面向托卡马克放电实验数据的多波形组合检索与优化方法

本发明属于模式识别与热核聚变反应堆，具体涉及面向托卡马克放电实验数据的多波形组合检索与优化方法。

背景技术：

1、托卡马克基于磁约束实现聚变反应，是目前世界范围内开展聚变实验研究的主流装置。随着各国托卡马克等离子体放电实验的长期运行，采集并积累了大量的波形数据。基于这些数据开展托卡马克放电实验分析，有利于科研人员掌握等离子体物理特征、挖掘等离子体行为和相关事件，对装置运行、控制和诊断测量具有重要的指导意义。

2、聚变研究界开发的放电实验波形可视化工具，如jscope、eastscope、webscope、jweb-scope和east课题组的放电管理系统等，其数据检索功能相对单一，波形检索功能较弱。在分析处理放电波形这类时序数据时，科研人员常以人工方式查找和过滤具备特定波形特征的信号集，无法对多个波形进行组合式检索。

3、检索现有专利，尚未发现面向托卡马克放电实验数据的多波形组合检索与优化方法。为提升科研人员开展聚变研究的工作效率，使其能够快速的在海量放电波形数据中筛选出具有多个波形特征的放电炮集合，需要有一套高效的技术支撑方案。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供面向托卡马克放电实验数据的多波形组合检索与优化方法，有助于提升科研人员预处理放电实验数据的效率，快速完成基于波形形状特征的自定义放电实验数据分类。

2、为实现上述目的，本发明提出面向托卡马克放电实验数据的多波形组合检索与优化方法，包括以下步骤：

3、s1、抽取mdsplus数据库的托卡马克放电实验波形数据，按定长时间进行分段，计算波形分段的斜率和间隔分段的头部数据落差距离(以下简称ddish)作为组合特征，构建每路放电信号的波形特征库；

4、s2、以不同长度、常见形状的待检索波形检索波形特征库，根据匹配结果集大小和耗时情况生成判断阈值，并基于此构建优化规则库；

5、s3、检索包含多个波形的组合检索条件时，首先基于待检索波形的长度和ddish平均值查询优化规则库，判断每个波形的检索代价，以波形匹配算子、合并算子、投影算子、传递算子和选取算子构建并优化执行计划树；

6、s4、后序遍历执行计划树，以遍历结果为执行顺序，执行并返回最终匹配结果集。

7、可选的，所述s1中计算波形分段的斜率和间隔分段的头部数据落差距离作为组合特征的步骤，具体为：

8、s11、对放电信号波形进行分段，并对分段后的放电信号波形进行标记；

9、s12、计算s11中所有放电信号波形分段的斜率值；

10、s13、根据s12中的斜率值计算波形特征1；

11、s14、计算间隔波形分段的首个数据点之间差值，并得到波形特征2。

12、可选的，所述s2中构建优化规则库的具体步骤为：

13、s21、生成放电信号波形长度阈值；

14、s22、生成放电信号波形平均ddish的上下界阈值；

15、s23、通过托卡马克放电实验所有信号并经过检索测试，生成的波形长度阈值和平均ddish的上下界阈值，并存储至内存数据库。

16、可选的，所述生成放电信号波形长度阈值的方法如下：

17、针对不同长度的待检索波形(取0.5秒的倍数)，分别选择凸起、凹陷、平缓、尖刺状波形进行检索测试，随着波形长度逐渐变长，平均耗时增长幅度比例小于α时，当前波形长度tα作为信号波形的长度阈值。

18、可选的，所述生成放电信号波形平均ddish的上下界阈值方法如下：

19、对不同长度的待检索波形(取0.5秒的倍数)，依据统计值设定待检索波形片段的平均ddish值的上界β1和下界β2，其中：平均ddish值大于β1时，匹配的结果集小于整个放电炮集合的5％；平均ddish值小于β2时，匹配的结果集大于整个放电炮集合的30％。

20、令波形匹配算子mnk表示对某个待检索波形进行相似性匹配计算，内容为(shot,starttime,endtime,thd,sigid)，记录了待检索波形的放电炮号、开始时间、结束时间、相似度阈值和信号类别编号，波形匹配算子返回在当前放电炮集合中匹配到的放电炮结果集。

