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Dokumentenidentifikation DE202005013808U1 02.02.2006
Titel Vorrichtung zur Vorhersage von Daten mit Erhaltungsneigung
Anmelder Lang, Gerhard, 18374 Zingst, DE
Vertreter BOEHMERT & BOEHMERT, 24105 Kiel
DE-Aktenzeichen 202005013808
Date of advertisement in the Patentblatt (Patent Gazette) 02.02.2006
Registration date 29.12.2005
Application date from patent application 31.08.2005
IPC-Hauptklasse G06F 17/10(2006.01)A, F, I, ,  ,  ,   
IPC-Nebenklasse G01F 19/00(2006.01)A, L, I, ,  ,  ,      

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Vorhersage von Daten mit Erhaltungsneigung nach dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche.

Geophysikalische oder meteorologische Messwerte besitzen die Eigenschaft der Erhaltungsneigung. Bei im genügend kleinen zeitlichen oder räumlichen Abstand gemessenen Daten ist der nachfolgende Messwert nicht unabhängig vom Vorgängerwert. In der Aufzeichnung ist eine zeitliche oder auch räumliche Struktur zu erkennen, wobei die Änderung der Messwerte mehr oder weniger stetig erfolgt. Dies dürfte das Vorhandensein von permanent existierenden (stetigen) Prozessabläufen einer natürlichen Umwelt wiederspiegeln.

Dabei ist die zeitliche oder auch räumliche Änderung von Messdaten ein multiples Phänomen. Zum Beispiel kann die Änderung der Lufttemperatur eine Folge von veränderten Strahlungsbedingungen sein. Andererseits können sich zukünftige zeitliche Änderungen eines Parameters in der Kombination der zeitlichen Strukturen anderer Parameter sozusagen „ankündigen". Beispielsweise kündigt ein stärkerer Luftdruckabfall häufig das Ende einer sonnigen Witterungsperiode an.

Aufgabe der Erfindung war es daher, eine Vorrichtung zu schaffen, mit der mit Hilfe von Einpunktmessungen unterschiedlichster Umweltparameter der wahrscheinlichste zukünftige Verlauf einzelner Parameter für diesen Ort berechnet werden kann. Dabei soll gleichzeitig die Güte dieser „Prognose" permanent aus den Fehlern dieses Verfahrens abgeschätzt werden, so dass das Verfahren selbstlernend im Sinne neuronaler Netze wird.

Zeitreihen mit mehr oder weniger ausgeprägter Erhaltungsneigung, die man auch autoregressive Prozesse nennt, lassen sich wie folgt darstellen: y(t) = c1·Y(t – 1) + c2·Y(t – 2) + ... + cp·y(t – p) + et wobei et der Restfehler in Form eines weißen Rauschens mit dem Erwartungswert 0 ist.

Die meisten Fluktuationsprozesse in der Meteorologie und Geophysik haben die Form eines roten Rauschens (hohe Amplituden bzw. Energie bei niedrigen Frequenzen bzw. hohen Perioden) und nehmen exponentiell auf niedrige Amplituden (Energie bei hohen Frequenzen) ab. Wenn ein Frequenzbereich hervortritt wird von sogenanntem farbigen Rauschen gesprochen.

Das rote Rauschen vom exponentiellen Typ hat die Eigenschaft, dass jeder Messwert nur vom Vorgängermesswert aber nicht von weiterer Vergangenheit abhängt. Bei farbigem Rauschen gibt es zusätzlich evt. mehrere hervortretende Frequenzbereiche, wobei die feste Verschiebung entsprechenden hervortretenden Perioden angepasst werden muss.

Die Erfindung schafft damit eine Vorrichtung, die ein Prognosemodell unter der Bedingung eines angenähert stationären Prozesses dazu nutzt, die Eigenschaften über die zeitliche Extrapolation (Prognose) vorherzusagen. Über ein multiples Regressionsmodul, ein selbstlernendes Modul, können die Eigenschaften des Prozesses, der vorhergesagt werden soll, gelernt und entsprechend angepasst werden.

