本發(fā)明涉及機器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)和時間序列預(yù)測，具體涉及基于多變量數(shù)據(jù)遲滯性檢測與對齊方法的大氣碳濃度預(yù)測方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、隨著全球碳排放問題的加劇，對大氣中碳產(chǎn)物濃度變化的研究變得愈加重要。二氧化碳(co2)和甲烷(ch4)作為主要的溫室氣體，對全球氣候變化具有深遠(yuǎn)的影響。xco2和xch4分別表示大氣中二氧化碳和甲烷的濃度，通常以體積分?jǐn)?shù)來表征。這些參數(shù)對于監(jiān)測和評估全球碳循環(huán)、氣候變化及溫室氣體排放的影響至關(guān)重要。

2、tccon(total?carbon?column?observing?network，全碳柱觀測網(wǎng))作為全球最為廣泛使用和公認(rèn)的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，提供了重要的數(shù)據(jù)支持。tccon通過全球各地的地面觀測站，利用高分辨率紅外光譜儀測量大氣中的總碳柱(xco2和xch4)。這些測量數(shù)據(jù)為研究人員提供了理解大氣中碳?xì)怏w時空變化的重要參考，幫助監(jiān)測溫室氣體排放并評估全球碳循環(huán)?，F(xiàn)有的預(yù)測模型往往忽視了多變量時間序列中存在的滯后性問題，尤其是在處理復(fù)雜的通道依賴關(guān)系時。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、為了解決以上技術(shù)問題，本發(fā)明提供了基于多變量數(shù)據(jù)遲滯性檢測與對齊方法的大氣碳濃度預(yù)測方法及系統(tǒng)，方法包括：

2、步驟s1、將監(jiān)測得到的多變量時間序列數(shù)據(jù)采用滾動窗口的方式，計算各所述大氣碳數(shù)據(jù)變量之間的相關(guān)系數(shù)隨時間的變化趨勢，基于所述變化趨勢構(gòu)建滯后關(guān)系矩陣；

3、步驟s2、基于所述滯后關(guān)系矩陣對所述多變量時間序列數(shù)據(jù)進行調(diào)整對齊，得到對齊后的多變量時間序列數(shù)據(jù)；

4、步驟s3、基于所述對齊后的多變量時間序列數(shù)據(jù)構(gòu)建并訓(xùn)練大氣碳濃度預(yù)測模型；

5、步驟s4、使用訓(xùn)練好的大氣碳濃度預(yù)測模型對實時獲取的待預(yù)測大氣碳濃度數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)處理，得到大氣碳濃度的預(yù)測結(jié)果。

6、可選的，步驟s1中，將監(jiān)測得到的多變量時間序列數(shù)據(jù)采用滾動窗口的方式，計算各所述大氣碳數(shù)據(jù)變量之間的相關(guān)系數(shù)隨時間的變化趨勢，基于所述變化趨勢構(gòu)建滯后關(guān)系矩陣的過程具體包括：

7、步驟s11、設(shè)定所述多變量時間序列數(shù)據(jù)的主變量j窗口x(j)t-l+1：t＝{x(j)t-l+1，...，x(j)t}，協(xié)變量i窗口x(i)t-l+1:t＝{x(i)t-l+1，...，x(i)t}，計算主變量j窗口與協(xié)變量i窗口的滯后滾動相關(guān)評分；

8、步驟s12、將所述協(xié)變量窗口向后移動一步并將所述多變量時間序列數(shù)據(jù)向右移動一個點，基于移動后的協(xié)變量窗口和移動后的多變量時間序列數(shù)據(jù)構(gòu)建填充序列x(i)*＝{x(i*)t-2l+1，...，x(i*)t-l}；

9、步驟s13、重復(fù)步驟s11-步驟s12直到協(xié)變量窗口完全移出，記錄每次的滯后滾動相關(guān)評分以及滯后滾動相關(guān)評分對應(yīng)的滯后距離；

10、步驟s14、從所述滯后滾動相關(guān)評分中尋找最大值，找到與鋒值的滯后滾動相關(guān)評分對應(yīng)的對齊滯后距離；

11、步驟s15、基于所述對齊滯后距離構(gòu)建滯后關(guān)系矩陣。

12、可選的，所述步驟s2中，基于所述滯后關(guān)系矩陣對所述多變量時間序列數(shù)據(jù)進行調(diào)整對齊，得到對齊后的多變量時間序列數(shù)據(jù)的過程具體包括：

13、基于所述滯后關(guān)系矩陣，計算每個協(xié)變量相對于主變量的對齊滯后距離；

14、基于所述對齊滯后距離調(diào)整協(xié)變量直至與所述主變量對齊，得到對齊后的多變量時間序列數(shù)據(jù)。

15、可選的，基于所述對齊滯后距離調(diào)整協(xié)變量直至與所述主變量對齊，得到對齊后的多變量時間序列數(shù)據(jù)的過程具體包括：

16、在調(diào)整協(xié)變量的過程中，丟棄右側(cè)溢出的數(shù)據(jù)，并使用所述填充序列補充左側(cè)缺失數(shù)據(jù)；

17、確定所述協(xié)變量的對齊滯后距離，將所述協(xié)變量與所述主變量對齊。

18、本發(fā)明公開了基于多變量數(shù)據(jù)遲滯性檢測與對齊方法的大氣碳濃度預(yù)測系統(tǒng)，系統(tǒng)包括：矩陣構(gòu)建模塊、數(shù)據(jù)對齊模塊、模型優(yōu)化模塊、碳數(shù)據(jù)預(yù)測模塊；

