面向OWC沉箱式波浪能装置的波向适用性量化评估方法及系统与流程

本发明属于海洋可再生能源利用与港口工程技术交叉领域，具体涉及面向owc沉箱式波浪能装置的波向适用性量化评估方法及系统。

背景技术：

1、振荡水柱式波浪能装置因其结构简单、可靠性高，被广泛研究并尝试与防波堤、码头等港口水工建筑物集成。例如在某港口工程中，计划将突堤端部沉箱改造为50kw和100kw的owc装置。

2、owc装置的能量俘获效率高度依赖于气室内水柱的振荡特性，该特性受入射波浪方向与沉箱结构相互作用的显著影响。实际工程中，外海波浪传播至堤前会发生折射、绕射，波向产生偏转，波能重新分布。前期数值模拟表明，外海波浪自不同方向传播至工程所在海域后，受地形、水深及沉箱结构等因素影响，波向发生不同程度的折射与绕射偏转，且发电装置仅在特定波向且波高大于一定阈值时才能启动。

3、当前，工程上通常采用基于物理模型的数值模拟或统计回归方法进行波浪推算。纯数值模拟计算成本高，难以覆盖所有波向组合；纯统计方法依赖长期现场观测数据，而项目前期数据极为稀疏。现有方法多为单任务独立建模，未利用不同波向间波浪传播规律的相关性（例如相邻波向的偏转规律具有连续性），导致小样本条件下模型泛化能力差。

4、多任务高斯过程回归及其内在协区域化模型在多输出回归领域已有进展，但其在波浪方向适用性评估中的应用仍需解决两个问题：一是现有研究中，部分文献尝试将波向作为线性变量处理（即0°与360°视为两个独立方向），或采用正弦/余弦变换后分别建模，但前者违背了波向的物理连续性，后者割裂了方向分量的内在关联，均不能准确刻画波向的圆周几何结构；二是未针对有限样本量设计自适应采样策略。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种面向owc沉箱式波浪能装置的波向适用性量化评估方法及系统，针对集成于港口突堤沉箱的振荡水柱式波浪能装置，评估其在不同外海波向条件下能量捕获适用性及确定有效发电波高阈值的量化分析方法。本发明的核心构思在于将不同外海波向下的波浪传播预测构建为多任务回归问题，利用多任务高斯过程模型学习任务间隐含相关性，并引入周期性核函数处理波向圆周连续性；同时设计联合采集函数平衡全局不确定性与局部变化率，以较低数据成本迭代优化模型；最终输出各外海波向对应的最小外海有效波高作为主结果，并同步输出堤前波向预测作为辅助校核信息。

2、第一方面，本发明提供一种面向owc沉箱式波浪能装置的波向适用性量化评估方法，包括以下步骤：

3、基于外海波浪要素与堤前响应数据构建初始样本集，所述初始样本集的输入特征包括外海波向、外海有效波高和外海谱峰周期，输出目标包括堤前波高和堤前波向；

4、建立多任务高斯过程回归模型，以所述初始样本集作为训练数据对所述多任务高斯过程回归模型进行训练，将每个外海波向下的波浪传播预测分别构建为一个独立任务，通过任务相关矩阵学习不同外海波向对应的各任务之间的隐含相关性，并采用周期性核函数处理波向的圆周连续性；

5、构建联合采集函数，所述联合采集函数由全局不确定性指标和局部变化率指标组合而成，用于序贯选择新样本点以平衡全局探索与局部开发；

6、迭代更新所述多任务高斯过程回归模型，在候选样本池中基于所述联合采集函数选取新样本点，获取真实输出值并加入训练集，重新训练模型直至满足收敛准则；所述训练集的初始状态为所述初始样本集；

