RU2467383C2 - Method and apparatus for predicting nonstationary time series - Google Patents

Method and apparatus for predicting nonstationary time series Download PDF

Info

Publication number
RU2467383C2
RU2467383C2 RU2009122419/08A RU2009122419A RU2467383C2 RU 2467383 C2 RU2467383 C2 RU 2467383C2 RU 2009122419/08 A RU2009122419/08 A RU 2009122419/08A RU 2009122419 A RU2009122419 A RU 2009122419A RU 2467383 C2 RU2467383 C2 RU 2467383C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
input
output
unit
entropy
prediction
Prior art date
Application number
RU2009122419/08A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2009122419A (en
Inventor
Сергей Михайлович Доценко (RU)
Сергей Михайлович Доценко
Алексей Иванович Яковлев (RU)
Алексей Иванович Яковлев
Александр Евгеньевич Магон (RU)
Александр Евгеньевич Магон
Алексей Вячеславович Сапрыкин (RU)
Алексей Вячеславович Сапрыкин
Original Assignee
Министерство обороны Российской Федерации Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Военный учебно-научный центр Военно-Морского Флота "Военно-морская академия имени Адмирала Флота Советского Союза Н.Г. Кузнецова"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Министерство обороны Российской Федерации Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Военный учебно-научный центр Военно-Морского Флота "Военно-морская академия имени Адмирала Флота Советского Союза Н.Г. Кузнецова" filed Critical Министерство обороны Российской Федерации Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Военный учебно-научный центр Военно-Морского Флота "Военно-морская академия имени Адмирала Флота Советского Союза Н.Г. Кузнецова"
Priority to RU2009122419/08A priority Critical patent/RU2467383C2/en
Publication of RU2009122419A publication Critical patent/RU2009122419A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2467383C2 publication Critical patent/RU2467383C2/en

Links

Images

Landscapes

  • Compression, Expansion, Code Conversion, And Decoders (AREA)
  • Management, Administration, Business Operations System, And Electronic Commerce (AREA)

Abstract

FIELD: physics, radio.
SUBSTANCE: invention is related to radio engineering and can be used to predict data in systems for different purposes. The method of predicting nonstationary time series, based on an autoregressive model of a moving average with minimum mean-square error additionally involves operations for recirculating input data by one reading, oversampling the initial process in a logarithmic time scale, finding the energy spectrum of the obtained signal, determining response corresponding to entropy of the sampling energy spectrum, calculating the maximum value of entropy responses, finding a prediction for realisation, which corresponds to the maximum entropy value, oversamping the prediction result in an exponential time scale.
EFFECT: high noise-immunity of the prediction process in conditions of additive noise and marked nonstationary nature of the predicted process.
2 cl, 3 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к области специальной радиотехники и может быть использовано для прогнозирования данных в системах различного назначения, в том числе при прогнозировании экономических процессов. Известны способы прогнозирования, основанные на методах Винера и Яглома. Общая теория прогнозирования случайных процессов подробно изложена в работе [1]. Эффективность решений зависит от объема априорных данных, исследуемых процессов и методов их представления. Недостатком известных технических решений является использование, как правило, гипотезы стационарности прогнозирующих процедур, в том числе при анализе широкополосных сигналов.The present invention relates to the field of special radio engineering and can be used to predict data in systems for various purposes, including the prediction of economic processes. Known forecasting methods based on the methods of Wiener and Jaglom. The general theory of forecasting random processes is described in detail in [1]. The effectiveness of decisions depends on the volume of a priori data, the processes under study, and the methods of their presentation. A disadvantage of the known technical solutions is the use, as a rule, of the hypothesis of stationarity of predictive procedures, including in the analysis of broadband signals.

Известны методы прогнозирования процессов с дискретным временем в случае рациональных спектров, а также одномерных стационарных процессов с постоянным шагом во времени. Отмечается, что многомерный случай в общей теории прогнозирования значительно более сложен, чем одномерный. Как правило, основой прогнозирования служит анализ временного ряда [1, 2]. Наиболее распространенными методами являются: метод наименьших квадратов [3] и его модификации, метод экспоненциального сглаживания, метод вероятностного моделирования и метод адаптивного сглаживания. В любом случае необходим выбор наиболее подходящей модели для описания прогнозирующего процесса.Known methods for predicting processes with discrete time in the case of rational spectra, as well as one-dimensional stationary processes with a constant step in time. It is noted that the multidimensional case in the general theory of forecasting is much more complicated than the one-dimensional one. As a rule, the basis of forecasting is the analysis of the time series [1, 2]. The most common methods are: least squares method [3] and its modifications, exponential smoothing method, probabilistic modeling method and adaptive smoothing method. In any case, the selection of the most suitable model for describing the forecasting process is necessary.

При прогнозировании процессов формируются дискретные выборки двух типов:When forecasting processes, discrete samples of two types are formed:

1. Модель функциональной зависимости процесса неизвестна. В этом случае решают задачи оценки модели функциональной зависимости из целого класса доступных моделей.1. The model of the functional dependence of the process is unknown. In this case, problems of evaluating the functional dependence model from a whole class of available models are solved.

2. Модель функциональной зависимости процесса известна и требуется только оценить параметры модели исходного процесса (коэффициенты регрессии b0, b1, b2,…).2. The model of the functional dependence of the process is known and it is only necessary to evaluate the parameters of the model of the initial process (regression coefficients b 0 , b 1 , b 2 , ...).

