混沌检测（共9篇）
混沌检测 篇1
摘要：利用混沌振子检测电力谐波的方法,改进了振子相变的自动判别方法。设计了一个电力谐波检测系统,仿真结果表明其在高次谐波检测上的优越性,为电力系统谐波时域检测的设计提供了依据。
关键词：电力谐波,混沌振子,相图判别,信噪比
由于电力系统影响因素的复杂性[1],混杂在谐波中的噪声多种多样,并且幅值微小的高次谐波湮没在强噪声背景中,用传统的频域方法分析比较困难,时域方法无需考虑噪声的分布,但传统时域方法检测信号的最低信噪比仅为-10 dB[2],不能将湮没在噪声背景中的高次谐波有效检测出来。混沌检测[3]这种时域检测方法利用非线性、不稳定、非平衡和敏感性等基本特征,可以实现对湮没在强噪声中的微弱信号的检测。用混沌振子方法检测电力谐波,可检测低信噪比下的高次谐波,同时针对系统状态自动判别的时间开销大的问题改进了相图判别方法。
1 电力谐波检测
供电系统中的非线性负载会产生谐波。谐波分析和检测,就是使用测量仪器或装置确定出电网中各谐波成分的过程。然而,电力谐波幅度随着谐波次数的增加而衰减很快,并含有很大的随机噪声。且由电力系统中变压器和线路设备的非线性产生的(即由确定性的动力系统产生的),但又无法预测的具有复杂波形是混沌行为信号[4]。要检测的各次谐波湮没在噪声和这些混沌行为信号中,难以准确测量。这就需要找到一种能够高精度测量低信噪比微弱信号的检测系统。
1 混沌振子检测原理
混沌振子系统能实现对低信噪比下的信号检测。检测微弱周期信号的振子系统Duffing振子方程形式为
x″(t)+k·x′(t)-x(t)+x3(t)=f·cos(wt) (1)
式(1)中,f·cos(wt)为周期策动力;k为阻尼比;-x(t)+x3(t)为非线性恢复力。混沌系统对初值和参数极具敏感性。在k和频率w固定的情况下,系统状态将随f的变化历经同宿轨道、分叉、混沌轨迹、临界周期轨迹、大尺度周期等各个状态[5]。k和f固定,策动力的频率w不同,系统状态也有不同。
Duffing振子系统对噪声有免疫力,但是对与内策动力同频的信号极为敏感。当系统处于临界周期状态时,一旦有与周期策动力同频同相的信号作为周期扰动进入系统,就会使振子向周期状态迅速过渡,噪声很难使之回到混沌状态。通过辨识系统状态,可以清楚地检测出特定信号是否存在[6]。
1.1 混沌振子的确定
对电力谐波这种微弱正弦周期信号的检测,从系统检测灵敏度和工作稳定性等几个方面综合考虑[7],将方程中的恢复力项-x+c3变为-x3+x5,并且为了使系统具有频率上的普遍性,利用时间尺度变换将方程变为
x″(t)+wkx′(t)-w2x3(t)+w2x5(t)=w2f·cos(wt) (2)
其中状态方程为
时间尺度变换前后,系统的分叉值不变,同时相速度提高了w倍,减少了检测所用的时间。
1.2 系统阈值和检测性能
采用式(2)表示的振子系统来构成谐波检测系统
x″+kwx′-w2x3+w2x5=w2(f·cos(wt+θ0)+u(wt+θ1)) (4)
其中,u(wt+θ1)为待测信号acos(wt+θ)与噪声的和。使用Matlab编程仿真来检测其性能,仿真时用4阶龙格库塔法解微分方程,选取微分方程的初值为[1],积分步长为h=0.01/w,时间点数为10 000。选用高斯白噪声来分析噪声对系统的影响。
当内策动力初相为0,待测信号与之同频同相时,系统的临界幅值fd为0.717 281 5,得到的可检测电力谐波的信噪比约为-36 dB;待测信号与之同频不同相时,单个振子可检测的相位差范围为[0,π-arccos(a/2fd)和(π+arccos(a/2fd),2π]。
待测信号与策动力频率不同时,幅值很大的信号才能使系统发生相变,微弱的噪声就能使系统退回到混沌状态,并且一定幅值范围内的非整数倍频的干扰信号使处于临界混沌状态的系统转向更深的混沌。说明混沌振子系统可以从多个谐波中检测出某特定次的谐波。
1.3 混沌振子系统用于电力谐波检测
由于待测谐波初相位未知,可以采用混沌振子阵列的方法检测[8]。振子个数越多灵敏度越高,但是所需时间越长。对每个频率的信号,采用16个同频振子组成阵列,内策动力初相分别为θi=(2π/16)i,i=0,1,…,15。此时与某个振子内策动力同频同相的信号检测结果与初相为0的检测结果相同,初相处于两个振子内策动力初相之间的信号,会引起两个振子发生相变,可通过求平均估计信号参数。为了从一个振子检测出某次谐波幅度的大小,首先,为f设定一个搜索范围,计算过程中,每循环一次,就自动地进行查找,直到系统发生相变,可求出信号参数估计值。若加入待测信号之后在所有搜索范围内都没有相态转变,可乘以一个常量M进行幅值尺度变换,然后送入振子检测系统进行检测。
混沌振子系统中可以通过改变w的值实现对不同阶次谐波的检测。混沌振子系统每检测一个谐波,就补偿比它阶次小的谐波,这样减少了各次谐波之间的相互干扰,尤其对高次谐波的检测有利。
1.4 系统状态转变的判别
文献[9]将相轨迹上的点到中心的距离变化作为计算机自动判别相图的依据,易于实现。但是此方法判断所有点到相平面中心的距离,并将其与阈值比较,计算量较大,并且由于过渡过程的影响,容易造成误判[10]。选择进入稳态之后的点计算距离的平均值,将其跟阈值比较,这样既避免了误判,也减小了计算量,降低了时间开销。将其用于图2中转换的判别,选择第2 000～6 000点计算平均距离,如图1所示,与阈值比较,得出的临界幅值跟直接观察相图的结果相同,证明了其有效性。
2 实验仿真
设计的检测电力谐波的框图,如图2所示。
在仿真中只选取经过背景抑制后的典型奇次谐波直接送入混沌振子系统进行仿真。此时的背景中只有随机噪声,不妨设为高斯噪声。
设以工频50 Hz工作的电网,送入混沌振子系统的信号中含7、9、11、13次等高次奇谐波,且含有的随机噪声功率为0.002 5 mW。
表1所列实验数据是进行20次检测的平均值。
对13次谐波来说,混沌振子系统检测的信噪比已达-17 dB,检测精度达97.36%,而传统时域检测技术,不能在如此低的信噪比下检测出高次谐波信号。实验结果表明,对于隐藏在强噪声背景中的高达13次的谐波,系统可以进行准确检测。
3 结束语
混沌检测方法应用到电力系统微弱谐波检测中,仿真分析了其在检测精度和低信噪比上的优越性。同时,针对系统相图的自动判别时间开销大的问题,改进了相图判别方法减小了计算量。设计了电力谐波检测系统,实验证明了其在高次谐波检测上的优越性,为电力系统谐波检测的设计提供了依据。
参考文献
[1]卿柏元,周毅波,李刚.电力系统检测技术的现状与发展趋势[J].广西电力,2009(3):14-17.
[2]聂春燕,石要武.基于互相关检测和混沌理论的弱信号检测方法研究[J].仪器仪表学报,2001,22(1):33-35.
[3]Wang Guanyu,Chen Dajun.TheApplication of Chaotic Os-cillators to Weak Signal Detection[J].IEEE Transaction on Industrial Electronics,1999,46(2):440-444.
[4]方仍存,周建中,彭兵,等.电力负荷混沌动力特性及其短期预测[J].电网技术,2008,32(4):61-66.
[5]Li Yue,Yang Baojun,Du Lizhi.The Bifurcation Thresh-old Value of the Chaos Detection System for a Weak Signal[J].Chinese Physics,2003,12(7):714-720.
[6]衣文索,石要武,聂春燕.混沌态杜芬振子与弱正弦信号参量估计[J].计量学报,2006,27(2):156-159.
[7]叶亦能,王林泽.基于Duffing振子的噪声背景下微弱周期信号检测[J].机电工程,2009,26(4):97-100.
[8]李健,何坤,乔强,等.应用混沌系统实现弱信号的检测[J].四川大学学报:自然科学版,2004,41(6):1180-1183.
[9]周玲,田建生.基于相轨迹变换的微弱正弦信号检测[J].计算机测量与控制,2006,14(7):1128-1129.
[10]王永生,姜文志,赵建军,等.一种Duffing弱信号检测新方法及仿真研究[J].物理学报,2008,57(4):2053-2059.
