一种海岸工程设计波高推算方法、系统及电子设备与流程

本技术涉及海岸工程极值波浪统计分析的，尤其涉及一种海岸工程设计波高推算方法、系统及电子设备。

背景技术：

1、设计波高是防波堤、护岸、码头等海岸防护结构断面尺寸与抗浪等级的核心输入参数，其推算结果的可靠性直接关系到工程结构的安全裕度与建设成本。工程实践中，设计波高通常基于沿海观测站的长期波浪观测数据，借助极值统计方法推算特定重现期下的极端波高值。

2、现有设计波高推算方法主要采用年极值法配合广义极值分布（gev），或超阈值法配合广义帕累托分布（gpd），并借助l-矩法或极大似然法对分布参数进行估计。工程实践中通常对区域内所有沿海观测站采用统一的极值分布形式与固定的参数估计策略，逐站拟合后输出对应重现期的波高推算值。

3、但是，上述方案对区域内各沿海观测站采用统一处理流程，实际应用中存在以下不足：其一，各沿海观测站之间的重现期推算值精度差异较为明显，部分观测站的推算结果与参考基准之间存在较大偏差，跨站推算结果的可比性有限；其二，年极值序列中的个别记录对分布参数估计的影响较为显著，实际执行中往往需要人工介入检查，处理过程不具可重复性；其三，同一观测站在采用不同极值分布形式时得到的推算结果之间可能存在差异，如何取舍缺乏客观依据，工程人员的比选结论存在主观差异；其四，推算结果通常仅以数值形式输出，工程应用中缺少对该数值在具体设计场景下可用程度的直接判断依据。

技术实现思路

1、本技术实施例提供了一种海岸工程设计波高推算方法、系统及电子设备，用于降低不同沿海观测站之间设计波高推算结果的精度差异，提高推算流程在跨站应用中的可重复性，并改善推算结果向工程设计参数转化过程中的可用性。

2、第一方面，本技术实施例提供了一种海岸工程设计波高推算方法，所述方法包括：

3、采集各沿海观测站的有效波高物理观测序列，基于所述有效波高物理观测序列的有效观测年数与数据完整率，得到各所述沿海观测站的数据质量等级；

4、基于所述有效波高物理观测序列，构建各所述沿海观测站的年极值序列与超阈值序列；

5、根据所述数据质量等级与所述年极值序列的样本量，确定参数估计方法，根据所述参数估计方法对所述年极值序列进行广义极值分布拟合，得到第一重现水平，并对所述超阈值序列进行广义帕累托分布拟合，得到第二重现水平；其中，所述参数估计方法包括l-矩法与极大似然法；

6、基于重采样，分别得到所述广义极值分布与所述广义帕累托分布的形状参数变异系数；

7、基于所述第一重现水平与所述第二重现水平，得到双法一致性指标；

8、根据所述双法一致性指标、所述数据质量等级以及所述形状参数变异系数，从所述第一重现水平与所述第二重现水平中确定目标重现期设计波高，用于海岸工程结构设计。

9、在上述实施例中，本技术首先采集各沿海观测站的有效波高物理观测序列，并基于其有效观测年数与数据完整率评定数据质量等级；随后从观测序列中构建年极值序列与超阈值序列两条数据支路；进而根据数据质量等级在l-矩法与极大似然法之间自适应确定参数估计方法，分别对两条序列执行广义极值分布与广义帕累托分布拟合，得到第一重现水平与第二重现水平；再基于重采样计算两个分布的形状参数变异系数，并计算双法一致性指标；最终以双法一致性指标、数据质量等级与形状参数变异系数三者联合作为决策依据，从两个重现水平中确定目标重现期设计波高；本技术不仅改善了不同数据条件下参数估计器与样本条件的适配性，减少了小样本站点参数估计不稳定的比例，还通过双分布并行拟合与三维联合决策，提高了推算结果在跨站应用中的可比性与可重复性。