Применяются следующие математические модели: линейная - y=b0+b1x, гиперболическая - y=b0+b1/x, показательная - y=b0+b1x, степенная -

Figure 00000001
, параболическая - y=b0+b1x+b2x2, логарифмическая - y=b0+b1lgx, экспоненциальная - y=b0exp(b1x) и другие.The following mathematical models are used: linear - y = b 0 + b 1 x, hyperbolic - y = b 0 + b 1 / x, exponential - y = b 0 + b 1 x , power -
Figure 00000001
, parabolic - y = b 0 + b 1 x + b 2 x 2 , logarithmic - y = b 0 + b 1 logx, exponential - y = b 0 exp (b 1 x) and others.

Решение математических уравнений связи предполагает вычисление по исходным данным параметров модели (свободного члена b0 и коэффициентов регрессии b1, b2…).The solution of mathematical equations of communication involves the calculation of the initial parameters of the model (free term b 0 and regression coefficients b 1 , b 2 ...).

При всем разнообразии моделей все же имеется вид аналитической зависимости, получивший наиболее широкое распространение. Им является уравнение регрессии в виде многочленов (полинома), расположенных по восходящим степеням изучаемого фактора и одновременно линейных ко всем коэффициентам:With all the variety of models, there is still a form of analytical dependence, which has received the widest distribution. It is the regression equation in the form of polynomials (polynomial) located in ascending degrees of the studied factor and simultaneously linear to all coefficients:

y=f(x)=b0+b1x+b2x2+…+bmxm, где b0, b1, b2,…,bm - коэффициенты, подлежащие определению.y = f (x) = b 0 + b 1 x + b 2 x 2 + ... + b m x m , where b 0 , b 1 , b 2 , ..., b m are the coefficients to be determined.

Для определения коэффициентов уравнения регрессии bm применяют разные методы (графический, метод средних), однако наибольшее распространение получил метод наименьших квадратов (МНК).To determine the coefficients of the regression equation b m, different methods are used (graphical, average method), however, the least-squares method (least squares) is most widely used.

Отыскание коэффициентов b0 и b1 осуществляется по МНК, используя следующие уравнения:The search for the coefficients b 0 and b 1 is carried out according to the least-squares method, using the following equations:

Figure 00000002
,
Figure 00000003
.
Figure 00000002
,
Figure 00000003
.

Оценка, основанная на методе наименьших квадратов, предполагает обязательное удовлетворение целого ряда предпосылок, невыполнение которых может привести к ошибкам.An assessment based on the least squares method involves the mandatory satisfaction of a number of assumptions, the failure of which can lead to errors.

МНК широко применяется для получения конкретных прогнозов, что объясняется его простотой и легкостью реализации на ЭВМ. Недостаток метода состоит в том, что модель тренда жестко фиксируется, поэтому надежный прогноз можно получить только на небольшой период упреждения. МНК используют главным образом при краткосрочном прогнозировании. В методе существенно затруднен правильный выбор вида модели, а также обоснование и выбор весов во взвешенном МНК. Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ и устройство прогнозирования временных рядов, основанный на авторегрессионной модели скользящего среднего с минимальной среднеквадратической ошибкой [1].MNCs are widely used to obtain specific forecasts, which is explained by its simplicity and ease of implementation on a computer. The disadvantage of this method is that the trend model is rigidly fixed, therefore a reliable forecast can be obtained only for a short lead-time. MNCs are mainly used for short-term forecasting. The method makes it significantly difficult to choose the right type of model, as well as the rationale and choice of weights in a weighted least-squares method. Closest to the proposed invention is a method and device for predicting time series based on an autoregressive model of a moving average with a minimum mean square error [1].

Основой прогнозирования служит случайный временной ряд - это упорядоченная последовательность случайных величин, представляющих собой значения отсчетов принятого сигнала от цели. Одной из важных задач при работе с временными рядами является прогнозирование будущих значений временного ряда. В практических приложениях временные ряды сильно коррелированны, что позволяет рассчитывать на удовлетворительные оценки прогноза.The basis of forecasting is a random time series - this is an ordered sequence of random variables, which are the values of the samples of the received signal from the target. One of the important tasks when working with time series is to predict future values of the time series. In practical applications, the time series are highly correlated, which allows us to expect satisfactory estimates of the forecast.

Рассмотренный способ и устройство позволяют произвести прогнозирование временного процесса на фоне аддитивных гауссовых помех, при этом ставится задача прогнозирования значения zn+l, l≥1 в текущий момент времени tn. Такой прогноз в момент tn делается с упреждением l. Рассматривается три явные формы представления модели, выраженные следующими соотношениями:The considered method and device allows predicting the time process against the background of additive Gaussian interference, while the task is to predict the values of z n + l , l≥1 at the current time t n . Such a forecast at time t n is preempted l. Three explicit forms of model representation are considered, expressed by the following relationships:

1) При помощи разностного уравнения:1) Using the difference equation:

Figure 00000004
Figure 00000004

2) Как бесконечную взвешенную сумму текущего и предшествующих импульсов aj:2) As an infinite weighted sum of current and previous impulses a j :

Figure 00000005
.
Figure 00000005
.

3) Как бесконечную взвешенную сумму предыдущих наблюдений плюс случайный импульс:3) As an infinite weighted sum of previous observations plus a random impulse:

Figure 00000006
,
Figure 00000006
,

где πj - весовые коэффициенты.where π j are weights.