混沌检测 篇2
作者：张毅
摘
要：潘新和先生在评述黎锦熙母语教育思想时，未能将黎锦熙所说的“国文”和“语文”区分，强调在“语文”教学中进一步强化人文教育。潘先生的这种思想在当今我**语教育界极具代表性。忽视不同内容价值取向的差异，一味笼而统之地去建构所谓的“语文乌托邦”，只能让师生在教学中顾此失彼。深化母语课程改革应进一步细分学科：语文科培养实用语文能力，文学科培养审美能力，国学文化科旨在帮助学生进一步了解“中华民族最深沉的精神追求”。分科教学可以为“心意乌托邦”的构建找到合适的位置。关键词：乌托邦；语文；心意；混沌；分科教学
语文教育专家潘新和在《我国现代语文教育的划时代巨献——黎锦熙〈新著国语教学法〉摭议》一文（以下简称“潘文”）中以发现的眼光重新审视我**语教育巨擘黎锦熙先生的国语文教育思想，这样的审视无疑是有益的。潘先生将黎锦熙、叶圣陶的母语教育思想进行对比时，指出 “黎锦熙的形式、心意并重，与夏丏尊、叶圣陶注重‘形式’有所不同”，认为叶老“强调语文教学的‘形式’特性，不是完全置知、情、意的培育于不顾，重‘形式’的观点也是有其学理价值的”[1]。整篇文章的表述显然有崇黎抑叶倾向。
黎锦熙先生在1924年所著的《新著国语教学法》中将“国语要旨”分为“语文方面（形式的）”和“心意方面（实质的）”两项[2]，显而易见，黎锦熙所谓的“语文”主要是指“形式方面”，但潘先生 从此书推导出“心意方面（实质的）”系“语文”学习的主要内容，并且用大量篇幅论述这种“心意”的重要，恐怕这种发挥早已偏离了黎锦熙原书的逻辑。而新课改十年来高举人文主义大旗正在构建中的“语文乌托邦”同样非要在“语文”里过多强调种种“心意”，这是导致当前“语文”教育学科畸形发展的一个重要原因，有必要对此症结予以分析与揭示。
一、混沌的国文科：民国时期的“形式”和“心意”之争
人们经常说“语文”自1904年就独立设科并且已有百年历史。但在一百年来屡遭种种“心意”强凌，其祖国语言文字教学的独当之任还未真正担负起来的当下，又何言“语文”已独立设科？正如王松泉先生所说“语文设科六十年，名副其实何其难”[3]，我们必须面对的事实是：“语文”独立设科的历史使命迄今为止仍有待完成。
我**语课程从内容上来看实际上包含着重“形式”的语文（口语+文字+文章）教育、重“心意”的文学教育和国学文化教育三个部分，三者互相联系，但各有侧重，基于此，我**语课程建设应在合中求分，分中求合。本文开头所引“潘文”认为黎锦熙先生是“形式”和“心意”并重的，而叶圣陶对“心意”方面关注不够，这其实是潘先生的一种误读。可以说叶圣陶、朱自清与黎锦熙这几位先贤的母语教育思想是基本一致的，他们对“形式”和“心意”两方面都给予了共同关注。1925年，朱自清在其《中等学校国文教学的几个问题》一文中明确提出国文教学“最好着重语文共通一点”，但又提出“不赞成以语文的本身为国文教学的唯一目的”，认为国文教学的目的应 该有二：一是“养成读书思想和表现的习惯和能力”，二是“发展思想，涵育情感” [4]。很明显，朱自清强调国文教育应在“语文的本身”之外还要加强思想和情感的教育。1942年叶圣陶在《论中学国文课程的改订》中也指出：“训练思想，就学校课程方面说，是各科共同的任务；可是把思想语言文字三项一贯训练，却是国文的专责。”[5]这怎么能说叶圣陶不重视国文课的“心意”方面呢？
当然我们从以上引文也可以看出，民国时期的“语文”和“国文”并非同一概念，“语文”只是“国文”的一个最基础的方面。因此，黎锦熙、夏丏尊和叶圣陶三位先生都理所当然且不约而同地紧紧地抓住了大一统国文教育格局中这个最基础的“语文”教育。1936年夏丏尊指出：“所谓国语科，就是学习语言文字的一种功课；把本来用语言文字写着的东西，当作语言文字来研究，就是国语科的任务。”[6]叶圣陶1940年在《国文教学的两个基本观念》中也指出“国文是语文学科”，“以为国文教学的目标只在灌输固有道德，激发抗战意识，等等，而竟忘了语文教学特有的任务，那就很有可议之处了”[5]。他认为在基础教育阶段，必须以阅读与写作的基本训练作为教学的重心。而黎锦熙1942年也明确提出“国文本身自有其目标„„终归是形式方面为主”[2]，1947年他在《本国语文教学法提要》中进一步明确表明了对于“语文教学”的基本态度：“一涉普通教学，即系四百号‘语言’的立场，并不站在八百号‘文学’的立场也” [2]。可以看出，夏丏尊、叶圣陶等先生都在强调“语文”教育是重形式的以实用语言技能培养为目的的教育，他们当时都在努力促成母语课程内 部“语文”教育的先行突围。“潘文”的误读是将“国文”与“语文”两个概念等同起来，而且只关注了黎锦熙20年代国语文教育思想的一处表述，却忽视了对黎锦熙母语教育思想的整体把握。“潘文”提出要将整个母语教育的内容都往“语文”教育里装，这只会让“语文”变得大而不当起来。
我**语课程是综合性课程，包含语文教育、文学教育和国学文化教育三部分。这在清末张之洞等提出的《奏定中学堂章程》中已非常清楚，中国文学（即语文课）、中小学堂读古诗歌法（即文学课）和读经讲经（即国学文化课）已经形成了初步的分科教学格局。但是民国时期以一门国语文课代之，实际上打破了清末已初步成型的母语课程内部分科教学的格局，在一定程度上重新回到传统教育不分家的那种大一统的混沌之中去了。对于民国时期在重视国文科“语文”教育内容的基础上如何落实“心意”方面教育的问题，民国时期也有不少论者提出了分科教学的设想希望以此来解决序列不清的难题。1921年吕思勉（署名“驽牛”）在《答程鹭于书》一文中指出：“国文与文学不可混”，“鄙意今日中国之国文教授,必先将‘文学’与‘国文’，析为二事，乃有可言。”[7] 他在1924年的《国文教学祛弊》一文中再次强调国文课不是文学鉴赏课。1926年周铭三在《中学国语教学法》中也表达了对大一统格局的国语课程建设的忧虑：“如果不分清语言教学和文学教学的不同，那么，在中学教学国语是很困难的。”[8]1936 年，胡怀琛在 《中学国文教学问题》中也提出，解决国文程度低落的办法就是“把 ‘中国语文’和‘中国文学’分做两件事”。[9]叶圣陶虽然在当时未提及分科，但在1942年的《认识国文教学》一文中也指出：“我们站定语文学和文学的立场，相信现在的国文教学决不是个办法”，“站定语文学和文学的立场，这是对于国文教学的正确的认识”[5]。此外，程其保、浦江清和王季思等民国时期的学者也提出过类似的分科主张。令人遗憾的是，民国时期有关分科教学的思想一直停留于理论构想层面，而未能在中学国文的总框架下实行教材分编和分科教学，显示出了我国现代学制母语课程改革的不彻底性。在这一历史时段，实用的语言技能训练和审美欣赏的文学教育序列性都较差，课程内容显得十分混乱。究其原因是民国时期的母语课程建设反清末母语课程分科教学的取向而动，其实又回到了传统的小学附庸经学的轨道。
二、混沌的语文科：新课程“语文乌托邦”的构建
新中国成立初期，“语文”独立设科派和载道派的角力主要表现为人教社内部以叶圣陶、宋云斌、朱文叔为代表的开明系与以傅彬然、刘御等为代表的政治“心意派”（主张载道的大一统派）的博弈，以后者的胜利而暂息。
值得一提的是，1956年8月到1958年3月的汉语文学分科教学改革使新中国的文学教育迎来了短暂的蜜月期。这次课改实验的推行既是当时教育界全面向苏联学习的结果，也是我**语课程内部矛盾运动的必然要求。此次分科改革尽管有着诸多缺陷，但毕竟将文学教育独立了出来，使文学教育功能的发挥有了更好的管道，因而此次课改在百年母语教育史上是一次非常有价值的实验。不过此次课改生不 逢时，由于1958年国际（中苏关系）和国内（反右）政治形势突变等特殊原因而不幸夭折。此后很长一段时期，母语教育界的政治“心意派”主导了课程建设的话语权，在极左思潮影响下，“语文”课程被建构成一个带有浓重政治色彩的“政文乌托邦”。
上世纪八九十年代以来，我**语教育界的思想大解放为重启分科教学创造了很好的条件，但可惜的是，秉持“立人”教育理念的文学教育倡导者并没有很好地总结出建国后第一次母语课程改革的经验并重启这项实验，而是非要去和“语文”争夺地盘，力图在“语文”的领地上改造“语文”，去建构一个带有明显理想主义色彩的“人文乌托邦”，这样的乌托邦非但未能让人们对母语课程的目标和性质获得清醒意识，反而将母语课程性质之争搞得更加复杂化了。无论是1993年韩军先生的《限制科学主义 张扬人文精神——关于中国现代语文教学的思考》，还是2002年陈钟樑先生的《语文教学改革：必要的乌托邦》都是针对当时整个母语教育的技术化和功利性倾向而谈的，也并未涉及母语课程内部的学科细分问题。无可否认，“心意方面”的教育在今天是十分必要的，我**语教育必须在继续改造国民性、重塑国民文化人格的宏大叙事中有所作为，这就决定了母语课程中必须包含侧重诗意启蒙和引领学生个体心灵成长的人文教育，在这个意义上，母语课程内部人文主义“心意”乌托邦建构是必要的。但把过多的“心意”内容往侧重于“形式”的、本应有其课程边界的“语文”教育里装，这就会出现课程性质不清和内容庞杂等诸多问题，以至于影响到实用语言文字应用训练本身的教学。当前母语教育界，有 擎工具性大旗坚守“语文”教学阵地者，有擎人文性大旗充满豪情致力于改造国民性者，也有二旗并举者，更有不知所往、左奔右突、茫然失措的沉默的大多数。
毋庸讳言，当前母语课程的顶层设计带有明显的理想主义色彩，对于“语文素养”叠床架屋式的阐释，使得这一概念的外延不断扩张，说之者力不从心，而听之者也往往不知所云，一头雾水。改革的倡导者力图在“语文”一科中完成整个母语教育的“形式”和“实质”两个方面的目标，委实难为了一线辛苦劳作的“语文”教师。著名特级教师钱梦龙老师在《为语文教学招“魂”》中感叹道：“语文教师们教了几十年语文，到头来却连自己教的究竟是一门什么学科都说不清楚，真不知道是可悲还是可笑！”[10]要知道：对于当下我**语课程文化启蒙的任务，许多教师并未有清醒的意识和担当的能力，母语教育界能真正理解忧心忡忡的钱理群先生的文化视野以及他90年代以来梁任公般孤独探索意义的教师并不是绝大多数，而像韩军那样深谙“语言生命观”的教师可谓更少，恐怕多数教师还是各以“意”为之，教学的乱象也由此产生。显而易见，错误的乌托邦不应构建，而乌托邦建构的正确位置也并不应该在“语文”教育的地盘上。
三、走出混沌：反对将语文乌托邦化
与传统中医的整体疗法相似，我国传统教育中文、史、哲、经，政治、道德、伦理乃至自然等方面的教育浑然一体，而现代西方教育虽然也有着学科融合的趋势，但与现代西医的局部分析疗法相似，学科细分是基本的格局。人类的认识总是从混沌走向明晰，以庄周的“混 沌凿窍”寓言来作为反对分科教学的主要理据显然是站不住脚的。清末癸卯学制的建立，开创了中国现代教育的新篇章。但由于母语课程内部的学科细分迟迟不能进行，致使新课改也未能引领母语课程走出混沌困境。新课改以来，尽管我们在教法上大做文章，但整体教学质量仍然偏低，社会上对此课程的评价度仍然不高。
