基于ID3算法和神经网络的海面溢油监测阈值设定方法技术

本发明专利技术公开了一种基于ID3决策树和神经网络的海面溢油监测系统阈值设定方法，主要解决现有技术不能很好地适用于监测环境复杂、探测距离多变的问题。监测系统通过互联网获取被监测海域的天气、潮汐、太阳高度、紫外线这些环境信息；根据设定的时间界限选择使用ID3决策树监测阈值或神经网络监测阈值；将被监测海面的监测数据进行匹配滤波处理并得到一个数据最大值，判断该最大值是否超过监测阈值，若是，则发送警报，若否，则判定海面未发生溢油；工作人员收到警报后，通过实时画面判断是否真正发生溢油，若是，则立即处理，若否，则人工修改阈值，并重新构造ID3决策树或训练神经网络。本发明专利技术提高了监测精度，可用于海面溢油监测。

【技术实现步骤摘要】
基于ID3算法和神经网络的海面溢油监测阈值设定方法
本专利技术属于检测
，尤其涉及一种海面溢油监测阈值设定方法，可用于海洋监测。
技术介绍
海洋石油已经成为我国重要的能源战略资源，对促进我国经济的可持续发展有重要意义。随着海洋石油的开发和海洋交通运输业的不断进步，海上溢油事故接连不断，这不仅使生态系统遭受严重损害，而且对经济也造成了巨大的损失。海洋溢油具有不可预见性和瞬时性等特点，尽管人们针对溢油做了众多准备，如何在第一时间确定溢油的发生仍然是重中之重。我国目前现有的溢油监测技术含量不高，并且不能及时获得准确、可靠的监控数据，很难实时的进行溢油监控，迫切需要一种实时对海面进行有效溢油监测的系统，在事故发生的时候能时报警，以便工作人员做出反应并采取有效措施，将各种损失降到最低。当前对溢油进行监测的主要模式包括卫星和航空飞机遥感监测、巡逻船和浮标跟踪等非定点监测、CCTV及紫外线等定点监测，本方法主要用于定点监测设备，其监测原理是把探测传感器固定安装在被监测水域的码头或桥梁的一个固定物体上进行监测，进行在线24小时的溢油监测，反应快捷灵敏，而且还能在发现溢油时快速报警，同时发送溢油地点和现场图像等重要信息。现有基于地基平台的水面油膜监视与监测设备，多采用紫外诱导油荧光的原理进行溢油监测，采用紫外激光或脉冲氙灯或LED作为激发光源，采用光电探测器进行信号采集，通过对信号强度进行阈值判断判定是否发生溢油。这类仪器在实际使用中通常遇到两类问题：一是由于荧光信号本身较弱，采集的信号信噪比低，影响了仪器的精度和检测门限的设定；二是现有设备往往不能自适应探测距离的变化，当潮汐或外界环境变化导致监测距离发生变化时，监测信号强度会明显改变，从而使先前设定的阈值失效，不能正确的判断是否发生了溢油。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种基于ID3决策树和神经网络的海面溢油监测阈值设定方法，以自适应改变海面溢油监测系统的阈值，提高溢油监测的可靠性。本专利技术的技术思路是：通过构建ID3决策树和训练神经网络来进行阈值的设定，以适应天气、时间、气候、潮汐这些环境的变化，获得在不同环境下的精确阈值，其实现步骤包括如下：(1)海面溢油监测系统从互联网获取被监测海域的天气、潮汐、太阳高度、紫外线强度这些环境信息和当前的时间；(2)根据环境信息构造ID3决策树，得到ID3决策树监测阈值T1；根据天气信息和时间信息训练神经网络得到神经网络监测阈值T2；(3)将被监测海域的溢油数据存入数据库，溢油监测系统读取数据库中的监测数据并进行匹配滤波处理；(4)将对海面溢油的监测分为两个时间段，即将从安装监测系统起三年内作为第一个监测时间段，三年以后作为第二个监测时间段；(5)根据设定的时间段，判定海面是否发生溢油：在第一个监测时间段，将经匹配滤波处理后的数据最大值T与ID3决策树监测阈值T1进行比较：若T>T1，则判定海面发生溢油，触发报警装置，否则，判定海面没有发生溢油；在第二个监测时间段，将经匹配滤波处理后的数据最大值T与神经网络监测阈值T2进行比较：若T>T2，则判定海面发生溢油，触发报警装置，否则，判定海面没有发生溢油；(6)工作人员收到报警信号后，通过监测系统传输模块传送的实时画面判断是否发生溢油：若海面发生溢油，则通知工作人员采取有效措施处理溢油事故；若海面未发生溢油，则人工修改阈值，并返回步骤(2)重新构造ID3决策树或训练神经网络。