RU2645273C1 - Method of selecting trend of non-stationary process with adaptation of approximation intervals - Google Patents

Method of selecting trend of non-stationary process with adaptation of approximation intervals Download PDF

Info

Publication number
RU2645273C1
RU2645273C1 RU2016143670A RU2016143670A RU2645273C1 RU 2645273 C1 RU2645273 C1 RU 2645273C1 RU 2016143670 A RU2016143670 A RU 2016143670A RU 2016143670 A RU2016143670 A RU 2016143670A RU 2645273 C1 RU2645273 C1 RU 2645273C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
interval
approximation
width
value
intervals
Prior art date
Application number
RU2016143670A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Светлана Владимировна Суслова
Алексей Григорьевич Якунин
Original Assignee
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова" (АлтГТУ)
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 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова" (АлтГТУ) filed Critical федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова" (АлтГТУ)
Priority to RU2016143670A priority Critical patent/RU2645273C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2645273C1 publication Critical patent/RU2645273C1/en

Links

Classifications

    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06FELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F17/00Digital computing or data processing equipment or methods, specially adapted for specific functions
    • G06F17/10Complex mathematical operations
    • G06F17/17Function evaluation by approximation methods, e.g. inter- or extrapolation, smoothing, least mean square method
    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06FELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F17/00Digital computing or data processing equipment or methods, specially adapted for specific functions
    • G06F17/10Complex mathematical operations
    • G06F17/18Complex mathematical operations for evaluating statistical data, e.g. average values, frequency distributions, probability functions, regression analysis
    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06FELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F17/00Digital computing or data processing equipment or methods, specially adapted for specific functions
    • G06F17/40Data acquisition and logging

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Data Mining & Analysis (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Mathematical Physics (AREA)
  • Computational Mathematics (AREA)
  • Pure & Applied Mathematics (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mathematical Analysis (AREA)
  • Mathematical Optimization (AREA)
  • Databases & Information Systems (AREA)
  • Software Systems (AREA)
  • Algebra (AREA)
  • Operations Research (AREA)
  • Probability & Statistics with Applications (AREA)
  • Evolutionary Biology (AREA)
  • Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
  • Bioinformatics & Computational Biology (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Complex Calculations (AREA)

Abstract

FIELD: physics.
SUBSTANCE: in the method of selecting the trend of the non-stationary process, the intervals of approximation are adapted in such a way that a discrete implementation of the non-stationary process representing the sum of the useful signal and noise, is consistently divided into intervals, each of which approximation is carried out by the least square method, the width of the first interval is selected equal to the portion of the total duration of a single discrete implementation, the approximation in this interval is carried out and, if a discrepancy of approximation exceeds a predetermined value, the approximation is repeated, setting the width of the interval equal to the value in its previous value, for each subsequent interval the width is specified equal to the value in the previous interval, the approximation is carried out and, if a discrepancy of approximation is obtained less than a predetermined value of a set number of consecutive times, the width of the subsequent interval is increased, and if a discrepancy of approximation is obtained greater than a predetermined value, the width of the current interval is selected equal to the part of its existing value and the approximation is repeated, moreover, if the width of the last interval extends beyond a single discrete implementation of the non-stationary process, the width of this interval is limited by the width of the remaining reapproximation interval.
EFFECT: reduction of processing time.
1 cl

Description

Предлагаемое изобретение относится к области вычислительной техники и может быть использовано в системах управления и обработки сигналов, в частности в системах цифровой обработки сигнала, в работе систем управления и контроля, при обработке сигналов в системах автоматического управления, в расчетах при выделении тенденции развития каких-либо показателей и принятии решения об удалении результатов воздействия случайных факторов.The present invention relates to the field of computer technology and can be used in control systems and signal processing, in particular in digital signal processing systems, in the operation of control and monitoring systems, in the processing of signals in automatic control systems, in calculations when highlighting any development trends indicators and deciding on the removal of the effects of random factors.

Пусть имеется временной ряд, который представляет собой последовательность полученных в равностоящие моменты времени t1, t2, …, tn n значений y1, у2, …, yn (где yi=y(ti), i=1, 2…, n) некоторой функции y=y(t), описывающей на интервале времени t1…tn единственную реализацию нестационарного процесса.Let there be a time series, which is a sequence of t 1 , t 2 , ..., t n n values y 1 , y 2 , ..., y n obtained at equidistant times (where y i = y (t i ), i = 1 , 2 ..., n) of some function y = y (t), which describes the only implementation of a non-stationary process on the time interval t 1 ... t n .

