预测海面溢油轨迹的物理知识与数据混合驱动的预测算法制造技术

本发明专利技术属于轨迹预测领域，具体涉及预测海面溢油轨迹的物理知识与数据混合驱动的预测算法，步骤包括：步骤一：对元胞自动机理论进行梳理和理论分析；步骤二：确认影响因素，为规则设立建立基础，对结果进行补充修正；步骤三：对影响因素进行融合，构建改进后的预测模型，计算预测结果；步骤四：分析所使用的入参，确定预测模型，计算预测模型预测值；步骤五：对计算的结果进行汇总分析，构建混合驱动下的预测模型；步骤六：对数据进行量纲一致和网格统一，将物理知识与数据进行混合驱动；步骤七：通过运算，得到溢油轨迹预测结果，以已有的混合智能系统为框架，利用包含物理先验知识的模型协助解决数据驱动进行溢油轨迹预测，提高预测效率和精度。和精度。和精度。

【技术实现步骤摘要】
预测海面溢油轨迹的物理知识与数据混合驱动的预测算法


[0001]本专利技术属于轨迹预测
，具体涉及一种用于预测海面溢油轨迹的物理知识与数据混合驱动的预测算法。

技术介绍

[0002]随着海上石油开采及运输行业的快速发展，海上钻井平台数量不断增多，石油运输总量快速增加。根据EIA数据显示，世界石油极限储量为1万亿吨，可采储量3000亿吨，其中海洋石油储量占比45%。
[0003]然而大量的石油开采与运输会带来一系列问题，其中最为突出的就是海洋溢油事故的频繁发生。海洋溢油事故是指在进行石油勘探开发、储运及炼制的过程中，因意外情况或人为操作失误等原因造成的原油外泄到海洋中的现象，主要包括石油钻井平台泄露事故和船舶碰撞溢油事故。这两种溢油事故对沿海和海洋环境的影响是最大的，会对周边的渔业和旅游业造成严重损失。据统计，溢油量超过1000吨的泄露事故全球每年平均发生约4.4次，总体石油溢入海洋约有600万吨，不仅造成了巨大的经济资源损失，更严重污染了海洋生态环境，部分生物面临灭绝的危险，海洋生物的生存环境受到极大破坏。例如，2010年4月的“本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.预测海面溢油轨迹的物理知识与数据混合驱动的预测算法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一：对元胞自动机理论解决海面溢油轨迹预测问题的常用模型进行梳理和理论分析；步骤二：确认海面溢油轨迹的影响因素，在步骤一的基础上对海洋溢油轨迹的影响因素进行分析，为元胞自动机模型的规则设立建立基础，对传统元胞自动机模型得到的结果进行补充修正；步骤三：对步骤二所计算的海面溢油轨迹的影响因素进行融合，构建改进后的元胞自动机物理预测模型，计算物理知识驱动下的预测结果；步骤四：分析数据驱动预测过程所使用的入参，确定数据驱动的预测模型，计算数据驱动下的预测模型预测值；步骤五：对步骤二、步骤三所计算的物理驱动模型与数据驱动模型所计算的结果进行汇总分析，构建混合驱动下的海面溢油轨迹预测模型；步骤六：在步骤五构建的海面溢油轨迹预测模型的基础上，对不同数据来源的相关数据进行量纲一致和网格统一，将物理知识通过残差融合的方式与数据进行混合驱动；步骤七：通过步骤六中混合驱动进行运算，得到海面溢油轨迹预测结果。2.根据权利要求1所述的预测海面溢油轨迹的物理知识与数据混合驱动的预测算法，其特征是，所述步骤一包括，构建基于元胞自动机的海面溢油轨迹预测模型，实现物理知识的驱动模型，具体步骤为：步骤1
‑
1：构建传统元胞自动机模型，通过每一元胞的质量来判断该元胞是否存在溢油，t+1时刻元胞（i，j，k）的质量的溢油质量计算公式为：，式中：m代表东、西、南、北四个正方向的传输系数；md代表东南、东北、西南、西北四个斜角方向的斜角修正系数，是t时刻元胞(i,j,k)中的溢油质量，代表元胞(i,j,k)在t+1时刻的溢油质量；分别代表元胞(i,j
‑
1,k)、(i,j+1,k)、(i+1,j,k)、(i
‑
1,j,k)在t时刻的溢油质量；分别代表元胞(i+1,j+1,k)、(i+1,j
‑
1,k)、(i
