[发明专利]一种基于kd-kNN的电气指纹识别方法

权利要求书

1.一种基于kd-kNN的电气指纹识别方法，其特征在于，采用kd树的KNN算法从负载的电气数据识别出负载类别；包括：获取待识别负载的平均电压、平均电流、平均功率、THD；经过预处理，形成一维向量数据，作为当前采集数据的唯一特征；然后基于构建好的kd-kNN模型，进行特征分类，根据分类结果获得当前负载类别，实现电气指纹的识别；具体步骤如下：

步骤1：采集用于对比测试数据的初始样本数据集，数据包括一系列单一电气负载的平均电压、平均电流、平均功率和THD，每个负载的前述参数组织成一维向量的形式，即[平均电压，平均电流，平均功率，THD]；

步骤2：对步骤1采集的电气数据预进行处理，拼接上对应负载的标签值，作为kd-kNN模型的初始样本数据集；包括记录初始样本中包含的负载及状态，将其映射成数字，从0开始递增，并将初始负载的电气数据与负载对应的映射标签拼接，即[平均电压，平均电流，平均功率，THD，标签映射值]，构成完整的初始样本数据；

步骤3：将完整的初始样本构建成kd树，形成kd-kNN模型，用于对测试样本的预测；

步骤4：将测试样本输入kd-kNN模型，获得预测结果。

2.根据权利要求1所述的基于kd-kNN的电气指纹识别方法，其特征在于，步骤1中所述采集用于对比测试数据的初始样本数据集，具体设有6类电器作为待采集数据的负载，分别编号D1、D2、…、D6，每个类别均包含五个不同型号的负载，进一步编号Di-1，Di-2，Di-3，Di-4，Di-5，其中，i表示所在类别编号；在采集电气数据时，选定一个负载，在其稳定运行时，借助功率分析仪采集获取平均电压、平均电流、平均功率和THD；重复采集五次，每次间隔至少10分钟；对五次采集得到的结果取平均值，作为当前负载的最终采集数据。

3.根据权利要求2所述的基于kd-kNN的电气指纹识别方法，其特征在于，步骤2中所述对步骤1采集的电气数据进行处理，拼接上对应负载的标签值，作为kd-kNN模型的初始样本数据集；其中，负载名称映射成数字时，处理方式如下：

对于负载D1-1，由于已经获得了作为其原始特征的电气参数，然后根据其所包含的运行状态，映射标签值为0，则最后获得用于构建kd-kNN模型的一组数据，其形式为[平均电压，平均电流，平均功率，THD，0]；对于其余负载，以同样的方式进行数据处理，映射标签值依据不同负载状态递增；所有负载数据处理完后，构成kd-kNN模型的初始对比样本数据集，完整初始数据格式为：[平均电压，平均电流，平均功率，THD，映射标签值]。

4.根据权利要求3所述的基于kd-kNN的电气指纹识别方法，其特征在于，步骤3中所述将步骤2得到的样本数据集构建成kd树，具体流程为：

(1)根据初始样本的数据形式，由于表征负载的特征有4个，每个特征为一个维度空间，则kd树的构建在4维数据空间中进行；

(2)首先选取平均电压所在维度，将初始样本按照平均电压值排序，选择平均电压排在中间的样本作为当前子树根节点，平均电压小于根节点的样本归到左子树，平均电压大于根节点的样本归到右子树；

(3)顺序依次选择余下的特征，在对应的维度空间，重复步骤(2)；如果选择THD所在维度，则接下来选择平均电压所在维度，如此循环往复，直到树的每个节点只包含一个样本。

5.根据权利要求4所述的基于kd-kNN的电气指纹识别方法，其特征在于，步骤4中所述将测试样本输入kd-kNN模型，获得预测结果；其中，采集电路中待识别负载的电气数据，形成一维特征向量，之后将所得特征向量输入构建好的kd-kNN模型进行分类；具体流程为：

(1)将不含标签的测试数据输入kd-kNN模型，从根节点开始，先选取平均电压所在维度，比较测试数据和当前节点数据在平均电压维度上的大小；如果当前节点的数据更大，则测试数据转移到左孩子节点，反之转到右孩子节点；后续选择下一特征所在维度，重复之前的步骤，直到找到测试样本应该加入的叶子节点的位置；然后从该位置自底向上搜索离测试数据最近邻的k个初始样本，判断方式为测试数据与初始样本的欧氏距离，计算公式如下：

其中，Dist为测试数据和初始样本的欧氏距离，U为平均电压，I为平均电流，P为平均功率；

(2)得到k个最近邻样本后，对k个欧氏距离值采用最大最小归一化，公式如下：

其中，dist_i为与第i个样本的归一化欧氏距离，Dist_i为与第i个样本的欧氏距离，Dist_max和Dist_min分别为k个欧氏距离中的最大值和最小值；

然后判断归一化后的最小欧氏距离是否大于给定阈值0.7；如果大于阈值，则待识别负载作为新类别加入kd树，输出值为原有标签映射值最大值加1；并给该负载数据拼接上新标签值；否则，先剔除归一化欧氏距离大于0.7的初始样本，在剩余初始样本中选择占比最高的样本类别作为最终的预测结果，输出该类别的映射值，作为待识别负载的类别。