CN112182885A - 一种基于高斯混合模型的燃油消耗偏差预测方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于高斯混合模型的燃油消耗偏差预测方法及系统,其中方法,包括以下步骤:S1:获取燃油消耗偏差数据;S2:将所述燃油消耗偏差数据通过高斯混合模型进行拟合,获得所述燃油消耗偏差数据的概率密度分布函数;S3:输入待预测燃油偏差数据,根据所述概率密度函数获得所述待预测燃油消耗偏差的概率。通过将燃油消耗偏差数据代入高斯混合模型进行拟合,获得燃油消耗偏差数据的概率密度分布函数,再通过概率密度函数获得待预测燃油消耗偏差的概率,或者输入特定的概率获得预测的燃油消耗偏差值,为飞机燃油携带量提供参考,支撑燃油政策优化。
Description
技术领域
本发明涉及航空技术领域,尤其涉及一种基于高斯混合模型的燃油消耗偏差预测方法及系统。
背景技术
民航运输的航空燃油消耗是其主要直接运行成本之一。在其能源消耗结构中,飞机燃油消耗量约占94%,航空公司属于“能源依赖型企业”,公司节油是民航节能减排的重点领域。在保证民航安全的前提下,减少飞机运行时燃油携带量、增加商载,可以减少“油烧油”现象的发生,降低航空公司运营成本,增加收益,提升航空公司竞争力。飞机运行时所需要携带的燃油量由民航运行规章和公司的运行规范共同确定。为了更好地符合国际民航公约的要求,鼓励航空公司在保证安全的前提下提高运行效率,2017年9月颁布的《大型飞机公共航空运输承运人运行合格审定规则》第五次修订版(CCAR-121R5)对燃油政策进行了修改。更新后的121部统一了国际和国内运行的燃油要求,并为航空公司实施燃油政策优化提供了规章支持。
利用运行数据支持燃油政策优化是该领域的研究重点。掌握运行数据的分布规律对研究该运行数据的相关性质以及对后续燃油政策优化具有重大意义。概率密度函数是描述一个随机变量的输出值,掌握该运行数据的概率密度函数,可通过概率密度函数获得具有参考意义的预测值,进而为飞机燃油携带量等数据提供参考依据。
在现有技术中,通过单一高斯模型对燃油运行数据进行拟合,其拟合效果差,不能充分反映燃油运行数据的分布特性,通过此方法获得的预测值并不能为飞机燃油携带量提供参考,也不能为燃油政策优化提供支撑。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足,一种基于高斯混合模型的燃油消耗偏差预测方法及系统,有效解决现有技术中不能为飞机燃油携带量提供参考,也不能为燃油政策优化提供支撑的问题。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下:一种基于高斯混合模型的燃油消耗偏差预测方法,包括以下步骤:
S1:获取燃油消耗偏差数据;
S2:将所述燃油消耗偏差数据通过高斯混合模型进行拟合,获得所述燃油消耗偏差数据的概率密度分布函数;
S3:输入待预测燃油偏差数据,根据所述概率密度函数获得所述待预测燃油消耗偏差的概率。
本发明的有益效果是,通过将燃油消耗偏差数据代入高斯混合模型进行拟合,获得燃油消耗偏差数据的概率密度分布函数,再通过概率密度函数获得待预测燃油消耗偏差的概率,或者输入特定的概率获得预测的燃油消耗偏差值,为飞机燃油携带量提供参考,支撑燃油政策优化。
进一步,所述S1中燃油消耗偏差数据的计算方式为:
其中,FA是实际航程燃油,FP是计划航程燃油。
采用上述进一步方案的有益效果是,当燃油消耗偏差Δ<0时,表示航班计划燃油消耗量大于实际燃油消耗量;当燃油消耗偏差Δ>0时,表示航班计划燃油消耗量小于实际燃油消耗量,即携带的燃油有富裕。
