CN116147587B - 一种波浪预测方法及波浪测量*** - Google Patents

一种波浪预测方法及波浪测量*** Download PDF

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Abstract

本发明提供一种波浪预测方法及波浪测量***，属于海洋工程技术领域，预测方法包括信号采集、数据处理、模型建立、数据修正和布放决策；测量***包括PLC触摸屏、信号处理板、报警指示灯和雷达液位传感器，本发明能准确地预测当前时刻后推15s内的波浪谱数据，并根据未来波浪走势，正确地寻找出海况平稳的小艇收放时机，给操作人员的小艇收放工作留有决策和执行时间，避免小艇收放作业的过程中发生突如其来的激烈波浪运动导致小艇与母船之间发生碰撞，有效降低了海上小艇收放的事故发生概率，提高了海上作业的安全性，具有测量与预测精度高的优点，实用性强。

Description

一种波浪预测方法及波浪测量***
技术领域
本发明属于海洋工程技术领域，尤其是涉及一种波浪预测方法及波浪测量***。
背景技术
各类海上小艇和无人潜水艇是人类开发海洋的重要工具，收放***作为重要的配套装备对小艇和无人潜水器收放作业的安全性起着决定性作用，由于受到波浪的影响，当海况恶劣时，小艇、无人潜水器与母船之间存在相对运动，这个相对运动使小艇（或潜水器）在收放时与母船发生碰撞，情况恶劣时甚至会拉断吊缆，进而损坏小艇（或潜水器）和母船，造成安全事故。因此在进行各类海上小艇和无人潜水器收放作业时，需掌握当前波浪情况以判断作业的安全性，这就需要波浪测量装置来获取波浪情况，辅助收放工作决策。
现有的波浪测量装置可测量当前时刻实时的海浪情况，并根据海浪情况指示各类海上小艇和无人潜水器的收放时机。例如，授权发明专利CN103823218B提供了一种Ka波段雷达波浪测量装置来获取实时的波浪距离、速度和周期信息；发明申请CN114655356A提出了一种海上波浪测量装置用于实时监控海上波浪；发明申请CN1147780703A公开了一种基于速度传感器的波浪测量装置用于实时获取波浪信息。然而，现有技术中，船上作业人员在收放作业时观察收放指示需要有反应时间，并且小艇的收放过程需要有一定的准备时间，如果在这段时间内时出现了恶劣的海浪情况，便会造成小艇和母船的碰撞，以至于影响人身财产安全。因此，现有的波浪测量技术由于无法预测未来一段时间内布放小艇和无人潜水器时的海况，存在着较大的安全隐患。
发明内容
本发明要解决的问题是提供一种波浪预测方法及波浪测量***，该测量方法及***集波浪高度预测、海况显示、小艇收放时机指示为一体，能够精确测量波浪信息并进行预测，同时给出准确的收放指示，具有测量与预测精度高的优点，实用性强。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种波浪预测方法，包括以下步骤：
S1、信号采集：信号处理板采集雷达液位计产生的电流信号，并转换成波浪高度数据；
S2、数据处理：根据不同海况，设置对应的时间窗口，采集时间窗口内离散的波浪高度数据并形成波浪高度数据序列，然后求取所述波浪高度数据序列的平均值c作为偏置项，并将波浪高度数据序列内的所有数据分别减去平均值，得到动态波高度数据序列；
S3、模型建立：将波浪高度数据序列和动态波高度数据序列分别以15s为时长，5s为间隔，形成具有n期数据的波浪高度数据集合和动态波高度数据集合，其中k是表示波浪高度数据期数，范围为1~n；将波浪高度数据集合和动态波高度数据集合的数据带入波浪高度预测模型中，所述波浪高度预测模型是用第/>期波浪高度数据/>之前/>期，即/>至/>来预测本期/>的波浪数据，波浪高度预测模型为：
（1）
式（1）中：是第n期的波浪高度数据；/>是第/>期的动态波高度数据；是被用于预测的波浪数据的期数；/>是/>的权重系数，在1~n期数内，将已知的/>、、/>及/>对应的期数/>带入式（1）中，求出权重系数/>，并确定波浪高度预测模型；