Рассматриваемый процесс состоит из аддитивной смеси некоторой систематической составляющей S(t), представляющей собой полезный сигнал, или тренд, и случайной составляющей u(t), представляющей собой шум или помехи: y(t)=S(t)+u(t).The process under consideration consists of an additive mixture of some systematic component S (t), which is a useful signal or trend, and a random component u (t), which is noise or interference: y (t) = S (t) + u (t) .

Относительно случайной составляющей u(t) предполагаем, что математическое ожидание Mu(t)=0, дисперсия Du(t)=σ2 и значения u(t) в разные моменты времени некоррелированы (cov(ut,us)=0, t≠s). Тренд S(t) в общем случае является квазидетерминированным сигналом, который рассматривается как некоторый нестационарный процесс, аналитическое описание которого неизвестно.Regarding the random component u (t), we assume that the mathematical expectation M u (t) = 0, the variance D u (t ) = σ 2, and the values of u (t) at different times are uncorrelated (cov (ut, us) = 0, t ≠ s). The trend S (t) in the general case is a quasi-determined signal, which is considered as some non-stationary process, the analytical description of which is unknown.

Основная задача - выделение полезного сигнала (тренда) в условиях недостаточной априорной информации о статистических свойствах аддитивного шума и о виде функции полезного сигнала при наличии единственной дискретной реализации исследуемого нестационарного процесса. Априорно считается, что на некоторых не слишком малых интервалах времени функция S(t) может быть достаточно точно аппроксимирована полиномом низкой степени.The main task is to highlight a useful signal (trend) in conditions of insufficient a priori information about the statistical properties of additive noise and the form of the useful signal function in the presence of a single discrete implementation of the investigated non-stationary process. It is a priori assumed that at some not too small time intervals the function S (t) can be approximated fairly accurately by a low degree polynomial.

Известен способ выделения тренда, заключающийся в аппроксимации дискретной реализации y1, y2, …, yn исследуемого процесса функцией S'(t) путем использования метода наименьших квадратов, минимизирующего невязку

Figure 00000001
. Здесь S'(t) - простая аппроксимирующая функция, которая на интервале времени [t1; tn] хорошо аппроксимирует полезный сигнал S(t) (Бендат Дж., Пирсол А. Прикладной анализ случайных данных: пер. с англ. – М.: Мир, 1989, стр. 114). Например, для линейной зависимости S'(t)=a+bt параметры a, b определяют из условия минимизации суммы квадратов отклонений элементов ряда y1, y2, …, yn исследуемого процесса от значений полинома S'(t) в соответствующих точках ti, т.е. из условияThere is a method of trend highlighting, which consists in approximating a discrete implementation of y 1 , y 2 , ..., y n of the process under study by the function S '(t) by using the least squares method that minimizes the residual
Figure 00000001
. Here S '(t) is a simple approximating function, which on the time interval [t 1 ; t n ] well approximates the useful signal S (t) (Bendat J., Pirsol A. Applied analysis of random data: transl. from English. - M .: Mir, 1989, p. 114). For example, for the linear dependence S '(t) = a + bt, the parameters a, b are determined from the condition of minimizing the sum of the squares of the deviations of the elements of the series y 1 , y 2 , ..., y n of the process under study from the values of the polynomial S' (t) at the corresponding points t i , i.e. from the condition

Figure 00000002
Figure 00000002

Дифференцируя данное выражение по a и b и приравнивая их к нулю, получают систему линейных уравнений:Differentiating this expression with respect to a and b and equating them to zero, we obtain a system of linear equations:

Figure 00000003
Figure 00000003

Решая полученную систему уравнений, определяют значения коэффициентов аппроксимации:Solving the resulting system of equations, determine the values of the approximation coefficients:

