过滤被测量对象的测量值的过滤方法及该过滤方法的使用技术

本发明专利技术涉及过滤被测量对象的测量值的过滤方法及该过滤方法的使用。该过滤方法包括以下步骤：基于包括测量值(mv)的所记录的数据(D)，通过以下操作对过滤器(13)进行参数化：将过滤器(13)的过滤强度(S)设置为初始过滤强度(S1)，过滤测量值(mv)并且确定过滤值(fv1)的分形维数(d1)，并且通过以下操作迭代地重复该过程：增加过滤强度(S)，过滤测量值(mv)并且确定过滤值(fv

【技术实现步骤摘要】
过滤被测量对象的测量值的过滤方法及该过滤方法的使用


[0001]本专利技术涉及过滤被测量对象的测量值的过滤方法，特别是计算机实现的过滤方法，在确定和提供被测量对象的测量结果的方法中使用该过滤方法的方法，以及执行该方法的测量设备和测量系统，该方法包括以下步骤：
[0002]借助于测量设备重复地或连续地确定和提供被测量对象的测量值，
[0003]通过执行过滤方法来过滤测量值，以及
[0004]作为或基于通过执行过滤方法确定的过滤结果来确定和提供被测量对象的测量结果。

技术介绍

[0005]在许多不同的应用中使用过滤各种不同类型被测量对象的测量值的时间序列的过滤方法以去除测量值中包括的噪声，和/或例如作为或基于测量值与测量值的过滤值之间的残差来确定噪声的属性。
[0006]例如，测量特定应用中感兴趣的被测量对象的测量设备被用于各种不同的应用中，该应用包括工业应用以及实验室应用。由特定应用中使用的测量设备确定和提供的被测量对象的测量值通常被用于监测、调节和/或控制被测量对象、工厂或设施的操作(例如，生产设施)和/或在应用处执行的过程(例如，生产过程)的至少一个步骤。例如，在化学生产过程中，能够监测生产过程中使用的反应物浓度和/或过程产生的前产物、中间产物和/或离析物中包含的分析物的浓度，并且能够基于被测量对象的测量值来安排、调节和/或控制生产过程的一系列过程步骤。例如，测量诸如pH值、游离氯浓度和/或介质浊度的被测量对象的液体分析测量设备例如在游泳池、饮用水供应网络和净水厂中使用以监测、调节和/或控制水质。
[0007]取决于具体应用，生产过程的效率和/或生产率、所生产产品的产品质量、设施、工厂和/或实验室的运行安全和/或饮用水的质量可能取决于测量精度和测量值的可靠性。
[0008]不幸的是，被测量对象的测量值(诸如由测量设备确定(例如测量)的测量值)不仅包括与被测量对象的量化对应的主成分，还包括叠加在主成分上的噪声。这种噪声会损坏测量值的可靠性和准确性，这又可能对任何监测、调节、控制和/或至少一项基于测量值执行的其他任务产生负面影响。
[0009]这个问题能够通过借助于能够消除至少一些噪声的过滤器对测量值进行过滤来克服。可用于此目的的过滤器示例包括平滑过滤器、移动平均过滤器、Savitzky
‑
Golay过滤器和小波分解过滤器。这些过滤器已在使用中得到证明。然而，缺点是这些过滤器在它们能够投入运行之前需要参数化。
[0010]取决于过滤器的类型，参数化例如包括为过滤器的每个过滤器参数确定最佳设置或值并且对应地调整过滤器的过滤器设置。借助于参数化来确定过滤器的过滤强度。当所使用的过滤强度太低时，过滤器过于粗糙而无法去除所有噪声。因此，在这种情况下，过滤值仍然包括大量噪声。另一方面，当过滤器过滤强度过大时，不仅会消除噪声，还会消除主
成分的贡献。在这种情况下，被测量对象的在时间上的快速变化可能不再反映在过滤值中。
[0011]作为一个简单的示例，当使用将每个过滤值确定为预定数量的连续确定的测量值的移动平均值的移动平均过滤器时，参数化包括确定用于确定每个过滤值的测量值的数量。当过滤值被确定为仅两个测量值的移动平均值时，过滤强度低，并且因此过滤值可能仍然包括相当数量的噪声。另一方面，当过滤值被确定为极大数量的测量值(例如数百个测量值)的移动平均值时，过滤强度非常高。在这种情况下，测量值的时间序列可能会通过过滤到过滤值不再反映代表被测量对象大小的主成分的时间依赖性的程度而被扁平化。
[0012]因此，过滤器的参数化通常需要对测量值的属性和噪声的属性进行专家分析，然后手动调整过滤器参数。测量值和噪声的属性通常是事先不知道的。这使得参数化成为一个要求高、时间和成本密集的过程，尤其是在使用复杂和/或卷积的过滤方法时。
[0013]如果可以使用更普遍适用的过滤器参数化，可以避免一些这种时间和精力，该参数化例如是至少可以用于过滤由相同类型的测量设备确定的测量值的时间序列而无论其中使用单独测量设备的应用如何、和/或无论它们执行的测量类型如何的参数化。
[0014]不幸的是，包括在由测量设备测量的测量值中的噪声的属性不仅取决于测量设备的属性，例如测量设备执行的测量所固有的测量不确定性，而且取决于被测量对象在特定应用中变化的时间尺度以及测量设备在测量地点暴露的测量条件。例如，在应用(其中，流量在管道内呈现稳定的层流剖面)中由流量计测量的流经管道的介质的流量的测量值中包括的噪声属性可能与应用(其中，流量剖面明显不太稳定)中由同一流量计确定的测量值中包括的噪声的属性非常不同。作为另一个例子，当介质呈现稳定、平坦的表面时，由液位测量设备测量的容器中的介质液位的测量值中包括的噪声的属性可能与当容器内的介质呈现粗糙表面和/或被泡沫覆盖时包括在由同一液位测量设备确定的测量值中的噪声的属性非常不同。
[0015]因此，即使可以确定更普遍适用的过滤器参数化，使用已经被对应地参数化的过滤器来消除叠加于在特定应用中或针对特定应用确定的测量值上的噪声，在大多数情况下比使用基于对测量值的属性的专家分析和在特定应用中或针对特定应用确定的测量值中包括的噪声而被参数化的过滤器效果要差得多。