7、利用收敛后的所述多任务高斯过程回归模型进行批量预测，输出堤前波高的预测均值及置信区间作为主输出；

8、基于所述主输出与机组最低启动波高阈值，反推各外海波向下的最小外海有效波高，生成波向适用性图谱。

9、进一步的，所述多任务高斯过程回归模型中，各波向任务对应的输出服从多变量高斯过程；所述多变量高斯过程的协方差函数采用内在协区域化模型结构，由任务相关矩阵与输入核函数通过克罗内克积组合构造而成；所述任务相关矩阵为对称正定矩阵，其非对角元素用于表征任意两个波向任务之间的相关性；所述输入核函数由波向维度的周期性核函数、波高维度的平方指数核函数和周期维度的平方指数核函数三者相乘构成；所述多变量高斯过程的均值函数设为常数，模型超参数通过最大化边际似然函数求解。

10、进一步的，所述联合采集函数由所述全局不确定性指标与所述局部变化率指标组合构造而成，且所述联合采集函数的值随所述全局不确定性指标的增大而增大，并随所述局部变化率指标的增大而增大；

11、其中，所述全局不确定性指标基于模型预测的联合协方差矩阵的对数行列式进行度量，用于表征候选点处的整体预测不确定程度；所述局部变化率指标通过计算候选点与最近邻样本点处各波向任务的预测均值关于输入特征的梯度矩阵之间的frobenius内积投影差异来获得，所述投影差异越大，所述局部变化率指标值越大，用于表征候选点处函数变化的剧烈程度或方向的多变性。

12、进一步的，所述联合采集函数采用如下形式：

13、

14、其中，为联合采集函数，为所述全局不确定性指标，为所述局部变化率指标；

15、所述全局不确定性指标定义为：

16、

17、其中，为模型在候选点处的预测联合协方差矩阵；

t为波向任务的总数；表示矩阵的对数行列式；为单位矩阵；为正则化系数，其为正值且取值小于所述预测联合协方差矩阵的主对角线元素的最小值。

18、进一步的，所述局部变化率指标通过以下步骤获得：

19、确定候选点的最近邻样本点，按输入空间欧氏距离度量；

20、分别计算候选点及所述最近邻样本点处各任务的预测均值关于输入特征的梯度向量，将所有任务的梯度向量按行堆叠，形成候选点的扩展梯度矩阵和最近邻点的扩展梯度矩阵；

21、计算所述扩展梯度矩阵与所述最近邻点的扩展梯度矩阵之间的归一化frobenius内积投影差异，作为所述局部变化率指标：

22、

23、其中，为frobenius范数，为frobenius内积的绝对值；

24、当或的frobenius范数小于时，令。

25、进一步的，所述迭代更新所述多任务高斯过程回归模型的具体过程为：

26、在所述候选样本池中最大化所述联合采集函数以选取新样本点；通过数值模拟或补充现场观测获取所述新样本点的真实堤前波高和真实堤前波向；将所述真实堤前波高加入所述多任务高斯过程回归模型的训练集，将所述真实堤前波向加入用于辅助预测波向的二维高斯过程模型的训练集，两个模型同步更新；重新训练更新后的模型，重复上述过程直至满足所述收敛准则；

27、所述收敛准则为：采用留一交叉验证计算归一化均方根误差，当所述归一化均方根误差低于预设阈值时停止迭代，所述预设阈值根据工程精度要求设定；或连续预设次数的迭代中所述归一化均方根误差的改善量小于预设百分比时停止迭代，所述预设次数和预设百分比根据模型收敛稳定性要求设定；同时设置预设最大迭代次数作为安全终止条件，所述预设最大迭代次数根据任务数量确定。

28、进一步的，所述利用收敛后的所述多任务高斯过程回归模型进行批量预测，输出堤前波高的预测均值及置信区间作为主输出，具体包括：

29、利用收敛后的所述多任务高斯过程回归模型，对所有外海波向、外海有效波高和外海谱峰周期的组合进行批量预测，得到各波向任务下堤前波高的预测均值以及对应的边缘预测方差；

