本發(fā)明涉及模擬信號測量，具體涉及一種時(shí)間序列異常值校正檢測方法及其系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、在工程應(yīng)用中，大量使用了模擬信號-數(shù)字信號轉(zhuǎn)換技術(shù)(adc)，以便將電壓、電流等物理量信號轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的時(shí)間序列數(shù)字信號，并傳輸數(shù)字信號到信號處理電路。信號處理電路中的數(shù)字信號處理電路(中央處理器或現(xiàn)場可編程門陣列芯片fpga)采集數(shù)字信號，按照設(shè)定程序?qū)?shù)字信號進(jìn)行進(jìn)一步的轉(zhuǎn)換與處理。隨著高速adc技術(shù)的普及應(yīng)用，在單位時(shí)間內(nèi)會(huì)有海量的由模擬信號轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字信號需要得到處理。在電磁環(huán)境復(fù)雜、各類干擾嚴(yán)重、被測量模擬信號值較小的使用場景，如：飛機(jī)進(jìn)氣道的溫度檢測，adc的輸出數(shù)字信號往往因?yàn)槭艿礁蓴_而偏離正常測量值，且偏離值為隨機(jī)值，無規(guī)律可循。如果直接使用這些異常的原始數(shù)據(jù)信號，將會(huì)給計(jì)算與控制帶來不確定性，使最終的計(jì)算結(jié)果出現(xiàn)錯(cuò)誤。因此，數(shù)字信號處理電路在使用這些數(shù)字信號前，往往需要進(jìn)行數(shù)字信號清洗，即按照一定算法對原始的數(shù)字信號進(jìn)行計(jì)算，篩選并重新生成濾除了異常值的數(shù)字信號，然后才能開展下一步的數(shù)字信號處理工作。

2、為了濾除時(shí)間序列異常值數(shù)據(jù)，通常使用濾波器算法。目前較為常見的濾波器算法包括：限幅濾波法、平均值濾波法、中位值濾波法、一階滯后濾波法等。平均值濾波法、中位值濾波法、一階滯后濾波法一般對偶發(fā)性的干擾信號或周期性出現(xiàn)的交流干擾信號有較好的濾波效果，應(yīng)用也較廣泛。這幾種方法在實(shí)際應(yīng)用中最突出的問題是魯棒性較差。當(dāng)異常值的變化范圍較小、變化較慢時(shí)，濾波效果較好。如果異常值在發(fā)生大幅度的變化，導(dǎo)致數(shù)據(jù)信號劇烈改變，以上算法的濾波效果就難以滿足應(yīng)用的要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有技術(shù)中的上述不足，本發(fā)明提供的一種時(shí)間序列異常值校正檢測方法及其系統(tǒng)解決了現(xiàn)有對時(shí)間序列異常值的處理方法存在魯棒性較差，且無法處理當(dāng)異常值在發(fā)生大幅度的變化，導(dǎo)致數(shù)據(jù)信號劇烈改變的情況，滿足不了對測量結(jié)果的可靠性要求的問題。

2、為了達(dá)到上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

3、提供了一種時(shí)間序列異常值校正檢測方法，其包括以下步驟：

4、s1、獲取時(shí)間序列數(shù)據(jù)；

5、s2、構(gòu)建時(shí)間序列異常值檢測模型；其中，時(shí)間序列異常值檢測模型包括時(shí)間序列數(shù)據(jù)中間值計(jì)算模塊、中間值絕對偏差計(jì)算模塊、異常值判斷模塊、數(shù)據(jù)值校正模塊、離群值檢測模塊；

6、s3、通過時(shí)間序列數(shù)據(jù)中間值計(jì)算模塊對時(shí)間序列數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)搜索，得到對應(yīng)的時(shí)間序列數(shù)據(jù)中間值數(shù)據(jù)；

7、s4、通過中間值絕對偏差計(jì)算模塊對時(shí)間序列數(shù)據(jù)中間值數(shù)據(jù)和時(shí)間序列數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到對應(yīng)的中間值絕對偏差數(shù)據(jù)、絕對偏差中間值數(shù)據(jù)；

