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数据清洗是数据处理和分析中的一个关键步骤，特别是对于像风电场这样的大型、复杂数据集。清洗数据的目的是为了确保数据的准确性、一致性和完整性，从而提高数据分析的质量和可信度，是深度学习训练和预测前的重要步骤。

在实际应用中，数据可能会因为传感器故障、通信错误或人为输入错误而产生异常值或噪声数据。这些异常值会严重影响后续的数据分析和模型训练。清洗数据可以确保数据的准确性，减少噪声对分析结果的干扰。

缺失值是数据集中常见的问题。如果不处理缺失值，可能会导致分析结果不准确或模型训练失败。通过填补缺失值，可以提高数据的完整性，确保每个数据点都有意义。

手动填充空值、删除异常值的方法需要耗费大量的时间，且准确性得不到保障，本程序以风电场数据为例，进行数据清洗和处理，包括异常值处理、缺失值处理、离群值处理、以及相关性分析，并将清洗后的数据保存到新的Excel文件中。

①异常值处理：

研究现状：

异常值检测与处理是数据预处理中的重要环节。常见方法包括统计方法（如Z-score、IQR）、机器学习方法（如支持向量机）、以及深度学习方法（如自编码器）。统计方法利用数据的统计特性（如均值、方差、中位数）进行异常值检测，适用于简单数据集。

本文方法：

结合统计方法（删除全相同元素行）和基于RANSAC的鲁棒拟合方法，有效处理不同类型的异常值。

RANSAC方法能够在噪声和异常值存在的情况下进行可靠的模型拟合，适用于存在显著异常值的数据集。

②缺失值处理

研究现状：

①缺失值处理方法多种多样，包括删除法、填补法（如均值填补、中位数填补、最近邻填补）、插值法（如线性插值、样条插值）、以及模型预测法（如多重插补、矩阵分解）。

②简单填补方法（如均值填补）易于实现，但可能引入偏差。

③插值法利用数据的连续性进行填补，适用于时间序列数据。

④模型预测法利用机器学习模型对缺失值进行预测，精度高，但计算复杂。

本文方法：

使用前向填补法简单有效，适用于时间序列数据，能够保留数据的趋势和模式。

前向填补法计算成本低，适合于大规模数据集的快速处理。

③离群值处理

研究现状：

①离群值检测方法包括基于统计的检测方法（如Grubbs' Test、Tukey's Fences）、基于聚类的方法（如K-means、DBSCAN）、基于机器学习的方法（如孤立森林、LOF）。

②统计方法适用于简单数据集，易于实现。

③聚类方法通过分析数据点的密度或距离来识别离群值，适用于聚类明显的数据集。

④机器学习方法能够处理复杂数据分布和高维数据，具有较高的检测准确性。

本文方法：

结合移动窗口统计特性（滑动窗线性插值）和基于残差的离群值检测方法（孤立森林），处理离群值的鲁棒性强。

使用中位数绝对离差（MAD）方法进行滑动窗线性插值，能够平滑数据波动，适用于时间序列数据。

残差分析结合孤立森林，能够有效识别复杂数据分布中的离群值。

④ 创新点总结

多方法结合，处理全面：

本程序结合了统计方法、拟合方法、插值方法和机器学习方法，能够全面、有效地处理异常值、缺失值和离群值。

通过删除全相同元素行、前向填补缺失值、滑动窗线性插值和RANSAC拟合等多种方法，保证数据处理的全面性和鲁棒性。

高效计算，适用性广：

采用简单有效的前向填补和滑动窗线性插值方法，计算成本低，适用于大规模数据集的快速处理。

RANSAC拟合和孤立森林方法适用于复杂数据分布，能够处理高维数据和噪声数据。

可视化展示，直观评估：

通过绘制处理前后的相关性热力图和特征对比图，直观展示数据处理效果，便于评估和验证处理方法的有效性。

可视化展示有助于理解数据特征和变化，增强数据处理的透明度和解释性。

程序结果

各特征变量清洗前后的数据对比：

部分程序

<code>%% 相关性极差的也定义为异常值

% 处理：采用Ransac拟合后替代 公众号：《创新优化及预测代码》

x = res_new(:, 1); % 提取第1列数据作为自变量

y = res_new(:, end); % 提取最后一列数据作为因变量

xyPoints = [x y]; % 组合自变量和因变量

% RANSAC直线拟合

sampleSize = 30; % 每次采样的点数

maxDistance = 400; % 内点到模型的最大距离

fitLineFcn = @(xyPoints) polyfit(xyPoints(:, 1), xyPoints(:, 2), 1); % 拟合函数，采用polyfit进行线性拟合

evalLineFcn = @(model, xyPoints) sum((y - polyval(model, x)).^2, 2); % 距离估算函数，计算点到拟合线的距离

[modelRANSAC, inlierIdx] = ransac(xyPoints, fitLineFcn, evalLineFcn, sampleSize, maxDistance); % 使用RANSAC算法拟合直线，并提取内点的索引

modelInliers = polyfit(xyPoints(inlierIdx, 1), xyPoints(inlierIdx, 2), 1); % 对内点进行最小二乘法线性拟合

figure;

plot(xyPoints(inlierIdx, 1), xyPoints(inlierIdx, 2), 'p',MarkerSize=10); % 绘制内点

hold on;

plot(xyPoints(~inlierIdx, 1), xyPoints(~inlierIdx, 2), 'r.',MarkerSize=10); % 绘制外点

hold on;

inlierPts = xyPoints(inlierIdx, :); % 提取内点数据

x2 = linspace(min(inlierPts(:, 1)), max(inlierPts(:, 1))); % 生成内点自变量范围的等间距点

y2 = polyval(modelInliers, x2); % 计算内点拟合直线上的值

plot(x2, y2, 'g-',LineWidth=2); % 绘制RANSAC直线拟合结果

hold off;

title('最小二乘直线拟合 与 RANSAC直线拟合 对比'); % 设置图标题

xlabel(variableNames{1}); % 设置X轴标签

ylabel(variableNames{end}); % 设置Y轴标签

legend('内点', '噪声点', 'RANSAC直线拟合', 'Location', 'NorthWest'); % 添加图例 % 公众号：《创新优化及预测代码》

%% 残差-孤立森林 公众号：《创新优化及预测代码》

% 计算Ransac理论值

T_linear = (modelRANSAC(1) * res_new(:, 1) + modelRANSAC(2)); % 计算RANSAC理论直线值

for i = 1:size(T_linear, 1)

if T_linear(i, end) < 0

T_linear(i, end) = 0; % 将理论值小于0的部分设为0

end

end

residual_power = abs(res_new(:, end) - T_linear); % 计算实际值与理论值的残差

% 孤立森林判断异常值

[error_pos2] = iso_forest([res_new(:, :) residual_power]); % 使用孤立森林算法检测异常值 % 公众号：《创新优化及预测代码》

%% 替代异常值

for i = 1:size(error_pos2, 2)

res_new(error_pos2{i, 1}, end) = T_linear(error_pos2{i, 1}); % 将检测出的异常值替换为理论值

end

res_new(~inlierIdx, end) = T_linear(~inlierIdx); % 将RANSAC检测出的异常值也替换为理论值

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