Figure 00000004
Figure 00000004

Недостатком описанного способа является вычислительная сложность выделения полезного сигнала. Это обусловлено тем, что при применении способа к сложным сигналам большой продолжительности, описываемым временным рядом с большим числом членов n, использование простых аппроксимирующих функций невозможно, а применение сложных функций с большим числом параметров, например полиномов высокой степени, резко увеличивает вычислительную сложность. При больших объемах выборки и отсутствии априорной информации о статистических свойствах случайного шума и модели полезного сигнала вместо полиномов высокой степени используют также кусочную аппроксимацию нестационарного процесса простыми функциями на коротких интервалах, но это тоже увеличивает вычислительную сложность способа.The disadvantage of the described method is the computational complexity of the selection of the useful signal. This is due to the fact that when applying the method to complex signals of long duration, described by a time series with a large number of members n, the use of simple approximating functions is impossible, and the use of complex functions with a large number of parameters, for example, high degree polynomials, sharply increases the computational complexity. For large sample sizes and the absence of a priori information on the statistical properties of random noise and the useful signal model, instead of high polynomials, piecewise approximation of the unsteady process by simple functions at short intervals is also used, but this also increases the computational complexity of the method.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является способ выделения тренда путем размножения оценок его единственной исходной реализации (РАЗОЦ) и устройство для его осуществления, заключающийся в том, что единственную дискретную реализацию нестационарного процесса, представляющую сумму полезного сигнала и шума, последовательно разбивают на интервалы, на каждом из которых осуществляют аппроксимацию методом наименьших квадратов. При этом исходную реализацию нестационарного случайного процесса предварительно разбивают на интервалы с помощью генератора случайных чисел, распределенных по равномерному закону, последующую упомянутую аппроксимацию исходной реализации нестационарного случайного процесса производят на каждом из упомянутых интервалов, разбиение на интервалы повторяют заданное число раз, затем последовательно в каждом промежутке разбиения исходной дискретной реализации нестационарного случайного процесса получают оценки тренда полезного сигнала, после чего по методу среднего арифметического усредняют полученные оценки тренда (патент RU №2207622, МПК G06F 17/18, опубл. 2003).Closest to the proposed invention in terms of technical nature and the achieved result (prototype) is a method for highlighting a trend by multiplying estimates of its only initial implementation (Razots) and a device for its implementation, which consists in the fact that the only discrete implementation of a non-stationary process, representing the sum of the useful signal and noise, sequentially divided into intervals, on each of which the least squares approximation is carried out. In this case, the initial implementation of the non-stationary random process is preliminarily divided into intervals using a random number generator distributed according to a uniform law, the subsequent mentioned approximation of the initial implementation of the non-stationary random process is performed on each of the mentioned intervals, the division into intervals is repeated a specified number of times, then sequentially in each interval partitions of the initial discrete implementation of a non-stationary random process receive estimates of the trend of the useful signal and then according to the method of the arithmetic mean averaged received trend estimation (patent RU №2207622, IPC G06F 17/18, publ. 2003).

Недостатком описанного способа является повышенная вычислительная сложность процесса выделения полезного сигнала (тренда), обусловленная тем, что отсутствие адаптации числа и протяженности интервалов разбиения к динамике поведения сигнала приводит к необходимости разбиения реализации сигнала на большое число интервалов, причем процесс разбиения и процедура аппроксимации на каждом из интервалов должна повторяться многократно.The disadvantage of the described method is the increased computational complexity of the process of extracting a useful signal (trend), due to the fact that the lack of adaptation of the number and length of the partitioning intervals to the dynamics of the signal behavior leads to the need to split the implementation of the signal into a large number of intervals, and the partitioning process and the approximation procedure at each of intervals should be repeated multiple times.

Предлагаемым способом решается техническая проблема уменьшения вычислительной сложности процесса выделения тренда.The proposed method solves the technical problem of reducing the computational complexity of the trend highlighting process.

Для достижения технического результата в способе выделения тренда нестационарного процесса с адаптацией интервалов аппроксимации, заключающемся в том, что единственную дискретную реализацию нестационарного процесса, представляющую сумму полезного сигнала и шума, последовательно разбивают на интервалы, на каждом из которых осуществляют аппроксимацию методом наименьших квадратов, ширину первого интервала выбирают равной части от общей продолжительности единственной дискретной реализации, выполняют аппроксимацию данного интервала и, если невязка аппроксимации превышает заданное значение, аппроксимацию повторяют, задавая ширину интервала равной части ее предыдущего значения, для каждого последующего интервала задают ширину, равную значению на предыдущем интервале, выполняют аппроксимацию и, если получают невязку аппроксимации меньше заданного значения установленное число раз подряд, увеличивают ширину последующего интервала, а если получают невязку аппроксимации больше заданного значения, то ширину текущего интервала выбирают равной части ее имеющегося значения и повторяют аппроксимацию, причем если ширина последнего интервала выходит за пределы единственной дискретной реализации нестационарного процесса, то ширину этого интервала ограничивают шириной оставшегося неаппроксимированного интервала.To achieve a technical result in a method for identifying a trend in a non-stationary process with the adaptation of approximation intervals, which consists in the fact that the only discrete implementation of the non-stationary process, representing the sum of the useful signal and noise, is successively divided into intervals, on each of which the least squares approximation is performed, the width of the first interval, choose an equal part of the total duration of a single discrete implementation, approximate this interval and if the approximation discrepancy exceeds a predetermined value, the approximation is repeated by setting the interval width to an equal part of its previous value, for each subsequent interval the width equal to the value in the previous interval is set, the approximation is performed, and if the approximation discrepancy is less than the specified value, the set number of times in a row is obtained, increase the width of the subsequent interval, and if the residual of approximation is greater than the specified value, then the width of the current interval is chosen equal to part of its existing value variations and repeat the approximation, and if the width of the last interval goes beyond the limits of the only discrete implementation of the non-stationary process, then the width of this interval is limited by the width of the remaining unapproximated interval.

