卫星遥感农业监测系统中权重优化的实例修改算法.doc

卫星遥感农业监测系统中权重优化的实例修改算法 第?卷第?期?年?月?宇?航?学?报?卫星遥感农业监测系统中权重优化的实例修改算法臧?晶?李成华?沈阳农业大学工程学院?沈阳?沈阳理工大学信息科学与工程学院?沈阳?沈阳理工大学机械工程学院?沈阳?摘?要?针对播种机设计过程需求获取的复杂性和可用性低等问题?采用遥感等技术动态监测土壤?农作物生长过程中的一些参数?以优化设计需求特征?并以此为基础?提出改进的混合权重实例修改算法?该算法以相似实例检索为前提?以相似实例集中的特征相似度?问题?解特征间的关联度?问题特征间的自相关度为因子?通过矩阵乘法来构造解特征混合权重矩阵?进行实例修改?将其应用到铲式播种机的数字化设计系统中?以实现智能设计?研究结果表明新算法能有效提高机械设计结果的可用性和准确度?关键词?遥感?基于实例的设计?实例修改?混合权重?修回日期?基金项目?国家自然科学基金?辽宁特聘教授项目?辽宁企业项目博士后资助?沈阳博士后基金资助?辽宁省一般项目?辽宁省教育厅高等学校基本科研项目?辽宁省自然科学基金指导计划项目?引?言现代机械智能设计过程中?如播种机设计?仍然以田间实测或其他传统的采集方式获得种距?行距?土壤含水率等参数作为用户需求?通过需求处理后指导设计人员?文献?提出了一种基于分类模型的需求信息表达方法?提高了需求信息获取的效率和准确率?但该方法未考虑在设计过程中需求类型和内容反复变化的问题?文献?采用域映射转换法实现客户需求向产品特征需求的转化?能为产品设计提供准确的需求?但未考虑需求转化导致的设计时间延迟问题?基于实例推理的设计方法中?实例修改方法是研究的重点?而该方法是以需求为依据获得成熟的历史实例?进而通过智能方法修改实例完成新设计?需求的采集效率和准确性直接影响设计的结果?解特征实例修改?方法是将相似实例集的解特征值按权重求和?以实现实例修改?得到新设计实例?该方法领域独立性强?但仍存在修改方法局限于某个应用?修改结果可用性不高等问题?文献?将基因算法用于?中?简单?易实现?但该算法的稳定性受基因编码结果影响较大?文献?引入决策树方法预测相似实例的修改适应性?并优化权重模型?大幅度提高了修改性能?但算法复杂度过高?文献?建立混合权重模型方法?一定程度上降低了文献?中权重计算的复杂度?但没有考虑不同数据类型的特征相似计算问题?适用范围有限?也没有考虑实例问题特征间相关关系对实例修改的影响?修改结果的可用性也不够理想?上述实例修改方法的研究中?大多没有考虑传统需求获取及处理的方式对实例修改的准确率和可用性的影响?而随着卫星技术?的发展?卫星遥感和陆地传感技术?结合可以实现对农作物的生长指标?生长环境等参数的动态监测及实时处理?可以在时间?空间上补充传统采集方式的不足?解决智能农业机械设计过程中需求获取过程存在的问题?为实例修改提供更准确?更可靠的依据?因此?本文将卫星遥感技术应用到铲式播种机需求采集过程?设计了一个卫星遥感农业监测系统?在该系统中?采用遥感实测需求参数优化播种机设计实例的特征参数?同时也降低了混合权重计算复杂度?并在该混合权重计算过程中考虑了不同数据类型的特征相似计算问题?提高了混合权重的适用范围?将双边优化后的混合权重矩阵运用到铲式播种机设计过程中?提高修改准确度的同时?也保证了新修改方法的可用性?卫星遥感农业监测系统的结构设计本文结合卫星传感器网络?移动网络与远程数据库技术?设计和建立一个卫星遥感农业监测系统?同时对作物生长状况及其生长环境参数进行测量?系统由三部分组成?分别为卫星传感器与陆地传感器节点?协调器节点?远程控制平台?实现了?传感器?网络?远程监控设计?的结构?如图?所示?传感器节点负责监测土壤温度?土壤湿度?种距?行距等种植参数?并通过数据链路发送到协调器节点?协调器节点负责接受所有传感器节点发送来的环境数据?并发送给远程控制平台?远程控制平台由三部分组成?分别为服务器?数据库和实现农机智能设计系统的计算机?服务器负责处理需求数据的采集及信息的远程交互?数据库负责处理各类数据的存储?农机智能设计系统负责历史实例的存储和实例检索?实例修改?新设计的获取等?该系统的优势在于?利用卫星技术和传感器技术?能够在更大范围内快速准确地获取设计需要的必要参数?还可以根据需求进行数据处理?以满足可用性?