技术实现思路

[0016]本专利技术的目的是提供一种对被测量对象的测量值进行过滤的过滤方法，特别是一种适用于在确定和提供被测量对象的测量结果的方法使用的过滤方法，其使得能够实现有效的噪声降低，特别是一种过滤方法，其考虑了测量值和噪声的应用特定属性，而不需要专家分析或关于这些属性的先验知识。
[0017]该目的通过过滤被测量对象的测量值的过滤方法实现，该方法包括以下方法步骤：
[0018]记录数据，该数据包括被测量对象的测量值及其确定时间，
[0019]基于所记录的数据中包括的训练数据，通过以下操作对具有可调整的过滤强度的过滤器进行参数化：
[0020]将过滤强度设置为预定的初始过滤强度，
[0021]执行借助于过滤器对训练数据中包括的测量值进行过滤并且确定由过滤器提供
的过滤值的分形维数的过程，以及
[0022]通过将过滤器的过滤强度增加到更高的过滤强度，并且通过随后过滤测量值和确定由具有更高过滤强度的过滤器确定的过滤值的分形维数来迭代重复该过程，直到在过程的每次迭代结束时确定的分形维数的衰减下降到低于预定阈值为止，
[0023]基于与在最后一次迭代中采用的过滤强度相对应的参数化，将过滤器投入运行，
[0024]借助于参数化的过滤器过滤被测量对象的测量值，以及
[0025]提供过滤结果，该过滤结果包括由参数化的过滤器确定的被测量对象的测量值的过滤值和/或测量值与由参数化的过滤器确定的过滤值之间的残差。
[0026]本专利技术提供的优点是，过滤器的参数化以自主的完全数据驱动的方式执行，其既不需要对数据进行专家分析也不需要对测量值的属性和噪声的属性有任何先验知识。
[0027]另一个优点是，在迭代期间本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种过滤被测量对象(m)的测量值(mv)的过滤方法，包括以下方法步骤：记录数据(D)，所述数据包括所述被测量对象(m)的测量值(mv)及其确定时间(t)，基于所记录的数据(D)中包括的训练数据，通过以下操作对具有可调整的过滤强度(S)的过滤器(13)进行参数化：将所述过滤强度(S)设置为预定的初始过滤强度(S1)，执行借助于所述过滤器(13)对包括在所述训练数据中的所述测量值(mv)进行过滤并且确定由所述过滤器(13)提供的过滤值(fv1)的分形维数(d1)的过程，以及通过将所述过滤器(13)的所述过滤强度(S)增加到更高过滤强度(Sn)，并且通过随后过滤所述测量值(mv)和确定由具有所述更高过滤强度(Sn)的所述过滤器(13)确定的过滤值(fv
n
)的分形维数(d
n
)来迭代重复所述过程，直到在所述过程的每次迭代(n)结束时确定的所述分形维数(Δd
n
)的衰减下降到低于预定阈值(Δd
ref
)为止，基于与在最后一次迭代(n)中使用的所述过滤强度(Sn)相对应的参数化将所述过滤器(13)投入运行，借助于参数化的过滤器(13)过滤所述被测量对象(m)的所述测量值(mv)，以及提供过滤结果(FR)，所述过滤结果包括由参数化的过滤器(13)确定的所述被测量对象(m)的所述测量值(mv)的过滤值(fv)和/或所述测量值(mv)与由参数化的过滤器(13)确定的过滤值(fv)之间的残差(Δmv)。2.根据权利要求1所述的过滤方法，其中，所述过滤器(13)是可参数化过滤器、平滑过滤器、滑动窗口过滤器、移动平均过滤器、Savitzky