近年来，朱竞的《汉语的危机》、潘文国的《危机下的中文》等著作和郜元宝的《母语的陷落》、岳建一的《愧痛汉语危机 》、毛喻原的《论汉语的险境和诡谬》等文章揭示出了当前汉语生态恶化的趋势。面对汉语危机，培养学习者提高实用语言文字运用能力的刚性需要客观上要求必须保证真“语文”教育在基础教育阶段母语课程中占据核心地位。语文特级教师喻旭初认为：“从根本上说，语文教学就是激发学习兴趣，培养良好习惯，提倡多读书，多写作，多积累，培养语文素养，提升人文品味。就操作而言，应该不忘学科特质，回到语文原点，始终教育学生：字要规规矩矩地写，话要明明白白地说，课文要仔仔细细地读，练习要踏踏实实地做，作文要认认真真地完成。”[11]教育家李希贵也在《今天我们怎样教语文》中强调：“语文要更加语文化，语文要轻装上阵，不再负重前行。对于绝大部分人来说，如果通过语文课程学习，真的能够‘文从字顺地表达自己的见闻、体验和想法’，这也就足够了。”[12]王旭明先生也明确指出：“语文实际上也是人的一种技能，更应该把语文当作一种技能进行学习和传授。”[13]„„在深化课改的背景下，很多母语教育的有识之士都在表达着一个让“语文”回归到黎锦熙先生所说的“语文方面（形式的）” 定位上的愿望，或者说表达了“语文失地者”们“还我失地”的主张。说“语文”课是基础工具性学科且强调其实用性和强调语言的基本训练本身并不过时，“语文”教学必须有明确的训练目标，周密的训练计划、系统的训练内容和科学的训练方法，踏踏实实以实用的语言知识、文章知识及听说读写能力训练（主要是各类实用性文章的写作）为本位真抓实干，否则就难以实质性地提高学习者基本的母语运用能力。
“语文”教育作为母语课程的基础部分，它的学科基础主要是语言文字学、语用学和文章学，而不是重“心意”的审美的文艺学。吕叔湘先生早已指出：“语文课的主要任务是什么？是教会学生使用现代语文，主要是读和写现代文。文学与语文比较，语文是主要的，文学是次要的。”[14]当前有人主张“语文”教材全部选用文学作品，这实在是个谬误，这种鸠占鹊巢的主张决不可取。“语文”课决不能一味上成文学课，各类“语文”考试的作文评卷也应该向西方国家学习，不能过于偏重文艺色彩。顺便提一下，对于“语文”教学中文艺腔泛滥的情况，1935年胡怀琛就指出：国文教材以“短篇小说”“情诗”等不实用的课文为主，乃是一种误导；作文教学要根据时代的需要，“首先要适合于实际生活的应用，如果把这一点认识清楚，自然是不至于只学几句浮词滥调就算了”，[15]黎锦熙先生在1947年也早作出过类似批评，他指出：“对于四百号的‘语文’基本工具，师生都还运用未熟，纰缪百出，乃但凭霎时间的主观私见，一味做八百号‘文艺’上的笼统批评。‘通’‘不通’的问题还没解决，就净说些‘美’ ‘不美’的鬼话。今矫此弊，故以改错当先，求美居后。”[2]也正是在这个意义上，现在来看当年韩军先生关于“自建国以来，语言学界和语言学家对语文教育的干预远远超过文学界和文学家的干预”[15]的批评也就有着很大的局限性，以实用语言技能训练为目标的“语文”教育当然更需要语言学家、文章学家的关注，帮助“语文”教育从乌托邦的迷雾中摆脱出来。至于文学家们，如果关注教育，那就应该去帮助我们去建构起独立的文学课程来。
四、“心意”乌托邦的构建应在文学课程和“中华文化课”
文学教育对学生的影响并不限于语言，其情感意义和审美意义具有超语言性，对学生一生的精神发展具有重要影响。因此，1994年张志公明确提出在“语文课”之外应“单开一门文学课”的主张：“从初中起，增设‘文学’课。首先要指出，是‘增设’，不是如50年代试行过的‘文学’‘汉语’分科，‘语文’课还是语文课。”[16]。他创造性地提出语文教育和文学教育“双线推进”的模式：“语文教材要按照实际应用语言的要求，讲授必要的语文知识，合理安排读写听说训练序列，以培养理解、运用语言的能力为主体，同时又要加强文学教育。具体地说，教材可以采用双线推进结构，一条线是实用语文能力的训练，一条线是文学作品欣赏能力的培养。就提高理解和运用语言能力而言，两条线的内容是相通的，但不强求配合。第一条线，要恰当处理好课文、知识和能力训练的关系，组合成多形式和多层面的训练项目，渐次推进。第二条线，渗透文学知识，培养初步欣赏文学作品的能力，体现文学教育。”[16]语文与文学分科教学并非许多 人所说的语言与文学分科教学，二者有着明显的差异，必须予以严格区分。志公先生对传统语文教育和现代语文教育有着深入的研究，深刻地认识到“语文”和“文学”的杂糅实际上主要源于中西方文明对话和冲突背景下中国文章传统的断裂，冀图通过分科来恢复民国时期叶圣陶和夏丏尊在《国文百八篇》中就在尝试建构的新的中国文章教学系统，同时继续建构五四以来的文学审美教学系统，从而实现文明延续和文明借鉴的结合。
蔡明先生在2004年也专门区分了“文学教育”与“语文教育”的不同，指出：“把今天的文学教育与语言教育的关系等同于当年，在今天仍然把文学教育当作一般语言能力训练的手段，那就混淆了文学教育和一般的语文教育”；“文学教育同语文教育的本质区别就在于文学教育引领人们‘超越’，不仅有语言的超越，还有从个别到一般的超越，从物质到精神的超越，从有限到无限的超越”。[17]蔡先生显然充分认识到了文学教育超语言性，认识到了文学乌托邦构建的必要性。然而现在又快10年过去了，“文学教育和语文教育争夺对象领域”的状况仍毫无改观，至于致力于民族文化想象共同体构建的“中华文化”课的独立设科也仍然未能实现。在当今我**语教学界，将语文课上成文学课或将文学课上成语文课的现象比比皆是，盲人摸象、各执一端已经成为一种司空见惯的常态。
母语课程内部的“语文”教育和文学教育虽互相联系，但在价值追求、教学策略和评价标准上毕竟有异。德国、英国、新加坡等国和我国香港地区在高中阶段均实行了实用语言教学与文学教学的分科 教学，所以在这些国家或地区并没有所谓的课程性质之争，而没有实行分科教学的国家或地区，则经常陷于那种最终无果的口水大战之中。正如郑国民先生指出的那样，“就掌握一定的行为技能而言”，“通过分析使要操作的行为明确化，经过严格的训练程序达到目标”，“而注重过程、情感态度等方面的目标，如文学、艺术等课程”，“课程内容本身就具有内在的价值，学习这些内容和学习这些内容的过程就是具体目标的实现”。[18]正是看到了文学教育与语文教育的不同，2006年笔者曾在《语文学习》撰文《重构独立的中学文学课程》，呼吁在语文课之外重构独立的中学文学课程[19]。当此课改艰难之时，笔者再次斗胆呼吁：参考清末现代学制中国文字、中国文学、读经讲经、读古诗歌法等科目独立设科的思路，结合当代国际母语教育中实用语言教育、文学教育和文化教育并重的趋势，在总的母语课程框架下，重工具性、重实用口语和书面语（文章）学习的语文教育和重“诗意启蒙”的文学教育以及重文化传承、通过经典文化文本教学旨在帮助学生进一步了解“中华民族最深沉的精神追求”（习近平语）的国学文化教育应实行教材分编和分科教学。
国际母语课程教材有合编和分编型两种。建国后我国主要使用合编型教材，但我们应该看到，这些合编型教材尽管版本很多，但社会反响总体较差，让大家满意的合编型甚至一本也挑不出来。与之形成鲜明对照，50年代汉语、文学分编型教材中的《文学》教材却得到了多年以来的众口赞誉。许多人认为正是当年的《文学》教材为他们打下了一生的文学底子。上世纪末莫言先生批评语文教学乱象时深有 感触地说：“我们为什么不能像‘文革’前那样，把语文教材分成《汉语》和《文学》两本教材呢？我幼时失学在家，反复阅读家兄用过的《文学》课本，感到受益很大。我最初的文学兴趣和文学素养，就是那几本《文学》课本培养起来的。”[20]方智范教授也谈到：“令我至今想起来感到十分幸运的，是初中时正逢教材改革，国家编了一套文学、汉语分家的新教材，那本文学教材像磁铁一样地吸引了我。《鲁提辖拳打镇关西》、《岳父枪挑小梁王》等精彩小说片断，乐府民谣，唐诗宋词，元明散曲，以及现代和外国作品，极大地刺激了我的阅读欲望，鲜活灵动、有血有肉的情节、人物和妙语深深印在我的脑海里。这本教材是我的最爱，保存了很长日子，几次清理旧书都舍不得卖掉，直到‘文革’中被红卫兵小将抄去。我的文学情结，就是这样种下的。”[21]周后坤老师也对那套分编的教材充满了感激,他说：“我一辈子当语文教师，有一定的文学底子，应该得益于中学时代汉语、文学的分科教育。”[22]著名特级教师欧阳黛娜老师也讲过：“一套好的语文教材对我们的教育与影响，其作用之大，是难以估量的；其时间之久，也是终生难忘的。这指的是1956年问世的人民教育出版社编写的《文学》与《汉语》分编的高中语文课本。”[23]《文学》教材分编形成了比较完整的文学教育体系，为学习者提供了明确的、充实的课程内容，较之序列混乱、内容贫乏的《语文》教材，其优势和魅力是显而易见的。也正是在这个意义上，张志公和莫言等先生建议语文和文学等教材应单独编写。
在当前我**语教育界，周正逵、余应源、温立
三、蔡明等是分 科教学的积极推动者。语文教育家余应源先生在他即将出版的《语文——汉母语课程专业化论稿》中，提出：汉母语教育基础阶段，只需设一门立足言语形式的综合性语文课程，完成母语社会言语交往基本能力的培养目标；高中则要适应学生母语能力有个性的进一步发展的需要，应实行文学、文论(科学言语，含形式逻辑常识)和文言课程的分科教学。另外，谈分科教学不能不提周正逵先生，上世纪80年代初至本世纪初他独立担纲主编的高中语文实验教材在上世纪末先期由国家教育部立项实验、后期经全国中小学教材审定委员会审查通过，是一套非常有价值的分编型国语文教材，可惜这套教材因新课改的推出也被弃用了。周正逵先生在其2013年新著《语文教育改革纵横谈》（教育科学出版社出版）中提出：从小学低年级到高中高年级，逐步培养五种基本的语文能力：识字与书写能力,语句、句群、文段的释义与写作能力；文章的解析与写作能力；文学鉴赏能力；文化论著研读能力。他希望能够重编这套分别以“文章的解析与写作能力”训练为主、以“文学鉴赏能力”训练为主和以“文化论著研读能力”训练为主的分编型的母语课程教材。周正逵先生是我**语课程教材编写的学界泰斗，此书的许多思想对我们分科教学实验有着重要的启示意义。
