[發(fā)明專利]一種基于人工智能和數(shù)值模型的波浪模擬方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201910065902.6
• 申請(qǐng)日: 2019-01-24
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN109858130A
• 公開(kāi)（公告）日: 2019-06-07
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王智峰;鞏藝杰;董勝;陶山山;張日
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)海洋大學(xué)
• 主分類號(hào): G06F17/50
• 分類號(hào): G06F17/50;G06N3/12
• 代理公司: 北京匯捷知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11531
• 代理人: 李宏偉

本發(fā)明提供一種基于人工智能和數(shù)值模型的波浪模擬方法，包括以下步驟：步驟1：確定波浪模型結(jié)構(gòu)；步驟2：初始化波浪模型參數(shù)；步驟3：輸出初始條件，計(jì)算波浪模型適應(yīng)度值；步驟4：選擇操作；步驟5:交叉操作；步驟6：變異操作；步驟7：計(jì)算適應(yīng)度；步驟8：判斷是否滿足結(jié)束條件，若滿足，則進(jìn)入步驟9；若不滿足，則返回步驟4；步驟9：獲取最優(yōu)參數(shù)組合；步驟10：將步驟9得到的參數(shù)重新代入步驟(1)的公式的模型中再次計(jì)算模擬波浪。本發(fā)明獎(jiǎng)人工智能技術(shù)與波浪模型相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)波浪模型參數(shù)的自動(dòng)選擇；根據(jù)輸入的風(fēng)速條件和地形條件能夠自動(dòng)選取更符合實(shí)際的浪模型參數(shù)，提高模擬精確度。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及海洋資源的開(kāi)發(fā)和波浪要素的研究技術(shù)領(lǐng)域，尤 其涉及一種基于人工智能和數(shù)值模型的波浪模擬方法。

背景技術(shù)

自上世紀(jì)五十年代計(jì)算機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展以來(lái)，譜方程的波浪模擬方法自 出現(xiàn)至今經(jīng)歷了極大的改進(jìn)。我國(guó)沿海海岸線長(zhǎng)達(dá)1.8萬(wàn)公里，尤其是東南 沿海地區(qū)經(jīng)常遭受臺(tái)風(fēng)和海浪的侵害，對(duì)人民的生產(chǎn)生活都造成了極大的威 脅。近年來(lái)，由于氣候變化的影響，極端惡劣天氣狀況的增加使得臺(tái)風(fēng)、極 端海浪等要素出現(xiàn)的頻率增加，導(dǎo)致人們對(duì)于波浪的模擬到達(dá)了一定的瓶頸 期，加之海洋狀況的復(fù)雜，譜方程參數(shù)的估計(jì)方法和波浪模擬效果都沒(méi)有達(dá) 到很理想的效果。目前國(guó)際上較為成熟、應(yīng)用較廣的波浪場(chǎng)計(jì)算模型主要有：能量平衡方程模型、Boussinesq方程模型、基于勢(shì)波理論的緩坡方程模型和 基于N-S方程的非靜壓模型。其中基于能量平衡方程的波浪模型主要有 WAVEWATCH、WAM、SWAN等，此類模型主要從宏觀上模擬波浪的能量、 波長(zhǎng)、波高和頻率等特性的變化，其中SWAN波浪模型采用了基于歐拉近似 的作用量譜平衡方程，能夠同時(shí)考慮風(fēng)浪的成長(zhǎng)、消散、波浪破碎、海底摩 擦、三波相互作用和四波相互作用等物理過(guò)程，得到了廣泛應(yīng)用。

然而，由于海洋狀況和水深地形的影響，現(xiàn)有的基于譜平衡 方程的波浪數(shù)值模型對(duì)于每個(gè)地區(qū)的適用度差異很大，對(duì)不同海 域的波浪模擬效果也大不相同，對(duì)于復(fù)雜海況海域的波浪場(chǎng)模擬 效果并不好。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于解決上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，提供一種 基于人工智能和數(shù)值模型的波浪模擬方法。

一種基于人工智能和數(shù)值模型的波浪模擬方法，包括以下步 驟：

步驟1：確定波浪模型結(jié)構(gòu)；

所述波浪模型結(jié)構(gòu)為：

其中，式中，N表示譜密度，其值為能譜密度E與波浪相對(duì)頻 率σ的比值；C_x和C_y表示波浪在x方向和y方向的空間傳播速度；C_σ 和C_θ表示波浪在σ方向和θ方向的傳播速度；方程左邊第1項(xiàng)表示N 在時(shí)間上的變化率，第2、3項(xiàng)表示N在地理空間x方向和y方向上 的傳播，第4、5項(xiàng)表示波浪受地形及水流作用在σ方向和θ方向的傳 播變形；方程右邊S_tot代表控制物理過(guò)程的源函數(shù)項(xiàng)；

步驟2：初始化波浪模型參數(shù)；

所述波浪模型參數(shù)包括：風(fēng)的拖曳系數(shù)、三波相互作用系數(shù)、 四波相互作用系數(shù)、白冠系數(shù)、底摩擦系數(shù)和破碎系數(shù)；

步驟3：輸出初始條件，計(jì)算波浪模型適應(yīng)度值；

計(jì)算公式如下所示：

式中，F(xiàn)_i為第i個(gè)個(gè)體的適應(yīng)度值；E_i為第i個(gè)個(gè)體的誤差平方和；y_j、 o_j分別為第j組波浪數(shù)據(jù)的期望輸出、預(yù)測(cè)輸出；m為波浪數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)； k為系數(shù)，取0.5；