S4、数据修正：由于15s内信号处理板会进行3期波浪高度预测，为了提高预测数据的准确性，利用前两期波浪高度预测值对第三期的波浪高度预测值进行修正，
修正方法为：假设t=0s时刻进行了前一期预测，预测出了0s~15s的波浪数据，记为yc 0；t=5s时进行了第一期预测，预测出了5s~20s的波浪数据，记为yc 1；t=10s时进行了第二期预测，预测出了10s~25s的波浪数据，记为yc 2；t=15s时进行第三期预测，预测出了15s~30s的波浪数据，记为yc 3；把yc 3视作波浪高度预测期，利用yc 1和yc 2对yc 3进行修正，计算公式如下：
（2）
（3）
（4）
式（2）中，YC 3（15~20s）表示经过修正的第三期最终预测序列的15s~20s的波浪数据，yc 1（15~20s）表示为第一期预测的15s~20s波浪数据，为该式中yc 1（15~20s）的权重系数；yc 2（15~20s）表示为第二期预测的15s~20s波浪数据，/>为该式中yc 2（15~20s）的权重系数；yc 3（15~20s）表示为第三期预测的15s~20s的波浪数据，/>为该式中yc 3（15~20s）的权重系数；
式（3）中，YC 3（20~25s）表示为经过修正的第三期预测序列的20s~25s的波浪数据，yc 2（20~25s）表示为第二期预测的20s~25s波浪数据，为该式中yc 2（20~25s）的权重系数；yc 3（20~25s）表示为第三期预测的20s~25s的波浪数据，/>为该式中yc 3（20~25s）的权重系数；
式（4）中，YC 3（25~30s）表示为经过修正的第三期预测序列的25s~30s波浪数据，yc 3（25~30s）表示为第三期预测的25s~30s的波浪数据。
最后，将YC 3（15~20s）、YC 3（20~25s）和YC 3（25~30s）组合成YC 3（15~30s），即为第三期预测的最终波浪走势曲线（预测波形分3段进行预测处理，每段数据5s，最终将3段数据组合起来就是15s的波形数据）。
S5、布放决策：设定波浪安全阈值YZ，在15s的最终波浪走势曲线中确定是否存在波浪高度连续10s均低于YZ的数据，当波浪高度连续10s均低于YZ，则符合收放小艇的波浪条件。
进一步地，步骤S1至步骤S4在信号处理板中完成，步骤S5在PLC触摸屏中进行。
进一步地，在步骤S4中，式（2）中的权重系数和式（3）中的权重系数存在约束：/>及/>。
时间间隔越遥远权重越低，时间间隔越近权重越高，其中，为/>的1.4~3倍，/>为/>的2~3倍，/>为/>的1.4~3倍。
进一步地，在步骤S5中，若存在符合条件的波浪数据报警指示灯亮黄灯，若在报警指示灯黄灯亮起情况下且当前时刻满足收放条件，则报警指示灯亮绿灯，否则报警指示灯亮红灯。
本发明一种波浪测量***，包括PLC触摸屏、信号处理板、报警指示灯和雷达液位传感器。
所述雷达液位传感器与信号处理板相连，该雷达液位传感器向信号处理板输送信号；所述PLC触摸屏与报警指示灯相连，该PLC触摸屏向报警指示灯输送信号；所述信号处理板与PLC触摸屏相连，二者双向通信；
其中，所述PLC触摸屏可接收RS422串口信息，具备3路继电器输出端口，该PLC触摸屏为具备编程处理能力的触摸屏。
其中，所述信号处理板为以DSP（数字信号处理器）TMS320F28335芯片为核心的数字信号处理板，具有较高的运算性能。
其中，所述报警指示灯为红黄绿三色报警指示灯；所述雷达液位传感器为以雷达波的形式测量液面高度的传感器，可把测距信息转换成4~20mA电流信号。
由于采用上述技术方案，本发明解决了现有的波浪测量技术存在着的不能对未来海浪情况进行预测，导致在船上作业人员在收放作业时观察收放指示需要反应的时间和执行小艇的收放需要的时间内，由于海况变化造成安全隐患的问题。
