星, 高琪, 高巖, 李曉婷, 鄧哲, 常彥春, 舒俊逸, 丁鑫同 申請人:北京理工大學(xué)