波高阈值的选取方法技术

波高阈值的选取方法，基于目标位置，获取波高原始样本，确定波高阈值区间；确定设计波高的重现期序列i，结合波高阈值基于广义帕累托分布，基于指定重现期，根据超过阈值的样本波高值计算阈值区间内的每个阈值对应的设计波高，得到设计波高值Hsi,j；计算相邻阈值对应的设计波高值的差值，根据差值获得稳定阈值区间，并选取稳定阈值区间内的阈值作为合理阈值，其对应的计算波高值为设计波高。本方法可客观、直接判断推算值稳定性来进行波高阈值的选取，不受人为因素影响，可直接客观的获得波高阈值的选取结果，能够自主判别，进行区域应用，更好地为海洋、海岸工程服务。

【技术实现步骤摘要】
波高阈值的选取方法
本专利技术涉及一种设计波高推算的阈值选取方法。
技术介绍
合适的设计波高推算对海洋和海岸工程的设计十分重要，如码头、防波堤的结构设计和海洋平台的建设。近几年，超阈法(PeakOverThresholdmethod，POT)结合广义帕累托分布(PeakOverThresholdmethod，GPD)进行设计波高推算，在海洋和海岸工程领域应用广泛。超阈法是选取超过某个固定值(阈值)的独立大值作为样本的取样方法；广义帕累托分布是一种概率分布模型，可以对超阈法提取的超阈量进行不同重现期的设计波高推算。POT/GPD法进行设计波高推算的关键是阈值的选取。传统的阈值选取方法为GPD参数图解法，即选取GPD参数稳定区间的低边界值作为阈值。传统方法存在人为因素影响较强的缺点，需要较高的专业知识进行主观判断，而且GPD参数波动较大，稳定区间不明显、不唯一，无法进行区域性应用。采用GPD参数图解法确定阈值进而进行设计波高推算，是一种间接的阈值选取方法，它通过判断GPD参数稳定，得出样本稳定，进而得出稳定设计波高对应的合理阈值。因而，专利技术一种直接、客观、简单的自动阈值选取方法是很重要的。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术的不足，提出一种不受人为因素影响的、直接的设计波高阈值的选取方法。为了实现以上目的，本专利技术提供如下技术方案：波高阈值的选取方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：基于目标位置，获取波高原始样本，确定样本数量Ntot，在波高最大值uM和波高最小值u1确定的候选阈值区间内，以一定步长计算规范化候选阈值，获得波高阈值区间；S2：确定设计波高的重现期序列i；S3：基于广义帕累托分布，基于指定重现期，根据超过阈值uj的样本波高值计算阈值区间内的每个阈值uj对应的设计波高，得到设计波高值Hsi,j；S4：计算相邻阈值对应的设计波高值的差值ΔHsi,j＝Hsi,j-Hsi,j-1；S5：若ΔHsi,j≤0，且ΔHsi,j后对应的3个连续波高差值含负但非全负或均为0，则ΔHsi,j对应的阈值uj为稳定阈值区间的低边界；若ΔHsi,j+m后对应的6个连续波高差值均大于等于0，则ΔHsi,j+m对应的阈值uj+m为稳定阈值区间的高边界，阈值区间[uj,uj+m]为稳定阈值区间，选取稳定阈值区间内阈值作为合理阈值，进行设计波高推算。作为优选：选取稳定阈值区间[uj,uj+m]对应的高边界值uj+m即为合理阈值。作为优选：在步骤S5中，进一步判断ΔHsi,j+m后对应的6个连续波高差值等于0的次数是否小于3，若是，则ΔHsi,j+m对应的uj+m为稳定阈值区间的高边界。作为优选：在步骤S5中，确定稳定阈值区间的低边界时，进一步判断ΔHsi,j后对应的3个连续波高差值是否存在波高差大于步长，若是，则放弃其作为阈值区间的低边界；若否，则判断其为稳定阈值区间低边界。作为优选：在步骤S5中，确定稳定阈值区间的低边界时，进一步判断ΔHsi,j和ΔHsi,j-1之间是否存在原始波高样本值，若是，则判断判断其为稳定阈值区间低边界，若否，则放弃其作为阈值区间的低边界。作为优选:进一步包括以下步骤：S6：进一步定义特征向量chi,j，稳定阈值区间内阈值对应的特征向量定义为1，非稳定阈值区间内阈值对应的特征向量为0，累加各重现期稳定阈值区间内阈值uj对应的的特征向量chi,j值，获得sum(j)；获取各重现期内重叠的sum(j)最大值序列，以包含sum(j)最大值序列的最大j值对应阈值uj的稳定阈值区间作为最终的稳定阈值区间。本专利技术的有益效果为：本专利技术提出一种自动判别阈值的选取方法，涉及一种不同重现期设计波高推算的阈值选取方法，尤其是涉及超阈法结合广义帕累托分布进行设计波高推算的阈值选取方法。该方法通过分析阈值区间内阈值对应的设计波高特性，确定稳定阈值区间，进而获得合理阈值。基于该合理阈值，可以进行设计波高推算，得到不同重现期的设计波高。本专利技术能够运用客观的判别方法，直接判断推算值稳定性来进行阈值的选取，不受人为因素影响，可直接客观的获得波高阈值的选取结果，能够自主判别，进行区域应用，更好地为海洋、海岸工程服务。附图说明图1为地理坐标(22.00°N,118.75°E)点位的台风影响范围示意图；图2为阈值区间内50年一遇设计波高值变化,红色虚线内表示设计波高值的稳定阈值区间；图3为阈值区间内100年一遇设计波高值变化,红色虚线内表示设计波高值的稳定阈值区间；图4为阈值区间内150年一遇设计波高值变化,红色虚线内表示设计波高值的稳定阈值区间；图5为阈值区间内200年一遇设计波高值变化,红色虚线内表示设计波高值的稳定阈值区间；图6为50年一遇设计波高的差值在阈值区间的分布情况。具体实施方式以下将结合附图对本专利技术的具体实施方式进行清楚完整地描述。显然，具体实施方式所描述的实施例仅为本专利技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术的保护范围。本专利技术提供了一种直接的设计波高阈值的选取方法，可用于海上设计的辅助指导。中国南海海域台风盛行，本实施例中，以中国南海海域为研究对象，研究选取南海海域地理坐标点(22.00°N，118.75°E)为研究对象，获取坐标位置的波高数据，该点水深1345.3m，选取40年为时间段，40年内该位置发生的台风数量为328个，台风分布的位置参考图1中方形所标注的区域。基于目标位置坐标，获取一定时间段内的波高原始样本，并确定样本数量Ntot、样本中波高最大值uM，以及样本中波高最小值u1。其中，目标坐标为一个地理坐标，本实施例中，其为南海海域(22.00°N，118.75°E)的位置。考虑到极端天气下，波高较高，因此波高样本的选择考虑极端天气对波高的影响，选择台风经过时的波高作为研究样本，具体为选取每个台风过程的峰值作为原始样本。基于此，获得一个样本数量Ntot为328个，最大波高值uM为14.05m，最小波高值u1为0.24m的波高原始样本集，且候选阈值的区间为[0.24m，14.05m]。由于自然条件下是无确定规律的，获得的波高数据零散分散在候选阈值区间内。为了便于后续计算，对候选阈值区间进一步做规范化处理。处理的方法为，获得候选阈值区间后，在候选阈值区间内，以一定步长计算获得规范化候选阈值；步长的计算可人为指定，也可根据经验计算。本实施例中，步长选择规则为：计算得的结果小数点后两位向上取整，选取0.05m为阈值步长Δu。根据步长计算规则，获得0.25、0.30、0.35、0.40……14.05的一个候选阈值，称为规范化候选阈值，候选阈值数量为276个。确定设计波高的重现期序列。设计波高的重现期序列反应的为设计波高的设计要求，即设计波高的选取需要满足多长的重现期的要求。例如，可以选择50年为重现期，也可以选择100年、150年为重现期。不同重现期，波高的设计值会存在差异。例如，选择50年作为重现期，i＝50；选择100年作为重现期，i＝100。本实施例中选择i＝50:50:200作为重现期，即考虑200年内的设计波高，选择50年作为重现期步长。确定阈值之后，将采用原始样本集中，大于某一阈值的所有原始样本本文档来自技高网...