21、令repetitive为检测mnk在检索表达式中是否有多个重复的函数，aveddish函数用于计算mnk所代表的待检索波形的平均ddish值，len函数计算mnk所代表的待检索波形的长度，优化规则的匹配条件和对应的优先级如下(0为最高，4为最低)：

22、条件1：repetitive(mnk)＝true                        优先级：0

23、条件2：aveddish(mnk)≥β1and len(mnk)≤tα           优先级：1

24、条件3：aveddish(mnk)≥β1and len(mnk)>tα          优先级：2

25、条件4：β2≤aveddish(mnk)<β1and len(mnk)≤tα         优先级：3

26、条件5：others                                     优先级：4。

27、可选的，所述s3中波形匹配算子表示为mnk，其计算步骤如下：

28、s31、从内存数据库提取待检索波形的组合特征数据；

29、s32、再从当前放电炮集合中依次取某个放电炮波形的组合特征数据，使用与待检索波形等长的滑动窗口，沿时间轴依次在某炮放电信号的时序数据上滑动，计算当前窗口的波形与待检索波形对应的距离值。与待检索波形距离值小于相似度阈值thd且距离值最小的滑动窗口，作为待检索波形在某个放电炮的最佳匹配位置，并将该放电炮标记为“已匹配”。

30、s33、取s32中所述所有标记为“已匹配”的放电炮号作为波形匹配算子mnk的计算结果。

31、可选的，所述s3中合并算子(∨)用于将匹配到的多个放电炮匹配结果集去重后并为一个结果集；

32、所述s3中投影算子(∞)用于将波形匹配算子mnk的结果集映射给另一个或一组mnk，使其具有相同结果集；

33、所述s3中传递算子(δ)用于将算子左侧部分运算结果集作为右侧计算的输入提交给右侧，以右侧计算结果作为最终计算结果；

34、所述s3中选取算子(□)用于直接获取放电炮结果集。

35、可选的，所述s3中构建执行计划树的具体方法为：托卡马克放电实验数据的多波形检索条件由简单的与或逻辑构成，检索表达式格式形如：

36、

37、ss31、创建以合并算子(∨)为根节点的树；

38、ss32、扫描检索表达式，记录重复出现的mnk，创建新节点rij使之与前述的重复波形匹配算子相同，以rij为叶子节点，每个rij对应一个投影算子(∞)作为其父节点，并将所有投影算子(∞)作为根节点的一个子节点；

39、ss33、取ek中所有的mnk；若数量为1，则以mnk为叶子节点，选取算子(◇)为其父节点，并将选取算子(◇)作为根节点的一个子节点；若数量超过1，则计算所有mnk的平均ddish值、波形片段长度，查询优化规则库中所有mnk对应放电信号的判断阈值β1、β2和tα，按优化规则的条件匹配获得优先级；按优先级由高到低对所有mnk进行排序后，以mnk为左节点、传递算子(δ)为右节点依次建立二叉树，优先级最低的mnk为该二叉树的根节点，ek中所有mnk构建的二叉树作为根节点(∨)的一个子树；

40、ss34、判断所有ek是否已生成子树，否则继续取一个ek，重复步骤s43；若所有ek均已生成子树，则执行计划树构建完成。

41、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

42、本发明以波形分段的斜率和间隔分段的头部数据落差距离作为组合特征表示波形，有效表达了波形的变化趋势且显著降低数据维度；采用间隔分段的头部数据落差距离与连续分段的头部落差距离相比，进一步降低了局部波形的敏感性且数据量更小；相较于已有放电实验波形可视化工具的数据检索方案，本发明设计了波形匹配算子、合并算子、投影算子、传递算子和选取算子，支持更加灵活的多波形组合检索，通过检索测试托卡马克放电实验波形数据后构建优化规则库，给出了一种面向波形检索优化的执行计划树构建方法。基于本发明所述方法开发实现波形检索平台，有助于提升科研人员预处理放电实验数据的效率，快速完成基于波形形状特征的自定义放电实验数据分类。