CN114021441A - 一种基于CNN-BiLSTM的船舶运动姿态预测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于CNN‑BiLSTM的船舶运动姿态预测方法,包括如下步骤:利用船舶运动姿态的历史数据,归一化处理,得到所需建模数据,将建模数据划分为测试集和验证集;初始化CNN网络、BiLSTM网络的结构以及相关参数;利用初始化后的CNN网络对船舶运动姿态测试集进行特征提取;将提取的特征数据送入BiLSTM网络进行训练,获取到船舶运动姿态测试集预测数据,由此建立CNN‑BiLSTM船舶运动姿态预测模型;通过验证集输入CNN‑BiLSTM船舶运动姿态预测模型进行验证预测,获取到最终的预测结果。本发明结合CNN和BiLSTM的优点,建立了CNN‑BiLSTM船舶运动姿态预测模型,利用CNN对相应船舶运动姿态数据进行特征提取,同时通过BiLSTM对所得特征信息进行预测,有效提高了预测精度,可对船舶运动姿态进行可靠预测。
Description
技术领域
本发明涉及船舶运动姿态预测技术,具体涉及一种基于CNN-BiLSTM的船舶运动姿态预测方法。
背景技术
近年来,随着海上资源相应开发技术的创新与提高,海上作业的范围越来越广,对船舶运动稳定性的要求更高。当船在不平稳海面航行时,容易受到海浪、风等各种因素的影响,从而在六个自由度发生摇荡现象,对船上作业工人及其船体有很大危害。因此,实现对船舶运动补偿的研究避不可免。对船舶运动补偿的关键是实现对船舶下一步运动姿态的提前获取,因此对船舶运动姿态的预测对提高船舶航行稳定性的意义重大。
目前,对船舶运动姿态的预测方法,主要是:卡尔曼滤波预报、自回归预报、神经网络预报。由于卡尔曼滤波预报法需要求解船舶水动力方程,难以实际运用;而自回归预报模型当外界存在干扰因素时,难以实现准确预报。
发明内容
发明目的:为了克服现有技术中存在的不足,提供一种基于CNN-BiLSTM的船舶运动姿态预测方法,利用神经网络实现对船舶运动姿态的预测,将卷积神经网络与双向长短期记忆网络结合,建立CNN-BiLSTM的船舶运动姿态预测模型,卷积神经网络用于特征提取,双向长短期记忆网络用来预测,实现对船舶运动姿态的精确预测。
技术方案:为实现上述目的,本发明提供一种基于CNN-BiLSTM的船舶运动姿态预测方法,包括如下步骤:
S1:利用船舶运动姿态的历史数据,归一化处理,得到所需建模数据,将建模数据划分为测试集和验证集;
S2:初始化CNN网络、BiLSTM网络的结构以及相关参数;
S3:利用初始化后的CNN网络对船舶运动姿态测试集进行特征提取;
S4:将提取的特征数据送入BiLSTM网络进行训练,获取到船舶运动姿态测试集预测数据,由此建立CNN-BiLSTM船舶运动姿态预测模型;
S5:通过验证集输入CNN-BiLSTM船舶运动姿态预测模型进行验证预测,获取到最终的预测结果。
进一步地,所述步骤S1具体为:
A1:收集船舶在不同海况自由度的历史数据;
A2:对收集到的数据进行测试集和验证集的划分;
A3:对数据进行标准化处理,得到所需测试样本数据集。
进一步地,所述步骤A1中历史数据包括不同海况六个自由度数据,分别为横摇、纵摇、升沉、横荡、纵荡和垂荡。
进一步地,所述步骤A3中所需测试样本数据集的表达式为:
进一步地,所述步骤S2具体为:
初始化CNN网络的参数包括卷积层、池化层、卷积激活函数;
初始化BiLSTM网络的参数包括隐含层、隐含层神经元、输入层、输出层、激活函数、优化器、学习率因子;
同时为了进行正则化以及防止过拟合,设定dropout。
进一步地,所述步骤S3中特征提取的方式为:CNN通过卷积层对测试集数据进行卷积计算后,使用设定的激活函数提取输入数据的局部特征信息,池化层对卷积层进行采样从而减少网络计算量以及参数个数,同时设定dropout层避免过拟合,最后输出特征序列作为后续BiLSTM的输入。