本专利技术与现有技术相比具有如下优点：1、监测阈值可靠常见的基于紫外光诱导荧光技术方法，通常需要事先设定一个经验阈值，但是荧光信号的强度会随着环境变化而变化，故这种方法虚警率较高；本专利技术根据被监测海域的天气、潮汐、太阳高度、紫外线等实时环境信息作为ID3决策树的特征来构建决策树，得到ID3决策树监测阈值的方法，可以适应环境变化和监测距离变化自适应的修改阈值，得到相对可靠的监测阈值。2、监测阈值精确本专利技术将对海面溢油的监测分为两个时间段，即将从安装监测系统起三年内作为第一个监测时间段，三年以后作为第二个监测时间段。由于第一个监测时间段，采集的海面溢油数据信息比较少，通过环境信息构造ID3决策树可以得到相对可靠的监测阈值；第二个监测时间段由于已经得到了大量的海面溢油数据信息作为训练样本，这时根据被监测海域的天气信息和时间信息训练神经网络，从而可以适应外界环境变化，设置的监测阈值更加精确。附图说明图1是本专利技术的实现流程图；图2是本专利技术中计算太阳高度的子流程图；图3是本专利技术中基于ID3决策树的海面溢油监测系统阈值设定子流程图；图4是本专利技术中基于神经网络的海面溢油监测系统阈值设定子流程图。具体实施方式以下结合附图对本专利技术的实施例作进一步详细描述。本实例针对的系统是海面溢油监测系统，该系统包括激发与探测模块、控制与信号采集处理模块、无线通信模块、声光报警模块和摄像模块五个模块，其中激发与探测模块通过探测设备接收监测区域荧光信号并将其转换成模拟电路信号，获取得到海面的荧光数据；控制与信号采集处理模块用于控制协调整个系统的正常工作，并将前面的激发与探测模块获得的模拟信号转换成数字信号传输给信号处理部分，并对数据做相应处理；无线通信模块用于把收集得到的海面溢油数据通过无线数据传输或电缆的传输模式传送给计算机终端，得到的海面溢油数据作为后期ID3决策树和神经网络监测阈值设定的训练样本，同时也为海面是否发生溢油提供判定依据；声光报警模块,在经匹配滤波处理后的数据最大值超过当前监测阈值时，发出警报通知工作人员；摄像模块通过一个摄像头传送海面的实时画面便于工作人员判定海面是否真的发生溢油。该海面溢油监测系统安装在港口、码头这些重点监测区域，且采用定点监测模式。现有技术通常事先设定一个固定不变的经验阈值，但是荧光信号的强度会随着环境变化而变化，会产生较高的虚警率。本专利技术针对所述海面溢油监测系统提出一种基于ID3决策树和神经网络的海面溢油监测阈值设定方法，以根据被监测海域的天气、潮汐、太阳高度、紫外线等实时环境信息自适应的修改阈值，得到精确可靠的检测阈值，降低虚警率。参照图1，本专利技术的实施步骤如下：步骤1：设定环境变量的参数。设定天气参数：包括雨天、雾天、多云天、晴天四种天气状态，并用数字0、1、2、3分别量化，即用0代表雨天，1代表雾天，2代表多云天，3代表晴天；设定时间参数：包括六个时间段，并用数字4、5、6、7、8、9分别量化，即用4代表0:00-3:00时间段，5代表4:00-7:00时间段，6代表8:00-11:00时间段，7代表12:00-15:00时间段，8代表16:00-19:00时间段，9代表20:00-23:00时间段；设定紫外线强度参数：包括强度较弱、强度弱、强度一般、强度较强、强度强五种强度，并用数字10、11、12、13、14分别量化，即用10代表强度较弱，11代强度表弱，12代表强度一般，13代表强度较强，14代表强度强；设定潮汐参数，包括：涨潮和没有涨潮，并用数字15、16分别量化，即15代表涨潮，16代表没有涨潮；上述天气、时间、紫外线强度、潮汐这些信息从互联网上每隔一个小时获取一次。