8、s5、基于中間值絕對偏差數(shù)據(jù)、絕對偏差中間值數(shù)據(jù)，通過異常值判斷模塊對時(shí)間序列數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，得到對應(yīng)的判斷結(jié)果；

9、s6、判斷各時(shí)間序列數(shù)據(jù)對應(yīng)的判斷結(jié)果是否為正常；若是則得到正常時(shí)間序列數(shù)據(jù)；反之則得到異常事件序列數(shù)據(jù)并進(jìn)入步驟s7；

10、s7、通過數(shù)據(jù)值校正模塊對異常時(shí)間序列數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，得到校正后的時(shí)間序列數(shù)據(jù)；

11、s8、通過離群值檢測模塊對校正后的時(shí)間序列數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測，得到檢測結(jié)果。

12、進(jìn)一步地，步驟s3包括以下步驟：

13、s3-1、順序讀取三個(gè)時(shí)間序列數(shù)據(jù)并作為一個(gè)數(shù)據(jù)集合；

14、s3-2、對步驟s3-1讀取的三個(gè)時(shí)間序列數(shù)據(jù)進(jìn)行二進(jìn)制轉(zhuǎn)換，分別得到對應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)據(jù)；

15、s3-3、判斷各二進(jìn)制數(shù)據(jù)的最高位是否相同；若是則進(jìn)入步驟s3-4；反之則進(jìn)入步驟s3-5；

16、s3-4、將各二進(jìn)制數(shù)據(jù)的低位覆蓋高位，直至最高位被次高位覆蓋，更新二進(jìn)制數(shù)據(jù)并返回步驟s3-3；其中，最低位使用0覆蓋；

17、s3-5、判斷各二進(jìn)制數(shù)據(jù)的丟棄次數(shù)是否為1；若是則進(jìn)入步驟s3-9；反之則進(jìn)入步驟s3-6；

18、s3-6、判斷是否存在兩個(gè)二進(jìn)制數(shù)據(jù)的最高位均為1；若是則進(jìn)入步驟s3-7；反之則進(jìn)入步驟s3-8；

19、s3-7、丟棄最高位為0的二進(jìn)制數(shù)據(jù)，丟棄次數(shù)加1并返回步驟s3-4；其中，丟棄次數(shù)的初始值為0；

20、s3-8、丟棄最高位為1的二進(jìn)制數(shù)據(jù)，丟棄次數(shù)加1并返回步驟s3-4；

21、s3-9、判斷是否丟棄過最高位為1的二進(jìn)制數(shù)據(jù)；若是則進(jìn)入步驟s3-10；反之則進(jìn)入步驟s3-11；

22、s3-10、將丟棄次數(shù)為1且最高位為1的二進(jìn)制數(shù)據(jù)對應(yīng)的步驟s3-2的二進(jìn)制數(shù)據(jù)作為時(shí)間序列數(shù)據(jù)中間值并輸入至中間值絕對偏差計(jì)算模塊，進(jìn)入步驟s3-12；

23、s3-11、將丟棄次數(shù)為1且最高位為0的二進(jìn)制數(shù)據(jù)對應(yīng)的步驟s3-2的二進(jìn)制數(shù)據(jù)作為時(shí)間序列數(shù)據(jù)中間值并分別輸入至中間值絕對偏差計(jì)算模塊，進(jìn)入步驟s3-12；

24、s3-12、判斷是否處理完所有時(shí)間序列數(shù)據(jù)；若是則進(jìn)入步驟s4；反之則選取任一個(gè)時(shí)間序列數(shù)據(jù)并替換數(shù)據(jù)集合中選取的第一個(gè)時(shí)間序列數(shù)據(jù)，更新數(shù)據(jù)集合重置丟棄次數(shù)，并返回步驟s3-2。

25、進(jìn)一步地，步驟s4包括以下步驟：

26、s4-1、順序讀取一個(gè)時(shí)間序列數(shù)據(jù)；

27、s4-2、實(shí)時(shí)獲取步驟s3-10或步驟s3-11輸出的時(shí)間序列數(shù)據(jù)中間值；

28、s4-3、計(jì)算該時(shí)間序列數(shù)據(jù)與時(shí)間序列中間值的中間值絕對偏差并輸入至異常值判斷模塊，進(jìn)入步驟s4-4；

