凍融作用次數(shù)未來的變化趨勢。
[0066] 相對于現(xiàn)有技術，本發(fā)明具有如下的有益效果：
[0067] 本發(fā)明以環(huán)境溫度作用統(tǒng)計對象，利用Mann-Kendall檢驗、Morlet小波分析、R/S 分析法診斷某地區(qū)凍融作用隨時間歷程及未來的變化趨勢，從而建立該地區(qū)的凍融作用預 測方法。該方法可以通過對某地區(qū)氣溫參數(shù)進行分析，得到實際環(huán)境凍融作用次數(shù)及未來 變化趨勢，為土木工程基礎設施建設、壽命預測、養(yǎng)護維修等提供參考。
【附圖說明】：
[0068] 圖1本發(fā)明的建模流程圖；
[0069] 圖2五道梁凍融作用變化趨勢圖；
[0070] 圖3五道梁凍融變化的M-K檢驗圖，其中，圖3 (a)為I型凍融，圖3 (b)為II型凍 融，圖3 (c)為III型凍融，圖3 (d)為IV型凍融；
[0071] 圖4五道梁小波系數(shù)實部等值線圖與小波方差圖；
[0072] 圖5五道梁區(qū)域60年內(nèi)凍融作用R/S分析圖；
[0073] 圖62005~2018年凍融作用次數(shù)的預估值與實測值的變化趨勢圖。
【具體實施方式】：
[0074] 下面結合附圖對本發(fā)明專利再做進一步說明。
[0075] 以青藏高原寒冷地區(qū)五道梁區(qū)域為例，說明本發(fā)明的具體應用。
[0076] 利用一元一次線性擬合法，對五道梁區(qū)域的凍融作用次數(shù)歷史數(shù)據(jù)變化規(guī)律進行 分析，如圖2所示。五道梁區(qū)域的凍融作用次數(shù)波動變化幅度較大，總體呈減小趨勢。
[0077] 利用M-K檢驗法，對五道梁區(qū)域的凍融作用次數(shù)按年時間序列分析其變化趨勢， 如圖3所示。五道梁區(qū)域不同等級的凍融作用隨時間序列的變化極為復雜，且存在較多突 變。。
[0078] 利用小波分析法，對五道梁區(qū)域的凍融作用次數(shù)的時間周期進行分析，如圖4所 示。五道梁區(qū)域的凍融作用次數(shù)，第一周期為25~27年，第二周期為13~15年，第三周 期為5年。
[0079] 利用R/S分析法，對五道梁區(qū)域的凍融作用次數(shù)未來變化趨勢進行分析，如圖5所 示。五道梁的Hurst系數(shù)接近0. 5,預示著未來的凍融作用次數(shù)的變化趨勢的隨機性較大。
[0080] 利用本發(fā)明提出的凍融作用次數(shù)預測模型，對五道梁地區(qū)1957~2004年48年的 凍融作用進行統(tǒng)計，對2005~2008年凍融作用進行預估，依次對1958~2005年、1959~ 2006、…、1966~2013的凍融作用進行統(tǒng)計，對2006~2009、…、2014~2017年進行預 測。由于M-K檢驗、小波分析和R/S分析時，均是以大數(shù)據(jù)為樣本得到的凍融作用變化趨勢， 因此參數(shù)k、D、r取值依然采用前面分析得到的數(shù)值。
[0081] 2005~2018年凍融作用的預估值與實測值的變化趨勢如圖6所示。在90%的保 證率條件下未來的總凍融作用的次數(shù)范圍為[143, 189]，相對誤差21.3% ;比較可知，依據(jù) 統(tǒng)計數(shù)據(jù)得到的預估值在有效值范圍內(nèi)。因此，通過本發(fā)明提出的凍融作用預測模型可以 預測某地區(qū)未來的凍融作用次數(shù)。
【主權項】