远程控制平台不仅可以满足不同地域的研发者资源共享?技术磋商的需要?而且能为大量多型号播种机的设计提供基础数据储备和技术支持?进行设计过程的远程指导和快速设计?图?卫星遥感农业监测系统?基于混合权重的实例修改算法设计在卫星遥感监测系统中?基于解特征的实例修改算法是重点也是难点?为此?研究利用改进的混合权重矩阵对解特征权重进行优化?实现实例修?第?期臧?晶等?卫星遥感农业监测系统中权重优化的实例修改算法改?改进的混合权重矩阵由三个矩阵相乘得到?这三个矩阵为?相似实例与新问题特征之间的混合相似度矩阵?相似实例问题?解相关关系矩阵?相似实例问题特征间的比较矩阵?因此文中提出的方法可称为基于?混合权重的实例修改算法?该算法充分地考虑了实例的问题特征以及解特征值的多种数据格式?尽可能兼顾相似实例的隐性知识?以获取其解特征的新权重?实现设计实例解特征的计算?处理流程如图?所示?图?播种机实例修改算法的流程?以子级实例修改为例?修改过程主要为?对新需求问题进行可拓表达?在实例库中进行基于相似性的实例检索?以混合相似度矩阵?相似实例问题特征间的比较矩阵?相似实例问题?解的相关关系矩阵做乘法获得新的混合权重矩阵?并进行标准化?基于新权重进行解特征值的计算?完成实例修改?在上述流程中?最主要的部分是新需求的可拓表达?相似实例集检索和混合权重的计算?这也是研究的重点?实例的可拓表达铲式播种机全程智能化设计的基础是对设计中涉及的原理?约束?规则等知识进行合理地表达?针对铲式播种机设计信息的特殊性以及可拓?设计过程的需要?采用多维可拓物元模型的思想?建立播种机实例的物元模型?如式?和式?所示?该模型可实现播种机设计过程中涉及的旧知识?各种需求的统一表达?其中?为历史实例物元?表示历史实例物元名称?表示问题特征?反映播种机的设计要求?表示问题特征的值?为解特征?与匹配的问题特征集对应?表示解特征的值?为设计实例物元?表示设计实例的物元名称?将?实例化可得到修改后的新实例?表示问题特征?反映新播种机的需求问题?表示问题特征的值?为解特征?与匹配的问题特征相对应?表示解特征的值?相似实例集的检索按多层级方式?将可拓物元实例组织成铲式播?宇航学报第?卷种机的实例库?实例重用时?首先是检索历史实例库中满足新设计需求的相似实例集?如果历史实例集不满足匹配要求?则对历史实例物元的特征和特征值分别进行可拓变换?得到拓展后的实例集合?然后在拓展后的实例集中检索满足相似设计要求的历史实例集?铲式播种机实例库是多级结构?本文主要针对检索结果中某一级实例库历史实例集的修改过程进行描述?其他层级的修改过程类似?定义第?级实例库相似检索结果中的?个实例集为?其中?为实例数?为第?个相似子实例?每个实例有?个问题特征和?个解特征?由式?可得到?为?式中?表示问题特征的序号?表示解特征的序号?由式?可得到设计实例?为?混合权重的计算方法?混合相似矩阵的构建混合相似矩阵由新需求问题和?个相似实例之间的相似度值构成?设?为第?个相似实例?和设计实例?关于第?个问题特征的相似度值?即?式中?表示第?个相似实例?的第?个特征?和设计实例问题特征?之间的距离?差异度?若特征?和?的值均为确定数时?则采用曼哈顿距离公式计算特征间的距离?若特征?和?的值均为区间数时?则采用区间?区间数的可拓距公式计算特征间的距离?若特征?和?的值是不同类型?则采用点?区间数的可拓距公式计算特征间的距离?构建相似度矩阵为?混合相似度计算方法不仅兼顾了相似实例与新设计实例的不同结构?而且实现了同一实例多种数据格式的多相似度方法的融合?适应多样化需求情况下的新农机设计?灰色关系矩阵的计算方法混合权重矩阵的第二元素是利用灰色关联分析来提取?个相似实例问题?解特征之间的依赖关系?建立灰色关系矩阵?定义为?为?个相似实例第?个问题特征值集合?将其作为灰色关联分析的比较物元特征序列?记?为?个相似实例第?个解特征值集合?作为灰色关联分析的参考物元特征序列?记?则?可表示为?其中?是问题特征和解特征的灰色关联度?其计算方法为?其中?由标准化的问题特征值?与解特征?的关联程度衡量?其计算方法为?其中?和?分别为两级最小差和两级最大差?为分辨系数?取?是式?标准化后的结果?以消除不同量纲对关联值计算结果的影响?其中?分别为问题特征的最大值和最小值?分别为解特征的最大值和最小值?对于不同类型的?和?计算关联系数的方法不同?当?和?均为确定数时?