29、s4-4、重復(fù)步驟s4-1至步驟s4-3，直至得到所有時(shí)間序列數(shù)據(jù)對應(yīng)的中間值絕對偏差；

30、s4-4、通過與步驟s3相同方法對所有中間值絕對偏差進(jìn)行處理，得到對應(yīng)的絕對偏差中間值，并進(jìn)入步驟s5。

31、進(jìn)一步地，步驟s5包括以下步驟：

32、s5-1、計(jì)算步驟s4-3的中間值絕對偏差與絕對偏差中間值的比值；

33、s5-2、基于比值，對步驟s4-1讀取的時(shí)間序列數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，得到對應(yīng)的判斷結(jié)果；其中，判斷結(jié)果分為正常和異常；

34、s5-3、重復(fù)步驟s5-1，直至計(jì)算所有時(shí)間序列數(shù)據(jù)對應(yīng)的中間值絕對偏差與絕對偏差中間值的比值；

35、s5-4、重復(fù)步驟s5-2，直至得到所有時(shí)間序列數(shù)據(jù)對應(yīng)的判斷結(jié)果。

36、進(jìn)一步地，步驟s5-2的具體過程為：

37、預(yù)設(shè)閾值范圍；判斷判斷結(jié)果是否處于閾值范圍中；若是則判斷結(jié)果為異常；反之則判斷結(jié)果為正常；其中，閾值范圍為2到50的實(shí)數(shù)區(qū)間。

38、進(jìn)一步地，步驟s7包括以下步驟：

39、s7-1、讀取一個(gè)異常時(shí)間序列數(shù)據(jù)及其對應(yīng)的時(shí)間序列數(shù)據(jù)中間值；

40、s7-2、將該異常時(shí)間序列數(shù)據(jù)替換為對應(yīng)的時(shí)間序列數(shù)據(jù)中間值；

41、s7-3、重復(fù)步驟s7-1和步驟s7-2，直至處理完所有的異常時(shí)間序列數(shù)據(jù)，得到校正后的時(shí)間序列數(shù)據(jù)。

42、進(jìn)一步地，步驟s8包括以下步驟：

43、s8-1、計(jì)算校正后的時(shí)間序列數(shù)據(jù)對應(yīng)的絕對平均值；

44、s8-2、計(jì)算校正后的時(shí)間序列數(shù)據(jù)對應(yīng)的絕對標(biāo)準(zhǔn)差；

45、s8-3、計(jì)算各個(gè)校正后的時(shí)間序列數(shù)據(jù)的絕對值與絕對平均值的偏差；

46、s8-4、計(jì)算各個(gè)偏差與絕對標(biāo)準(zhǔn)差的絕對比值；

47、s8-5、計(jì)算各個(gè)絕對比值的平均差分值；

48、s8-6、判斷平均差分值是否大于閾值；若是則判定修正后的時(shí)間序列數(shù)據(jù)為異常數(shù)據(jù)，即檢測結(jié)果；反之則判定修正后的時(shí)間序列數(shù)據(jù)為正常數(shù)據(jù)，即檢測結(jié)果。

49、提供了一種時(shí)間序列異常值校正檢測系統(tǒng)，其包括基準(zhǔn)信號產(chǎn)生模塊、時(shí)間序列數(shù)據(jù)中間值計(jì)算模塊、中間值絕對偏差計(jì)算模塊、異常值判斷模塊、數(shù)據(jù)值校正模塊、離群值檢驗(yàn)?zāi)K；