进一步地,所述步骤S4中船舶运动姿态测试集预测数据的获取方法具体为:将获取的特征序列输入到BiLSTM网络中,通过BiLSTM网络对输入的特征数据进行处理,具体的处理过程为:
ft=σ(Wf·[ht-1,xt]+bf)
it=σ(Wi·[ht-1,xt]+bi)
ot=σ(Wo[ht-1,xt]+bo)
ht=ot*tanh(Ct)
其中,ft、it、ot分别代表遗忘门、输出门、输入门三种门结构;ht-1为t-1时刻隐藏层的输出信息;ht为t时刻隐藏层的输出信息,也就是获取到船舶运动姿态测试集预测数据;Wi,Wf,Wc,W0代表不同连接层之间的权重;bi,bf,bc,b0代表不同连接层的偏移;为t时刻输入门的单元状态;Ct为t时刻输出的单元状态;
sigmoid简写为σ,和tanh同为激活函数。
BiLSTM由前向LSTM与后向LSTM组合而成,处理数据过程与LSTM等同。
进一步地,所述步骤S5中通过评价函数对预测结果的效果进行判定,评价函数选用均方根误差以及平均绝对百分比误差作为误差评价指标,公式如下:
其中,
本发明中将卷积神经网络(convolutional neural network,CNN)用于特征提取,可有效提高预测精度以及识别准确率。另外双向长短期记忆网络(Bi-directional LongShort-Term Memory,BiLSTM)的网络结构双向设计使t时刻所获得特征数据同时拥有过去和将来之间的信息,这种神经网络结构模型对文本特征提取效率及故障检测性能要优于单个LSTM结构模型。
有益效果:本发明与现有技术相比,结合CNN和BiLSTM的优点,建立了CNN-BiLSTM船舶运动姿态预测模型,利用CNN对相应船舶运动姿态数据进行特征提取,同时通过BiLSTM对所得特征信息进行预测,有效提高了预测精度,可对船舶运动姿态进行可靠预测,且非常适用于各种有关六自由度的设备姿态的预测。
附图说明
附图1是本发明的预测流程图;
附图2是LSTM网络的内部结构图;
附图3是本发明对船舶运动姿态横摇角的预测结果图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例,进一步阐明本发明,应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围,在阅读了本发明之后,本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
本发明提供一种基于CNN-BiLSTM的船舶运动姿态预测方法,如图1所示,其包括如下步骤:
S1:利用船舶运动姿态的历史数据,归一化处理,得到所需建模数据,将建模数据划分为测试集和验证集;
具体过程如下:
A1:收集船舶在不同海况六个自由度的历史数据,分别为横摇、纵摇、升沉、横荡、纵荡和垂荡
A2:对收集到的数据进行测试集和验证集的划分,划分比例为9:1;
A3:对数据进行标准化处理,得到所需测试样本数据集:
S2:初始化CNN网络的结构和参数:包括2个卷积层,激活函数选用relu;最大池化层;
初始化BiLSTM网络的结构和参数:三层bilstm,每层单元数依次为128、64、32;学习率设为0.001;优化器选用Adam。
同时为了进行正则化以及防止过拟合,设定dropout为0.25。
S3:利用初始化后的CNN网络对船舶运动姿态测试集进行特征提取:
CNN通过卷积层对数据进行卷积计算后使用设定的激活函数提取输入数据的局部特征信息,池化层对卷积层进行采样从而减少网络计算量以及参数个数,最后输出特征序列作为后续BiLSTM的输入。
S4:将提取的特征数据送入BiLSTM网络进行训练,获取到船舶运动姿态测试集预测数据,由此建立CNN-BiLSTM船舶运动姿态预测模型:
具体的处理过程为:
将获取的特征序列输入到BiLSTM网络中,通过BiLSTM网络对输入的特征数据进行处理,LSTM网络的内部结构具体如图2所示,参照图2,具体的处理过程为:
ft=σ(Wf·[ht-1,xt]+bf)
it=σ(Wi·[ht-1,xt]+bi)
ot=σ(Wo[ht-1,xt]+bo)
ht=ot*tanh(Ct)
其中,ft、it、ot分别代表遗忘门、输出门、输入门三种门结构;ht-1为t-1时刻隐藏层的输出信息;ht为t时刻隐藏层的输出信息,也就是获取到船舶运动姿态测试集预测数据;Wi,Wf,Wc,W0代表不同连接层之间的权重;bi,bf,bc,b0代表不同连接层的偏移;为t时刻输入门的单元状态;Ct为t时刻输出的单元状态;sigmoid简写为σ,和tanh同为激活函数。
BiLSTM由前向LSTM与后向LSTM组合而成,处理数据过程与LSTM等同。
S5:通过验证集输入CNN-BiLSTM船舶运动姿态预测模型进行验证预测,通过评价函数对预测结果的效果进行判定,评价函数选用均方根误差以及平均绝对百分比误差作为误差评价指标,公式如下:
获取到最终的预测结果。
基于上述方案,为了验证本发明预测方法的有效性,将本发明方法对船舶运动姿态的横摇角数据进行预测时的预测结果与实际数据进行拟合对比,具体的拟合结果如图3所示,可见拟合度非常好,表明本发明可有效用于船舶运动姿态的预测,验证了本发明的有效性。
Claims (9)
1.一种基于CNN-BiLSTM的船舶运动姿态预测方法,其特征在于,包括如下步骤:
S1:利用船舶运动姿态的历史数据,归一化处理,得到所需建模数据,将建模数据划分为测试集和验证集;
S2:初始化CNN网络、BiLSTM网络的结构以及相关参数;
S3:利用初始化后的CNN网络对船舶运动姿态测试集进行特征提取;
S4:将提取的特征数据送入BiLSTM网络进行训练,获取到船舶运动姿态测试集预测数据,由此建立CNN-BiLSTM船舶运动姿态预测模型;
S5:通过验证集输入CNN-BiLSTM船舶运动姿态预测模型进行验证预测,获取到最终的预测结果。
2.根据权利要求1所述的一种基于CNN-BiLSTM的船舶运动姿态预测方法,其特征在于,所述步骤S1具体为:
A1:收集船舶在不同海况自由度的历史数据;
A2:对收集到的数据进行测试集和验证集的划分;
A3:对数据进行标准化处理,得到所需测试样本数据集。
3.根据权利要求1所述的一种基于CNN-BiLSTM的船舶运动姿态预测方法,其特征在于,所述步骤A1中历史数据包括不同海况六个自由度数据,分别为横摇、纵摇、升沉、横荡、纵荡和垂荡。
5.根据权利要求1所述的一种基于CNN-BiLSTM的船舶运动姿态预测方法,其特征在于,所述步骤S2具体为:
初始化CNN网络的参数包括卷积层、池化层、卷积激活函数;
初始化BiLSTM网络的参数包括隐含层、隐含层神经元、输入层、输出层、激活函数、优化器、学习率因子;
同时为了进行正则化以及防止过拟合,设定dropout。
6.根据权利要求1所述的一种基于CNN-BiLSTM的船舶运动姿态预测方法,其特征在于,所述步骤S3中特征提取的方式为:CNN通过卷积层对测试集数据进行卷积计算后,使用设定的激活函数提取输入数据的局部特征信息,池化层对卷积层进行采样从而减少网络计算量以及参数个数,同时设定dropout层避免过拟合,最后输出特征序列作为后续BiLSTM的输入。
7.根据权利要求6所述的一种基于CNN-BiLSTM的船舶运动姿态预测方法,其特征在于,所述步骤S4中船舶运动姿态测试集预测数据的获取方法具体为:将获取的特征序列输入到BiLSTM网络中,通过BiLSTM网络对输入的特征数据进行处理,具体的处理过程为:
ft=σ(Wf·[ht-1,xt]+bf)
it=σ(Wi·[ht-1,xt]+bi)
ot=σ(Wo[ht-1,xt]+bo)
ht=ot*tanh(Ct)
8.根据权利要求1所述的一种基于CNN-BiLSTM的船舶运动姿态预测方法,其特征在于,所述步骤S5中通过评价函数对预测结果的效果进行判定。
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