利用式?计算得到关联系数?当?和?中存在非负区间数时?关联系数?第?期臧?晶等?卫星遥感农业监测系统中权重优化的实例修改算法?计算过程如下?假设?为特征上限值?为特征下限值?取问题特征上限值?组成比较物元特征序列?取问题特征?的下限值?组成比较物元特征序列?比较物元特征序列?与参考物元特征序列?利用式?计算得到关联系数?比较物元特征序列?与参考物元特征序列?利用式?计算得到关联系数?计算?即?混合权重的计算方法在深入分析相似实例的问题?解特征的关联系数基础上?采用层次分析法获取实例问题特征之间的相对重要性关系?把这些关系引入解特征修改的权重分配策略?以获得改进的灰色关系矩阵?即?其中?为层次分析法中?通过两两比较评判对象得到的矩阵?其定义为?式中?是采用?比例标度法对问题特征两两相互比较并标准化后的评判结果?表示第?个实例的问题特征?对于特征?的相对重要度?将?做矩阵乘法?获得改进的混合权重矩阵?最后?将?标准化后得到?其中?为?解特征?的权重?其计算方法为?解特征的计算方法基于式?混合权重计算方法?对?个相似实例的解特征进行修改?获得设计实例的解特征值为?其中?的含义是实例?与新问题特征的相似值大于?为设计实例解特征值向量?的第?个解特征值?记?为?实例修改算法的应用分析?实例数据将检索得到的播种机实例用于实例修改过程?每个实例特征集由?个问题特征和?个解特征组成?表示行距?表示行进速度?表示播深?表示种距?表示轮盘直径?表示打穴铲数目?表示打穴铲高度?表示打穴铲厚度?如表?所示?在本案例的计算分析中各参数设置如表?所示?其中行距特征参数在实际应用中?可通过卫星遥感监测得到?选取?个实例用于计算?对上述数据分别采用?方法?灰度关联系数优化的平均权重法?和平均权重方法?计算铲式播种机的实例修改结果?并与设计实例的原始数据比较?分析修改结果的性能?表?播种机设计实例与相似实例?特征播种机相似实例集?设计实例?个?宇航学报第?卷?方法实例修改过程与结果假设检索结果中满足相似度要求的实例有?个?即表?中的?至?计算上述实例与设计实例问题特征的相似度值?得到相似度矩阵为?将表?中每一个相似实例的每一对问题特征值和解特征值利用式?计算问题?解关联关系值?并建立灰关系矩阵为?将表?中每一个相似实例利用文献?的比例标度计算问题特征间的比较关系值?建立比较矩阵并标准化后得到?为?根据式?确定矩阵?利用?和?根据式?得到初始化权重矩阵?根据式?将?标准化后结果为?将新权重的计算结果和?个相似实例的解特征值带入式?中?利用?方法?完成基于?个相似实例的实例修改?结果为设计实例的解特征值?铲式播种机的解特征值描述如下?表示轮盘直径的值?打穴值铲数目的值?打穴铲高度的值?打穴铲厚度的值?计算结果为?采用文献?提出的基于?方法的实例修改结果?其新解特征值为?式中?为灰关联优化平均权重得到的权重?采用文献?中的基于?方法的实例修改结果?其新解特征值为?式中?为基于混合相似矩阵计算得到的平均权重?结果分析采用相对误差来评估?方法?方法?方法修改结果的性能?分别计算轮盘直径?打穴铲数目?打穴铲高度?打穴铲厚度?个解特征的修改结果与设计实例相应解特征值的?第?期臧?晶等?卫星遥感农业监测系统中权重优化的实例修改算法相对误差?如表?所示?表?不同实例修改方法条件下的不同特征相对误差?特征相对误差?轮盘直径?打穴铲数目?打穴铲高度?打穴铲厚度?平均误差?表?中计算结果分析可以看出?在实例数量相同的条件下?修改结果的误差值分别为?修改结果的误差值分别为?方法修改结果的误差值分别比?方法的修改结果的误差值要小得多?例如对于特征轮盘直径?方法的误差值?比?方法的误差值?小?显然本文方法在兼顾多种数据格式的相似计算问题的同时?提高了修改准确度和可用性?从表?中还可以看出?修改结果的误差值为?对于特征?特征?和特征?方法修改结果的误差值比?方法的修改结果的误差值要小得多?由于所有实例特征?的值比较接近?相似度高?致使?方法的优势没有体现出来?结?论本文设计了卫星遥感农业监测系统?在该系统中采用卫星遥感等技术动态准确地监测土壤?农作物生长过程中一些参数?以调整设计需求?并重点研究了需求控制下的实例修改算法?并将方法运用到铲式播种机设计过程中?实例修改算法的核心是利用混合相似度法?层次分析法?灰色关联分析法多角度解析相似实例集隐含信息并融合?建立混合权重矩