不过，周先生在此书中对于“语文素养”的阐释仍显繁琐，笔者认为，与分科教学相对应，我们现在也应将“语文素养”这一庞然大物参考黎锦熙先生所说的“国语（文）要旨”之“语文方面（形式的）”和“心意方面（实质地）”那样拆分出“语文功底”“文学素养”“文 化底蕴”三个部分。分科教学并不会出现有人担心的所谓多元分离和对立的问题，并不是要将语言图式的建构与精神图式的建构割裂开来。分科教学可以让母语课程不同内容形成不同序列，分进合击，也可以使工具论者和人文论者各展其才，各遂其愿，从而消除母语教育界历时已久的工具性和人文性之争产生的内耗，为侧重口语和文章策略实施的语文教育、侧重文学策略的文学教育和侧重义理策略的国学文化教育在更高层次上得到发展、求得多赢创造条件。当尘埃落定，一线教师能够不再惶惑而致力于求真务实的日常教学的时候，能够为学生一生打下坚实“三底”的母语教育才算真正走上正轨。彼时，母语教学中存在的盲人摸象、各执一端的沉疴亦将得到根治，“泛人文”“假语文”将无处藏身，而豪情万丈的人文教育的推动者亦可在母语课程内的正确位置信心满满地推动确实必要的“心意乌托邦”的建构了。在母语课程这个大篮子里合理分格，把不同主题的内容放在不同的格子里，这正是我们继承黎锦熙、叶圣陶和张志公等老一辈语文教育工作者的教育思想，推进新一轮课改当下应该做的事情。参考文献
[1] 潘新和.我国现代语文教育的划时代巨献——黎锦熙《新著国语教学法》摭议[J].中学语文教学，2012，(12)：4-9．
[2]张鸿苓，李桐华.黎锦熙论语文教育[M].郑州：河南教育出版社，1990．
[3] 王松泉.语文定名六十年，名实相副何其难[J].语文建设，2009，(7)：16-18． [4] 朱自清全集：八[M].南京：江苏教育出版社，1993：400． [5]中央教科所.叶圣陶语文教育论集（上册）[M].北京：教育科学出版社，1980．
[6] 夏丏尊，叶圣陶.文章例话[M].上海：上海文艺出版社，2001：151.[7] 吕思勉.吕思勉论学丛稿[M].上海：上海古籍出版社，2006：662． [8] 顾黄初.中国现代语文教育百年事典[M].上海：上海教育出版社，2001：172.[9] 胡怀琛.中学国文教学问题[M].上海：商务印书馆,1936：1． [10] 钱梦龙
.为
语
文
教
学
招
“
魂
”[EB/OL]http://my.eywedu.com/Article/ShowArticle.asp?ArticleID=103 [11] 喻旭初.我有一个愿望[J].中学语文教学，2012，(9)：74-75.[12] 李希贵.今天我们怎样教语文[J].中学语文教学，2012，(4)：9-13.[13] 王旭
明
.语
文
是
一
种
技
能[EB/OL]http://blog.sina.com.cn/s/blog_53402f740100c8bm.html [14] 吕叔湘.关于语文教学的两点基本认识[J].文字改革，1963，(4):1-6．
[15] 韩军.百年中国语文教育十大偏失[J].基础教育，2005，(12)：20-25．
[16]张志公.张志公文集
（三）[M].广州：广东教育出版社，1991.[17] 蔡明.文学教育的可能与文学教育学的建设[N].文艺报,2005-7-2（3）．
混沌检测 篇3
至今为止, 混沌理论已被广泛应用于众多的学科之中, 其中在信息处理领域的应用是信息处理发展的主要方向之一。Duffing振子系统对微弱周期信号有极强的敏感性, 而且对噪声具有很强免疫性, 因此人们常利用Duffing振子这个特点来检测微弱信号[2]~[4]。Duffing振子系统检测微弱信号的核心是判断系统相轨迹状态的变化;多年来, 学者已提出了很多判断相轨迹变化的方法, 但是其中最常用, 最直观, 同时也是应用最为广泛的就是视图法, 也就是通过观察系统的相轨迹判断其的变化。淹没在噪声中的被测微弱信号被Duffing振子系统检测, 将被测信号作为混沌系统周期策动力的摄动, 由于混沌系统对噪声的免疫力和对周期小信号的敏感性[5], 即使被测信号的幅值非常之小, 只要输入Duffing系统之中, 系统的相轨迹状态都会发生巨大的相变, 通过模式识别或取包络识别等方法判断系统状态的变换, 从而可判定被信号是否存在, 若需要检测更多的被测信号更多的参数只需作进一步处理即可。
本文将混沌理论中的Duffing振子检测信号的方法引入到井下信号处理之中, 将良好的抗噪性能的Duffing系统在检测法用于对瓦斯浓度信号的检测当中, 井下瓦斯信号的强的背景噪声能得到有效抑制[6], 从而提取目标被测信号。本文详细研究了Duffing混沌系统检测信号的原理, 并把其应用于井下瓦斯信号的检测之中。最后, 进行了数值仿真, 仿真验证了基于混沌理论的微弱信号检测法在复杂的井下环境的瓦斯信号检测中依然有效[7]。
1、混沌理论的检测技术
混沌检测系统中, 应用最多最为广泛的混沌振子是Holmes型Duffing振子, 其数学模型如下:
(1) 式可转化为:
式 (1) 与 (2) 方程描述的系统对微弱周期信号的检测时有极强的敏感性, 而却噪声具有免疫性, 这是Duffing系统检测微弱信号的基础。
固定k, 增大r, 系统依次历经状态:当x较小时, 相轨迹表现为庞加莱映射意义下的吸引子;当r超过rc时, 系统便从同宿轨道状态进入分叉状态;r继续增大, 系统逐渐进入混沌状态 (如图1) ;直到r大于阈值rd时, 系统摆脱混沌态, 进入大周期状态 (如图2) [8]~[9];这些状态中, 在混沌到大周期的转变中, 系统状态变化巨大, 因此, 现在一般用此作为Duffing振子检测信号的依据[10]。
2、数据仿真
瓦斯信号是比较复杂, 而且是多变的, 数学模型不易表达, 而由傅里叶级数的普适性可以知, 瓦斯信号可以变换为多个正弦或者余弦信号之和的形式。所以, 本实验以微弱正弦信号作为被测信号, 从而来使基于混沌理论的瓦斯信号检测法的原理与性能得到验证。
实验1
分别向Duffing振子系统之中输入高斯白噪声和与系统策动力信号频率相同的正弦信号, 通过计算机观察Duffing系统状态轨迹的变化。这个分组实验的目的是证明混沌系统能有效的检测微弱目标信号。仿真实验具体步骤如下:
本实验中取混沌振子参数分别为:。首先调节系统策动力的幅度值r, 迫使混沌系统处于混沌到大周期的临界状态, 则r=0.8247, 即rd=0.8247;首先将均值为零, 方差为δ=1的随机噪声作为待测信号输入混沌振子系统之中, 其系统的时域与相轨迹图, 如图3;其次, 将本文采用的被测信号s=0.0001cos (t) 输入到Duffing振子系统之中, 此时系统的时域与相图都发生了重大变化, 即混沌状态进入了大周期状态, 如图4。
域图以及其对应的相图
系统时, 系统时域图及其对应相图
此组对比实验结果验证了Duffing振子系统具有对井下噪声具有极强的免疫力, 而对与其策动力频率相同的微弱正弦信号瓦斯信号却极其敏感的性质;所以Duffing振子能有效的检测微弱信号, 即可验证混沌振子系统检测瓦斯信号的有效性。
实验2
设混沌系统的输入信号为:
式中, r为目标微弱信号的幅值, n (t) 为背景噪声。
将被淹没在背景噪声之中的被测小信号信号s (t) 输入进Duffing振子系统之中, 则系统的输入变成。基于Duffing振子检测微弱信号原理基本可以总结为:首先以一定步长调节策动力幅值r, 混沌到大周期的临界状态出现在系统, 此时策动力幅值记为rd (rd表示Duffing振子在混沌到大周期的临界状态时内置频率的幅值) ;然后输入淹没在背景噪声中的目标小信号信号, 系统状态发生了变化, 然后策动力的幅度值r以一定的步长被减小, 直到混沌状态再次出现系统相轨迹当中为止, 此时策动力幅值记为r。则待检测信号的幅值为:rx=rd-r。
本实验的具体实验步骤为:首先调节策动力幅值r, 使混沌到大周期的临界状态出现在Duffing振子系统之中, 此时rd=r=0.8247;然后向Duffing振子系统之中输入淹没在背景噪声中的目标信号s (t) , 此时无论是时域还是频域的Duffing振子系统均发生了巨大的变化, 相图如图6;然后再次改变策动力幅度值r, 系统再次出现混沌为止, 如图5, 此时策动力幅值为0.8246;则待检测信号的幅值为:rx=rd-r=0.0001。
由本实验可以看出, 强噪声背景下的微弱瓦斯信号可以被混沌振子系统有效的检测, 所以为了瓦斯信号被有效检测乃至井下安全作业, 提出了基于Duffing振子的微弱瓦斯信号检测法,
3、结语
由于瓦斯信号的微弱性以及井下自然环境的恶劣, 本文在井下瓦斯浓度信号检测之中引入了最新的基于混沌技术微弱信号检测法。通过建立Duffing振子系统, 其初值敏感性以及检测微弱信号的原理得到了深入的分析, 并给出了计算机仿真图。最后进行了数据仿真, 仿真结果证明了瓦斯信号能被基于混沌理论的井下瓦斯浓度信号检测法有效的检测。
参考文献
[1]王振东, 罗先熔, 王坚, 邱伟, 王光洪.地电化学技术在青藏高原冻土覆盖区寻找隐伏金矿的研究[J].现代矿业, 2012, V28 (02) :50-52.
[2]Guanyu Wang, Dajun Chen, Jianya Lin, etal, The Appli-cation of Chaotic Oscillators to Weak Signal Detection[J], IEEETransactions on Industrial Electronics, 1999, 46 (2) :440-445.
[3]庄艳丽.基于混沌振子的微弱信号检测方法研究[D].成都:成都电子科技大学, 2006.
[4]李亚安, 贾雪松, 孙进才.基于局部投影理论的水声信号降噪处理研究.西北工业大学学报, 2005, 23 (2) :147-151.
[5]李月, 郭华, 唐方江等.噪声通过混沌振子后统计特性的定性分析[J]吉林大学学报, 2002, 32 (3) :287-289.
[6]T.M.Janaki and G.Rangarajan, Computation of the Lyapunov spec-trum for continuous-time dynamical systems and discrete maps, Physical Review E, 60 (1999) :6614-6626.
[7]WANG Li, GAO Jian-Jun.Design and Implement of Mix-ModeMine Dynamic Management Information System[J].Modern Mining, 2012, V28 (03) :1-4.
[8]李月, 杨宝俊, 石要武等.混沌振子用于强噪声下微弱正弦信号的检测[J].吉林大学自然科学学报, 2001, 1 (1) :75-77.
[9]梁倩.微弱信号的混沌检测方法[C].西北工业大学硕士毕业论文, 2007.3.
