技术领域
[0001] 本
发明涉及一种设计波高推算的阈值选取方法。
背景技术
[0002] 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。
[0003] 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。
[0004] 因而，发明一种直接、客观、简单的自动阈值选取方法是很重要的。
发明内容
[0005] 本发明的目的在于针对
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。
[0006] 为了实现以上目的，本发明提供如下技术方案：
[0007] 波高阈值的选取方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0008] 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；
[0009] S2：确定设计波高的重现期序列i；
[0010] 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；
[0011] 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；
[0012] 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。
[0013] 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。
[0014] 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。
[0015] 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。
[0016] 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。
[0017] 作为优选:进一步包括以下步骤：
[0018] 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。
[0019] 本发明的有益效果为：
[0020] 本发明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。本发明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
[0021] 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；
[0022] 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；
[0023] 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；
[0024] 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；
[0025] 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；
[0026] 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
[0027] 以下将结合附图对本发明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
实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明的保护范围。
[0028] 本发明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。
[0029] 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。
[0030] 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]。
[0031] 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。
[0032] 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。
[0033] 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数据，基于广义的帕累托分布( 式中λ，σ和k分别为阈值对应的年均样本数，尺度参数和形状参数)，基于指定重现期，计算规范化候选阈值区间内的每个阈值uj对应的设计波高值Hsi,j。此处需要说明的是，采用规范化的候选阈值区间，是为了使样本的处理呈规范化，便于计算
数据处理。
[0034] 具体的说，前文已述，基于阈值区间和计算步长，获得了276个候选阈值，针对每个候选阈值uj，均计算一个对应的设计波高值Hsi,j。参考图2至图5，分别展示了基于候选阈值，分别采用重现期为50年、100年、150年和200年的设计波高值的变化。表1节选了部分候选阈值，来说明候选阈值对应的不同重现期内的设计波高值。举例说明，阈值3对应的设计波高值，是采用原始样本中，所有大于3的波高样本数据，来进行推算得到的。
[0035] 表1候选阈值对应的不同重现期内的设计波高值
[0036]
[0037]
[0038]
[0039] 获得波高计算值后，进一步计算相邻阈值对应的设计波高值的差值ΔHsi,j＝Hsi,j-Hsi,j-1。获得的计算结果对应表1中差值一列。