该测量***集波浪高度预测、海况显示、小艇收放时机指示为一体，能准确地预测当前时刻后推15s内的波浪谱数据，并根据未来波浪走势正确的寻找出海况平稳的小艇收放时机，给操作人员的小艇收放工作留有决策和执行时间，避免小艇收放作业的过程中发生突如其来的激烈波浪运动导致小艇与母船之间发生碰撞，有效降低了海上小艇收放的事故发生概率，提高了海上作业的安全性，具有测量与预测精度高的优点，实用性强。
附图说明
下面通过参考附图并结合实例具体地描述本发明，本发明的优点和实现方式将会更加明显，其中附图所示内容仅用于对本发明的解释说明，而不构成对本发明的任何意义上的限制，在附图中：
图1为本发明波浪预测方法的步骤流程示意图；
图2为本发明波浪预测方法中数据校正方法示意图；
图3为本发明波浪测量***的组成示意图；
图4为本发明的波浪预测效果图。
具体实施方式
如图1所示，一种波浪预测方法，包括以下步骤：
S1、信号采集：信号处理板按10Hz采集雷达液位计产生的4~20mA电流信号，并转换成波浪高度数据；
S2、数据处理：根据不同海况，设置不同的时间窗口（例如大浪海况设置20s时间窗口；中浪海况设置50s时间窗口，小浪海况设置100s时间窗口），获得时间窗口内离散的波浪高度数据序列，然后求取波浪高度数据序列的平均值c作为偏置项，并将波浪高度数据序列内的所有数据分别减去平均值，得到动态波高度数据序列；
S3、模型建立：将波浪高度数据序列和动态波高度数据序列分别以15s为时长，5s为间隔，形成具有n期数据的波浪高度数据集合和动态波高度数据集合，其中k是表示波浪高度数据期数，范围为1~n；将波浪高度数据集合和动态波高度数据集合的数据带入波浪高度预测模型，即用第/>期波浪高度数据/>之前/>期，即/>至/>来预测本期/>的波浪数据，波浪高度预测模型为：
（1）
式（1）中：是第n期的波浪高度数据；/>是第/>期的动态波高度数据；是被用于预测的波浪数据的期数；/>是第n期前/>期/>的权重系数，
在1~n期数内，将已知的、/>、/>及/>对应的期数/>带入式（1）中，求出权重系数/>，并确定波浪高度预测模型；
S4、数据修正：由于15s内信号处理板会进行3期波浪高度预测，为了提高预测数据的准确性，利用前两期波浪高度预测值对第三期的波浪高度预测值进行修正，
如图2所示，修正方法为：假设t=0s时刻进行了前一期预测，预测出了0s~15s的波浪数据，记为yc 0；t=5s时进行了第一期预测，预测出了5s~20s的波浪数据，记为yc 1；t=10s时进行了第二期预测，预测出了10s~25s的波浪数据，记为yc 2；t=15s时进行第三期预测，预测出了15s~30s的波浪数据，记为yc 3；把yc 3视作波浪高度预测期，利用yc 1和yc 2对yc 3进行修正，计算公式如下：
（2）
（3）
（4）
式（2）中，YC 3（15~20s）表示经过修正的第三期最终预测序列的15s~20s的波浪数据，yc 1（15~20s）表示为第一期预测的15s~20s波浪数据，为该式中yc 1（15~20s）的权重系数；yc 2（15~20s）表示为第二期预测的15s~20s波浪数据，/>为该式中yc 2（15~20s）的权重系数；yc 3（15~20s）表示为第三期预测的15s~20s的波浪数据，/>为该式中yc 3（15~20s）的权重系数；
式（3）中，YC 3（20~25s）表示为经过修正的第三期预测序列的20s~25s的波浪数据，yc 2（20~25s）表示为第二期预测的20s~25s波浪数据，为该式中yc 2（20~25s）的权重系数；yc 3（20~25s）表示为第三期预测的20s~25s的波浪数据，/>为该式中yc 3（20~25s）的权重系数；
式（4）中，YC 3（25~30s）表示为经过修正的第三期预测序列的25s~30s波浪数据，yc 3（25~30s）表示为第三期预测的25s~30s的波浪数据。