混沌的作文 篇4
科学中的混沌，用自己的复杂，召唤事物深奥的简单。
诗歌中的混沌，对我来说，“用形和势/我造出了它”。
这“形和势”，离不开形象组合---我的河马我的飞鸟。
河马，是我创办《啤酒花》诗报时取的笔名，也出于对荷马的敬意。
飞鸟，是我阅读泰戈尔散文诗《飞鸟集》时，所留下的一点念想吧。
我的河马，它的丑陋，与雨果笔下巴黎的敲钟人一样，只属于表面。
而它的善良，都源于天性中爱与朴素的力量。“因为丑陋/正如善良”。
我的飞鸟，它的替身，该不是活生生的歌谣。而它的跳跃，源于轻捷。
是的，“无论接受或者反对/飞鸟似的歌谣/仍在水中发出轻捷的鸣叫”。
在我的想象中，“河马的清啸”，与“飞鸟似的歌谣”，都是说唱的形式。
处在另外的情况，我想让飞鸟栖息在河马的头顶，从而完成合体仪式。
此情此境，河马“想飞的感觉”，无疑构成混沌存在的方式。
于是我的河马，“下水就任水包围/虽然水草肥美/简单就不想太累”。
于是我的飞鸟，“吸收你(存在)的花园/不带走一片忏悔的花瓣”。
从语义学上看，我的混沌，不仅仅是一种形象组合，更是一种美学尺度。
基于混沌免疫聚类的异常检测算法 篇5
人工免疫系统是一种复杂的自适应系统,它需要不断吸收和消耗物质能量,属于耗散系统。免疫系统的非线性动力方程[1]为:
式(1)中Ag表示抗原,Ag(t)表示在t时刻抗原的浓度,k反映抗原的增值率,当抗原浓度达到最大Agmax时,抗原不再增殖。k′ 表示细胞死亡速率。
对式(1),初值Ag(0)=0.3,μ=k-k′取值从0-4,对μ和Ag作系统分岔图,如图1所示。由图1可以看出,当μ<3时,系统处于稳定状态,当μ>3时,系统出现分岔,随着μ的逐渐增大,当μ=3.7时,系统呈现一片混沌状态。
2 混沌免疫聚类算法
aiNet算法[2]实现免疫的过程主要是对生物免疫系统的抗原变异、克隆选择、网络抑制和亲和力成熟等生物机理进行模拟。aiNet算法存在诸多局限性问题:(1)基于学习的aiNet算法在对网络数据集合时,抗原与抗体、抗体与抗体之间的亲和度主要利用距离原则度量;(2)aiNet算法参数过多,导致参数选择过于敏感;(3)获得的结果是经过克隆和变异之后得到的免疫细胞集合,结果不足以完全表述原数据集的聚类效果;(4)aiNet算法对于边界模糊数据和高维数据来说,其聚类效果较差。
在分析人工免疫系统的混沌特性[3]及aiNet算法局限性的基础上,本文将混沌优化、相关度及模拟退火算法应用于aiNet算法中,提出一种改进的CO-aiNet算法。
这里采用有限区域折叠无限次的混沌模型来产生混沌变量,使其混沌特性更明显。一维混沌自映射[4]定义为:
其中,初始值不能为0,也不能为无穷多个不动点中的任意一个,不动点为的解。
权重矢量[5]定义:假设X群体中拥有m个个体,pn作为n维空间的矢量,每一维度都会与一个评判标准相对应,在某问题中的第i个成员关于n个评判标准得到的度量值为:vji,j=1,2....,n,vji≥0。将vi=v1i,v2j,...,vnj作为X群体中的第i个成员权重矢量,x =1,2....,m。
相关度[6]定义:假设一个群体中的每个个体权重矢量是独立存在的,并且不完全相同,将权重矢量vi和vj的相关度定义如下:
其中,1<p< ∞,1<q< ∞ ,,║║p作为矢量的p范数,║║q作为矢量的q范数:
模拟退火算法[7]属于物理学科中对固体退火进行模拟的一种过程,常用于数据优化中,模拟退火算法可以对算法优化方向进行控制,利用概率准则避免陷入局部极值。
基于模拟退火算法的特征,对aiNet算法进行改进,得到CO-aiNet免疫聚类算法,该算法描述如下:
(1)按照评判准则对群体进行权重矢量数据处理。
(2)初始化免疫网络数据集,选择式(2)产生的(0,1)间的N个混沌变量作为初始化网络数据集Abs,记作M 。
(3)对每个抗原Ag按照如下环节操作:(1) 计算相关度,得出抗原Ag与初始化网络数据集Abs中抗体的相关度,记作r(Vi,Vj);(2)从初始化网络数据集Abs中选择亲和度最高的p个抗体,将其作为临时抗体网络集t;(3)基于临时抗体网络集t进行克隆计算,得到被刺激抗体的克隆数量Nc;(4)基于临时抗体网络集t,通过模拟退火算法进行变异;(5)计算被刺激抗体的克隆数量Nc与抗原的相关度,记作r,将相关度较小的抗体删除;(6)基于临时抗体网络集t进行抑制操作,通过计算抗体之间的距离和度量公式对抗体之间的亲和度d进行定义,将超过阈值的抗体删除;(7)将抗原Ag添加到临时抗体网络集t中,再将临时抗体网络集t带入到M中,获得新的抗体网络集;(8)计算得出M中抗体与抗体之间的亲和度,将超过阈值的抗体删除。
(4)令k+1,判别迭代终止条件,将满足条件的作为抗体网络集输出,若满足k+1的条件,则转至(3)。
本文对aiNet算法进行了改进,主要体现在如下几个方面:(1)对权重矢量定义,将群体中的个体定义为具有n个维度属性的矢量,并按照相关准则给予矢量一定的权重,综合考虑不同属性在算法执行中的意义;(2)对相关度进行定义,改进了aiNet算法中抗原距离的度量公式,具有n个维度属性不能仅仅度量其距离,本算法利用相关度准则来度量距离;(3)选择变异概率,aiNet算法仅采用固定概率来操作变异,本算法提出利用模拟退火算法来操作变异,抗体变异概率会随着训练数量的增加而逐渐减少,降低了抗体网络的规模;(4) 综合考虑原始数据集的分布情况,增加了将抗原带入到抗体网络集的操作环节,明确了原始数据的分布情况;(5)当两个抗体之间的亲和度超过阈值时,抑制操作采用将后面抗体删除的后进先出操作方式。
对CO-aiNet免疫聚类算法进行理论分析:假设M中的最大抗体数量为m ,克隆临近抗体得到被刺激抗体的克隆数量Nc。将初始网络数据规模记作n,执行(3)中的8个操作环节,将其复杂度记作O(k×m),(3)的时间复杂度记作O(k×m×n),进化迭代临时抗体网络集t,得到整体算法的时间复杂度为O(k×m×n×t),m、n、t的取值均为可控数量级,尤其是m对于n来说是大规模网络群体中的小数量级。 因此,时间复杂度接近数量级O(n)的范围。
在上述公式中,群体X的两个权重矢量vi和vj的相关度r(Vi,Vj)均符合不等式公式(5):
证明过程:根据Holder公式推论得到xy ≤xp|p+yq|q成立,x ≥0,y≥0,且,当αti=βti=0时,结论成立。
当不完全等于0时,则有:
将αti和βtj带入以上定义式,证明公式(5)成立。
3 基于混沌免疫聚类的异常检测算法ICAD
根据混沌免疫聚类算法,使用聚类融合[8]方法将其应用于异常检测方面。
首先定义共识函数,采用异常因子方法判断划分好的聚簇属性,即该聚簇属于正常簇还是异常簇。
定义主聚簇:若C = (c1,c2,...,ck)为聚簇集合,存在|Ci|= max(|Cj|),1≤j≤k,则认为Ci为该集合中的主聚簇。其中|Ci|表示簇的大小。令ci为主聚簇Ci的聚类中心,ri为主聚簇的半径,则有ci=∑xj/|ci|,xj∈cj,ri= max(xj,ci),xj∈cj;其中xj,ci表示两个向量的欧氏距离。
定义异常聚簇:若存在一个聚簇,该聚簇中包含的对象数量小于设定的数量阈值,或聚类中心到主聚簇中心的距离大于距离阈值N ×ri(N为设定的常数),则认为该聚簇为异常聚簇。
定义正常聚簇:当一个聚簇不是异常聚簇且其协方差矩阵非奇异,则认为该聚簇为正常聚簇。
根据上述定义,即可定义异常因子。
异常因子:对于一个数据项xi,异常因子OF (xi)为:
其中cj为聚簇Cj的聚类中心,∑-1j为Cj的协方差矩阵的逆矩阵,L为正常聚簇的集合,xT表示向量的转置,异常因子表示属于异常聚类的对象,其异常因子无穷大;而对于其它聚簇中的对象,其异常因子为距离正常聚簇的最小马氏距离[9]。
在定义好共识函数后,即可使用混沌免疫聚类算法并结合聚类融合方法进行异常检测。ICAD算法流程如图2所示,步骤如下:(1)初始化数据集,设置混沌免疫聚簇算法参数,设置阈值区间[α,β]和融合次数k;(2)在区间[α,β]内随机生成阈值,使用混沌免疫聚簇算法对数据集进行聚类分析,获得聚簇集合C;(3)对聚簇集合C内的聚簇进行分类,标记异常聚簇和正常聚簇;(4)根据异常因子公式计算数据的异常因子并记录。异常聚簇内的对象均标记一次异常数据;(5)对数据的异常标记次数为q,若当前异常标记数与当前融合次数比大于设定的τ时,认为该数据为异常数据,放入异常数据集中;(6)若达到融合次数,则输出异常数据集中的数据,输出数据即为数据集中的异常数据。否则,返回(2)进行下一次聚簇融合。
根据不同的阈值不断进行混沌免疫聚类算法,根据聚簇分类对其标记,以此检测异常数据。这样,通过多次标记后仍被认为是异常数据的对象,则认为是数据集中的异常数据。这种方法可以很好的排除孤立点,或降低由于参数选择而被意外标记为异常数据的对象所带来的高误检率。
4 实验结果分析
检测率和误检率是衡量异常检测算法性能的两个指标,检测率是指被检测为异常数据占样本集中所有异常数据总数的比例;而误检率指被误检测为异常数据的正常数据占数据集中正常数据总数的比例。
算法实验采用KDD CUP 99 数据集[10]作为实验数据。该数据集为1998年麻省理工学院Lincoln实验室用于入侵检测模型评估而建立的测试数据集,它包含的异常数据分为4大类:DoS(拒绝服务攻击)、R2L(非法远程访问)、U2R(非法访问超级用户或根程序)和PROBE(威胁或扫描系统漏洞)。因此,该数据集适用于网络异常数据检测的实验数据。
在数据集中随机抽取5个数量为1 000的样本数据集,并使每个数据集中正常数据约占90%,异常数据约占10%。利用这些数据集进行实验,检测结果如表1所示。
通过表1可以看出,算法在异常检测上可以有效区别正常数据和攻击数据,具有较好的稳定性,对于网络入侵检测可行性高、检测效果明显。
为了更好地体现算法在网络入侵检测方面的优越性,从实验数据中选取单一攻击类型的样本数据进行检测,与aiNet聚类算法和常见K- Means聚类算法对比。选取DoS类型的数据样本neptune,U2R类型的数据样本buffer_overflow,R2L类型的样本数据guess_password和PROBE类型的数据样本portsweep,对这3种算法进行检测,图3为3种算法检测率对比,图4为3种算法误检率对比,实验结果如表2所示。
通过在4种不同数据集上对基于混沌免疫聚类的异常检测算法和基于aiNet聚类异常检测算法及基于KMeans聚类的异常检测算法的实验对比可知,本算法无论是检测率还是误检率都具有明显优势,算法应用于网络异常检测,可以保证检测的准确性。
5 结语
本文介绍了一种基于混沌免疫聚类的异常检测算法,算法主体以混沌免疫聚类对数据的分类检测为主,采用聚类融合的方法进行异常检测。在Matlab实验环境下进行仿真实验,结果表明:混沌免疫聚类算法比传统的aiNet算法在网络数据异常检测中准确性和收敛时间能力更好。结合聚类融合方法对网络数据异常检测的准确性和稳定性提高作用显著,具有良好的应用前景。
参考文献
[1]张楠.人工免疫系统的混沌机制及在网络入侵检测中的应用[D].成都:四川大学,2006.