10、在一些实施例中，得到各所述沿海观测站的数据质量等级之前，所述方法还包括：

11、对所述有效波高物理观测序列执行物理边界检测，剔除超出预设波高上限或低于预设波高下限的记录；

12、对所述有效波高物理观测序列执行时间连续性检测，将相邻时刻波高变化量超出预设变化量阈值的记录标记为可疑记录。

13、在上述实施例中，本技术在评定数据质量等级之前，先对有效波高物理观测序列执行物理边界检测，剔除超出预设波高上限或低于波高下限的记录；再执行时间连续性检测，将相邻时刻波高变化量超出预设变化量阈值的记录标记为可疑记录；不仅减少了仪器故障数据对后续质量等级评定的干扰，还为数据质量等级评定提供了较为洁净的输入基线，改善了质量指标本身的可复现性。

14、在一些实施例中，构建各所述沿海观测站的年极值序列，还包括：

15、基于所述年极值序列的四分位距，将超出所述四分位距预设倍数范围的年极值标记为统计异常值；

16、基于所述年极值序列的历史均值，将超过所述历史均值预设倍数的年极值标记为物理可疑值；

17、对被标记为所述统计异常值但未被标记为所述物理可疑值的年极值予以保留，对同时被标记为所述统计异常值与所述物理可疑值的年极值执行截断处理，对被标记为所述物理可疑值但未被标记为所述统计异常值的年极值执行截断处理。

18、在上述实施例中，本技术在构建年极值序列时，采用四分位距与历史均值倍数两重判据分别标记统计异常值与物理可疑值，对仅命中统计判据但未命中物理判据的年极值予以保留，对同时命中两重判据以及仅命中物理判据的年极值执行截断处理；不仅减少了传感器噪声型异常对形状参数估计的扭曲，还避免了将真实极端海况误判为异常值而被剔除，改善了年极值序列在极端值区间的物理保真度。

19、在一些实施例中，根据所述数据质量等级与所述年极值序列的样本量，确定参数估计方法时：

20、当所述年极值序列的样本量小于预设样本量阈值时，采用所述 l-矩法；

21、当所述年极值序列的样本量不小于所述预设样本量阈值时，采用所述极大似然法；

22、对所述广义极值分布拟合与所述广义帕累托分布拟合分别执行拟合优度检验；

23、基于对所述年极值序列与所述超阈值序列的重采样，分别得到所述第一重现水平与所述第二重现水平的置信区间。

24、在上述实施例中，由于l-矩法与极大似然法在不同样本量下的性质存在差异，例如某有效观测年数较短的观测站采用极大似然法可能出现参数迭代不收敛，而某长年份观测站采用l-矩法则未能发挥其渐近效率优势，采用单一估计器难以兼顾两类站点；本技术以年极值序列样本量与预设样本量阈值的相对大小作为切换判据，小样本时采用l-矩法，达到阈值以上时采用极大似然法，并对两种分布拟合分别执行拟合优度检验，同时基于重采样得到两个重现水平的置信区间；不仅改善了参数估计器与样本条件的匹配度，减少了小样本条件下的估计发散比例，还通过拟合优度检验与置信区间的输出，为后续可信度评定提供了量化的过程指标。

25、在一些实施例中，根据所述双法一致性指标、所述数据质量等级以及所述形状参数变异系数，从所述第一重现水平与所述第二重现水平中确定目标重现期设计波高，包括：

26、当所述双法一致性指标不大于预设一致性阈值时，将所述第一重现水平与所述第二重现水平的均值作为所述目标重现期设计波高；

27、当所述双法一致性指标大于所述预设一致性阈值，且所述数据质量等级高于预设等级阈值时，将所述广义极值分布与所述广义帕累托分布中所述形状参数变异系数较小者对应的重现水平，作为所述目标重现期设计波高；

28、当所述双法一致性指标大于所述预设一致性阈值，且所述数据质量等级不高于所述预设等级阈值时，将所述广义帕累托分布的形状参数变异系数不大于所述广义极值分布的形状参数变异系数时对应的第二重现水平作为所述目标重现期设计波高，否则将所述第一重现水平与所述第二重现水平的均值作为所述目标重现期设计波高。

