[發明專利]一種潮汐預報方法

無效

• 申請號: 201010139189.4
• 申請日: 2010-04-02
• 公開（公告）號: CN102214262A
• 公開（公告）日: 2011-10-12
• 發明（設計）人: 何世鈞;黃冬梅;周文君;周汝雁;鄒國良
• 申請（專利權）人: 上海海洋大學
• 主分類號: G06F19/00
• 分類號: G06F19/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

1.潮汐預測的方法，其特征主要包括如下步驟：

一、步驟(1)：安裝SVM工具箱到MATLAB?7.8文件夾中

①將下載的SVM工具箱的文件夾放在/MATALB?7.8/toolbox/下；

②打開MATLAB-＞File-＞Set?Path中添加SVM工具箱的文件夾；

③測試一下安裝成功與否：在MATLAB中輸入which?svmoutput回車，如果可以正確顯示路徑，就證明添加成功了，例如：C:/Program?Files/MATLAB71/toolbox/svm/svcoutput.m。

二、步驟(2)：利用MATLAB?7.8中SVM工具箱和歷史潮汐數據構建潮汐預測網絡模型，具體方法為：

①根據潮汐記錄的時間(年、月、日、時、分、秒)，可計算

1)儒略世紀數：

其中Y表示年份，?的整數部分，D1為計算年首至計算日零時之間的天數；

2)儒略日：JD＝T×36525+2451545

3)月球平均緯度：s＝218.31643+481267.88128×T-0.00161×T²+0.000005×T³

4)太陽平均緯度：h＝280.46607+36000.7698×T+0.0003×T²

5)月球近地點平均緯度：p＝83.35345+4069.01388×T-0.01030×T²-0.00001×T³

6)太陽近地點平均緯度ps＝282.93835+1.71946×T+0.00046×T²+0.000003×T³

7)月球升交點平均緯度：

N＝125.04452-1934.13626×T+0.00207×T²+0.000002×T³

8)太陽偏心率：e_s＝0.01675104-0.0000418×T-0.000000126×T²

而地日中心的平均距離為一定值d_s＝1.49×10⁸km；

由地日中心的平均距離計算公式、太陽偏心率計算公式、太陽平均緯度計算公式和太陽近地點平均緯度計算公式，可計算地日中心的瞬時距離：

D_s＝d_s/(1+e_s×cos(h-ps)+e_s²×cos(2(h-ps)))

由太陽偏心率計算公式、太陽平均緯度計算公式和太陽近地點平均緯度計算公式，可以計算太陽的真經度：L_s＝h+2e_s×sin(h-ps)+1.25es²×sin(2(h-ps))

而黃道和天赤道的交角為：w_s＝23.452

再據潮位站點的地理北緯和東經(NLat，ELon)，可知由觀測地點與格林尼治經度差產生的時間差訂正值：±L＝(Long+M/60)/15

其中Long為觀測點的經度，M為觀測時刻的分鐘值，東經取正號，西經取負號；記錄的潮?汐觀測時刻與格林尼治0時時間差訂正值：W＝H+M/60，其中H為觀測時刻的小時值；積日訂正值：N₁＝(W-L)/24

根據計算年首至計算日零時之間的天數D₁，月球升交點平均緯度計算公式，積日訂正值計算公式，可計算得到太陽赤緯的計算公式：

SDec＝0.3723+23.2567×sinθ+0.1149×sin2θ-0.1712×sin3θ

-0.758×cosθ+0.3656×cos2θ+0.0201×cos3θ

(θ＝2∏×57.2958×(D₁+N₁-N)/365.2422，N₂＝79.6764+0.2422(Y-1985))

由儒略日的計算公式，春分點的格林時角可由如下公式計算得到：

GHAγ＝100.075+0.985647348(JD-2400000.5-GMT/24-33282)

+15.04107×GMT

其中GMT為世界時間；

春分點格林時角與太陽平均緯度之差即得到太陽格林時角：GHAs＝GHAγ-h由此計算得到太陽地方時角的計算公式：

LHAs＝GHAs+λ(ELon)或LHAs＝GHAs-λ(WLon)

其中加代表潮位站是東經，減代表潮位站位于西經；

由太陽時角計算公式、太陽赤緯計算公式和驗潮站的緯度，太陽高度可用如下公式計算得到：Hs＝arcsin(sin(NLat)×sin(SDec)+cos(NLat)×cos(SDec)×cos(LHAs))根據球面三角形原理，可得到太陽方位的計算公式：

由地月平均距離d_M＝3.84×10⁵km、月球軌道偏心率e＝0.0549、月球平均緯度、太陽平均緯度和月球近地點平均緯度計算公式，即可以計算第①個影響因子一地月瞬時距離計算公式：

D_m＝d_M/(1+e×cos(s-p)+(e²×cos(2(s-p))+0.14025e×cos(s-2h+p))

+0.00559504cos(2(s-h)))

也可計算月球的真經度：

L＝s+2e×sin(s-p)+1.25(e²×sin(2(s-p))+0.37249331e×sin(s-2h+p))

+(0.00975096+0.35064375e²)×sin(2(s-p))+0.01188946e×sin(s-2h-p)

+0.02692613e×sin(2s-h+ps)?