[2]刘韬,王耀才,王致杰.一种基于人工免疫系统的聚类算法[J].计算机工程与应用,2004(19):182-184.
[3]JANEWAY JR C A.The immune system evolved to discriminate infectious nonself from noninfectious self[J].Immunology today,1992,13(1):11-16.
[4]MANNIE M D.Immunological self/nonself discrimination[J].Immunologic research,1999,19(1):65-87.
[5]杨东海.人工免疫模型集成与应用研究[D].广州:华南理工大学,2005.
[6]王炼红.人工免疫优化与分类算法及其应用研究[D].长沙:湖南大学,2009.
[7]TIMMIS J,KNIGHT T.Artificial immune systems:using the immune system as inspiration for data mining[J].Data Mining:A Heuristic Approach,2002(1):209-230.
[8]刘静,钟伟才,刘芳,等.免疫进化聚类算法[J].电子学报,2001,29(12A):1868-1871.
[9]黄学宇,魏娜,陶建锋.基于人工免疫聚类的异常检测算法[J].计算机工程,2010,36(1):166-169.
混沌检测 篇6
信号接收是通信系统中重要的环节,而信号检测是接收中的重要环节。传统的提取方法如带通滤波、噪声抵消、相干检测等线性方法,能够达到一定的检测目的,但是对于微弱信号的提取效果并不理想。混沌理论作为非线性理论的重要成就之一,被运用在物理、经济学、医学、通信等诸多领域。
由于微弱信号幅值极小,在传输过程中又经常受环境噪声以及设备内部的噪声影响,使得对其检测十分困难。Donald L.Birx在1992年展示了将混沌振子用于信号检测的结果[1],1994年王冠宇成功地将可以检测的信噪比扩展到-26db[2]。
混沌系统对小信号的扰动十分敏感,对于随机噪声有很强的免疫能力,同时还能克服传统方法所导致的设备复杂,可能使有用信号受到损失等缺点,这些优点使其在微弱信号检测方面具有广阔前景。
2 Duffing系统
2.1 Duffing-Holmes方程
采用由Duffing-Holmes方程所构成的混沌振子系统。
完整的Holmes型Duffing振子为:
其中γcos(ωt)为周期策动力,k为阻尼比,-αx+βx3为非线性恢复力。
从微弱信号检测的角度考虑,综合检测下限,混沌判据等因素,正弦信号的检测模型确定为:
此系统表现出丰富的非线性动力学特性,随着策动力的增大,分别经历周期振动、同宿、周期倍化分叉、混沌、大尺度周期运动状态。这对微弱信号的可检测性起到至关重要的作用。
2.2 Duffing系统的设计
在上节提到的duffing方程中,令x(t)=x(ωτ),则方程变为:
因此,可通过matlab-simulink建立duffing系统进行仿真。根据相图可以看出,当未加入信号时,如图1所示,系统处于混沌状态。当加入与策动力频率一致的微弱周期信号时,发现系统立刻由混沌状态跃迁为大尺度周期态,如图2所示,相点被牢牢束缚在大周期轨道之内。
利用Duffing振子对微弱周期信号的敏感特性,即相图明显跳变的特性,就可检测出是否有信号输入。
3 利用Duffing振子检测2FSK信号
3.1 检测2FSK信号的方法
2FSK信号的表达式为:
根据2FSK信号与一般正弦信号的关系,以及duffing振子只对与自身策动力频率一致的信号敏感的特性,可以设计出利用duffing振子系统检测2FSK信号的基本思想:
首先调节duffing振子系统,使它的策动力设为ω1,调节策动力的幅度,使之处于由混沌状态到大尺度周期状态的临界值,此时,系统相图显示为混沌状态,然后输入2FSK信号,当输入信号为0时,载波频率与混沌系统内置策动力频率一致,相图显示为大尺度周期状态;当输入信号为1时,载波频率与混沌系统内置策动力频率不一致,相图显示为混沌状态,因此,系统的相图就会在混沌状态和大尺度周期状态之间不停转换。同样,如果调节duffing振子系统,使它的策动力设为ω2,那么系统的相图显示是和策动力为ω1时的相图是完全相反的,这点从输出时域波形上也可以看出。因此,可以通过每个码元宽度内系统状态的变换辨别出2FSK信号的原始码元。
3.2 仿真分析
当输入二进制码元为[1,0,1,1,0],码元速率为1Baud。
设2FSK信号ω1≡40*pi(rad/s),ω2≡20*pi(rad/s)幅度为0.001V。则2FSK信号如图3所示。
设置系统内部策动力频率40*pi(rad/s),幅度为系统阈值0.725V。
将2FSK信号输入duffing振子系统后,系统的相图在大尺度周期态和混沌状态之间交替变化。而系统的时域波形显示得更为明显,如图4所示。
设置系统内部策动力频率20*pi(rad/s),幅度为系统阈值0.725V,输入2FSK信号后,系统的相图变化与之前相反,时域波形如图5所示,与图4对应。
最后根据对时域波形识别,就可以还原出原始二进制码元波形如图6所示。
同时,由于系统只对与Duffing振子所设策动力频率相同的周期信号具有敏感性,因此它针对其他频率的周期信号以及外界噪声具有很强的抗干扰能力。同时通过实验验证,当系统加入高斯白噪声后,载波的最大输入信噪比可达-83db。
4 结语
通过对Duffing振子的特性分析以及方程的演变,构建出利用duffing振子检测微弱周期信号的模型,并结合2FSK信号的特性,设计出检测2FSK信号的方法,并通过simulink进行仿真验证。理论分析和仿真实验都证明了利用混沌系统检测2FSK信号的可行性,并且在极低信噪比情况下,译码依然正确。
混沌系统检测微弱信号与传统方法相比,设备简单,实时性强,并具有很强的抗噪性能,具有广阔的应用前景。
参考文献
[1]Chaotic oscillators and complex mapping feed forward networks(CMFFNS)for signal detection in noisy environments DonaldL.B irx,IEEE International Joint Conference on neural net-work s,1992,2:881-888.
[2]王冠宇,陶国良,陈行,林建亚.混沌振子在强噪声背景的信号检测中的应用[J].仪器仪表学报,1997,18(2):209-210.
[3]李月,杨宝俊.混沌振子检测引论.电子工业出版社,2004,(1):51-52.
混沌检测 篇7
众所周知, 一个理想的电力系统和供电系统是以单一恒定频率和恒定幅值的稳定电压供电的, 它的电压和电流理论是纯粹的正弦波形。随着现代工业、交通等行业使用的换流设备数量越来越多、容量越来越大, 另外电弧炉、家用电器等非线性用电设备接入电网, 将其产生的谐波和间谐波电流注入电网, 所有这些都影响了电能质量。谐波为基波频率整数倍的电压或电流信号, 间谐波为任何非整数倍基波频率的电压或电流信号。谐波使电能的生产、传输和利用的效率降低, 使电气设备过热、产生振动和噪声, 并使绝缘老化, 使用寿命缩短, 甚至发生故障或烧毁;频率高于基波频率的间谐波会干扰音频设备正常工作, 引起感应电机噪声和振动等, 频率低于基波频率的间谐波会引起电压闪变, 低频继电器的异常运行等等。谐波和间谐波的危害使得治理和检测就变得十分紧迫, 然而间谐波多表现为微弱信号, 其精准检测成为难点, 本论文利用混沌振子对周期信号十分敏感和噪声的免疫特性, 探索实现对微弱间谐波信号精准检测及对虚假间谐波的识别[1,2,3,4,5]。
1 频谱泄漏
在谐波和间谐波测量中, 所要处理的信号均是经过采样和A/D转换得到的数字信号。设待测信号为x (t) , 采样间隔为Ts秒, 采样频率fs=1/Ts满足采样定理, 即fs大于信号最高频率分量的两倍。则采样信号为x (n) =x (n·Ts) , 并且采样信号的长度总是有限的, 即n=0, 1, …, N-1。也就是说, 所分析的信号的持续时间为T=N·Ts, 这相当于对无限长的信号做了截断———相当于给无限长的信号加了一个矩形窗, 因而造成离散傅立叶变换的泄漏现象[6]。
频谱泄漏现象如图1所示, 显然泄漏误差来自两个方面, 由信号负频分量引入的长范围泄漏 (Long-Range Leakage) 和由窗的扇形损失引入的短范围泄漏 (Short-Range Leakage) 。由于泄漏频谱的存在, 使得微弱电力信号淹没在泄漏频谱中难于检测, 同时由于频谱泄露产生虚假间谐波, 探索新的检测方法就十分必要。
2 Duffing混沌振子特性分析
2.1 Duffing混沌振子对噪声免疫特性分析[1]
常用的Duffing混沌振子方程为
其等价系统为
对于给定的阻尼比k, 随着γ的变化, Duffing系统表现出的复杂的动力学行为:
(1) 当γ=0时, 系统任意初值的演化轨线将收敛到其中的一个焦点;
(2) 当γ从0逐渐增加时, 系统解在相空间中的轨线将出现偶阶次分岔, 系统按外加周期策动力的周期或倍周期振荡;
(3) 当γ进一步增加至γc (混沌临界值) , 系统将会产生Smale马蹄意义下的混沌运动;
(4) 当γ>γp (大周期临界值) 时, 系统将进入大尺度周期振荡。
混沌系统随参数变化的分岔图见图2所示:
假设Duffing系统处在混沌临界状态的混沌解为x, 由于0均值、方差为σ2的高斯白噪声n (t) 的影响, 混沌解受到扰动△x。那么此时的Duffing方程为
可以证明, E{△x (t) }=0, 方差D{△x (t) }→0。这说明噪声对混沌系统的扰动几乎不存在, 在实际检测中t不可能为无穷大, 所以噪声会对系统产生一定的影响, 但其影响较小, 不会改变系统原有的运行轨迹, 只会使轨迹变得粗糙。因此, 可以说混沌系统对噪声表现出较强的免疫特性。
2.2 Duffing混沌振子对周期信号敏感特性分析[1]
考虑一种变形的Duffing方程
其中γcos (ωt) 为周期策动力, ω为策动力角频率, γ为周期策动力幅值, 方程 (2-26) 改写为
将系统状态调整到混沌和大周期的临界状态, 此时γ=γp, 外加信号假设为单频信号, s (t) =acos ( (ω+△ω) t+φ) , 其中△ω为外加信号与振子策动力频率差, φ为相位差, 噪声为0均值的高斯白噪声n (t) , 则检测系统表示为
可以证明, 若△ω=0, 当时, 系统仍保持混沌演化, 当φ不在这个区间时, 系统将由混沌态跃迁到大周期态。若△ω≠0, 此时系统将间歇性地出现混沌现象, 间歇周期为2π/△ω。可见频差不能太大, 如果频差太大会导致间歇混沌周期很小, 而无法观察间歇混沌行为。
3 Duffing混沌振子对微弱电力信号的检测
3.1 电力信号模型
考虑噪声的信号模型为[7,8,9,10]
根据v (t) 噪声类型不同, 又可以分为白噪声和色噪声情况下的电力系统谐波和间谐波检测。目前较多考虑的情况为
其中v (t) 为白噪声, 工程中信号的初始采样点具有随机性, 可以反映为初始相位的随机性, 可以把φm看作服从0~2π范围内均匀分布的随机变量。
3.2 检测步骤
第一步:利用FFT算法检测电力信号基波和谐波成分;
第二步:进行陷波器设计, 滤除电力信号基波和谐波成分, 保留残余电力信号;
第三步:构建Duffing混沌振子电路, 参数置于大周期临界值;
第四步:间谐波信号作为Duffing混沌振子电路, 观察电路输出特性。
3.3 检测结果判断
由于间谐波在残余信号中, 无可避免会受到噪声干扰, 然而Duffing混沌振子电路对噪声具有特殊的免疫特性, 不会对周期信号间谐波的检测产生干扰。观察Duffing混沌振子电路的输出特性, 按照Duffing混沌振子电路出现分叉的动力学行为, 可以判断间谐波的存在和虚假间谐波的识别。
4 结论
利用Duffing混沌振子对噪声的免疫特性和对微弱周期信号的敏感特性, 可以高精度实现对微弱信号间谐波的检测和对虚假间谐波的识别, 但是该方法只能对微弱电力信号间谐波的存在和虚假进行识别, 对信号的频谱特征识别还需要应用谱估计和FFT算法进一步识别。
参考文献
[1]魏恒东.混沌直扩信号检测与与混沌同步研究[D].成都:电子科技大学, 2010.