步骤2：存储溢油数据。使用MySQL软件建立数据库，将串口获取到本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种海面溢油监测系统的阈值设定方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)海面溢油监测系统从互联网获取被监测海域的天气、潮汐、太阳高度、紫外线强度这些环境信息和当前的时间；(2)根据环境信息构造ID3决策树，得到ID3决策树监测阈值T1；根据天气信息和时间信息训练神经网络得到神经网络监测阈值T2；(3)将被监测海域的溢油数据存入数据库，溢油监测系统读取数据库中的监测数据并进行匹配滤波处理；(4)将对海面溢油的监测分为两个时间段，即将从安装监测系统起三年内作为第一个监测时间段，三年以后作为第二个监测时间段；(5)根据设定的时间段，判定海面是否发生溢油：在第一个监测时间段，将经匹配滤波处理后的数据最大值T与ID3决策树监测阈值T1进行比较：若T>T1，则判定海面发生溢油，触发报警装置，否则，判定海面没有发生溢油；在第二个监测时间段，将经匹配滤波处理后的数据最大值T与神经网络监测阈值T2进行比较：若T>T2，则判定海面发生溢油，触发报警装置，否则，判定海面没有发生溢油；(6)工作人员收到报警信号后，通过监测系统传输模块传送的实时画面判断是否发生溢油：若海面发生溢油，则通知工作人员采取有效措施处理溢油事故；若海面未发生溢油，则人工修改阈值，并返回步骤(2)重新构造ID3决策树或训练神经网络。...

【技术特征摘要】
1.一种海面溢油监测系统的阈值设定方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)海面溢油监测系统从互联网获取被监测海域的天气、潮汐、太阳高度、紫外线强度这些环境信息和当前的时间；(2)根据环境信息构造ID3决策树，得到ID3决策树监测阈值T1；根据天气信息和时间信息训练神经网络得到神经网络监测阈值T2；(3)将被监测海域的溢油数据存入数据库，溢油监测系统读取数据库中的监测数据并进行匹配滤波处理；(4)将对海面溢油的监测分为两个时间段，即将从安装监测系统起三年内作为第一个监测时间段，三年以后作为第二个监测时间段；(5)根据设定的时间段，判定海面是否发生溢油：在第一个监测时间段，将经匹配滤波处理后的数据最大值T与ID3决策树监测阈值T1进行比较：若T>T1，则判定海面发生溢油，触发报警装置，否则，判定海面没有发生溢油；在第二个监测时间段，将经匹配滤波处理后的数据最大值T与神经网络监测阈值T2进行比较：若T>T2，则判定海面发生溢油，触发报警装置，否则，判定海面没有发生溢油；(6)工作人员收到报警信号后，通过监测系统传输模块传送的实时画面判断是否发生溢油：若海面发生溢油，则通知工作人员采取有效措施处理溢油事故；若海面未发生溢油，则人工修改阈值，并返回步骤(2)重新构造ID3决策树或训练神经网络。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中被监测海域的天气、潮汐和紫外线强度这些信息，从互联网上每隔一个小时获取一次。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)的太阳高度，通过当前时间和当地地理经纬度计算得到。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中根据环境信息构造ID3决策树，按以下步骤进行：(2a)把天气、潮...

【专利技术属性】
技术研发人员：李林，李晶晶，张果，张文博，臧博，姬红兵，
申请(专利权)人：昆山智易知信息科技有限公司，陕西汇智易知信息科技有限公司，西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32