桑溝灣水動力環(huán)境變化研究——支持向量機(jī)與水動力模式相結(jié)合方法探討.pdf

1、隨著人口增長和人們對優(yōu)質(zhì)蛋白質(zhì)需求的不斷提高，海水養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)在近幾十年得到了迅速地發(fā)展。養(yǎng)殖海灣由于其良好的近岸資源和利于開發(fā)等特點(diǎn)，成為我國海水養(yǎng)殖的最重要的區(qū)域。水動力環(huán)境是養(yǎng)殖海灣重要的自然條件，養(yǎng)殖活動所造成水動力環(huán)境變化將直接影響到整個(gè)海灣的養(yǎng)殖及生態(tài)環(huán)境。作為我國北方重要水產(chǎn)養(yǎng)殖海灣，桑溝灣養(yǎng)殖歷史悠久，養(yǎng)殖面積布滿整個(gè)海灣，養(yǎng)殖活動給桑溝灣帶來了極大的影響，海水養(yǎng)殖健康持續(xù)發(fā)展受到制約。筏式養(yǎng)殖作為最主要的方式，占整個(gè)海灣面

2、積的70％。常年放置的養(yǎng)殖筏架，對水動力場進(jìn)行持續(xù)影響，直接影響到整個(gè)海灣的流場分布、水體交換，進(jìn)而影響到整個(gè)養(yǎng)殖海灣的生產(chǎn)力。
　　本文針對桑溝灣特定養(yǎng)殖海區(qū)，在目前只有較少的觀測數(shù)據(jù)情況下，研究如何充分利用觀測資料，結(jié)合水動力數(shù)值模式，使用統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)方法，從有限數(shù)據(jù)中深入挖掘有用信息，進(jìn)而通過對養(yǎng)殖筏架阻力系數(shù)的優(yōu)化來改進(jìn)模式，讓模式更能準(zhǔn)確地模擬實(shí)際流場，科學(xué)反映桑溝灣高密度養(yǎng)殖區(qū)的真實(shí)環(huán)境，為優(yōu)化養(yǎng)殖筏架布局，改善養(yǎng)殖環(huán)境提

3、供科學(xué)的依據(jù)。
　　作為統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)理論基礎(chǔ)上開發(fā)出的一種新的機(jī)器學(xué)習(xí)方法，支持向量機(jī)(SVM)自90年代由貝爾實(shí)驗(yàn)室提出以來，較好地解決了以往困擾很多學(xué)習(xí)方法的小樣本、非線性、過學(xué)習(xí)、高維數(shù)、局部極小點(diǎn)等實(shí)際問題，在預(yù)測，分類及回歸方面有很好地應(yīng)用，是人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域的新的研究熱點(diǎn)。由于海洋中觀測數(shù)據(jù)量相對少，影響因素較多，物理過程復(fù)雜等特點(diǎn)，本文提出將支持向量機(jī)和水動力相結(jié)合的方法用于解決上述問題。
　　根據(jù)桑溝灣的水

4、文環(huán)境，本論文首先采用POM模式，通過對POM模式取定邊界條件、物理過程參數(shù)化、差分格式選取、模式配置和潮汐潮流驗(yàn)證，得到適合于桑溝灣的POM模式。我們提出使用支持向量機(jī)與POM模式相結(jié)合的方法，求取養(yǎng)殖筏架阻力系數(shù)。在09年、10年和12年三次出海，取得實(shí)際觀測數(shù)據(jù)，同時(shí)，我們又結(jié)合歷史觀測數(shù)據(jù)，訓(xùn)練SVM模型1（以下簡稱SVM1），初步預(yù)測阻力系數(shù)在10-3這樣一個(gè)數(shù)量級中。然后我們利用支持向量機(jī)的半監(jiān)督學(xué)習(xí)方法，將作為未標(biāo)記的PO

5、M模式計(jì)算數(shù)據(jù)與標(biāo)記的訓(xùn)練用實(shí)測數(shù)據(jù)相結(jié)合，形成匯總數(shù)據(jù)庫，訓(xùn)練SVM模型2（以下簡稱SVM2）。得到SVM2訓(xùn)練模型后，使用這個(gè)模型預(yù)測流速。將預(yù)測流速與測試用實(shí)際觀測流速比較，當(dāng)差值大于誤差值時(shí)，優(yōu)化阻力系數(shù)，重新采用POM計(jì)算流速，并將部分?jǐn)?shù)據(jù)作為非標(biāo)記樣本，重新訓(xùn)練SVM2模型并預(yù)測流速，依此方法進(jìn)行循環(huán)迭代，直到二者的流速差小于誤差值，算法收斂。在上述半監(jiān)督學(xué)習(xí)與數(shù)值模式計(jì)算結(jié)合的標(biāo)記未標(biāo)記樣本的過程中，優(yōu)化了阻力系數(shù)，將桑溝

6、灣養(yǎng)殖筏架阻力系數(shù)的范圍從10-4-100縮小到4×10-3-5×10-3。我們對結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證，證明我們得到的結(jié)果是可信的。
　　我們將優(yōu)化的結(jié)果用于模擬桑溝灣的水動力場，計(jì)算模擬不同養(yǎng)殖筏架密度、不同分布對流速和水體交換的影響。通過計(jì)算得出相同筏架密度下，分散筏架布局對海水流速增加及水體交換最為有利，分散養(yǎng)殖筏架比較其他方式可以使半交換時(shí)間減少近30％;養(yǎng)殖筏架密度增加使流速呈直線減小。當(dāng)養(yǎng)殖筏架的密度達(dá)到75％時(shí)，僅筏架使灣