最后，将YC 3（15~20s）、YC 3（20~25s）和YC 3（25~30s）组合成YC 3（15~30s），即为第三期预测的最终波浪走势曲线（预测波形分3段进行预测处理，每段数据5s，最终将3段数据组合起来就是15s的波形数据）。
S5、布放决策：设定波浪安全阈值YZ，在15s的最终波浪走势曲线中确定是否存在波浪高度连续10s均低于YZ的数据，当波浪高度连续10s均低于YZ，则符合收放小艇的波浪条件。
其中，信号采集、数据处理、波浪高度预测和数据修正步骤在信号处理板中完成，布放决策步骤在PLC触摸屏中进行。
在步骤S4中，式（2）中的权重系数和式（3）中的权重系数/>存在约束：/>及/>。
时间间隔越遥远权重越低，时间间隔越近权重越高，其中，为/>的1.4~3倍，/>为/>的2~3倍，/>为/>的1.4~3倍。
本实施例中，式（1）中权重系数分别设为0.15、0.35和0.5，式（2）中权重系数/>分别设为0.25和0.75。
在步骤S5中，若存在符合条件的波浪数据报警指示灯亮黄灯，若在报警指示灯黄灯亮起情况下且当前时刻满足收放条件，则报警指示灯亮绿灯，否则报警指示灯亮红灯。
此外，在步骤S5中，母船和小艇的高度落差不能超过二分之一倍小艇的高度（其中，母船和小艇的高度已知，当波浪高度连续10s均低于YZ时，进一步计算在该波浪高度下母船和小艇之间的高度落差）。
如图3所示，本发明一种波浪测量***，包括PLC触摸屏、信号处理板、报警指示灯和雷达液位传感器。
雷达液位传感器与信号处理板相连，该雷达液位传感器向信号处理板输送信号；PLC触摸屏与报警指示灯相连，该PLC触摸屏向报警指示灯输送信号；信号处理板与PLC触摸屏相连，二者双向通信；
其中，PLC触摸屏可接收RS422串口信息，具备3路继电器输出端口，该PLC触摸屏为具备编程处理能力的触摸屏。
其中，信号处理板为以DSP（数字信号处理器）TMS320F28335芯片为核心的数字信号处理板，具有较高的运算性能。
其中，报警指示灯为红黄绿三色报警指示灯；雷达液位传感器为以雷达波的形式测量液面高度的传感器，可把测距信息转换成4~20mA电流信号。
本发明的波浪测量原理为：雷达液位传感器安装并固定到小艇收放装置处，将采集到的海浪高度信息转换成4~20mA电流信号传递到信号处理板中；随后信号处理板将电流信号采集、计算得到数字波浪数据，经过波浪预测方法处理后预测未来15s的波浪走势曲线；信号处理板将实时波浪曲线和预测的波浪走势曲线通过串行数据总线RS422传递至PLC触摸屏中；通过PLC触摸屏显示出来，并且在15s的波浪高度预测曲线中找寻适合小艇收放的10s波浪数据并切换报警指示灯；其中，红灯表示未来15s的波浪数据中均无合适的小艇收放情况；黄灯表示未来15s中存在适合小艇收放的海浪情况，只是当前时刻还不满足收放时机；绿灯表示当前及未来10s合适小艇收放；小艇收放操作人员在看到红灯时，不能进行小艇收放；看到黄灯时需进入小艇收放准备阶段，一旦报警指示灯变成绿色，则快速进行小艇收放作业，以避免错过最佳收放时机。
为了验证本发明的有效性，将本发明安装于船舶上进行波浪的测量和预测，结果如图4所示，显示了波浪采集曲线和波浪高度预测曲线，其中点状曲线为实时波浪的采集数据（实测值），实线曲线数据为波浪高度预测数据（预测值）；从图4中可以看出，波浪高度预测曲线与实际的波浪采集曲线相吻合，误差峰值大约在0.2m，出现在3min左右，80%的数据点的误差在0.1m之内，证明了波浪预测方法的正确性；在预测完波浪数据后，信号处理板将波浪实时数据和预测数据通过串口RS422发送至PLC触摸屏中；其中，PLC触摸屏通过继电器端口控制三色灯的亮和灭。
以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本专利涵盖范围之内。

Claims (4)

1.一种波浪预测方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、信号采集：信号处理板采集雷达液位计产生的电流信号，并转换成波浪高度数据；