Insbesondere ist vorteilhaft, eine gleitende Verschiebung (bzgl. des Prognoseschrittes) und eine feste Verschiebung (bzgl. der Prognosezeit) in einer Zeitreihe (Formel 1) des Parameters P unter Ermittlung der Periodenlänge der bei der Verschiebung hervortretenden Frequenzbereiche mittels einer harmonischen Analyse einzuführen. Dabei wird bevorzugt, dass die maximale interpretierbare Verschiebung etwa 1/10 der Beobachtungslänge nicht übersteigt, um z. B. bei der Bestimmung der Spektrallinie nicht mehr als 33 % für den mittleren quadratischen Fehler zu erhalten.

Weiter wird vorgeschlagen, eine Querkorrelation zu anderen Messgrößen, die ebenfalls autoregressive Prozesse mit Erhaltungsneigung darstellen zu schaffen. Über die freie Wahl der querkorrelierten Parameter können auch Zeitreihen benachbarter Messstationen eines möglichen Messnetzes und/oder Zeitreihen deterministischer Modellrechnungen eingebunden werden. Im letzteren Fall wird aus dem Prognoseverfahren ein frei konfigurierbares adaptives MOS- Verfahren (Model Output Statistics).

Potentielle Anwendungsgebiete des Prognosesystems liegen vor allem dort, wo man am zukünftigen Verlauf von Umweltparametern mit hoher zeitlicher Auflösung für die nächsten Stunden an einem ganz bestimmten Ort interessiert ist: Vorhersage des Windangebotes für Windkraftanlagen, Vorhersage von Überschreitungswahrscheinlichkeiten meteorologischer Größen für den Start- und Landebereich von Flugplätzen bis hin zu Risiko- Nutzenabschätzungen von Umwelteinwirkungen (Umweltreizen) auf den Menschen wie sie im Bereich klimatherapeutischer Maßnahmen von Kureinrichtungen gefordert wären wie z.B. eine Abschätzung der zu erwartenden natürlichen UV-Dosis auf einen Kurpatienten bei seinem Aufenthalt im Freien. Hierdurch wird eine Abschätzung der Dosierung von Umweltreizen im Rahmen klimatherapeutischer Interventionen möglich.

Insbesondere, wenn die Einrichtung zur Vorhersage von Daten mit Erhaltungsneigung unter Verwendung eines multiplen linearen Regressionsverfahrens in Form eines autoregressiven Regressionsmodells mit einer Zeitreihe für die vorherzusagende Größe y (endogene Variable) nach der Formel Y = a0 + c1·x1 + c2·x2 + ... + cn· xn Verwendung findet (mit : Y = y(t) x1 = y(t – p) x2 = y(t – p – pg1) x3 = y(t – pfest1) x4 = y(t – pfest2) x5 = z1(t – p – pg1) x6 = z1(t – pfest1) x7 = z1(t – pfest2) x8 = z2(t – p – pg1) x9 = z2(t – pfest1) x10 = z2(t – pfest2) ....... wobei: p eine Prognoseverschiebung ist, pgl eine gleitende Verschiebung bzgl. des Prognoseschrittes ist, pfest eine feste Verschiebung bzgl. des Prognosezeitpunktes ist, und pfest1 und pfest2 der endogenen Variable y der bei der Verschiebung hervortretenden Frequenzbereiche mittels harmonischer Analyse ermittelt werden, kann auch in einem zweiten Schritt auch eine Vorrichtung zur Kurzfristprognose von Einpunktmessungen meteorologischer und Umweltmessstationen mit einer Prognosegleichung y(t + p) = a0 + c1·y(t) + c2·y(t – pg1) + c3·y(t + p – pfest1) + c4·y(t + p – pfest2) + c5·z1(t – pg1) + c6·z1(t + p – pfest1) + c7·z1(t + p – pfest2) + ....., realisiert werden, wobei jeweils für die einzelnen Regressoren die Bedingungen: pfest >= pe und p + pg1 <> pfest für einen frei vorgebbaren Prognosebereich von p = pa ... pe in Prognoseschritten dp gelten.