Суть способа состоит в следующем. Выбирают выборку входного процесса zn, у которой необходимо сделать прогноз с упреждением l, представляющую собой линейную функцию

Figure 00000007
, наилучший прогноз представляется в виде
Figure 00000008
, где веса ψ задаются заранее, находят значение среднеквадратической ошибки прогноза
Figure 00000009
, находят минимальное значение СКО прогноза приравниванием
Figure 00000010
, определяют результирующий прогноз
Figure 00000011
или
Figure 00000012
, где en+l - ошибка прогноза
Figure 00000013
с упреждением l отсчетов. Полученный способ позволяет осуществлять прогнозирование процесса, однако на практике влияние шума или другой посторонней информации приводит к уменьшению отношения сигнал-помеха. Основным недостатком способа является то, что при наличии модуляции входного процесса формируется дополнительная ошибка прогноза за счет отклонения процесса от стационарного случая.The essence of the method is as follows. A sample of the input process z n is selected for which it is necessary to make a forecast with lead l, which is a linear function
Figure 00000007
, the best forecast is presented as
Figure 00000008
, where the weights ψ are set in advance, find the value of the mean square error of the forecast
Figure 00000009
find the minimum value of the standard deviation of the forecast by equating
Figure 00000010
determine the resulting forecast
Figure 00000011
or
Figure 00000012
where e n + l is the forecast error
Figure 00000013
with lead l counts. The obtained method allows predicting the process, however, in practice, the influence of noise or other extraneous information leads to a decrease in the signal-to-noise ratio. The main disadvantage of this method is that in the presence of modulation of the input process, an additional forecast error is formed due to the deviation of the process from the stationary case.

Целью предлагаемого изобретения является повышение помехоустойчивости процесса прогнозирования в условии влияния аддитивной помехи и выраженном нестационарном характере прогнозируемого процесса. Поставленная цель достигается тем, что:The aim of the invention is to increase the noise immunity of the forecasting process under the condition of the influence of additive interference and the expressed unsteady nature of the predicted process. The goal is achieved by the fact that:

1. Способ прогнозирования нестационарных временных рядов, основанный на авторегрессионной модели скользящего среднего с минимальной среднеквадратической ошибкой, дополнительно содержит операции рециркуляции входных данных на один отсчет, передискретизации исходного процесса в логарифмическом масштабе времени, нахождения энергетического спектра полученного сигнала, определения отклика, соответствующего энтропии энергетического спектра выборки, подвергнутой передискретизации, вычисления максимального значения откликов энтропии, нахождения прогноза для реализации, соответствующей максимальному значению энтропии, передискретизации результата прогнозирования в экспоненциальном масштабе времени.1. A method for predicting non-stationary time series, based on the autoregressive model of a moving average with a minimum standard error, additionally contains operations of recirculating the input data by one count, oversampling the initial process in a logarithmic time scale, finding the energy spectrum of the received signal, determining the response corresponding to the entropy of the energy spectrum oversampling, calculating the maximum value of the entropy responses , finding a forecast for the implementation corresponding to the maximum value of entropy, oversampling the forecast result in an exponential time scale.

2. Устройство прогнозирования временных рядов, содержащее аналого-цифровой преобразователь, блок синхронизации, соединенный со вторым входом аналого-цифрового преобразователя, первый вход которого является входом устройства, блок прогнозирования, блок синхронизации, соединенный со вторым входом аналого-цифрового преобразователя, первый вход которого является входом устройства, блок прогнозирования, дополнительно содержит блок задержки, первый вход которого соединен с выходом блока синхронизации, второй вход подключен к выходу аналого-цифрового преобразователя, выход соединен со входом блока передискретизации исходного процесса по логарифмическому масштабу времени, выход которого соединен с первым входом буферного блока памяти, соединенного своим первым выходом со входом блока нахождения спектра сигнала, выход последнего является входом блока вычисления квадрата модуля сигнала, выход которого соединен со входом блока нахождения энтропии выборки, выход которого подключен ко входу блока вычисления максимального значения энтропии, выход которого является вторым входом блока буферной памяти, второй выход которого является входом блока прогнозирования, соединенного своим выходом со входом блока передискретизации результата прогнозирования по экспоненциальному закону.2. A time series prediction device comprising an analog-to-digital converter, a synchronization unit connected to a second input of an analog-to-digital converter, the first input of which is an input of the device, a prediction unit, a synchronization unit connected to a second input of an analog-to-digital converter, whose first input is the input of the device, the prediction unit, further comprises a delay unit, the first input of which is connected to the output of the synchronization unit, the second input is connected to the analog output go-to-digital converter, the output is connected to the input of the oversampling unit of the original process on a logarithmic time scale, the output of which is connected to the first input of the buffer memory unit, connected by its first output to the input of the signal spectrum finding unit, the output of the latter is the input of the square block of the signal module calculation, output which is connected to the input of the block for finding the entropy of the sample, the output of which is connected to the input of the block for calculating the maximum value of entropy, the output of which is the second the input of the buffer memory block, the second output of which is the input of the forecasting unit, connected by its output to the input of the oversampling unit of the prediction result according to the exponential law.

Способ прогнозирования временных рядовTime Series Prediction Method

Суть предлагаемого способа состоит в следующем.The essence of the proposed method is as follows.