进一步,所述S2中高斯混合模型的表达式为:
采用上述进一步方案的有益效果是,由于高斯混合模型是多个高斯分布函数的线性叠加,每个高斯分布的概率密度函数均有各自的uj、σj,只要j取得足够大,高斯混合模型就可以基于最大期望算法来拟合任意连续的概率密度分布。
进一步,所述S2的具体过程为:
S201:输入所述燃油消耗偏差数据,分别使用不同阶次的高斯混合模型进行拟合;
S202:采用拟合效果最好的高斯混合模型作为所述燃油消耗偏差数据的概率密度分布函数。
采用上述进一步方案的有益效果是,采用拟合效果最好的高斯混合模型作为所述燃油消耗偏差数据的概率密度,可以充分反映所述燃油消耗偏差的特性,为后续燃油政策优化提供支撑。
进一步,所述拟合效果的判断指标包括,残差平方和、校正决定系数、决定系数、残差平方和、RMSE中的一种或多种。
一种基于高斯混合模型的燃油消耗偏差预测系统,包括数据获取模块、模型建立模块和预测模块;
所述数据获取模块用于获取燃油消耗偏差数据并发送至所述模型建立模块;
所述模型建立模块用于将所述燃油消耗偏差数据通过高斯混合模型进行拟合,获得所述燃油消耗偏差数据的概率密度分布函数;
所述预测模块用于接收输入的待预测燃油偏差数据,根据所述概率密度函数获得所述待预测燃油消耗偏差的概率。
本发明的有益效果是,通过将燃油消耗偏差数据代入高斯混合模型进行拟合,获得燃油消耗偏差数据的概率密度分布函数,再通过概率密度函数获得待预测燃油消耗偏差的概率,或者输入特定的概率获得预测的燃油消耗偏差值,为飞机燃油携带量提供参考,支撑燃油政策优化。
进一步,所述燃油消耗偏差数据的计算方式为:
其中,FA是实际航程燃油,FP是计划航程燃油。
采用上述进一步方案的有益效果是,当燃油消耗偏差Δ<0时,表示航班计划燃油消耗量大于实际燃油消耗量;当燃油消耗偏差Δ>0时,表示航班计划燃油消耗量小于实际燃油消耗量,即携带的燃油有富裕。
进一步,所述高斯混合模型的表达式为:
采用上述进一步方案的有益效果是,由于高斯混合模型是多个高斯分布函数的线性叠加,每个高斯分布的概率密度函数均有各自的uj、σj,只要j取得足够大,高斯混合模型就可以基于最大期望算法来拟合任意连续的概率密度分布。
进一步,所述模型建立模块获得概率密度分布函数的具体过程为:
输入所述燃油消耗偏差数据,分别使用不同阶次的高斯混合模型进行拟合;
采用拟合效果最好的高斯混合模型作为所述燃油消耗偏差数据的概率密度分布函数。
采用上述进一步方案的有益效果是,采用拟合效果最好的高斯混合模型作为所述燃油消耗偏差数据的概率密度,可以充分反映所述燃油消耗偏差的特性,为后续燃油政策优化提供支撑。
进一步,所述模型建立模块的拟合效果的判断指标包括,残差平方和、校正决定系数、决定系数、残差平方和、RMSE中的一种或多种。
附图说明
图1为本发明一种基于高斯混合模型的燃油消耗偏差预测方法的流程图;
图2为本发明实施例中采用单一高斯混合模型的拟合图;
图3为本发明采用六阶高斯混合模型的拟合图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
实施例1
参照图1,一种基于高斯混合模型的燃油消耗偏差预测方法,包括以下步骤:
S1:获取燃油消耗偏差数据;
S2:将所述燃油消耗偏差数据通过高斯混合模型进行拟合,获得所述燃油消耗偏差数据的概率密度分布函数;
S3:输入待预测燃油偏差数据,根据所述概率密度函数获得所述待预测燃油消耗偏差的概率。
通过将燃油消耗偏差数据代入高斯混合模型进行拟合,获得燃油消耗偏差数据的概率密度分布函数,再通过概率密度函数获得待预测燃油消耗偏差的概率,或者输入特定的概率获得预测的燃油消耗偏差值,为飞机燃油携带量提供参考,支撑燃油政策优化。