19、所述矩陣構(gòu)建模塊用于將監(jiān)測得到的多變量時間序列數(shù)據(jù)采用滾動窗口的方式，計算各所述大氣碳數(shù)據(jù)變量之間的相關(guān)系數(shù)隨時間的變化趨勢，基于所述變化趨勢構(gòu)建滯后關(guān)系矩陣；

20、所述數(shù)據(jù)對齊模塊用于基于所述滯后關(guān)系矩陣對所述多變量時間序列數(shù)據(jù)進行調(diào)整對齊，得到對齊后的多變量時間序列數(shù)據(jù)；

21、所述模型優(yōu)化模塊用于基于所述對齊后的多變量時間序列數(shù)據(jù)構(gòu)建并訓(xùn)練大氣碳濃度預(yù)測模型；

22、所述碳數(shù)據(jù)預(yù)測模塊用于使用訓(xùn)練好的大氣碳濃度預(yù)測模型對實時獲取的待預(yù)測大氣碳濃度數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)處理，得到大氣碳數(shù)據(jù)的預(yù)測結(jié)果。

23、可選的，所述矩陣構(gòu)建模塊還包括：滾動評分計算子模塊、填充序列構(gòu)建子模塊、滯后滾動記錄子模塊、滯后距離匹配子模塊和關(guān)系矩陣構(gòu)建子模塊；

24、所述滾動評分計算子模塊用于設(shè)定所述多變量時間序列數(shù)據(jù)的主變量j窗口x(j)t-l+1：t＝{x(j)t-l+1，...，x(j)t}，協(xié)變量i窗口x(i)t-l+1:t＝{x(i)t-l+1，...，x(i)t}，計算主變量j窗口與協(xié)變量i窗口的滯后滾動相關(guān)評分；

25、所述填充序列構(gòu)建子模塊用于將所述協(xié)變量窗口向后移動一步，將所述多變量時間序列數(shù)據(jù)向右移動一個點，基于移動后的協(xié)變量窗口和移動后的多變量時間序列數(shù)據(jù)構(gòu)建填充序列x(i)*＝{x(i*)t-2l+1，...，x(i*)t-l}；

26、所述滯后滾動記錄子模塊用于重復(fù)步驟s11-步驟s12直到協(xié)變量窗口完全移出，記錄每次的滯后滾動相關(guān)評分以及對應(yīng)的滯后值；

27、所述滯后距離匹配子模塊用于從所述滯后滾動相關(guān)評分中尋找最大值，找到與鋒值的滯后滾動相關(guān)評分對應(yīng)的對齊滯后距離；

28、所述關(guān)系矩陣構(gòu)建子模塊用于基于所述對齊滯后距離構(gòu)建滯后關(guān)系矩陣。

29、可選的，所述數(shù)據(jù)對齊模塊還包括：補償距離計算子模塊和序列數(shù)據(jù)對齊子模塊；

30、所述補償距離計算子模塊用于基于所述滯后關(guān)系矩陣，計算每個協(xié)變量相對于主變量的對齊滯后距離；

31、所述序列數(shù)據(jù)對齊子模塊用于基于所述對齊滯后距離調(diào)整協(xié)變量直至與所述主變量對齊，得到對齊后的多變量時間序列數(shù)據(jù)。

32、可選的，所述序列數(shù)據(jù)對齊子模塊的工作流程具體包括：

33、在調(diào)整協(xié)變量的過程中，丟棄右側(cè)溢出的數(shù)據(jù)，并使用所述填充序列補充左側(cè)缺失數(shù)據(jù)；

34、確定所述協(xié)變量的對齊滯后距離，將所述協(xié)變量與所述主變量對齊。

35、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果為：

36、多元滾動滯后相關(guān)檢測-對齊(mrlcd-a)方法:提出了一種新的“多元滾動滯后相關(guān)檢測對齊(mrlcd-a)”方法，旨在緩解多元時間序列預(yù)測中變量之間的滯后關(guān)系。該方法首先使用多變量互相關(guān)算法來量化變量間關(guān)系并確定滯后步驟，從而檢測滾動滯后相關(guān)性。隨后，采用滑動窗口對齊技術(shù)對滯后變量進行對齊。使用三個獨立的真實世界碳濃度數(shù)據(jù)集和公開可用的時間序列預(yù)測數(shù)據(jù)集來評估基于多變量滾動遲滯性檢測及對齊方法的大氣碳濃度預(yù)測模型及系統(tǒng)。結(jié)果表明，采用mrlcd-a方法的模型顯著改善了最先進的基線。