Существующие методы прогнозирования работают наилучшим образом при принятии гипотезы о линейном стационарном процессе. Реальные же процессы часто подвержены влиянию факторов, вносящих нестационарную составляющую. Примером могут являться взрывной процессы в гидрофизике, внезапный дефолт в экономике и т.д. В предлагаемом способе рассматривается возможность расширения использования известных методов прогнозирования на подобные процессы. Для стационарных (аддитивных) процессов используют дискретизацию с постоянным шагом. Для нестационарных процессов предложено применять дискретизацию сигналов с переменным шагом с обязательным обозначением нуля формирования процесса. Примером нестационарного сигнала является сигнал с гиперболической ЧМ (ГЧМ-сигнал), широко известный в радиотехнике [4]. При записи сигнала

Figure 00000014
, где Ω - начальная частота, k - масштабный множитель, характеризующий крутизну модулирующей функции, видно, что мгновенная частота
Figure 00000015
, где ψ - фаза сигнала, стремится к бесконечности при t→0. Поскольку операция сжатия (расширения) не инвариантна относительно операции сдвига во времени, для формирования процедуры экстраполяции процесса требуется информация о начале обрабатываемой реализации. При работе с таким сигналом необходимо найти местоположение нуля, определяющего начало отсчетов.Existing forecasting methods work best when adopting the hypothesis of a linear stationary process. Real processes are often affected by factors that contribute to the non-stationary component. An example would be explosive processes in hydrophysics, sudden default in economics, etc. The proposed method considers the possibility of expanding the use of known forecasting methods for such processes. For stationary (additive) processes, sampling with a constant step is used. For non-stationary processes, it is proposed to apply sampling of signals with a variable step with the obligatory designation of zero process formation. An example of an unsteady signal is a signal with a hyperbolic FM (GFM signal), widely known in radio engineering [4]. When recording a signal
Figure 00000014
, where Ω is the initial frequency, k is the scale factor characterizing the steepness of the modulating function, it can be seen that the instantaneous frequency
Figure 00000015
, where ψ is the phase of the signal, tends to infinity as t → 0. Since the compression (expansion) operation is not invariant with respect to the time shift operation, the formation of the process extrapolation procedure requires information on the beginning of the processed implementation. When working with such a signal, it is necessary to find the location of zero, which determines the origin of the samples.

В предлагаемом способе производятся следующие операции:In the proposed method, the following operations are performed:

Выполняется временное сжатие прогнозируемого процесса, необходимое для обеспечения обработки сигнала в реальном масштабе времени [5]. При этом на каждом шаге реализация обновляется на один отсчет. Таким образом, формируется класс реализаций, отличающихся друг от друга сдвигами на один отсчет. Для формирования класса дискретных выборок каждая реализация подвергается операции логарифмирования и дискретизации.Temporal compression of the predicted process is performed, which is necessary to ensure signal processing in real time [5]. At the same time, at each step, the implementation is updated by one count. Thus, a class of implementations is formed that differ from each other by shifts by one reference. To form a class of discrete samples, each implementation is subjected to a logarithm and discretization operation.

Реализации сигнала подвергают передискретизации в логарифмическом масштабе времени t→lnt. Поскольку исходный процесс поступает с постоянным шагом, вначале восстанавливают дискретный процесс, что решается процедурой интерполяции. При нестационарной передискретизации полагают, что нуль реализации известен. Пусть задан процесс в дискретном виде через единичный интервал дискретизации на интервале длиной М-1, что соответствует М-отсчетам. Полагаем также, что m пробегает значения m∈(0…M-1). При логарифмическом масштабировании сигнала с шагом q имеем:The signal realizations are oversampling on a logarithmic time scale t → lnt. Since the initial process arrives with a constant step, the discrete process is first restored, which is solved by the interpolation procedure. In non-stationary oversampling, it is assumed that implementation zero is known. Let a process be given in a discrete form through a unit sampling interval on an interval of length M-1, which corresponds to M-samples. We also assume that m runs over the values m∈ (0 ... M-1). With the logarithmic scaling of the signal with step q, we have:

Figure 00000016
,
Figure 00000017
.
Figure 00000016
,
Figure 00000017
.

Отсюда следует

Figure 00000018
. Процедуру интерполяции следует начинать с последнего отсчета реализации сигнала, рассматривая его значение как последний отсчет интерполированного процесса. При указанном подходе к интерполяции полностью сохраняется информация, содержащаяся в сигнале. Видно, что для проведения логарифмической дискретизации интервала N-1 требуется бесконечное число отсчетов. Поэтому ограничимся дискретизацией только части интервала, формируемого конечной суммой геометрической прогрессии
Figure 00000019
. Начало для узлов интерполяции k∈(0…K-1) определяется значением:this implies
Figure 00000018
. The interpolation procedure should begin with the last count of the implementation of the signal, considering its value as the last count of the interpolated process. With this approach to interpolation, the information contained in the signal is completely stored. It can be seen that for the logarithmic sampling of the N-1 interval, an infinite number of samples is required. Therefore, we restrict ourselves to discretizing only part of the interval formed by the finite sum of the geometric progression
Figure 00000019
. The beginning for the interpolation nodes k∈ (0 ... K-1) is determined by the value:

Figure 00000020
.
Figure 00000020
.