50、基準(zhǔn)信號產(chǎn)生模塊的信號輸出端分別連接原始數(shù)據(jù)中間值計(jì)算模塊、中間值絕對偏差計(jì)算模塊、異常值判斷模塊、數(shù)據(jù)值校正模塊、離群值檢驗(yàn)?zāi)K的第一信號輸入端；時(shí)間序列數(shù)據(jù)中間值計(jì)算模塊的第一信號輸出端、第二信號輸出端和第三信號輸出端分別連接中間值絕對偏差計(jì)算模塊、異常值判斷模塊、數(shù)據(jù)值校正模塊的第二信號輸入端；中間值絕對偏差計(jì)算模塊的第一信號輸出端、第二信號輸出端分別連接時(shí)間序列數(shù)據(jù)中間值計(jì)算模塊的第二信號輸入端、異常值判斷模塊的第三信號輸入端；異常值判斷模塊的信號輸出端連接數(shù)據(jù)值校正模塊的第三信號輸入端；數(shù)據(jù)值校正模塊的信號輸出端連接離群值檢驗(yàn)?zāi)K；

51、其中：

52、基準(zhǔn)信號產(chǎn)生模塊，用于提供基準(zhǔn)信號，并以跳變沿驅(qū)動(dòng)各模塊按時(shí)序工作；

53、時(shí)間序列數(shù)據(jù)中間值計(jì)算模塊，用于對時(shí)間序列數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)搜索，得到對應(yīng)的時(shí)間序列數(shù)據(jù)中間值數(shù)據(jù)；

54、中間值絕對偏差計(jì)算模塊，用于對時(shí)間序列數(shù)據(jù)中間值數(shù)據(jù)和時(shí)間序列數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到對應(yīng)的中間值絕對偏差數(shù)據(jù)、絕對偏差中間值數(shù)據(jù)；

55、異常值判斷模塊，用于基于中間值絕對偏差數(shù)據(jù)、絕對偏差中間值數(shù)據(jù)對時(shí)間序列數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，得到對應(yīng)的判斷結(jié)果；

56、數(shù)據(jù)值校正模塊，用于對異常時(shí)間序列數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，得到校正后的時(shí)間序列數(shù)據(jù)；

57、離群值檢驗(yàn)?zāi)K，用于對校正后的時(shí)間序列數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測，得到檢測結(jié)果。

58、進(jìn)一步地，基準(zhǔn)信號產(chǎn)生模塊采用兩種方式獲取基準(zhǔn)信號；第一種采用fpga的鎖相環(huán)或鎖延遲環(huán)技術(shù)，產(chǎn)生穩(wěn)定的頻率測量基準(zhǔn)信號；第二種采用fpga的外部高精度頻率源信號，通過計(jì)數(shù)分頻方法產(chǎn)生頻率測試所需的頻率測量基準(zhǔn)信號

59、時(shí)間序列數(shù)據(jù)中間值計(jì)算模塊采用矩陣式逐位比較法。

60、本發(fā)明的有益效果為：

61、1、實(shí)現(xiàn)了對數(shù)據(jù)集合中間值的快速搜索；使用了逐位比較法實(shí)現(xiàn)對中間值的搜索，通過布爾邏輯而不是算術(shù)邏輯比較數(shù)據(jù)的大?。唤鉀Q了現(xiàn)有算法在比較數(shù)據(jù)大小時(shí)因?yàn)槭褂盟阈g(shù)邏輯帶來的對fpga內(nèi)部邏輯資源數(shù)量需求較多，導(dǎo)致在小容量fpga芯片中難以實(shí)現(xiàn)對較大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行大小比較的問題；

62、2、實(shí)現(xiàn)對大幅度波動(dòng)數(shù)據(jù)的修正；利用數(shù)據(jù)異常值判斷與修正算法，可以對因各種外部原因?qū)е碌拇蠓炔▌?dòng)的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行修正與檢測，克服了傳統(tǒng)算法只適于修正小幅度波動(dòng)數(shù)據(jù)，對大幅度波動(dòng)的異常數(shù)據(jù)修正效果較差甚至無法修正導(dǎo)致大量數(shù)據(jù)丟棄的問題；解決因數(shù)據(jù)異常得不到有效修正而導(dǎo)致后續(xù)數(shù)字處理結(jié)果不理想的問題；對修正后的數(shù)據(jù)進(jìn)一步進(jìn)行異常值檢測，改善了數(shù)據(jù)質(zhì)量，排除了異常值的干擾，提高檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性。