一种基于pso的海浪波高分段线性化建模系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及的是一种海浪波建模系统，特别涉及到一种基于PSO的海浪波高分段 线性化建模系统。
【背景技术】
[0002] 如何有效地开发利用海洋是全人类面临的重大课题。然而，研究海洋的任何运动， 包括风、浪、潮、流等都是在特定的海洋环境中进行的，都需要掌握物理海洋要素基础数据 的变化规律和对其进行预测预报。为了能够及时准确地掌握海洋运动的规律，迫切需要先 进的海洋环境监测技术和监测设备，对海洋环境实现全方位、多手段的立体监测。作为海洋 中的一种现象，海浪是与人类关系最直接、最密切的。研究海浪的生长、成长、消衰以及传播 机制、揭示其内部结构和外在特征，对于国防、航运、港口、造船以及海上石油平台的安全、 建设等和海洋相关的人类活动都具有非常重要的意义。
[0003] 本发明显示了智能算法在波高反演算法中的使用价值。传统的方法虽然使用了很 长时间，得到了相关人员的认可，但其确实存在缺点，如果认为在整个区域波高和雷达图像 信噪比平方根都是线性关系，其精度是很低的，造成的误差大，对相关人员的海上活动会造 成很大的困扰，甚至会造成安全问题，其代价是不可想象的。PSO算法是当前很受欢迎的算 法，其应用已经很广泛，是最近几年研究的热点，所以对PSO算法的应用不是一个难题。根 据PSO的原理，它可以有效解决优化问题，将此方法应用到波高的分段线性化建模，不仅仅 是提高了关系曲线的精度，而且其时效性也增强了，为相关人员提供更加及时有效的动态 波高信息，为海上人员的出海活动提供了极大的方便。提高了航运、海上石油平台的的安全 系数，其影响是深远的。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于提供一种基于PSO的海浪波高分段线性化建模系统。
[0005] 本发明的目的是这样实现的：
[0006] 具体包括以下几个步骤：
[0007] (1)确定判断宽度；
[0008] (2 )初始化种群的个体
[0009] (3)计算每个粒子的适应值，并初始化个体最优位置Pi和全局最优位置p g
[0010] (4)进入循环，依次迭代，直到满足结束条件
[0011] (5)得到拐角（分段临界角）turnangle最优解，建立分段模型
[0012] (6)初步划分第一段
[0013] (7)划分下一段
[0014] (8)进一步判断已划分出来的段
[0015] (9)得到分段模型和适应值。
【附图说明】
[0016] 图1为基于PSO的海浪波高分段线性化建模系统流程图；
[0017] 图2样本数据图；
[0018] 图3分段线性化模型仿真图；
[0019] 图4拟合回归图
[0020] 图5分段模型turnangle解的分布；
[0021] 图6PS0反演结果图
[0022] 图7PS0反演回归图。
[0023] 本发明的技术方案的实质是：在分段拟合时各段的斜率值是正值，各段采用残差 平方和最小理论进行拟合，并且保证各段拟合时既过拐点又能拟合出直线；首先确定粒子 群算法的判断宽度，之后每个粒子根据判断宽度和自己的拐角值，求出当前宽度数据域和 下一个判断宽度数据域的拟合直线倾斜角，将后者和前者做差和拐角值比较划分出各段， 接着再根据基本思想再次判断各段区域范围，最后经过迭代寻找到最优拐角值。
[0024] 该技术方案的优点在于：
[0025] (1)拟合的程度高；
[0026] (2)所需设置的参数较少，寻优的解是一维的，复杂度低，算法负担低，寻优过程简 单；
[0027] (3)相关系数和标准差相差不大，分段表现良好。
【具体实施方式】
[0028] 步骤1 :确定判断宽度：
[0029] width的最小值minwidth应该是搜索样本数据的相邻点的横向（^SNR值)距离的 最大值。当width取minwidth为步长判断时，能保证每个width内都有数据，但是模型建 立的时间会很长，所以width可以按式（1)取值。