Для проверки видно, что при K→∞ t0→0. При использовании стандартной процедуры интерполяции необходимо задать значения узлов интерполяции слева направо. Если провести инверсию номеров отсчетов по закону k∈(0…K-1):k1=K-1-k, то узлы интерполяции задаются значениями:

Figure 00000021
To verify, we see that as K → ∞ t 0 → 0. When using the standard interpolation procedure, you must specify the values of the interpolation nodes from left to right. If we carry out the inversion of reference numbers according to the law k∈ (0 ... K-1): k 1 = K-1-k, then the interpolation nodes are set by the values:
Figure 00000021

После передискретизации процессов для каждой реализации sn(t) формируется спектральная функция Sn(f,T):After resampling the processes for each implementation s n (t), the spectral function S n (f, T) is formed:

Figure 00000022
.
Figure 00000022
.

Далее формируют энергетический спектр:

Figure 00000023
.Then form the energy spectrum:
Figure 00000023
.

Для определения начала реализации предлагается следующая процедура. В качестве критерия выбора реализации предлагается использовать энтропию (информацию Кульбака) [6]:To determine the start of implementation, the following procedure is proposed. It is proposed to use entropy (Kullback information) as a criterion for choosing an implementation [6]:

Figure 00000024
,
Figure 00000024
,

где

Figure 00000025
- нормированный энергетический спектр выборки,
Figure 00000026
, rss(n) - корреляционная функция процесса.Where
Figure 00000025
- normalized energy spectrum of the sample,
Figure 00000026
, r ss (n) is the correlation function of the process.

Эвристическое объяснение выбора такого критерия состоит в том, что он минимизирует случайность или “белизну” процесса.A heuristic explanation for choosing such a criterion is that it minimizes the randomness or “whiteness” of the process.

Далее осуществляется нахождение максимального значения энтропии в соответствии с соотношением (1.1). Данная операция сводится к сравнению откликов с пороговым напряжением. При превышении порога принимается решение, что максимум найден.Next, the maximum value of entropy is found in accordance with relation (1.1). This operation is reduced to comparing responses with a threshold voltage. If the threshold is exceeded, a decision is made that the maximum is found.

Для реализации соответствующей максимальному значению энтропии применяют операцию передискретизации результата прогнозирования в экспоненциальном масштабе времени t→expt. Данное преобразование является обратным к ранее рассмотренному логарифмическому. Отметим, что выполненное ранее масштабирование гиперболического процесса (нестационарного) в логарифмическом масштабе фактически сделало его близким к тональному сигналу. Такой сигнал является, по сути, стационарным и хорошо прогнозируется известными методами. Экспоненциальное преобразование позволило вернуться к исходному гиперболическому процессу.To implement the corresponding maximum value of entropy, the operation of oversampling the prediction result in the exponential time scale t → expt is used. This transformation is the inverse of the previously considered logarithmic. Note that the previously performed scaling of the hyperbolic process (non-stationary) on a logarithmic scale actually made it close to the tonal signal. Such a signal is, in fact, stationary and is well predicted by known methods. The exponential transformation allowed us to return to the original hyperbolic process.

Применение предлагаемого способа позволяет получить более точный прогноз, чем при применении известных процедур.The application of the proposed method allows to obtain a more accurate forecast than when using known procedures.

Для проверки предлагаемых технических решений был проведен статистический эксперимент, в котором была оценена эффективность использования процедур прогнозирующих функций:To verify the proposed technical solutions, a statistical experiment was conducted in which the efficiency of using the procedures of predictive functions was evaluated:

1. Классической процедуры прогнозирования, реализованной в среде MathCad, основанной на гипотезе стационарности входных данных (отсчеты распределены равномерно во времени) и оцениваемой как АРСС прогноза.1. The classical forecasting procedure implemented in the MathCad environment, based on the hypothesis of stationarity of input data (samples are distributed evenly over time) and evaluated as an ARSS forecast.

2. Процедуры, использующей гиперболическую симметрию для реализации процедуры прогнозирования.2. Procedures using hyperbolic symmetry to implement the forecasting procedure.

В проведенном эксперименте была выделена методика оценки эффективности прогнозирования процедур. Искусственно формировались сигнал и шум с заданными значениями характеристик. При данном подходе, зная характеристики сигнала и шума, получали полное описание эффективности указанных процедур. К сожалению, в целом методика носила ограниченное применение, из-за того выбранные процессы являются сформированными из известных моделей.In the experiment, a methodology for assessing the effectiveness of forecasting procedures was highlighted. The signal and noise were artificially formed with the given values of the characteristics. With this approach, knowing the characteristics of the signal and noise, a complete description of the effectiveness of these procedures was obtained. Unfortunately, in general, the technique was of limited use, because of which the selected processes are formed from well-known models.

Оценка ошибки прогнозирования определяется в соответствии с соотношением:The forecast error estimate is determined in accordance with the ratio:

Figure 00000027
,
Figure 00000027
,

где

Figure 00000028
- исходный процесс,
Figure 00000029
- результат прогноза, AA, BB - средние арифметические значения процессов, определяемые по формулам:Where
Figure 00000028
- source process
Figure 00000029
- the result of the forecast, AA, BB - the arithmetic mean values of the processes determined by the formulas:

Figure 00000030
,
Figure 00000031
,
Figure 00000030
,
Figure 00000031
,

Figure 00000032
,
Figure 00000033
- вариации процессов
Figure 00000034
и
Figure 00000035
, определяемые по формулам:
Figure 00000032
,
Figure 00000033
- process variations
Figure 00000034
and
Figure 00000035
defined by the formulas:

Figure 00000036
,
Figure 00000036
,

Figure 00000037
.
Figure 00000037
.