Уменьшение вычислительной сложности процесса выделения полезного сигнала (тренда) вследствие сокращения или исключения многократного повторения аппроксимации исходной реализации заданным полиномом на всех интервалах и использованием на участках с различной шириной спектра интервалы с близкой к оптимальной протяженностью достигается за счет того, что ширину первого интервала выбирают равной части от общей продолжительности единственной дискретной реализации, выполняют аппроксимацию данного интервала и, если невязка аппроксимации превышает заданное значение, аппроксимацию повторяют, задавая ширину интервала равной части ее предыдущего значения, для каждого последующего интервала задают ширину, равную значению на предыдущем интервале, выполняют аппроксимацию и, если получают невязку аппроксимации меньше заданного значения установленное число раз подряд, увеличивают ширину последующего интервала, а если получают невязку аппроксимации больше заданного значения, то ширину текущего интервала выбирают равной части ее имеющегося значения и повторяют аппроксимацию, причем если ширина последнего интервала выходит за пределы единственной дискретной реализации нестационарного процесса, то ширину этого интервала ограничивают шириной оставшегося неаппроксимированного интервала.Reducing the computational complexity of the process of extracting a useful signal (trend) due to the reduction or exclusion of repeated repetition of the approximation of the initial implementation by a given polynomial at all intervals and using intervals with a close to optimal length in areas with different spectral widths is achieved due to the fact that the width of the first interval is chosen equal to of the total duration of a single discrete implementation, approximate this interval and, if the residual approximation exceeds the specified value, the approximation is repeated, setting the interval width to an equal part of its previous value, for each subsequent interval, set the width equal to the value in the previous interval, perform the approximation, and if the approximation discrepancy is less than the specified value, the set number of times in a row is increased, the width of the subsequent interval is increased, and if an approximation residual greater than a given value is obtained, then the width of the current interval is chosen equal to a part of its existing value and the approximation is repeated w, wherein if the width of the last interval beyond a single discrete implementation nonstationary process, the width of the slot width to limit remaining neapproksimirovannogo interval.

Предлагаемый способ выделения тренда нестационарного процесса с адаптацией интервалов аппроксимации осуществляется следующим образом.The proposed method for identifying the trend of a non-stationary process with the adaptation of the approximation intervals is as follows.

Изначально имеется наличие единственной дискретной реализации исследуемого нестационарного процесса y1, y2, …, yn, где yi=y(ti), i=1, 2, …, n, представляющего сумму полезного сигнала (тренда) и шума, т.е. y(t)=S(t)+u(t). Априорная информация об исследуемом процессе заключается в том, что на некоторых интервалах Δj⊂[t1, tn] полезный сигнал (тренд) достаточно точно описывается полиномом, где Δj=[tj-1, tj], j⊂[1, n]. Для описания способа считают, что степень полинома равна единице, т.е. S(t)=a+bt, хотя в общем случае это может быть самая произвольная функция.Initially, there is a unique discrete implementation of the investigated non-stationary process y 1 , y 2 , ..., y n , where y i = y (t i ), i = 1, 2, ..., n, representing the sum of the useful signal (trend) and noise, those. y (t) = S (t) + u (t). A priori information about the process under study is that at some intervals Δ j ⊂ [t 1 , t n ] the useful signal (trend) is described quite accurately by the polynomial, where Δ j = [t j-1 , t j ], j⊂ [ 1, n]. To describe the method, it is believed that the degree of the polynomial is equal to unity, i.e. S (t) = a + bt, although in the general case this may be the most arbitrary function.

Рассматриваемый способ содержит следующие шаги:The method under consideration contains the following steps:

Шаг 0:Step 0:

Определяют число входящих в первый аппроксимируемый интервал членов ряда m=int(n*k0), где функция int возвращает целое значение от аргумента, а коэффициент k0, лежащий на интервале (0, 1), определяют из динамических свойств исходного сигнала, например из ширины спектра исходного сигнала fmax: чем шире спектр, тем меньше величина k0 и в соответствии с теоремой Найквиста k0=(tn-t1)/[2fmax]. Если сведения об fmax отсутствуют, то полагаем k0=0,5.The number of members of the series m = int (n * k 0 ) included in the first approximated interval is determined, where the int function returns an integer value from the argument, and the coefficient k 0 lying on the interval (0, 1) is determined from the dynamic properties of the original signal, for example from the width of the spectrum of the original signal f max : the wider the spectrum, the smaller the value of k 0 and, in accordance with the Nyquist theorem, k 0 = (t n -t 1 ) / [2f max ]. If there is no information about f max , then we set k 0 = 0.5.

