[发明专利]一种基于人工智能和数值模型的波浪模拟方法

说明书

本发明提供一种基于人工智能和数值模型的波浪模拟方法，包括以下步骤：步骤1：确定波浪模型结构；步骤2：初始化波浪模型参数；步骤3：输出初始条件，计算波浪模型适应度值；步骤4：选择操作；步骤5:交叉操作；步骤6：变异操作；步骤7：计算适应度；步骤8：判断是否满足结束条件，若满足，则进入步骤9；若不满足，则返回步骤4；步骤9：获取最优参数组合；步骤10：将步骤9得到的参数重新代入步骤(1)的公式的模型中再次计算模拟波浪。本发明奖人工智能技术与波浪模型相结合，实现对波浪模型参数的自动选择；根据输入的风速条件和地形条件能够自动选取更符合实际的浪模型参数，提高模拟精确度。

技术领域

本发明涉及海洋资源的开发和波浪要素的研究技术领域，尤 其涉及一种基于人工智能和数值模型的波浪模拟方法。

背景技术

自上世纪五十年代计算机技术飞速发展以来，谱方程的波浪模拟方法自 出现至今经历了极大的改进。我国沿海海岸线长达1.8万公里，尤其是东南 沿海地区经常遭受台风和海浪的侵害，对人民的生产生活都造成了极大的威 胁。近年来，由于气候变化的影响，极端恶劣天气状况的增加使得台风、极 端海浪等要素出现的频率增加，导致人们对于波浪的模拟到达了一定的瓶颈 期，加之海洋状况的复杂，谱方程参数的估计方法和波浪模拟效果都没有达 到很理想的效果。目前国际上较为成熟、应用较广的波浪场计算模型主要有：能量平衡方程模型、Boussinesq方程模型、基于势波理论的缓坡方程模型和 基于N-S方程的非静压模型。其中基于能量平衡方程的波浪模型主要有 WAVEWATCH、WAM、SWAN等，此类模型主要从宏观上模拟波浪的能量、 波长、波高和频率等特性的变化，其中SWAN波浪模型采用了基于欧拉近似 的作用量谱平衡方程，能够同时考虑风浪的成长、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过程，得到了广泛应用。

然而，由于海洋状况和水深地形的影响，现有的基于谱平衡 方程的波浪数值模型对于每个地区的适用度差异很大，对不同海 域的波浪模拟效果也大不相同，对于复杂海况海域的波浪场模拟 效果并不好。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术存在的缺陷，提供一种 基于人工智能和数值模型的波浪模拟方法。

一种基于人工智能和数值模型的波浪模拟方法，包括以下步 骤：

步骤1：确定波浪模型结构；

所述波浪模型结构为：

其中，式中，N表示谱密度，其值为能谱密度E与波浪相对频 率σ的比值；C_x和C_y表示波浪在x方向和y方向的空间传播速度；C_σ 和C_θ表示波浪在σ方向和θ方向的传播速度；方程左边第1项表示N 在时间上的变化率，第2、3项表示N在地理空间x方向和y方向上 的传播，第4、5项表示波浪受地形及水流作用在σ方向和θ方向的传 播变形；方程右边S_tot代表控制物理过程的源函数项；

步骤2：初始化波浪模型参数；

所述波浪模型参数包括：风的拖曳系数、三波相互作用系数、 四波相互作用系数、白冠系数、底摩擦系数和破碎系数；

步骤3：输出初始条件，计算波浪模型适应度值；

计算公式如下所示：

式中，F_i为第i个个体的适应度值；E_i为第i个个体的误差平方和；y_j、 o_j分别为第j组波浪数据的期望输出、预测输出；m为波浪数据个数； k为系数，取0.5；