Для ее формирования входной процесс подвергался секционированию на две части, где первая часть процесса рассматривалась как входная выборка, а вторая часть являлась неизвестной, но сформированной будущей частью процесса

Figure 00000038
.For its formation, the input process was partitioned into two parts, where the first part of the process was considered as an input sample, and the second part was an unknown but formed future part of the process
Figure 00000038
.

За счет секционирования с перекрытием на половину размера секции и операции осреднения разности оценок получаем общую осредненную оценку ошибки прогнозирования:Due to sectioning with overlapping by half the size of the section and the operation of averaging the difference of the estimates, we obtain a general averaged estimate of the forecast error:

Figure 00000039
Figure 00000039

где M/2 означает, что имеет место перекрытие на половину длины секций.where M / 2 means that there is an overlap of half the length of the sections.

Оценка (1.2) вычислялась для процедур прогнозирования по первой и второй методике при изменении верхней частоты.The estimate (1.2) was calculated for forecasting procedures according to the first and second methods with a change in the upper frequency.

Из фиг.2. следует что:From figure 2. follows that:

1. С увеличением полосы частот ошибка прогнозирования уменьшается.1. With an increase in the frequency band, the prediction error decreases.

2. На частотах в пределах от нулевой частоты до 0.1 появляется резкое увеличение ошибки прогнозирования.2. At frequencies ranging from zero to 0.1, a sharp increase in prediction error appears.

3. Начиная с частоты в пределах от 0.1 и выше, наблюдается плавное уменьшение ошибки прогнозирования.3. Starting from a frequency in the range of 0.1 and higher, a smooth decrease in prediction error is observed.

Результат оценки осредненной корреляции прогнозирования в зависимости от полосы частот показан на фиг.3.The result of the estimation of the averaged prediction correlation depending on the frequency band is shown in FIG. 3.

Из фиг.3 видно, что:From figure 3 it is seen that:

1. С увеличением полосы частот коэффициент корреляции прогнозирования увеличивается.1. With an increase in the frequency band, the prediction correlation coefficient increases.

2. На частотах до 0.1 наблюдается падение значения коэффициента корреляции прогнозирования до частот в пределах 0.1.2. At frequencies up to 0.1, a drop in the value of the prediction correlation coefficient to frequencies within 0.1 is observed.

3. Начиная с частоты в пределах от 0.1 и выше, наблюдается плавное увеличение значения коэффициента корреляции прогнозирования.3. Starting from a frequency in the range of 0.1 and higher, a smooth increase in the value of the prediction correlation coefficient is observed.

По второй методике выбиралась модель сигнала по фактическим данным. В этом случае эксперимент носил ограниченный характер оценок в части оценки ошибки прогнозирования.According to the second method, a signal model was selected based on actual data. In this case, the experiment had a limited character of estimates in terms of estimating forecast errors.

Рассмотренный подход позволил увеличить объем априорных данных за счет формирования выборки для прогнозирования данных, т.е. на временной плоскости (Δ,t), 0≤Δ≤∞, -∞<t<∞. Расчеты показывают, что предложенные операции позволяют уменьшить ошибку прогноза в среднем на 20%.The considered approach made it possible to increase the volume of a priori data due to the formation of a sample for data prediction, i.e. on the time plane (Δ, t), 0≤Δ≤∞, -∞ <t <∞. Calculations show that the proposed operations can reduce the forecast error by an average of 20%.

Устройство прогнозирования временного ряда сигналаSignal time series prediction device

Устройство, реализующее предлагаемый способ прогнозирования временных рядов, приведено на фиг.1 и содержит в себе следующие блоки:A device that implements the proposed method for predicting time series is shown in figure 1 and contains the following blocks:

- аналого-цифровой преобразователь (АЦП) - 1;- analog-to-digital converter (ADC) - 1;

- блок задержки - 2;- delay unit - 2;

- блок передискретизации - 3;- oversampling unit - 3;

- блок буферной памяти - 4;- block buffer memory - 4;

- блок быстрого преобразования Фурье (БПФ) - 5;- block fast Fourier transform (FFT) - 5;

- блок вычисления квадрата модуля спектра - 6;- unit for calculating the square of the spectrum modulus - 6;

- блок вычисления энтропии - 7;- entropy calculation unit - 7;

- блок нахождения максимума - 8;- block finding the maximum - 8;

- блок прогнозирования - 9;- forecasting unit - 9;

- блок передискретизации - 10;- oversampling unit - 10;

- блок синхронизации - 11.- synchronization block - 11.

В качестве блока задержки 2 можно использовать цифровые линии задержки с рециркуляцией (РЛЗ) [18,5]. Блок быстрого преобразования Фурье (БПФ) 5 предназначен для нахождения спектральной плотности сигнала и широко распространен в цифровой обработке сигналов [7].As delay unit 2, digital delay lines with recirculation (RLS) can be used [18.5]. The Fast Fourier Transform Unit (FFT) 5 is designed to find the spectral density of a signal and is widely used in digital signal processing [7].

Блок нахождения максимума энтропии 8 может быть реализован программно либо в виде порогового блока.The unit for finding the maximum of entropy 8 can be implemented in software or in the form of a threshold block.