Если m=n, то берут k0=k0*k0 и повторяют шаг 0.If m = n, then take k 0 = k 0 * k 0 and repeat step 0.

Задают величину невязки ε, определяющую требуемую точность соответствия выделенного тренда имеющейся дискретной реализации. Очевидно, ее значение не должно быть меньше среднеквадратического отклонения шумовой составляющей u(t).The value of the residual ε is determined, which determines the required accuracy of the correspondence of the selected trend to the available discrete implementation. Obviously, its value should not be less than the standard deviation of the noise component u (t).

Шаг 1:Step 1:

Запоминают первый отрезок исходного ряда {yi}, где i=1, …m;Remember the first segment of the original series {y i }, where i = 1, ... m;

Методом наименьших квадратов осуществляют аппроксимацию элементов ряда y1, y2, …, ym полиномом первой степени: S1(t)=a1+b1t.The least squares method approximates the elements of the series y 1 , y 2 , ..., y m by a polynomial of the first degree: S 1 (t) = a 1 + b 1 t.

Коэффициенты a1, b1 аппроксимирующего полинома S1(t)=a1+b1t определяют из условия минимизации суммы квадратов отклонений элементов ряда y1, y2, …, ym от значений полинома S1(t) в соответствующих точках, т.е. из условияThe coefficients a 1 , b 1 of the approximating polynomial S 1 (t) = a 1 + b 1 t are determined from the condition of minimizing the sum of squares of deviations of the elements of the series y 1 , y 2 , ..., y m from the values of the polynomial S 1 (t) at the corresponding points , i.e. from the condition

Figure 00000005
Figure 00000005

Для нахождения соответствующих данному условию значений коэффициентов a1, b1 используют формулыTo find the values of the coefficients a 1 , b 1 corresponding to this condition, use the formulas

Figure 00000006
Figure 00000006

Находят невязку ε1 аппроксимирующей функции S1(ti) на первом интервале ряда {yi}, где i=1, …, m, по формуле

Figure 00000007
. Если невязка ε1>ε, то задают m=int(m*k1) и повторяют шаг 1 для нового значения m, где величину k1 выбирают из соображений скорости адаптации ширины интервала аппроксимации к характеру изменения динамики полезного сигнала (оптимально, если k1 лежит в пределах от 0,5 до 0,8). Если невязка ε1≤ε, то фиксируют индекс последнего члена рассмотренного ряда r=m, задают число аппроксимаций без повторного пересчета p=0, номер следующего интервала j=2 и переходят к шагу 2.The residual ε 1 of the approximating function S 1 (t i ) is found on the first interval of the series {y i }, where i = 1, ..., m, by the formula
Figure 00000007
. If the discrepancy ε 1 > ε, then set m = int (m * k 1 ) and repeat step 1 for the new value of m, where the value of k 1 is chosen from considerations of the rate of adaptation of the width of the approximation interval to the nature of the dynamics of the useful signal (optimally, if k 1 lies in the range from 0.5 to 0.8). If the discrepancy ε 1 ≤ ε, then we fix the index of the last member of the considered series r = m, set the number of approximations without recounting p = 0, the number of the next interval j = 2, and go to step 2.

Шаг 2:Step 2:

Если на очередном шаге окажется, что m+r>n, то задают m=n-r и рассматривают очередные m членов ряда {yi}, где i=r+1, r+2, …, r+m, r - индекс, заданный на предыдущем шаге. Методом наименьших квадратов аппроксимируют элементы ряда yr+1, yr+2, …, yr+m полиномом первой степени: Sj(t)=aj+bjt.If at the next step it turns out that m + r> n, then m = nr is set and the next m members of the series {y i } are considered, where i = r + 1, r + 2, ..., r + m, r is the index, set in the previous step. The elements of the series y r + 1 , y r + 2 , ..., y r + m are approximated by the least squares method by a polynomial of the first degree: S j (t) = a j + b j t.