【技术保护点】
波高阈值的选取方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：基于目标位置，获取波高原始样本，确定样本数量Ntot，在波高最大值uM和波高最小值u1确定的候选阈值区间内，以一定步长计算规范化候选阈值，获得波高阈值区间；S2：确定设计波高的重现期序列i；S3：基于广义帕累托分布，基于指定重现期，根据超过阈值uj的样本波高值计算阈值区间内的每个阈值uj对应的设计波高，得到设计波高值Hsi,j；S4：计算相邻阈值对应的设计波高值的差值ΔHsi,j＝Hsi,j‑Hsi,j‑1；S5：若ΔHsi,j≤0，且ΔHsi,j后对应的3个连续波高差值含负但非全负或均为0，则ΔHsi,j对应的阈值uj为稳定阈值区间的低边界；若ΔHsi,j+m后对应的6个连续波高差值均大于等于0，则ΔHsij+m对应的阈值uj+m为稳定阈值区间的高边界，阈值区间[uj，uj+m]为稳定阈值区间，选取稳定阈值区间内阈值作为合理阈值，进行设计波高推算。

【技术特征摘要】
1.波高阈值的选取方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：基于目标位置，获取波高原始样本，确定样本数量Ntot，在波高最大值uM和波高最小值u1确定的候选阈值区间内，以一定步长计算规范化候选阈值，获得波高阈值区间；S2：确定设计波高的重现期序列i；S3：基于广义帕累托分布，基于指定重现期，根据超过阈值uj的样本波高值计算阈值区间内的每个阈值uj对应的设计波高，得到设计波高值Hsi,j；S4：计算相邻阈值对应的设计波高值的差值ΔHsi,j＝Hsi,j-Hsi,j-1；S5：若ΔHsi,j≤0，且ΔHsi,j后对应的3个连续波高差值含负但非全负或均为0，则ΔHsi,j对应的阈值uj为稳定阈值区间的低边界；若ΔHsi,j+m后对应的6个连续波高差值均大于等于0，则ΔHsij+m对应的阈值uj+m为稳定阈值区间的高边界，阈值区间[uj，uj+m]为稳定阈值区间，选取稳定阈值区间内阈值作为合理阈值，进行设计波高推算。2.如权利要求1所述的波高阈值的选取方法，其特征在于，在步骤S5中，选取稳定阈值区间[uj，uj+m]对应的高边界值uj+m即为合理阈值。3.如权利要求1所述的波高阈值的选取方法，其特征在于，在步骤S5中，进一步判断...

【专利技术属性】
技术研发人员：邵珠晓，梁丙臣，高慧君，史宏达，薛风光，张德娟，梁欣欣，
申请(专利权)人：中国海洋大学，烟台中集来福士海洋工程有限公司，
类型：发明
国别省市：山东,37