В целом устройство функционирует следующим образом. В блоке задержки 2 анализируемая реализация постоянно обновляется на один отсчет на каждом шаге обработки. В блоке передискретизации 3 последовательность преобразуется в логарифмический масштаб времени t→lnt. Текущая реализация сохраняется в блоке буферной памяти 4. Блоки БПФ 5, вычисления квадрата модуля 6 обеспечивают нахождение энергетического спектра реализации для последующего вычисления энтропии в блоке 7 в соответствии с соотношением (1.1). При нахождении максимума энтропии в блоке 8 выдается сигнал в блок буферной памяти 4, который означает, что в нем хранится реализация сигнала с правильно определенным «нулем», определяющим начало отсчета при дискретизации. Выбранная реализация поступает в блок прогнозирования 9. Результат прогноза возвращается в исходный масштаб с помощью блока передискретизации 10, функционирующего по экспоненциальному закону t→expt.In General, the device operates as follows. In the delay block 2, the analyzed implementation is constantly updated by one sample at each processing step. In oversampling unit 3, the sequence is converted to a logarithmic time scale t → lnt. The current implementation is stored in the buffer memory unit 4. FFT blocks 5, calculation of the square of module 6 ensure that the energy spectrum of the implementation is found for subsequent calculation of the entropy in block 7 in accordance with relation (1.1). When the maximum of entropy is found in block 8, a signal is output to the buffer memory block 4, which means that it stores the implementation of the signal with a correctly defined "zero" that determines the reference point during sampling. The selected implementation goes to the prediction block 9. The forecast result is returned to the original scale using the oversampling block 10, which operates according to the exponential law t → expt.

ЛИТЕРАТУРАLITERATURE

1. Бокс-Дженкинс. Анализ временных рядов, с.144-150.1. Boxing Jenkins. Time Series Analysis, p. 144-150.

2. Хеннон Э. Многомерные временные ряды. - М.: «МИР», 1974. - с.145-185.2. Hennon E. Multidimensional time series. - M .: "MIR", 1974. - p.145-185.

3. Бараз В.Р. Корреляционно-регрессионный анализ связи показателей коммерческой деятельности с использованием программы Excel: учебное пособие / В.Р.БАРАЗ. - Екатеринбург: ГОУ ВПО «УГТУ-УПИ», с.41-50.3. Baraz V.R. Correlation and regression analysis of the relationship between indicators of commercial activity using the Excel program: a training manual / V.R. BARAZ. - Yekaterinburg: GOU VPO "USTU-UPI", p.41-50.

4. Рихачек. Сигналы, допустимые с точки зрения доплеровского эффекта. ТИИЭР, т.54, N 6, 1966. - с.39-41.4. Rikhachek. Signals that are acceptable in terms of the Doppler effect. TIIER, t.54, N 6, 1966. - p. 39-41.

5. Э.Оппенгейм. Применение цифровой обработки сигналов. - М.: Мир, 1980. - с.417-418.5. E. Oppenheim. The use of digital signal processing. - M.: Mir, 1980 .-- p. 417-418.

6. С.Кульбак. Теория информации и статистика. - М.: Изд. Наука, 1967. - 408 с.6. S. Kulbak. Information Theory and Statistics. - M.: Publishing. Science, 1967 .-- 408 p.

7. Корнеев В., Кисилев А. Современные микропроцессоры. - М.: Изд. «Нолидж», 1998. - с.136-138.7. Korneev V., Kisilev A. Modern microprocessors. - M.: Publishing. Nolidzh, 1998. - p.136-138.

Claims (2)

1. Способ прогнозирования нестационарных временных рядов, основанный на авторегрессионной модели скользящего среднего с минимальной среднеквадратической ошибкой, отличающийся тем, что дополнительно содержит операции рециркуляции входных данных на один отсчет, передискретизации исходного процесса в логарифмическом масштабе времени, нахождения энергетического спектра полученного сигнала, определения отклика, соответствующего энтропии энергетического спектра выборки, вычисления максимального значения откликов энтропии, нахождения прогноза для реализации, соответствующей максимальному значению энтропии, передискретизации результата прогнозирования в экспоненциальном масштабе времени.1. A method for predicting non-stationary time series based on an autoregressive model of a moving average with a minimum standard error, characterized in that it further comprises operations of recirculating input data by one count, resampling the initial process in a logarithmic time scale, finding the energy spectrum of the received signal, determining the response, the corresponding entropy of the energy spectrum of the sample, calculating the maximum value of the responses of entropy, finding the forecast for the implementation corresponding to the maximum entropy oversampling results in exponential forecasting time. 2. Устройство прогнозирования нестационарных временных рядов, содержащее аналого-цифровой преобразователь, блок синхронизации, соединенный со вторым входом аналого-цифрового преобразователя, первый вход которого является входом устройства, блок прогнозирования, отличающееся тем, что дополнительно содержит блок задержки, первый вход которого соединен с выходом блока синхронизации, второй вход подключен к выходу аналого-цифрового преобразователя, выход соединен со входом блока передискретизации исходного процесса по логарифмическому масштабу времени, выход которого соединен с первым входом буферного блока памяти, соединенного своим первым выходом со входом блока нахождения спектра сигнала, выход последнего является входом блока вычисления квадрата модуля сигнала, выход которого соединен со входом блока нахождения энтропии выборки, выход которого подключен ко входу блока вычисления максимального значения энтропии, выход которого является вторым входом блока буферной памяти, второй выход которого является входом блока прогнозирования, соединенного своим выходом с входом блока передискретизации результата прогнозирования по экспоненциальному закону. 2. A non-stationary time series forecasting device comprising an analog-to-digital converter, a synchronization unit connected to a second input of an analog-to-digital converter, the first input of which is an input of the device, a prediction unit, characterized in that it further comprises a delay unit, the first input of which is connected to the output of the synchronization unit, the second input is connected to the output of the analog-to-digital converter, the output is connected to the input of the oversampling unit of the original process by the logarithmic the time scale, the output of which is connected to the first input of the buffer memory block connected by its first output to the input of the signal spectrum finding unit, the output of the latter is the input of the square unit of the signal module calculation, the output of which is connected to the input of the sample entropy finding unit, the output of which is connected to the input of the block calculating the maximum value of entropy, the output of which is the second input of the buffer memory block, the second output of which is the input of the prediction block connected by its output with the input of the oversampling unit of the prediction result according to the exponential law.
RU2009122419/08A 2009-06-15 2009-06-15 Method and apparatus for predicting nonstationary time series RU2467383C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2009122419/08A RU2467383C2 (en) 2009-06-15 2009-06-15 Method and apparatus for predicting nonstationary time series