Из условия минимума суммы квадратов отклонений

Figure 00000008
находят коэффициенты aj, bj аппроксимирующего полинома j-го интервала, дополнительно используя условие, необходимое для непрерывности ломаной аппроксимирующей функции Sj(tr)=Sj-1(tr), откуда следует aj=aj-1+(bj-1-bj)tr. Находят невязку εj аппроксимирующей функции Sj(ti) на отрезке ряда {yi}, где i=r+1, …, r+m, по формуле
Figure 00000009
. Если невязка εj>ε, то полагают p=0, задают m=int(m*k1) и повторяют шаг 2 с r+1 новым значением m. Если невязка εj≤ε, то сохраняют значения aj, bj, фиксируют индекс последнего члена рассмотренного ряда r=r+m, подсчитывают число "удачных", не требующих повторного пересчета из-за невыполнения условия εj≤ε аппроксимаций p=p+1, и, если p превышает заданное число, например 3, полагают p=0 и увеличивают ширину последующего аппроксимируемого интервала m по формуле m=int(m*k2), где величину k2 выбирают из тех же соображений, что и k1 (оптимально, если k2 лежит в пределах от 1.2 до 2.0, или, например, k2=1/k1). Задают r=r+m и, если r<n, инкрементируют номер интервала j=j+1 и переходят к началу шага 2.From the condition of minimum sum of squared deviations
Figure 00000008
find the coefficients a j , b j of the approximating polynomial of the jth interval, additionally using the condition necessary for the continuity of the broken approximating function S j (t r ) = S j-1 (t r ), which implies a j = a j-1 + (b j-1 -b j ) t r . Find the residual ε j of the approximating function S j (t i ) on the segment of the series {y i }, where i = r + 1, ..., r + m, by the formula
Figure 00000009
. If the discrepancy ε j > ε, then put p = 0, set m = int (m * k 1 ) and repeat step 2 with r + 1 the new value m. If the discrepancy is ε j ≤ ε, then the values of a j , b j are stored, the index of the last member of the considered series is fixed r = r + m, the number of “successful” ones that do not require recounting due to the non-fulfillment of the condition ε j ≤ ε of approximations p = p + 1, and if p exceeds a given number, for example 3, put p = 0 and increase the width of the next approximated interval m according to the formula m = int (m * k 2 ), where the value of k 2 is chosen from the same considerations as k 1 (optimally, if k 2 lies in the range from 1.2 to 2.0, or, for example, k 2 = 1 / k 1 ). Set r = r + m and, if r <n, increment the interval number j = j + 1 and go to the beginning of step 2.

Если функция полезного сигнала (тренда) достаточно точно описывается полиномом заданной степени на некотором интервале и динамические свойства полезного сигнала (тренда) не изменяются на протяжении всей дискретной реализации исследуемого нестационарного процесса, то ширина всех интервалов будет равна ширине, выбранной на первом шаге. Следовательно, вычислительная сложность реализации способа уменьшается, так как существенно сокращается число повторного выполнения процедуры аппроксимации методом наименьших квадратов. Кроме того, способ обладает свойством адаптивности, благодаря которому протяженность и число интервалов оптимизируют, когда динамика изменения полезного сигнала (тренда) на очередном шаге отличается от его динамических свойств на предыдущем шаге. Это также способствует уменьшению вычислительной сложности реализации способа, т.к. протяженность интервалов выбирают максимально возможной, а значит, и общее число выполнения аппроксимаций будет минимальным. Например, предположим, что исходная дискретная реализация содержит два участка, из которых один занимает 10% ее протяженности и имеет частотный спектр, верхняя граница которого в 10 раз превышает аналогичную границу на другом участке. Положим, что для хорошего восстановления тренда достаточно каждый из таких участков разбивать на 5 интервалов. Тогда, при применении описанного способа потребуется всего 5+5=10 интервалов разбиения исходной дискретной реализации. Если считать, что на адаптацию протяженности интервала потребуется повторять аппроксимацию, например, 5 раз на первом интервале и 5 раз при переходе на другой участок (число повторов равно отношению логарифма отношения максимальных частот на участке к логарифму коэффициентов k1 или k2), то общее число аппроксимаций окажется равным 20. Поскольку местонахождение участка с расширенным частотным спектром заранее неизвестно, то в способе прототипа временной отрезок разбивают на 50 интервалов, исходя из протяженности высокочастотного участка. Если при этом число повторных разбиений на участки, а значит, и повторных аппроксимаций задать равным 10 для получения приемлемого усреднения, то общее число аппроксимаций составит 500, то есть окажется в 25 раз больше, чем в предлагаемом способе.If the function of the useful signal (trend) is rather accurately described by a polynomial of a given degree on a certain interval and the dynamic properties of the useful signal (trend) do not change throughout the entire discrete implementation of the investigated non-stationary process, then the width of all intervals will be equal to the width selected in the first step. Therefore, the computational complexity of the method implementation is reduced, since the number of repeated least-squares approximation procedures is significantly reduced. In addition, the method has the adaptability property, due to which the length and number of intervals optimize when the dynamics of the change in the useful signal (trend) at the next step differs from its dynamic properties at the previous step. This also helps to reduce the computational complexity of the implementation of the method, because the length of the intervals is chosen as high as possible, which means that the total number of approximations will be minimal. For example, suppose that the original discrete implementation contains two sections, of which one occupies 10% of its length and has a frequency spectrum, the upper boundary of which is 10 times that of the other boundary. Suppose that for a good recovery of the trend, it is enough to divide each of these sections into 5 intervals. Then, when applying the described method, it will take only 5 + 5 = 10 partition intervals of the original discrete implementation. If we assume that the adaptation of the length of the interval requires repeating the approximation, for example, 5 times in the first interval and 5 times when moving to another section (the number of repetitions is equal to the ratio of the logarithm of the ratio of the maximum frequencies in the section to the logarithm of the coefficients k 1 or k 2 ), then the total the number of approximations will be equal to 20. Since the location of the extended frequency spectrum section is not known in advance, in the prototype method the time interval is divided into 50 intervals, based on the length of the high-frequency section. If at the same time the number of repeated partitions into sections, and hence the repeated approximations, is set equal to 10 to obtain an acceptable averaging, then the total number of approximations will be 500, i.e., it will be 25 times more than in the proposed method.