[2]梅永.同步采样的最佳实现与误差校正新算法[D].南京:河海大学, 2006.
[3]戴先中.准同步采样及其在非正弦功率测量中的应用[J].仪器仪表学报, 1984 (4) :390-396..
[4]王柏林, 梅永.电力系统谐波分析的近似同步法[J].仪器仪表学报, 2006, 27 (5) :484-488.
[5]王柏林.频谱小偏差校正新方法[J].电力系统自动化, 2005, 29 (20) :46-49.
[6]王柏林.随机环境下电力系统谐波分析算法[J].电力系统自动化, 2008, 32 (3) :22-25.
[7]张贤达.现代信号处理[M].北京:清华大学出版社, 2002.
[8]王柏林, 刘华.用准同步离散Hilbert变换测量无功功率[J].电测与仪表, 2003, 40 (12) :13-15.
[9]Jiefeng Xiong, Boling Wang, Shaoyong Zhang.Interharmonics analysis based on windowed interpolation and prony algorithm[C]//in Proc.of the 2nd International Asia Conference on Informatics in Control, Automation and Robotics, Wuhan, China, Mar.2010.
混沌检测 篇8
强噪声背景下微弱信号的检测广泛应用于工业故障诊断及通信信号接收等领域,对新技术研究及相关领域的发展具有重要的意义[1,2]。噪声对弱信号检测实现的影响是该领域中的一个重要课题。文献[3]讨论了高斯白噪声对弱信号混沌检测的影响,文献[4]主要研究了色噪声背景下微弱正弦信号的混沌检测方法,文献[5]研究了基于混沌相平面变化的微弱信号检测算法,实现了信噪比为-48 dB条件下微弱信号的检测。
应用混沌相平面检测算法对各种噪声条件下系统的检测性能进行了研究,对基于Duffing方程的混沌系统在白噪声、色噪声及脉冲噪声等各种噪声背景下的免疫性进行了仿真分析,为进一步探究混沌系统优良抗噪性能的机理,降低强噪声背景下可检测信号的信噪比门限提供了一定的依据和借鉴。
1 基于Duffing振子的正弦信号检测
混沌动力学系统主要有Duffing模型和Lorenz模型和Vanderpol模型等,其中Duffing方程研究的比较充分,在微弱信号检测领域应用广泛[6]。Holmes型Duffing方程标准形式如下:
式中,γcos(ωt)为系统内置周期策动力,k为阻尼比,-x+x3为非线性恢复力。
基于Duffing方程构成的混沌系统对周期策动力的强度γ有强烈的敏感性,在阻尼比固定的情况下,随着周期性策动力的强度变化,系统将历经同宿轨道、分叉轨迹、混沌状态、临界状态以及大尺度周期状态等,表现出丰富的非线性动力学特性[7]。其中,系统在混沌态对应的相图为一定区域内永不封闭的轨迹,在大尺度周期态对应的相图为封闭曲线,二者截然不同,因此,常将系统由混沌状态到大尺度周期状态的转变作为微弱信号检测的依据,如图1所示(图2均略去了过渡状态点)。
弱信号检测原理:将待测信号作为作为Duffing方程周期策动力的摄动,当系统周期策动力γ=γd时,系统处于临界状态。但是此时若有满足特定条件的信号加入到系统中,即使信号的幅值极小,系统也将发生相变由混沌状态进入大尺度周期状态,然后根据系统是否发生相变来判定信号的存在与否及被测信号幅度、频率等物理量。
2 噪声影响分析
如果在微弱信号检测中不考虑噪声的影响,系统在混沌态和大尺度周期态下的相平面轨道都是平滑的。但是,事实上在任何信号检测过程中,检测过程中的噪声都是不可避免的。
假设n(t)为检测过程中的噪声,添加噪声n(t)后,系统检测方程为:
分析表明,Duffing系统在外加周期驱动力时的平衡态为双曲平衡态。假设系统检测方程在临界状态下的解为x,用Δx(t)表示噪声对系统检测输出x(t)的微小扰动,其中,假设噪声的均值为0,方差为σ2,经整理得出噪声存在的情况下系统的随机微分方程形式[8]:
相比系统检测输出x(t),Δx(t)的值很小,所以略去Δx(t)的高阶量,得到式(3)的矢量微分方程形式:
其中,主要矢量分别表示为:
, (5)
, (6)
。 (7)
该矢量微分方程存在一个满足某个初始条件的唯一的解,可以表示为:
X(t)=Φ(t,t0)X0+∫
式中,Φ为系统的状态矩阵。由于主要对系统稳态时的性能进行分析,而式(10)第1项为暂态解,将很快衰减为0,对于第2项,考虑其统计特性,有:
E[X(t)]=∫tt0Φ(t,u)E[N(u)]du=0, (9)
ΓXX(u,v)=∫
其中,
。 (11)
ΓYY(u,v),ΓXX(t,s)分别表示输入噪声在时刻u和v,输出噪声在时刻t和s的相关函数矩阵。在式(11)中,令u=v,t=s,t0=-∞,可以得到噪声在某时刻的均方值:
由上可以得出结论:噪声并没有对系统原轨迹产生根本的影响,只是使系统的运行轨迹变得不再光滑,在理想轨迹附近有波动,即噪声使系统输出相轨道上布满了“毛刺”,其粗糙程度的大小由方差决定,但总体均值为零。另外,由于上述推导过程中对噪声分布的问题并没有进行限定,因而理论上,对于任意分布的平稳随机噪声,基于Duffing方程的混沌系统都具有良好的免疫性能。
3 仿真实验分析
(1)实验1 混有白噪声的正弦信号检测
调整系统的内置周期策动力强度为γ=0.80,使系统处于临界状态,加入高斯白噪声并逐渐增加噪声强度,发现系统仍将处于混沌状态,如图2(a)所示;加入混有高斯白噪声的正弦信号,待测信号强度为0.01 V,系统将跃变到大尺度周期状态,如图2(b)所示;由于噪声方差较小,系统相轨迹比较平滑,“毛刺”几乎看不到;继续增大白噪声强度,系统轨道将变粗,“毛刺”增多,如图2(c)所示;当噪声增加到一定强度时,噪声干扰将占据主导地位,由系统相图将无法判别系统是否发生相变进入了大尺度周期状态,如图2(d)所示。
系统可检测信号的信噪比为:
其中,图2(b),图2(c),图2(d)的信噪比分别为:-26 dB,-36 dB和-46 dB。进一步的仿真实验表明,基于Duffing方程的混沌检测系统的检测门限可达-42 dB。
(2)实验2 混有色噪声的正弦信号检测
采用高斯白噪声通过低通滤波器的方法产生色噪声,其中滤波器为四阶低通滤波器。系统传递函数为:
其中,通过调节滤波器参数k,可以实现对噪声功率的控制。归一化的通带截止频率为ωp=0.15 Hz,阻带起始频率为ωs=0.2 Hz,调整滤波器参数k,使得噪声功率变为2.115×10-4 W,待测正弦信号强度为0.01 V,加入正弦信号后系统的相轨迹跃变到大尺度周期状态,此时系统实现检测信号的信噪比为SNR=-29.633 0 dB。
(3)实验3 混有脉冲噪声的正弦信号检测
该节对混有脉冲噪声的正弦信号进行检测实验,噪声的脉冲峰值分别为Vp=0.4,0.6,0.8,1.0,1.2,1.4,对受到不同强度噪声污染的正弦信号进行检测实验,待测信号强度为B=0.01 V。检测结果表明,Vp=1.0时,系统相轨迹仍然非常平滑,Vp=1.2时,系统相轨迹在脉冲噪声峰值处有相应的大幅度冲击相应。故系统可检测信号的最大信噪比表示为:
(4)实验4 混有复杂噪声的正弦信号检测
对复杂噪声条件下混沌检测系统的抗噪性能进行实验分析。这种噪声在低振幅部分具有高斯特性,在高振幅部分具有近似于指数正态分布特性,总体可以表示为背景高斯白噪声和脉冲噪声的叠加,噪声模型为:
n(t)=Aem(t)sin[w0t+θ(t)], (16)
式中,m(t)为零均值实平稳高斯过程,方差为σ
定义偏差Vd为:
Vd=10σ
通过控制Vd的大小来模拟噪声成分的变化。Vd较小时,噪声中的脉冲成分所占的比例较小,噪声主要表现高斯特性;而当Vd的值增大时,噪声中的脉冲成分所占的比例也会随之变大,此时,脉冲成分集中了噪声的大部分能量,将对检测系统的性能产生显著的影响。
Vd=2和Vd=10时的噪声分布分别如图3和图4所示,由仿真可以明显地看出2种情况下噪声分布的差别(仿真实验中固定常量A=1)。
仿真实验结果表明,Vd较小时(Vd=2),噪声主要表现高斯特性,只有极少脉冲成分。采用式(15)的信噪比计算公式,系统可实现的信号检测门限为SNR=-41.693 3 dB;Vd较大时(Vd=4.5),噪声中的脉冲成分将继续增加,系统可实现的信号检测门限为-39.385 1 dB;继续增大Vd值(Vd=7),噪声中的脉冲成分增加,系统可实现的信号检测门限为-25.342 2 dB;
Vd非常大时(Vd=10),噪声将以脉冲成分为主,系统可实现的信号检测门限为-17.605 5 dB。
4 结束语
研究了基于Duffing方程的微弱信号检测方法,采用混沌相平面检测算法对不同噪声条件下算法的抗噪性能进行了分析,理论分析和仿真实验均表明基于Duffing方程的混沌检测算法对白噪声、色噪声、脉冲噪声及混叠噪声等都具有较强的免疫性和较低的信噪比工作下限,相对于传统的时域信号处理方法具有很大的优势。对基于Duffing方程的微弱信号检测方法的抗噪性能进行分析,为进一步探究混沌系统优良抗噪性能的机理, 降低强噪声背景可检测信号的信噪比门限提供了一定的理论依据和借鉴。混沌检测方法优异的抗噪性能,使得它在弱信号检测及相关领域极具发展前景。
参考文献
[1]李爽,徐伟,李瑞红.利用随机相位实现Duffing系统的混沌控制.物理学报,2006,55(3):1049-1054.