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2009122419/08A RU2467383C2 (en) 2009-06-15 2009-06-15 Method and apparatus for predicting nonstationary time series

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2009122419A RU2009122419A (en) 2010-12-20
RU2467383C2 true RU2467383C2 (en) 2012-11-20

Family

ID=44056304

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2009122419/08A RU2467383C2 (en) 2009-06-15 2009-06-15 Method and apparatus for predicting nonstationary time series

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2467383C2 (en)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109767043B (en) * 2019-01-17 2020-11-24 中南大学 Intelligent modeling and prediction method for big data of power load time sequence

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2130195C1 (en) * 1998-04-30 1999-05-10 Московский государственный университет леса Method for prediction of earthquakes
RU2290689C1 (en) * 2005-07-15 2006-12-27 Военная академия связи Device for predicting random events
US7461045B1 (en) * 2003-08-18 2008-12-02 University Of Florida Research Foundation, Inc. Optimization of spatio-temporal pattern processing for seizure warning and prediction

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2130195C1 (en) * 1998-04-30 1999-05-10 Московский государственный университет леса Method for prediction of earthquakes
US7461045B1 (en) * 2003-08-18 2008-12-02 University Of Florida Research Foundation, Inc. Optimization of spatio-temporal pattern processing for seizure warning and prediction
RU2290689C1 (en) * 2005-07-15 2006-12-27 Военная академия связи Device for predicting random events

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Бокс Дж., Дженкинс Г. Анализ временных рядов: прогноз и управление. - М.: МИР, 1974, 403 с. Даджион Д. и Мерсеро Р. Цифровая обработка многомерных сигналов: Пер. с англ. - М.: МИР, 1988, 488 с. *

Also Published As

Publication number Publication date
RU2009122419A (en) 2010-12-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN111222088B (en) Improved method for estimating weighted power harmonic amplitude of flat-top self-convolution window
CN110224394B (en) Fourier decomposition algorithm suitable for extracting characteristics of non-stationary power oscillation signal
CN107209259B (en) Method and apparatus for ranging
US20200072895A1 (en) Method for calculating a reflectogram to analyse faults in a transmission line
CN111912521A (en) Frequency detection method of non-stationary signal and storage medium
US20040189277A1 (en) Method and circuit for real time frequency analysis of a non-stationary signal
CN110907770A (en) Partial discharge pulse feature extraction method and device, computer equipment and medium
JP2015052491A (en) Signal processing apparatus, signal processing method and computer program
RU2467383C2 (en) Method and apparatus for predicting nonstationary time series
US8635044B2 (en) Transient thermal modeling of multisource power devices
US20150338450A1 (en) Method for analyzing a cable by compensating the dispersion effect of a signal when it is propagated within said cable
CN113255137B (en) Target object strain data processing method and device and storage medium
Broersen et al. Generating data with prescribed power spectral density
Schuet Wiring Diagnostics Via $\ell_1 $-Regularized Least Squares
Estrada Vargas et al. A Study of Wavelet Analysis and Data Extraction from Second‐Order Self‐Similar Time Series
RU2541916C1 (en) Method to reduce error of evaluation of useful component under conditions of prior uncertainty and device that implements it
Ardeleanu et al. Fundamental frequency estimation based on mean values
Momit Method of forecasting the condition of radio-electronic situation of multiple systems in the conditions of uncertainty
Wolf et al. Amplitude and frequency estimator for aperiodic multi-frequency noisy vibration signals of a tram gearbox
Song Random signal frequency identification based on AR model spectral estimation
CN113392813B (en) Method and system for accurately identifying main frequency of vibration signal
Lesieutre et al. A system response persistence measure for use in ambient data monitoring
Chu et al. A new regularized TVAR-based algorithm for recursive detection of nonstationarity and its application to speech signals
Sheluhin et al. Detection of anomalies in network traffic using the methods of fractal analysis in real time
Carbone et al. Non-parametric estimation of probability density functions via a simple interpolation filter

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20120820

NF4A Reinstatement of patent

Effective date: 20140520

MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20160616