所述S1中燃油消耗偏差数据的计算方式为:
其中,FA是实际航程燃油,FP是计划航程燃油。
当燃油消耗偏差Δ<0时,表示航班计划燃油消耗量大于实际燃油消耗量;当燃油消耗偏差Δ>0时,表示航班计划燃油消耗量小于实际燃油消耗量,即携带的燃油有富裕。
所述S2中高斯混合模型的表达式为:
由于高斯混合模型是多个高斯分布函数的线性叠加,每个高斯分布的概率密度函数均有各自的uj、σj,只要j取得足够大,高斯混合模型就可以基于最大期望算法来拟合任意连续的概率密度分布。
所述S2的具体过程为:
S201:输入所述燃油消耗偏差数据,分别使用不同阶次的高斯混合模型进行拟合;
S202:采用拟合效果最好的高斯混合模型作为所述燃油消耗偏差数据的概率密度分布函数。
采用拟合效果最好的高斯混合模型作为所述燃油消耗偏差数据的概率密度,可以充分反映所述燃油消耗偏差的特性,为后续燃油政策优化提供支撑。
单一高斯模型:
对于一维随机变量x,假设其分布近似椭球状,则其高斯分布表达式定义如下:
式中,μ为均值,σ为标准差;而对于D维的向量x的高斯概率密度函数表达式定义如下:
式中,μ是模型期望,通常用样本均值来代替,Σ是模型方差,通常用样本方差来代替。μ、Σ决定了密度函数的特性,如函数形状的宽窄、中心点、走向等特征信息。
假设样本数据满足以上高斯分布模型,将x=xi代入可得到其概率密度为f(xi;μ,Σ)。假设xi,(i=1...n),之间为互相独立事件,则X={x1,x2,...,xn}的概率密度函数如下:
利用最佳可能性估测法(MLE),可以求得最佳参数μ和Σ如下:
单一高斯分布模型在二维空间近似于椭圆,在三维空间中近似于椭球。但是在很多分类问题中,即使属于同一类别的样本点,有时也并不满足“椭圆”分布的特性,无法用答疑高斯分布模型进行求解。
在本实施例中,采用自2017年1月至2017年12月A330机型从北京首都国际机场飞往成都双流国际机场的1350条航班的运行数据为例,通过计算燃油消耗偏差,采用现有技术中的单一高斯模型对燃油运行数据进行拟合,得到的拟合效果图如图2。概率密度函数f(x)表达式如下:
高斯混合模型:
假设样本数据点都是独立同分布的,该分布是由几个高斯核函数的线性叠加组成。高斯混合模型的表达式为:
高斯混合模型是一种聚类算法,每一个高斯分布都具有各自的μj,∑j,而其中任意一个高斯分布Nj(xi;uj;∑j)均可视为高斯混合模型中的一个成员,每个成员就是一个聚类中心。只要j取得足够大,高斯混合模型就可以基于最大期望算法来拟合任意连续的概率密度分布。
所述S202中对不同阶次的高斯混合模型的拟合效果进行判断的指标包括,残差平方和、校正决定系数、决定系数、残差平方和、RMSE中的一种或多种。
在用不同模型对不同数据的概率密度分布进行拟合时,需要对拟合效果进行判断。残差平方和(SumofSquaresforError,SSE)表示拟合数据和原始数据对应点的误差平方和,它反映了每个样本各观测值的离散状况。计算公式如下:
均方根误差(RootMeanSquareError,RMSE),也称为回归系统的拟合标准差,其计算公式如下:
决定系数(CoefficientofDetermination),是一个通过数据的变化来表征拟合优劣的统计量,定义R_square来表示决定系数,计算公式如下:
式中,SSR表示拟合预测数据与原始数据均值之差的平方和;SST表示样本值和均值之差的平方和。R_square的取值范围为[0,1],若值越接近1,则表明方程的变量对样本的解释能力越强,即所使用的模型对数据拟合的也越好。