Anspruch[de]
  1. Vorrichtung zur Vorhersage von Daten mit Erhaltungsneigung unter Verwendung eines multiplen linearen Regressionsverfahrens, gekennzeichnet durch einen Rechner mit Messdatenschnittstellen und E/A-Schnittstellen für Benutzer zur Berechnung einer gleitenden Verschiebung mit kleinen Werten eines Parameters p in einer Zeitreihe y(t) = c1·y(t–1) + c2·y(t–2) + ... + cp·Y(t–p) + et für alle t aus Meßdaten, die über die Messdatenschnittstellen und/oder E/A-Schnittstellen im Rechner vorliegen, unter Ermittlung der Periodenlänge der Verschiebung hervortretender Frequenzbereiche mittels einer harmonischen Analyse.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur Berechnung der Zeitreihe im Rechner mit maximalen interpretierbaren Verschiebung von etwa 1/10 der Beobachtungslänge vorgesehen sind.
  3. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Mittel zur Querkorrelation zu anderen Meßgrößen, die ebenfalls autoregressive Prozesse mit Erhaltungsneigung darstellen, nach einer Formel y(t) = c1·y(t – 1) + c2·y(t – 2) + ... + cp·Y(t – P) + (cp + 1)·z(t – 1) + (cp + 2)·z(t – 2) + ... + (cp + q)·z(t – q) + et.
  4. Vorrichtung zur Kurzfristprognose von meteorologischen Einpunktmessungen, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel im der Rechner zur Auswertung einer Prognosegleichung y(t + p) = a0 + c1·y(t) + c2·y(t – pg1) + c3·y(t + p – pfest1) + c4·y(t + p – pfest2) + ... vorgesehen sind, wobei jeweils für die einzelnen Regressoren die Bedingungen:

    • pfest >= pe für einen frei vorgebbaren Prognosebereich von p = pa ... pe in Prognoseschritten dp und

    • pg1 <> pfest für jeweils jeden einzelnen Regressory, z1, z2,... gelten.
  5. Vorrichtung zur Vorhersage von Daten mit Erhaltungsneigung unter Verwendung eines multiplen linearen Regressionsverfahrens in Form eines autoregressiven Regressionsmodells nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur Expression einer Zeitreihe für die vorherzusagende Größe y (endogene Variable) unter möglicher Einbeziehung exogener Variablen : z1, z2,..., die ebenfalls autoregressive Prozesse mit Erhaltungsneigung darstellen, vorgesehen sind nach der Formel Y = a0 + c1·x1 + c2·x2 + ... + cn·xn mit
    wobei

    p eine Prognoseverschiebung ist,

    Pg1 eine gleitenden Verschiebung bzgl. des Prognoseschrittes ist,

    Pfest eine festen Verschiebung bzgl. des Prognosezeitpunktes ist, jeweils zu den einzelnen Regressoren : y, z1, z2,... und

    pfest1 und pfest2 der endogenen Variable y der bei der Verschiebung hervortretenden Frequenzbereiche mittels harmonischer Analyse von dazu ebenfalls vorgesehenen Mitteln ermiitelt werden.
  6. Vorrichtung zur Kurzfristprognose von Einpunktmessungen meteorologischer und Umweltmessstationen, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Bestimmtung einer Prognosegleichung y(t + p) = a0 + c1·y(t) + c2·y(t – pg1) + c3·y(t + p – pfest1) + c4·y(t + p – pfest2) + + c5·z1(t – pg1) + c6·z1(t + p – pfest1) + c7·z1(t + p – pfest2) + ..... vorgesehen sind, wobei jeweils für die einzelnen Regressoren die Bedingungen: (a) pfest >= pe (b) p + pg1 <> pfest
    für einen frei vorgebbaren Prognosebereich von p = pa ... pe in Prognoseschritten dp eingehalten werden.
  7. Vorrichtung zur Kurzfristprognose von Messungen meteorologischer und Umweltmessstationen im Rahmen eines möglichen Meßnetzes mit einer Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, das in der Prognosegleichung für z1, z2, ... auch Zeitreihen von Messungen benachbarter Messstationen verwendet werden.
  8. Vorrichtung zur Kurzfristprognose von Messungen meteorologischer und Umweltmessstationen, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind in der Prognosegleichung für z1, z2, ... auch Prognoseergebnisse deterministischer Modelle zu berücksichtigen.
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