[0030] width=n · minwidth n=l, 2, 3 (I)
[0031] 本发明在建模时width值取2Xminwidth,既能提高建模速度，也能保证分段精 度。
[0032] 步骤2 :初始化种群的个体：
[0033] 寻找最优turnangle时，每个个体的Xi, ViQ=I, 2,…N)是一维的，Xi值代表 turnangle解空间的一个解。随机初始化每个粒子的位置Xi及速度Vi值，范围为0°~ 10。。
[0034] 步骤3 :计算每个粒子的适应值，并初始化个体最优位置Pi和全局最优位置pg :
[0035] 将每个粒子的位置信息Xi代入适应值函数，求出对应的适应值，并赋值给P i。然 后将Pi(i=l，2,…N)的最大值赋给pg。
[0036] 步骤4 :进入循环，依次迭代，直到满足结束条件：
[0037] 速度更新公式如式（2):
[0038] vf+I = w· v' + C1 · rand ·(Pi -Xti) +C2-rand -(p,,-x\) (2)
[0039] 式中，上标t表示迭代次数；Cl，c2称为学习因子，经验值(^=(32=2 ;ω称为惯性权 重，其大小决定了粒子对先前速度继承的多少，rand为在（0, 1)范围内随机选取的实数；。
[0040] 位置更新公式如式（3):
[0041] X；+1 = χ\ + ν?+1 (3)
[0042] 经过速度和位置更新后，求出每个粒子的适应值，然后根据准则2更新Pi和P g。一 直迭代下去，直到满足结束条件。
[0043] 步骤5 :得到拐角（分段临界角）turnangle最优解，建立分段模型：
[0044] 迭代结束后，Pg值即turnangle的最优解，将其值再次代入适应值函数，求出各段 斜率和截距，得到分段模型。
[0045] 步骤6 :初步划分第一段：
[0046] 假设拐点坐标值为X。，yQ。
[0047] 拟合公式为 f (X) saj+a。。
[0048] 考虑过拐点，则 J70 =f(^) = axxQ+aQ
[0049] U (4) = ν〇-°Λ
[0050] 将 aQ 带入 f (X)，得 f{x) = O1X+V0-O1X0
[0051] , 、 = O1(X-X0) + ^
[0052] 则所有数据点的残差平方和为
【主权项】
1. 一种基于PSO的海浪波高分段线性化建模系统，其特征是所述的确定判断宽度， width的最小值minwidth应该是搜索样本数据的相邻点的横向（VSVi?值)距离的最大值。 当width取minwidth为步长判断时，能保证每个width内都有数据，但是模型建立的时间 会很长，所以width可以按式（1)取值。
2. 根据权利要求1所述的一种基于PSO的海浪波高分段线性化建模系统，其特征是所 述的得到拐角（分段临界角）turnangle最优解，建立分段模型。
3. 根据权利要求1所述的一种基于PSO的海浪波高分段线性化建模系统，其特征是所 述的迭代结束后，Pg值即turnangle的最优解，将其值再次代入适应值函数，求出各段斜率 和截距，得到分段模型。
【专利摘要】一种基于PSO的海浪波高分段线性化建模系统，系统工作的流程是（1）确定判断宽度width；（2）初始化种群的个体；（3）计算每个粒子的适应值，并初始化个体最优位置pi和全局最优位置pg；（4）进入循环，依次迭代，直到满足结束条件；（5）得到拐角（分段临界角）turnangle最优解，建立分段模型；（6）初步划分第一段；（7）划分下一段；（8）进一步判断已划分出来的段；（9）得到分段模型和适应值。
【IPC分类】G06T17-00
【公开号】CN104680575
【申请号】CN201310626084
【发明人】杨亮, 韩雪
【申请人】哈尔滨功成科技创业投资有限公司
【公开日】2015年6月3日
【申请日】2013年11月29日