30、基于所述预测均值和所述边缘预测方差，构建各波向任务下堤前波高的各预测值对应的置信区间。

31、进一步的，所述批量预测还包括堤前波向的辅助校核输出，具体通过以下方式获得：

32、将训练集中的堤前波向变换为正弦分量和余弦分量，采用二维高斯过程模型进行联合建模和预测，得到正弦分量预测值、余弦分量预测值及二者的联合协方差矩阵；

33、利用delta方法，根据所述正弦分量预测值和所述余弦分量预测值计算堤前波向预测值的角度方差，并通过所述角度方差构建堤前波向的置信区间；

34、将所述置信区间通过模运算映射至环形空间，当所述置信区间跨越环形空间的边界时，以两段弧的并集表示跨边界区间；

35、当所述正弦分量预测值与所述余弦分量预测值的平方和小于预设的可信度判定阈值时，标记为低可信样本，不输出角度区间，以预设的数据不足标记符号替代角度输出；所述可信度判定阈值根据数值计算精度要求和角度估计的可信度要求设定。

36、进一步的，所述反推各外海波向下的最小外海有效波高，具体包括：

37、对于每个外海波向，在固定该外海波向的条件下，对所述主输出中的外海有效波高维度进行搜索，将预测堤前波高首次达到所述机组最低启动波高阈值时所对应的外海波高，确定为该外海波向下的最小外海有效波高；

38、当所述主输出中堤前波高预测的置信区间半宽超过其均值预测的预设百分比时，将对应的外海波向标记为数据不足。

39、第二方面，本发明还提供一种面向owc沉箱式波浪能装置的波向适用性量化评估系统，包括：

40、数据采集模块，用于基于外海波浪要素与堤前响应数据构建初始样本集，所述初始样本集的输入特征包括外海波向、外海有效波高和外海谱峰周期，输出目标包括堤前波高和堤前波向；

41、建模模块，用于建立多任务高斯过程回归模型，以所述初始样本集作为训练数据对所述多任务高斯过程回归模型进行训练，将每个外海波向下的波浪传播预测分别构建为一个独立任务，通过任务相关矩阵学习不同外海波向对应的各任务之间的隐含相关性，并采用周期性核函数处理波向的圆周连续性；

42、迭代优化模块，用于构建联合采集函数，所述联合采集函数由全局不确定性指标和局部变化率指标组合而成，在候选样本池中基于所述联合采集函数序贯选择新样本点，获取真实输出值并加入训练集，迭代更新所述多任务高斯过程回归模型直至满足收敛准则；所述训练集的初始状态为所述初始样本集；

43、预测输出模块，用于利用收敛后的所述多任务高斯过程回归模型进行批量预测，输出堤前波高的预测均值及置信区间作为主输出；

44、反推生成模块，用于基于所述主输出与机组最低启动波高阈值，反推各外海波向下的最小外海有效波高，生成波向适用性图谱。

45、在第三方面，提供一种控制装置，包括处理器和存储装置，所述存储装置适于存储多条程序代码，所述程序代码适于由所述处理器加载并运行以执行第二方面所述的方法。

46、在第四方面，提供一种计算机可读存储介质，其上存储有多条程序代码，所述程序代码适于由处理器加载并运行以执行第二方面所述的方法。

47、本发明上述一个或多个技术方案，至少具有如下一种或多种有益效果：

48、本发明通过任务相关矩阵和周期性核函数，利用不同波向间的相关性，在有限样本下获得更准确的堤前波高预测。联合采集函数平衡全局探索与局部开发，在本实施例条件下具有降低所需数值模拟次数的潜在效果，有助于减少计算成本。输出堤前波高及其置信区间作为主结果，使工程设计人员能够量化评估预测结果的可靠程度，为沉箱改造方案中的风险决策（如是否需要在特定波向下采取额外防护措施）提供量化依据；同时提供堤前波向预测作为辅助校核信息，支持工程风险量化。生成的波向适用性图谱直观展示各方向对应的最小外海有效波高，为沉箱改造方案优化提供依据。