29、在上述实施例中，由于广义极值分布与广义帕累托分布在同一观测站的推算结果可能存在偏差，工程人员需逐站比较并凭经验判断，人工判断效率较低且不同人员之间的结论不一致；本技术以双法一致性指标与预设一致性阈值的相对大小作为一级判据：双法一致时取两个重现水平的均值作为目标重现期设计波高；双法不一致但数据质量等级较高时，以形状参数变异系数的相对大小择取估计更稳定的分布对应值；双法不一致且数据质量等级较低时，进一步比较两分布的形状参数变异系数，若广义帕累托分布的形状参数变异系数不大于广义极值分布的形状参数变异系数则选取第二重现水平，否则取两个重现水平的均值；将双法结果的选取过程规则化，减少了人工判断的主观差异，改善了跨站推算结果的可比性与可重复性。

30、在一些实施例中，所述方法还包括：

31、基于所述数据质量等级得到数据质量得分；

32、基于所述双法一致性指标得到一致性得分；

33、基于所述第一重现水平与所述第二重现水平的置信区间的相对半宽得到置信区间紧致度得分；

34、对所述数据质量得分、所述一致性得分与所述置信区间紧致度得分加权求和，得到所述目标重现期设计波高的可信度综合分；

35、根据所述可信度综合分，确定所述目标重现期设计波高的可信等级，并输出包含所述目标重现期设计波高、所述可信等级以及与所述可信等级对应的工程安全余量建议的结构化推算结果。

36、在上述实施例中，本技术将数据质量等级、双法一致性指标以及置信区间的相对半宽分别映射为数据质量得分、一致性得分与置信区间紧致度得分，加权求和得到目标重现期设计波高的可信度综合分，进而确定可信等级，并输出包含推算值、可信等级与工程安全余量建议的结构化推算结果；将输入端数据质量、中间过程一致性与输出端估计不确定度三个维度的信息统一到单一可信度指标上，改善了统计输出与工程应用之间的衔接。

37、在一些实施例中，输出所述结构化推算结果时，还包括：

38、基于所述可信度综合分，得到所述沿海观测站对应的海岸工程结构的抗浪设计参数：

39、当所述可信度综合分不低于预设第一可信阈值时，将所述目标重现期设计波高作为所述抗浪设计参数；

40、当所述可信度综合分低于所述预设第一可信阈值且不低于预设第二可信阈值时，将所述目标重现期设计波高按预设安全余量比例上调，得到所述抗浪设计参数；

41、当所述可信度综合分低于所述预设第二可信阈值时，获取所述沿海观测站所在海域的数值模拟波高数据，基于所述数值模拟波高数据与所述目标重现期设计波高的加权融合结果，得到所述抗浪设计参数。

42、在上述实施例中，由于不同可信等级下的推算结果对工程结构安全裕度的支撑能力不同，直接以同一推算值作为抗浪设计参数，可能在低可信站点低估极端海况风险，例如某处于数据不足区域的观测站，其推算值可信度较低，若直接用于码头断面设计将存在安全裕度不足的问题；本技术以可信度综合分与两级可信阈值的相对大小进行分档：高可信区间直接采用目标重现期设计波高作为抗浪设计参数；中可信区间按预设安全余量比例上调；低可信区间引入数值模拟波高数据与推算值加权融合；本技术不仅使抗浪设计参数与推算结果的可信程度相匹配，还通过数值模拟数据的补充融合，减少了低可信站点单一数据来源导致的偏差风险。

43、在一些实施例中，所述方法还包括：

44、获取所述沿海观测站的新增观测年份数据，将所述新增观测年份数据并入所述有效波高物理观测序列，得到更新后的所述有效波高物理观测序列；

45、基于更新后的所述有效波高物理观测序列，得到所述沿海观测站更新后的数据质量等级；

46、当更新后的所述数据质量等级高于更新前的所述数据质量等级时，基于更新后的所述有效波高物理观测序列，重新执行所述广义极值分布拟合、所述广义帕累托分布拟合以及所述目标重现期设计波高的确定，得到更新后的所述目标重现期设计波高；