由黃道和白道的交角i＝5.15，可計算得到白赤交角的計算公式：

I＝arccos(cos(w_s)×cos(i)-sin(w_s)×sin(i)×cos(N))

春分點格林時角與月球平均緯度之差即得到月球的格林時角：GHAm＝GHAγ-s從而結合驗潮站的經度計算得到月球的地方時角的計算公式：

LHAm＝GHAm+ELon

由白赤交角、月球真經度、月球時角，如下即為月球赤緯的計算公式：

從而月球高度可被計算為：

Hm＝arcsin(sin(NLat)×sin(MDec)+cos(NLat)×cos(MDec)×cos(LHAm))

月球方位也可隨之得出計算公式：

②利用上述公式，在MATLAB?7.8平臺編寫程序計算影響潮位值的各天文因素，加上臺風引起的增水值，即獲取了支持向量機網絡的輸入變量，共11個，其對應的潮位值為網絡的輸出值，確定其輸入輸出量后，將其歸一化到[-1，1]之間，其具體的歸一化方法為：日地距離和月地距離采用最大最小值歸一化方法，

Ds歸一化的值＝(Ds-(max(Ds)+min(Ds))/2)/((max(Ds)-min(Ds))/2)；

Dm歸一化的值＝(Dm-(max(Dm)+min(Dm))/2)/((max(Dm)-min(Dm))/2)；

太陽赤緯的變化范圍為[-23.5，23.5]，月球赤緯的變化范圍為[-29，29]，故其歸一化方法為SDec歸一化的值＝SDec/23.5；

MDec歸一化的值＝MDec/29；

其他采用采用類似的方法進行歸一化：

LHAs歸一化的值＝LHAs/180；

LHAm歸一化的值＝LHAm/180；

Hs歸一化的值＝Hs/90；

Hm歸一化的值＝Hm/90；

As歸一化的值＝(As-180)/180；

Am歸一化的值＝(Am-180)/180；

增水值歸一化＝(增水值-min(增水值))/(max(增水值)-min(增水值))；

然后將獲取的數據N組分成兩組，N1組用作訓練樣本，N2組用作測試樣本。

③確定支持向量機(SVM)的核函數為徑向基函數(RBF)，其核函數的參數-懲罰參數C和函數的寬度參數g，采用網格搜索法求最優，網格搜索法即是C和g分別取M和N個值，對M×N個(C，g)個組合分別訓練不同的SVM，然后再估計其學習精度，從M×N個組合中找到學習精度最小的值作為最優參數。

④支持向量機網絡的結構圖(見附圖1)?

三、步驟(3)利用MATLAB?7.8工具箱svmtrain函數對網絡進行訓練，svmpridict函數對網絡進行測試，具體方法為：

①用svmstrain訓練的方法是，N1組訓練數據和11個變量，組成N1×11歸一化后的輸入樣本矩陣，對應的輸出潮位矩陣為N1×1，設置徑向基核函數的最優值后，運行svmtrain函數進行網絡的訓練，訓練過程將以達到精度要求為停止條件，訓練結束后將由系統自動生成一個SVM模型。

②用svmpredict函數對得到的模型進行測試，輸入測試樣本矩陣為N2×11。

③使用訓練好和測試好的模型對同一潮位站的潮汐進行預測，選取需預報的時間M天，結合潮位站的地理位置，編程計算出月地距離，月球赤緯，月球時角，月球高度，月球方位，日地距離，太陽赤緯，太陽時角，太陽高度，太陽方位的值，即得到模型的輸入矩陣M×11，運行svmpredict函數對這M天的潮汐值進行預測。

四、步驟(4)潮汐預測的具體算法如下：

①取得訓練集T＝{(x₁，y₁)，(x₂，y₂)，…..，(x_N，y_N)}，N為訓練集的樣本數x_i為影響潮高的特征數據，即包含上述10個引潮力的相關參數和臺風引起的增水值，y_i為對應時刻的潮高值。

②對SVM的模型參數進行初始化，將拉格朗日乘子α_i，?和閾值b賦以隨機的初始值

③對訓練數據構造相應的目標函數

其中K(x_i，x_j)為徑向基核函數，求得最優解?

④選取α的一個正分量?它所對應的第j號樣本即支持向量。

并據此計算閾值

⑤根據求得的?和b_j^*代入回歸函數?用測試樣本進行預測。

⑥計算誤差函數，如果誤差絕對值小于預先設定的ε，則學習結束，輸出潮高的預測值，否則返回步驟③繼續學習。

⑦畫出算法流程圖(見附圖2)?