‑
1,j
‑
1,k)、(i
‑
1,j+1,k)在t时刻的溢油质量；步骤1
‑
2：综合考虑元胞空间、元胞状态、元胞邻居、元胞规则、元胞的初始溢油质量的问题，基于元胞自动机构建海面溢油轨迹预测模型。3.根据权利要求2所述的预测海面溢油轨迹的物理知识与数据混合驱动的预测算法，其特征是，所述元胞空间是指所有的海洋溢油的元胞依据一定的规律来构成的空间，除了元胞空间的维度外，其三角形、四边形或者六边形不同的形状选择也至关重要，根据元胞自动机模型需要与网格化划分的数据相耦合，溢油的垂直扩散对溢油量的变换影响，海洋溢油的元胞模拟采用三维的元胞空间，并将研究区域划分为N
×
N个区域，N为自然数；
所述元胞状态是指每个元胞有未污染和污染两种状态，设置为状态阈值，将t时刻元胞(i,j,k)的质量表示为，则在情形下元胞状态为污染；下元胞状态为未污染；所述元胞邻居是指在元胞自动机模型中对某元胞的状态起决定作用的周围元胞，所述元胞邻居采用摩尔型邻居类型，邻居数目为3
d
‑
1，d为维度，即每个中心元胞都要考虑周围四个正方向，东、西、南、北和四个斜方向，东北、东南、西北、西南的影响，作用距离为1个元胞距离；所述元胞规则为溢油在扩散过程中受到自身以及外部因素的影响对溢油本身的轨迹、质量产生影响，用于修正元胞自动机模型所输出的溢油质量。4.根据权利要求2所述的预测海面溢油轨迹的物理知识与数据混合驱动的预测算法，其特征是，所述步骤二包括：步骤2
‑
1：风、流状态影响分析，风流影响系数W表示风、流状态下不同邻居元胞对中心元胞的影响，其中风影响系数为：在风速的方向从西到东时，只有邻居元胞(i
‑
1,j,k)对中心元胞(i,j,k)产生影响，此时在t时风产生的影响系数W
F
中引入(i,j,k)和(i
‑
1,j,k)处风速的平均值，并以该平均值与风速最大值的比作为风的影响系数，公式如下：，式中，和分别表示为t时元胞(i,j,k)和(i
‑
1,j,k)处的东向上的风速；FV
max
为最大风速；R
W
是风转化系数，其他方向上的影响系数依次计算，W
s
为在t时在某方向上水流产生的影响系数，W
s
修正为该某方向上的水流速度与流域内最大流速的比值，公式为：，式中，为t时元胞(i,j,k)处的水流在东向上的速度；SV
max
为此流域内观测到的最大流速，其他方向上的影响系数依次计算，根据所述的风影响系数和水流影响系数，计算风和流的影响系数为W=W
F
+W
S
，具体到某一网格的影响系数为，步骤2
‑
2：海面溢油在垂直方向质量消耗影响分析，海上溢油扩散和漂移过程中，溢油在垂直方向上存在垂直扩散现象，在元胞都为海水表层元胞时，风力是溢油垂直传输的主要动力，垂直方向的溢油传输量为，其计算公式如下：，式中，代表元胞(i,j,k)在t时刻的相对风速，且，其中代表元胞(i,j,k)在t时刻的风速，WV
max
代表曾经观察到的最大风速值，代表元胞(i,j,k)在t时刻的溢油质量，R
W
是石油垂直方向上的传输速率；步骤2
‑
3：蒸发作用影响分析，通过蒸发模型得到溢油蒸发质量，修正后的计算公式为：
，式中，F为蒸发率，其方程表述为：，式中，a、b为常量，T是油温，T
G
是沸点曲线的梯度，T0是溢油的初始沸点温度，K是蒸发系数，S是油与海水的接触面积，V0是溢油最初的体积，t是时间；步骤2
‑
4：扩散影响分析，海面溢油在扩散过程中会受到溢油本身物理性质、化学性质以及环境因素的影响，包括溶解过程、乳化过程，所述溶解过程是指溢油过程中有一部分溢油会溶解于海水，溶解于海水的溢油质量M
r
的计算公式为：，式中，D是扩散系数， 为海水中的有浓度梯度，负号表示溢油质量增加的方向与溢油扩散的方向不同，所述乳化过程是指对中心元胞的质量影响的扩散变化，乳化溢油质量的计算公式：，乳化含水率Y
W
计算公式为：...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐小峰，刘智厅，刘文志，齐鹏，邓忆瑞，
申请(专利权)人：中国石油大学华东，
类型：发明
国别省市：