[2]CHEN H,VARSHNEY P K,KAY S M,et al.Theory ofstochastic renson-ance effect in signal detection:part1-dixed detectors.[J].IEEE transactions on SignalProcessing,2005,55(7):3172-3185.
[3]兀旦辉,李秦君,杨萍.噪声对基于Duffing方程弱信号检测的影响研究.计算机测量与控制,2010,18(1):61-63.
[4]李月,杨宝俊,石要武.色噪声背景下微弱正弦信号的混沌检测[J].物理学报,2003,52(3):526-530.
[5]张浩然,侯楚林.基于混沌相平面变化的微弱信号检测[J].计算机测量与控制,2010,18(12):2718-2720.
[6]WANG Xu-yi,FEI Rui-wang.Detection of Amplitude-varied Weak Signal by Gene-tic Adaptive StochasticResonance Algo-rithm[C]∥ICEMI,2007(2):626-630.
[7]叶青华,黄海宁,张春华.用于微弱信号检测的随机共振系统设计[J].电子学报,2009,37(1):216-220.
混沌检测 篇9
许多事物都存在着混沌现象。一般来说, 混沌意味着无秩序的运动[5], 在动力系统中, 混沌有着更精确的意义, 在初始条件的细微改变, 经过事物的发展, 将初始的差别将呈指数规律迅速变化。
混沌运动是确定非线性动力学系统所特有的复杂的动力学形态, 它的运动是一种全局压缩而局部扩张、整体稳定而局部不稳定的运动。为了与其他复杂运动相区分, 混沌有着三个基本规律:
( 1) 初始条件敏感性, 细微的差异将会导致结果的巨大不同, 这也被称之为" 蝴蝶效应"[6,7];
( 2) 非周期性, 后面的运动不会按照前面运动的规律进行, 不会与前面运动重复;
( 3) 非长期预测性, 存在奇异吸引子, 可以进行短期预测。
1混沌的特征参数
1. 1准相图
离散的时间序列常用准相图来表示, 信号的导数用信号的适当延迟来代替所表示的相图, 可以定性的说明系统运动是否具有混沌特性, 相图形状的变化可以区分发动机的不同运动状态。系统作周期运动时, 准相图是简单的闭环曲线; 系统作准周期运动时, 准相图为相交的闭环曲线; 准相图表现为无限精细的分形结构时, 为混沌运动[8,9]。
对于一个时间序列{ Xk: k = 1, 2, …N} , 准相图具有XK~ Xk + i点对的平面结构, k为时间迟滞。对不同的k, 准相图将有不同的形状。
1. 2Poincare截面
振动信号序列中存在一些噪声信号使信号特征变的模糊, 为此可以将奇异吸引子投影到中能充分反映源系统动力特性相轨道的基上。对一维时间序列进行相空间重构, 运用matlab构造协方差矩阵并计算特征向量和特征值, 选择最大的特征值对应的特征向量为主轴, 将奇异因子投影到这个主轴构成的平面上, 该平面的投影吸引子图像纪委奇异吸引子的Poincare截面[9,10]。这个截面反映奇异吸引子的特性, 包含了所研究系统最主要的动力特性, 并可抑制噪声, 如果系统是混沌的, 则这个截面上的点集是非有限或非闭环的。
通过对Matlab对发动机一缸振动信号的计算, 对比不同缸壁间隙下的准相图和Poincare截面的形状和分布情况, 可以判别发动机在混沌状态下的缸壁间隙情况。
2实验装置及分析
实验采用的是DA462 实验台架, 台架主要由DA462 发动机, 三相异步电机, 传感器, B&K Type3050 - A - 060 振动采集模块, 以及电脑等组成。传感器由曲轴位置传感器, 电压传感器, B&K Type 4050 B 004 型单向振动传感器。DA462 发动机实验台架组成情况如图1 所示:
固定发动机的转速为1500r/min, 改变发动机缸壁间隙为0. 03, 0. 06, 0. 12mm ( 正常间隙为0. 04 - 0. 06mm) 分别代表缸壁间隙过小、正常、过大的情况。通过B&K信号采集系统采集0. 06 时的发动机振动情况如图2 所示:
图2 中第一个通道为曲轴位置信号, 第二通道为发动机一缸的点火信号, 第三通道为发动机一缸的振动信号, 第四通道为发动机四缸的振动信号。第二通道中的突变信号为一缸的点火信号, 第三通道中振幅突然增大表现为一缸点火前的活塞换向振动激励和点火振动激励, 图3 - 5 为缸壁间隙分别为0. 03mm, 0. 06mm和0. 12mm时发动机一缸振动波形图, 由图可以看出当发动机振动频率随着缸壁间隙的增大不断增大, 振动不断加强。
采集的数据为一维时间序列, 设为{ Xk: k =1, 2, …N} , 将时间序列利用Matlab进行计算后得到准相图, 缸壁间隙为0. 03mm, 0. 06mm和0. 12mm的时间序列进行相空间重构后作准相图如图7 - 9 所示:
转速稳定在1500r/min, 缸壁间隙为0. 06mm时发动机正常工作的振动信号和相同转速, 相同缸壁间隙时倒托工况的振动信号对比。正常工作时振动的主要激励为燃烧激励、活塞敲击激励和惯性力激励, 采用倒托工况作为对比, 可以观察相同条件下, 燃烧激励对发动机振动信号的影响程度[11,12]。图6 和图7 分别为倒托工况和正常工况的准相图。
图10 - 12 为转速为1500r/min时, 利用MATLAB计算出缸壁间隙分别为0. 03mm, 0. 06mm, 0. 12mm时的Poincare截面图
3 结论
1 缸壁间隙分别为0. 03mm, 0. 06mm, 0. 12mm时, 通过时间序列图可以看出随着间隙的增大, 时域信号振动加剧, 低频信号增加;
2 如图1 对比了发动机正常工况, 缸壁间隙为0. 03mm时1500r / min的振动信号与发动机1500r /min时倒托时的振动信号的准相图, 倒托工况时, 准相图更加集中, 在正常工作时的准相图相对更加分散, 从而可以看出发动机工作过程中的燃烧激励产生的振动对发动机整体振动信号影响较大;
3 在发动机工作过程过程中, 活塞在上下止点时的换向与缸壁间隙的大小有密切关系, 随着间隙的增大, 活塞的敲击和振动随之增大, 从准相图中可以看出, 在正常间隙0. 06mm时, 准相图的点集中在 ± 40, 而间隙过小 ( 0. 03mm) , 间隙过大 ( 0. 12mm) 时, 准相图都向主轴方向延伸, 且向对角线方向分散。Poincare截面图随着缸壁间隙增大, 向四周分散;
4 准相图和Poincare截面图的膨胀和分散程度充分说明了发动机缸壁间隙的大小情况。
参考文献
[1]党安鹏, 刘占峰, 朱艳玲, 等.基于BP与Elman神经网络的发动机缸壁间隙检测[J].山东交通学院学报:2015, 23 (1) :01-05.
[2]刘占峰, 司景萍, 梁红波.基于振动信号分析的发动机气缸壁间隙异常诊断[J].小型内燃机与摩托车:2011, 40 (2) :86-88
[3]张雨.时间序列的混沌和符号分析及实践[M].长沙:国防科技大学出版社, 2007:22 80-81.
[4]Jianhui XI, Wenlan HAN, Yanmei LIU.Relationship Analysis between Chaotic Characteristics of Acoustic Emission Signal and Tool Wear Condition[J].IWACI2010, 2010, Aug.2010:612-617.
[5]王洪刚, 唐力伟, 郑海起.混沌分形在内燃机振动信号分析中的应用[J].数据采集与处理, 2003, 18 (2) :214-217.
[6]陈军堂, 廖世勇, 甘剑锋, 等.分形维数在基于噪声的发动机故障诊断中的应用[J].车用发动机:2011, 196 (5) :89-92.
[7]张凤娇, 侯占峰.基于分形理论的柴油故障诊断分析[J].拖拉机与农用运输车:2007, 34 (2) :92-93.
[8]李国宾, 段树林, 于洪亮, 关德林.发动机振动信号特征参数的多重分形研究[J].内燃机学报Vol.26 (2008) No.1 87-91
[9]尹钊, 鄂加强, 赵智超, 张文强.车用发动机去噪声振动信号时间序列混沌分形识别[J].柴油机设计与制造2008, 15 (1) 32-34
[10]张赫桐, 卫绍元, 朱荣涛, 张怀锰.基于分形理论的发动机故障诊断分析[J].交通科技与经济2009, 52 (2) 32-33
[11]石博强, 薛辉.基于相空间重构的GMDH方法在复杂机械系统状态预测中的应用[J].北京科技大学学报Vol.21 No.6 Dec.1999 575-579