[0040] 进一步对ΔHsi,j的计算结果进行判断，目的是获得一个稳定的阈值区间。判断的依据为：若ΔHsi,j≤0，且ΔHsi,j后对应的3个连续波高差值围绕0分布(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；具体说，此处所述的围绕0分布分分为3中情况，(1)负数和0；(2)负数和正数的组合；(3)全部为0；若ΔHsi,j+m'后对应的6个连续波高差值均大于等于0，并进一步判断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，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。图6展示了50年一遇的设计波高差值的分布情况。
[0041] 还需要说明的是，稳定阈值区间[uj,uj+m]低边界值uj确认时，后三位连续波高差值的绝对值需均小于阈值步长(若存在大于等于阈值步长的情况，则说明围绕0分布的波动较大，不稳定)。稳定阈值区间[uj,uj+m]确认时，稳定阈值区间长度m+1需大于3(若m+1≤3，则稳定区间较短，扰动因素较大，可忽略)。具体到本实施例，50年一遇设计波高3.05m没起动稳定区间，因为后三差值的绝对值存在大于等于0.05的情况，因此被忽略。同样，100年设计波高3.05m也满足低边界条件，但由于它的稳定区间为[3.05，3.15]，区间长度为0.1，过下被忽略。以上均属于样本因素导致的阈值稳定区间低边界误判。
[0042] 关于低边界，还有另外一个判定规则：确定稳定阈值区间的低边界时，进一步判断uj和uj-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。例如，规范化处理之后，任意两个相邻规范化候选阈值数据之间，可能存在原始样本数据(328个样本数中的数据)，也可能不存在原始样本数据。举例说明，原始样本数据包括2.98、3.07，而计算后的规范化阈值为3、3.05，这样，在规划化之后的阈值之间，便不包括原始样本数据；再如，原始样本数据包括3.45、3.48，计算后的规范化阈值为3.45、3.5，这样，在规范化之后的阈值之间，便包括原始样本数据。因此，将不采用3.05作为稳定阈值区间的低边界，而是采用3.45作为稳定阈值区间的低边界。
[0043] 获取稳定阈值区间的意义在于，剔除掉不稳定数据对判定结果的影响。参考图2至图5。每个稳定的区间两侧会受到不稳定数据的影响，例如上述图中所示的稳定阈值区间的左侧对应数据中包含低值波高(低值波高影响样本的极值代表性)，稳定阈值区间右侧对应数据量较少(数据量不足以推算设计波高)，对于这样的不稳定的区间，数据参考量不高，需要进行提出。
[0044] 而实际计算中，还会存在一种情况，即采用上述稳定阈值区间的判定规则，可能会在同一个重现期内出现两个稳定阈值区间，继续参考表1所示。
[0045] 从表1可以看出，就前述的设计方法，可以获得两个稳定阈值区间，分别为[3.05,4.6],[6.3,6.5],这就提出了最终稳定阈值区间应如何选择的问题。
[0046] 为了解决这一问题，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。
[0047] 具体到本实施例，累加阈值uj50年至200年每隔50年的特征向量chi,j，获得sum(j)，sum(j)＝ch50,j+ch100,j+ch150,j+ch200,j，获得sum(j)序列，sum(j)最大值序列对应的sum(j)值均为4，sum(j)最大值序列的最大j值对应阈值uj，即为4.5。因200年一遇设计波高对应的稳定区间[3.05,4.6]包含阈值4.5，因此最终采用[3.05,4.6]作为稳定阈值区间。而200年还对应另外一个稳定区间[6.3,6.5]将被视为扰动，被剔除。
[0048] 基于此，本实施例中，50年重现期的稳定阈值区间最终确定为[3.45,5.6]，100年重现期的稳定阈值区间最终确定为[3.45,5.2]，150年重现期的稳定阈值区间最终确定为[3.05,4.5]，200年重现期的稳定阈值区间最终确定为[3.05,4.6]。而对应每个重现期的设计波高值，将在稳定区间内对应的设计波高值中选取。
[0049] 最终选取稳定阈值区间内的阈值作为合理阈值。而这个波高阈值的选择又提供以下几种方法：
[0050] 方法一：可以选取稳定阈值区间内任意阈值作为合理阈值。
[0051] 方法二：考虑到海上工程建设的经济性能，可以选择稳定阈值区间的低边界值作为合理阈值，采用该阈值对应的设计波高来指导海上工程的建设。
[0052] 方法三：考虑到海上工程建设的安全性，可以选择稳定阈值区间的高边界值作为合理阈值，采用该阈值对应的设计波高来指导海上工程的建设。通常来说，根据广义帕累托分布计算得到的设计波高值，具有随阈值增高，设计波高值增大的基本规律，偶尔会存在波动，例如，50年一遇的情况，阈值5.55对应的波高计算值为12.12，阈值5.6对应的波高计算值为12.1，虽有波动，但阈值边界5.6对应的波高计算值相对整体稳定区间来说，是相对高的，因此，为了简化选择，直接选择边界5.6对应的波高阈值。如果想要获得精确的结果，也可以比较阈值区间内所有的波高计算值，选择最大的一个作为波高阈值。
[0053] 具体到本实施例，均选取稳定阈值区间的高边界值作为合理阈值，该合理阈值对应的计算波高值为设计波高。即该点位50年一遇的阈值为5.6m，设计波高值为12.1m；100年一遇的阈值为5.2m，设计波高值为12.73m；150年一遇的阈值为4.75m，设计波高值为13.02m；200年一遇的阈值为4.6m，设计波高值为13.22m。
[0054] 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。