Кроме того, информацию о тренде в предлагаемом способе можно хранить в виде набора значений коэффициентов на каждом из интервалов разбиения, что многократно меньше числа членов последовательности yi на этих интервалах, тогда как в способе прототипа такой возможности нет.In addition, trend information in the proposed method can be stored in the form of a set of coefficient values at each of the partition intervals, which is many times less than the number of members of the sequence y i at these intervals, while the prototype method does not have such a possibility.

Таким образом, использование предлагаемого способа выделения тренда нестационарного процесса с адаптацией интервалов аппроксимации приводит к уменьшению вычислительной сложности процесса выделения тренда.Thus, the use of the proposed method for highlighting the trend of a non-stationary process with the adaptation of the approximation intervals leads to a decrease in the computational complexity of the trend highlighting process.

Claims (1)

Способ выделения тренда нестационарного процесса с адаптацией интервалов аппроксимации, заключающийся в том, что единственную дискретную реализацию нестационарного процесса, представляющую сумму полезного сигнала и шума, последовательно разбивают на интервалы, на каждом из которых осуществляют аппроксимацию методом наименьших квадратов, отличающийся тем, что ширину первого интервала выбирают равной части от общей продолжительности единственной дискретной реализации, выполняют аппроксимацию данного интервала и, если несоответствие аппроксимации превышает заданное значение, аппроксимацию повторяют, задавая ширину интервала равной части ее предыдущего значения, для каждого последующего интервала задают ширину, равную значению на предыдущем интервале, выполняют аппроксимацию и, если получают несоответствие аппроксимации меньше заданного значения установленное число раз подряд, то увеличивают ширину последующего интервала, а если получают несоответствие аппроксимации больше заданного значения, ширину текущего интервала выбирают равной части ее имеющегося значения и повторяют аппроксимацию, причем если ширина последнего интервала выходит за пределы единственной дискретной реализации нестационарного процесса, то ширину этого интервала ограничивают шириной оставшегося неаппроксимированного интервала.A method for identifying a trend in a non-stationary process with adaptation of the approximation intervals, namely, that the only discrete implementation of the non-stationary process, representing the sum of the useful signal and noise, is successively divided into intervals, on each of which the least squares approximation is carried out, characterized in that the width of the first interval choose an equal part of the total duration of a single discrete implementation, approximate this interval, and if the discrepancy e the approximation exceeds a predetermined value, the approximation is repeated, setting the width of the interval equal to part of its previous value, for each subsequent interval, set the width equal to the value in the previous interval, perform the approximation, and if approximation mismatch is less than the specified value a specified number of times in a row, then increase the width of the subsequent interval, and if an approximation mismatch is greater than a given value, the width of the current interval is chosen equal to a part of its existing value cheniya and repeated approximation, and if the width of the last interval beyond a single discrete implementation nonstationary process, the width of the slot width to limit remaining neapproksimirovannogo interval.
RU2016143670A 2016-11-07 2016-11-07 Method of selecting trend of non-stationary process with adaptation of approximation intervals RU2645273C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016143670A RU2645273C1 (en) 2016-11-07 2016-11-07 Method of selecting trend of non-stationary process with adaptation of approximation intervals