47、当更新后的所述数据质量等级低于更新前的所述数据质量等级时，保留更新前的所述目标重现期设计波高，并输出数据质量退化提示；

48、输出所述目标重现期设计波高的更新前值、更新后值以及所述数据质量等级的跃迁记录。

49、在上述实施例中，由于沿海观测站的观测数据随时间累积不断增加，早期评定的数据质量等级与推算结果可能不再反映当前样本条件，例如某原本仅具有较短观测年限的低质量等级站，在新增数年观测后已具备中等质量条件，但既往推算值未同步更新，工程沿用旧值可能导致设计输入与最新数据脱节；本技术获取新增观测年份数据并入原有观测序列，重新评定数据质量等级；当更新后的数据质量等级高于更新前的等级时，触发重新执行两个分布的拟合与目标重现期设计波高的确定，并输出更新前值、更新后值以及数据质量等级的跃迁记录；更新后数据质量等级低于更新前的情形，保留更新前的目标重现期设计波高并输出退化提示，避免异常样本引入导致的推算结果误更新；使推算结果随观测数据累积同步演进，还通过跃迁记录的输出为工程复核提供了可追溯的过程证据。

50、第二方面，本技术实施例提供了一种海岸工程设计波高推算系统，包括：

51、数据采集模块，用于采集各沿海观测站的有效波高物理观测序列，基于所述有效波高物理观测序列的有效观测年数与数据完整率，得到各所述沿海观测站的数据质量等级；

52、序列构建模块，用于基于所述有效波高物理观测序列，构建各所述沿海观测站的年极值序列与超阈值序列；

53、参数估计模块，用于根据所述数据质量等级与所述年极值序列的样本量，确定参数估计方法，根据所述参数估计方法对所述年极值序列进行广义极值分布拟合，得到第一重现水平，并对所述超阈值序列进行广义帕累托分布拟合，得到第二重现水平；其中，所述参数估计方法包括l-矩法与极大似然法；

54、稳定性评估模块，用于基于重采样，分别得到所述广义极值分布与所述广义帕累托分布的形状参数变异系数；

55、决策模块，用于基于所述第一重现水平与所述第二重现水平，得到双法一致性指标，并根据所述双法一致性指标、所述数据质量等级以及所述形状参数变异系数，从所述第一重现水平与所述第二重现水平中确定目标重现期设计波高，用于海岸工程结构设计。

56、第三方面，本技术实施例提供了一种电子设备，包括处理器和存储器；其中，所述存储器用于存储计算机程序；所述处理器被配置为：用于执行所述计算机程序时，实现如第一方面以及第一方面中任一可能的实现方式所述的方法。

57、本技术实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下有益效果：

58、1、由于现有做法对区域内所有沿海观测站采用固定参数估计策略，小样本站点存在估计不收敛的风险，大样本站点则未能充分发挥渐近效率；本技术以数据质量等级与年极值序列样本量联合作为参数估计方法的选择依据，在l-矩法与极大似然法之间自适应切换，使不同样本条件的观测站均获得较为适配的估计策略，减少了小样本站点参数估计不稳定的比例，也改善了大样本站点的估计效率，从而降低了跨站推算精度的离散度；

59、2、由于广义极值分布与广义帕累托分布对同一观测站的推算结果可能存在偏差，工程人员逐站人工比选效率较低且结论不一致；本技术以双法一致性指标、数据质量等级与形状参数变异系数三者联合作为决策依据，将双法结果的择取过程规则化：双法一致时取两个重现水平的均值融合，双法不一致时根据数据质量与参数稳定性分级择取，减少了人工比选的主观差异，改善了跨站推算结果的可比性与可重复性；

60、3、本技术将数据质量得分、一致性得分与置信区间紧致度得分加权融合得到可信度综合分，并据此输出分档抗浪设计参数：高可信段直接采用推算值，中可信段附加安全余量，低可信段与数值模拟结果加权融合；使推算输出与工程设计决策形成对接，改善了统计结果向工程应用转化过程中的可用性与追溯性。