‑
Golay过滤器、小波分解过滤器、自回归过滤器(AR过滤器)、自回归移动平均过滤器(ARMA过滤器)、自回归积分移动平均过滤器(ARIMA过滤器)、被配置为基于自回归积分移动平均模型(ARIMA模型)来过滤所述测量值(mv)的自回归移动平均过滤器(ARIMA过滤器)、季节性自回归移动平均过滤器(SARIMA过滤器)、网络过滤器、神经网络过滤器、或包括神经网络、循环神经网络、卷积神经网络或长短期记忆(LSTM)的神经网络过滤器。3.根据权利要求1至2所述的过滤方法，其中，所述过滤器(13)被配置为基于参数设置进行操作，所述参数设置是能够以使得所述过滤器(13)的所述过滤强度(S)能够被设置为多个不同的预定过滤强度的方式调整的。4.根据权利要求1至3所述的方法，其中，所述初始过滤强度(S1)：a)基于包括在所述训练数据中的测量值(mv)的数量和/或基于包括在所述训练数据中的所述测量值(mv)的频谱被预先确定，或者b)被设置为默认值。5.根据权利要求1至4所述的过滤方法，其中，所述训练数据是未标记数据和/或包括预定数量的测量值(mv)和/或在初始和/或预定训练时间间隔或任意选择的预定持续时间的时间间隔期间测量的测量值(mv)。6.根据权利要求1至5所述的过滤方法，其中，每次迭代(n)包括以下步骤：a)作为或基于在相应迭代(n)期间确定的过滤值(fv
n
)的分形维数(d
n
)与包括在训练数据中的未过滤测量值(mv)的分形维数(d0)的比率来确定分形维数(Δd
n
)的衰减，或者b)作为或基于在相应迭代(n)期间确定的过滤值(fv
n
)的分形维数(d
n
)与在先前迭代(n
‑
1)期间确定的过滤值(fv
n
‑1)的分形维数(d
n
‑1)的比率来确定分形维数(Δd
n
)的衰减，或
者c)基于先前确定的分形维数(d
i
,d
j
,d
k
,
…
；i,j,k,
…
∈[0，1...，n])中的三个或更多个和/或基于拟合到若干或所有先前确定的分形维数(d
0,
d1,
…
,d
n
)的函数的属性来确定分形维数(Δd
n
)的衰减。7.根据权利要求1至6所述的过滤方法，还包括以下步骤：至少一次、周期性地或重复地更新所述过滤器(13)的所述参数化，以及随后以基于更新的参数化进行操作的所述过滤器(13)来确定和提供所述过滤结果(FR)，其中，每个更新的参数化是通过基于所记录的数据(D)中包括的数据重复所述过滤器(13)的所述参数化的所述确定来确定的，所记录的数据包括所述被测量对象(m)的至少一个测量值(mv)，所述至少一个测量值在所述过滤器(13)的先前参数化已经被确定之后被确定和/或被记录。8.根据权利要求7所述的过滤方法，其中，当确定相应的更新的参数化时，每个更新...

【专利技术属性】
技术研发人员：迪米特里，
申请(专利权)人：恩德莱斯和豪斯集团服务股份公司，
类型：发明
国别省市：