校正决定系数(AdjustedCoefficientofDetermination),考虑自变量个数的影响,可将不同维数数据序列的决定系数进行归一处理,消除数据维度和参数数量的影响,从而达到比较的公平性。定义AdjR_sq来表示校正决定系数,计算公式如下:
式中,n为数据的维数,p为模型中的参数数量;AdjR_sq的取值范围为[0,1]。
在本实施例中,选取上述RMSE和AdjR_sq两个判断指标来定量比较单一高斯模型和高斯混合模型对燃油消耗偏差的拟合效果。
单一高斯模型的判断指标RMSE和AdjR_sq分别为12.9606和0.8819。为对比高斯混合模型与单一高斯模型拟合效果差异,分别采用不同阶次高斯混合模型来对燃油消耗偏差进行拟合,拟合结果见表1。
表1不同阶次高斯混合模型拟合判断指标
最后,再将基于六阶高斯混合模型与单一高斯模型拟合得到的结果进行对比,如图3和表3
表3.单一高斯模型与六阶高斯混合模型拟合指标对比
通过对比可以得出,基于六阶高斯混合模型较单一高斯模型可以更好的描述燃油消耗偏差的概率密度分布特性。
实施例2
在实施例1的基础上,一种基于高斯混合模型的燃油消耗偏差预测系统,包括数据获取模块、模型建立模块和预测模块;
所述数据获取模块用于获取燃油消耗偏差数据并发送至所述模型建立模块;
所述模型建立模块用于将所述燃油消耗偏差数据通过高斯混合模型进行拟合,获得所述燃油消耗偏差数据的概率密度分布函数;
所述预测模块用于接收输入的待预测燃油偏差数据,根据所述概率密度函数获得所述待预测燃油消耗偏差的概率。
在本实施例中,数据获取模块可采用常见的数据输入设备,例如键盘,鼠标,输出传输设备等硬件数据读写装置,模型建立模块和预测模块可使用计算机、服务器等具有计算、存储能力的硬件设备。
通过将燃油消耗偏差数据代入高斯混合模型进行拟合,获得燃油消耗偏差数据的概率密度分布函数,再通过概率密度函数获得待预测燃油消耗偏差的概率,或者输入特定的概率获得预测的燃油消耗偏差值,为飞机燃油携带量提供参考,支撑燃油政策优化。
所述燃油消耗偏差数据的计算方式为:
其中,FA是实际航程燃油,FP是计划航程燃油。
当燃油消耗偏差Δ<0时,表示航班计划燃油消耗量大于实际燃油消耗量;当燃油消耗偏差Δ>0时,表示航班计划燃油消耗量小于实际燃油消耗量,即携带的燃油有富裕。
所述高斯混合模型的表达式为:
由于高斯混合模型是多个高斯分布函数的线性叠加,每个高斯分布的概率密度函数均有各自的uj、σj,只要j取得足够大,高斯混合模型就可以基于最大期望算法来拟合任意连续的概率密度分布。
所述模型建立模块获得概率密度分布函数的具体过程为:
输入所述燃油消耗偏差数据,分别使用不同阶次的高斯混合模型进行拟合;
采用拟合效果最好的高斯混合模型作为所述燃油消耗偏差数据的概率密度分布函数。
采用拟合效果最好的高斯混合模型作为所述燃油消耗偏差数据的概率密度,可以充分反映所述燃油消耗偏差的特性,为后续燃油政策优化提供支撑。
单一高斯模型:
对于一维随机变量x,假设其分布近似椭球状,则其高斯分布表达式定义如下:
式中,μ为均值,σ为标准差;而对于D维的向量x的高斯概率密度函数表达式定义如下:
式中,μ是模型期望,通常用样本均值来代替,Σ是模型方差,通常用样本方差来代替。μ、Σ决定了密度函数的特性,如函数形状的宽窄、中心点、走向等特征信息。
假设样本数据满足以上高斯分布模型,将x=xi代入可得到其概率密度为f(xi;μ,Σ)。假设xi,(i=1...n),之间为互相独立事件,则X={x1,x2,...,xn}的概率密度函数如下:
利用最佳可能性估测法(MLE),可以求得最佳参数μ和Σ如下:
单一高斯分布模型在二维空间近似于椭圆,在三维空间中近似于椭球。但是在很多分类问题中,即使属于同一类别的样本点,有时也并不满足“椭圆”分布的特性,无法用答疑高斯分布模型进行求解。
在本实施例中,采用自2017年1月至2017年12月A330机型从北京首都国际机场飞往成都双流国际机场的1350条航班的运行数据为例,通过计算燃油消耗偏差,采用现有技术中的单一高斯模型对燃油运行数据进行拟合,得到的拟合效果图如图2。概率密度函数f(x)表达式如下:
高斯混合模型:
假设样本数据点都是独立同分布的,该分布是由几个高斯核函数的线性叠加组成。高斯混合模型的表达式为:
高斯混合模型是一种聚类算法,每一个高斯分布都具有各自的μj,∑j,而其中任意一个高斯分布Nj(xi;uj;∑j)均可视为高斯混合模型中的一个成员,每个成员就是一个聚类中心。只要j取得足够大,高斯混合模型就可以基于最大期望算法来拟合任意连续的概率密度分布。
所述模型建立模块对不同阶次的高斯混合模型的拟合效果进行判断的指标包括,残差平方和、校正决定系数、决定系数、残差平方和、RMSE中的一种或多种。
以上对本发明实施例所提供的技术方案进行了详细介绍,本专利中应用了具体个例对本发明实施例的原理以及实施方式进行了阐述,以上实施例的说明只适用于帮助理解本发明实施例的原理;同时,对于本领域的一般技术人员,依据本发明实施例,在具体实施方式以及应用范围上均会有改变之处,即应该注意的是上述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制,并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。
Claims (10)
1.一种基于高斯混合模型的燃油消耗偏差预测方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1:获取燃油消耗偏差数据;
S2:将所述燃油消耗偏差数据通过高斯混合模型进行拟合,获得所述燃油消耗偏差数据的概率密度分布函数;
S3:输入待预测燃油偏差数据,根据所述概率密度函数获得所述待预测燃油消耗偏差的概率。
4.根据权利要求1-3任一所述的预测方法,其特征在于,所述S2的具体过程为:
S201:输入所述燃油消耗偏差数据,分别使用不同阶次的高斯混合模型进行拟合;
S202:采用拟合效果最好的高斯混合模型作为所述燃油消耗偏差数据的概率密度分布函数。
5.根据权利要求4所述的预测方法,其特征在于,所述拟合效果的判断指标包括,残差平方和、校正决定系数、决定系数、残差平方和、RMSE中的一种或多种。
6.一种基于高斯混合模型的燃油消耗偏差预测系统,其特征在于,包括数据获取模块、模型建立模块和预测模块;
所述数据获取模块用于获取燃油消耗偏差数据并发送至所述模型建立模块;
所述模型建立模块用于将所述燃油消耗偏差数据通过高斯混合模型进行拟合,获得所述燃油消耗偏差数据的概率密度分布函数;
所述预测模块用于接收输入的待预测燃油偏差数据,根据所述概率密度函数获得所述待预测燃油消耗偏差的概率。
9.根据权利要求6-8任一所述的系统,其特征在于,所述模型建立模块获得概率密度分布函数的具体过程为:
输入所述燃油消耗偏差数据,分别使用不同阶次的高斯混合模型进行拟合;
采用拟合效果最好的高斯混合模型作为所述燃油消耗偏差数据的概率密度分布函数。
10.根据权利要求9所述的系统,其特征在于,所述模型建立模块的拟合效果的判断指标包括,残差平方和、校正决定系数、决定系数、残差平方和、RMSE中的一种或多种。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20210105 |