S2、数据处理：根据不同海况，设置对应的时间窗口，采集时间窗口内离散的波浪高度数据并形成波浪高度数据序列，然后求取所述波浪高度数据序列的平均值c作为偏置项，并将波浪高度数据序列内的所有数据分别减去平均值，得到动态波高度数据序列；
S3、模型建立：将波浪高度数据序列和动态波高度数据序列分别以15s为时长，5s为间隔，形成具有n期数据的波浪高度数据集合和动态波高度数据集合，其中k是表示波浪高度数据期数，范围为1~n；将波浪高度数据集合和动态波高度数据集合的数据带入波浪高度预测模型中，所述波浪高度预测模型是用第/>期波浪高度数据/>之前/>期/>至/>来预测本期/>的波浪数据，波浪高度预测模型为：
（1）
式（1）中：是第n期的波浪高度数据；/>是第/>期的动态波高度数据；/>是被用于预测的波浪数据的期数；/>是/>的权重系数，
在1~n期数内，将已知的、/>、/>及/>对应的期数/>带入式（1）中，求出权重系数，并确定波浪高度预测模型；
S4、数据修正：假设t=0s时刻进行了前一期预测，预测出了0s~15s的波浪数据，记为yc 0；t=5s时进行了第一期预测，预测出了5s~20s的波浪数据，记为yc 1；t=10s时进行了第二期预测，预测出了10s~25s的波浪数据，记为yc 2；t=15s时进行第三期预测，预测出了15s~30s的波浪数据，记为yc 3；把yc 3视作波浪高度预测期，利用yc 1和yc 2对yc 3进行修正，计算公式如下：
（2）
（3）
（4）
式（2）中，YC 3（15~20s）表示经过修正的第三期最终预测序列的15s~20s的波浪数据，yc 1（15~20s）表示为第一期预测的15s~20s波浪数据，为该式中yc 1（15~20s）的权重系数；yc 2（15~20s）表示为第二期预测的15s~20s波浪数据，/>为该式中yc 2（15~20s）的权重系数；yc 3（15~20s）表示为第三期预测的15s~20s的波浪数据，/>为该式中yc 3（15~20s）的权重系数；
式（3）中，YC 3（20~25s）表示为经过修正的第三期预测序列的20s~25s的波浪数据，yc 2（20~25s）表示为第二期预测的20s~25s波浪数据，为该式中yc 2（20~25s）的权重系数；yc 3（20~25s）表示为第三期预测的20s~25s的波浪数据，/>为该式中yc 3（20~25s）的权重系数；
式（4）中，YC 3（25~30s）表示为经过修正的第三期预测序列的25s~30s波浪数据，yc 3（25~30s）表示为第三期预测的25s~30s的波浪数据；
将YC 3（15~20s）、YC 3（20~25s）和YC 3（25~30s）组合成YC 3（15~30s），为第三期预测的最终波浪走势曲线；
S5、布放决策：设定波浪安全阈值YZ，在15s的最终波浪走势曲线中确定是否存在波浪高度连续10s均低于YZ的数据，当波浪高度连续10s均低于YZ，则符合收放小艇的波浪条件。
2.根据权利要求1所述的波浪预测方法，其特征在于：步骤S1至步骤S4在信号处理板中完成，步骤S5在PLC触摸屏中进行。
3.根据权利要求1所述的波浪预测方法，其特征在于：在步骤S5中，若存在符合收放小艇的波浪条件的波浪高度数据报警指示灯亮黄灯，若在报警指示灯黄灯亮起情况下且当前时刻满足收放条件，则报警指示灯亮绿灯，否则报警指示灯亮红灯。
4.一种波浪测量***，用于实现权利要求1至3任一项所述的波浪预测方法，其特征在于：包括PLC触摸屏、信号处理板、报警指示灯和雷达液位传感器，所述雷达液位传感器与信号处理板相连，该雷达液位传感器向信号处理板输送信号；所述PLC触摸屏与报警指示灯相连，该PLC触摸屏向报警指示灯输送信号；所述信号处理板与PLC触摸屏相连，二者双向通信。
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