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016143670A RU2645273C1 (en) 2016-11-07 2016-11-07 Method of selecting trend of non-stationary process with adaptation of approximation intervals

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2645273C1 true RU2645273C1 (en) 2018-02-19

Family

ID=61226790

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2016143670A RU2645273C1 (en) 2016-11-07 2016-11-07 Method of selecting trend of non-stationary process with adaptation of approximation intervals

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2645273C1 (en)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20030120808A1 (en) * 2001-12-24 2003-06-26 Joseph Ingino Receiver multi-protocol interface and applications thereof
RU2207622C2 (en) * 2000-10-30 2003-06-27 Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса Method and device for trend separation by multiplying estimates for its single original implementation
US20040181370A1 (en) * 2003-03-10 2004-09-16 International Business Machines Corporation Methods and apparatus for performing adaptive and robust prediction
US20070055508A1 (en) * 2005-09-03 2007-03-08 Gn Resound A/S Method and apparatus for improved estimation of non-stationary noise for speech enhancement
RU2517322C1 (en) * 2013-05-21 2014-05-27 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Казанский государственный энергетический университет" (ФГБОУ ВПО "КГЭУ") Adaptive digital predicting and differentiating device
RU2541919C1 (en) * 2013-08-05 2015-02-20 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ФГБОУ ВПО "ЮРГУЭС") Method to increase accuracy of approximation during extraction of useful signal under conditions of prior uncertainty and device that implements it

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2207622C2 (en) * 2000-10-30 2003-06-27 Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса Method and device for trend separation by multiplying estimates for its single original implementation
US20030120808A1 (en) * 2001-12-24 2003-06-26 Joseph Ingino Receiver multi-protocol interface and applications thereof
US20040181370A1 (en) * 2003-03-10 2004-09-16 International Business Machines Corporation Methods and apparatus for performing adaptive and robust prediction
US20070055508A1 (en) * 2005-09-03 2007-03-08 Gn Resound A/S Method and apparatus for improved estimation of non-stationary noise for speech enhancement
RU2517322C1 (en) * 2013-05-21 2014-05-27 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Казанский государственный энергетический университет" (ФГБОУ ВПО "КГЭУ") Adaptive digital predicting and differentiating device
RU2541919C1 (en) * 2013-08-05 2015-02-20 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ФГБОУ ВПО "ЮРГУЭС") Method to increase accuracy of approximation during extraction of useful signal under conditions of prior uncertainty and device that implements it

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11748595B2 (en) Convolution acceleration operation method and apparatus, storage medium and terminal device
US6772185B1 (en) Time-series predicting method using wavelet number series and device thereof
Zhang Time series: Autoregressive models ar, ma, arma, arima
RU2645273C1 (en) Method of selecting trend of non-stationary process with adaptation of approximation intervals
Zygarlicki et al. Prony’s method with reduced sampling-numerical aspects
US10418974B2 (en) Apparatus for modifying a sampling rate system including an apparatus for modifying a sampling rate and method for modifying a sampling rate
JP2017198620A (en) Abnormality diagnosis device and abnormality diagnosis method
JPH08278343A (en) Device and method for signal processing
Porshnev et al. On accuracy of periodic discrete finite-length signal reconstruction by means of a Whittaker-Kotelnikov-Shannon interpolation formula
CN110034745B (en) Spread spectrum marginless gating for reducing time-domain gating edge errors
Janjarasjitt Computational validation of fractal characterization by using the wavelet-based fractal analysis
JP7151561B2 (en) Pulse train signal period estimation device, pulse train signal period estimation method, and pulse train signal period estimation program
RU2231118C1 (en) Method for identifying radio signals
KR101850103B1 (en) Device and method for calculating warping path using improved dynamic time warping algorithm
DE102007043927B4 (en) Method and apparatus for asynchronously sampling continuous, substantially sinusoidal signals
CN113433513B (en) Radar pulse signal channel detection method
Sabri Cyclic sparse greedy deconvolution
CN114118155B (en) Rocket landing impact signal processing method and device and computer equipment
CN113687193B (en) Radio interference time domain rule statistics method, device, equipment and storage medium
CN118300925A (en) Time domain measurement method, device, server and storage medium
US20210117793A1 (en) Data processing system and data processing method
EP2684073A1 (en) Radio frequency digital receiver system and method
Grimaldi et al. Multivariate linear parametric models applied to daily rainfall time series
KR101838408B1 (en) Method and apparatus for processing audio signal
RU2541919C1 (en) Method to increase accuracy of approximation during extraction of useful signal under conditions of prior uncertainty and device that implements it

Legal Events

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

Effective date: 20181108