1. 一種實際環(huán)境凍融作用次數(shù)預估方法，其特征在于，包括如下步驟： 步驟一：獲取當?shù)貧鉁財?shù)據(jù)，以日最高溫度為正與日最低溫度為負的原則篩選實際環(huán) 境凍融作用，并對凍融作用次數(shù)進行統(tǒng)計； 步驟二：采用M-K單調(diào)趨勢檢驗方法，對該地區(qū)實際環(huán)境凍融作用隨時間序列的變化 趨勢進行檢驗，得到該地區(qū)凍融作用次數(shù)隨時間的波動變化以及增減趨勢； 步驟三：利用Morlet小波分析方法，對該地區(qū)實際環(huán)境凍融作用的周期性變化進行分 析，得到該地區(qū)凍融作用的時間序列小波系數(shù)實部等值線圖和小波方差圖，獲得凍融作用 周期； 步驟四：采用R/S分析方法，對該地區(qū)實際環(huán)境凍融作用的未來變化趨勢進行判斷，得 到凍融作用的Hurst系數(shù)，以此預測未來凍融作用變化趨勢； 步驟五：基于步驟二至步驟四建立凍融作用次數(shù)預測模型，采用凍融作用次數(shù)預測模 型對該地區(qū)實際環(huán)境凍融作用次數(shù)進行預估。2. 根據(jù)權利要求1所述的一種實際環(huán)境凍融作用次數(shù)預估方法，其特征在于：所述步 驟一中，根據(jù)收集或通過當?shù)貧庀笳精@取的當?shù)貧鉁財?shù)據(jù)，以日最高溫度與日最低溫度的 正負交替變化為原則，對該地區(qū)實際環(huán)境凍融作用次數(shù)進行統(tǒng)計。3. 根據(jù)權利要求1所述的一種實際環(huán)境凍融作用次數(shù)預估方法，其特征在于：所述步 驟二中，采用M-K單調(diào)趨勢檢驗方法，對凍融作用次數(shù)隨時間序列的變化趨勢進行分析；其 中， 凍融作用次數(shù)的時間序列IxJ，凍融作用次數(shù)時間序列IxJ的對偶數(shù)S，且U>0時，表示時間序列IxJ為上升趨勢；IKO時，表示時間序列IxJ為下降趨勢；U|>Ua(]5/2= 1.96表示序列變化趨勢顯著；給定顯著性水平，查正態(tài)分布表得到零界值t，當IUFkI>t時，表明時間序列存在明顯的 上升或下降趨勢，所有1]匕將組成一條曲線UF，把同樣的方法引用到反序列中，得到另一條 曲線UB;將統(tǒng)計量曲線UF、UB以及土t的兩條直線繪在統(tǒng)一坐標系上，如果UF>0,表示時間 序列呈上升趨勢，UF〈0,表示時間序列呈下降趨勢，當它們超過臨界值直線時，表明上升或 下降趨勢顯著；如果UF和UB兩條曲線出現(xiàn)交點，則交點為突變點。4. 根據(jù)權利要求1所述的一種實際環(huán)境凍融作用次數(shù)預估方法，其特征在于：所述步 驟三中，采用Morlet小波分析方法，對該地區(qū)實際環(huán)境凍融作用的周期性變化進行分析； 其中，其中，也a，b⑴為子小波，a為尺度因子，反映小波的周期長度；b為平移因子，反應時間 上的平移； 利用小波函數(shù)計算不同時間尺度下的小波系數(shù)：其中，以a為縱坐標，b為橫坐標做的Wf (a，b)等值線圖稱為小波系數(shù)實部等值線圖； 對時間域上關于a的所有小波系數(shù)的平方積分，即為小波方差：以尺度因子a為橫坐標，小波方差為縱坐標的圖像稱為小波方差圖，它能反映信號波 動的能量隨尺度因子a的分布，小波方差圖用來確定信號中不同種尺度擾動的相對強度和 存在的主要時間尺度，即主周期；其中，小波方差圖較明顯的峰值數(shù)量表示主周期數(shù)量，峰 值最大的周期為第1主周期，第2峰值為第2主周期，以此類推； 通過小波分析，得到凍融作用次數(shù)時間序列f(x)在任意時刻的頻率特征及在時間一 頻率上的變化特征。5. 根據(jù)權利要求1所述的一種實際環(huán)境凍融作用次數(shù)預估方法，其特征在于：所述步 驟四中，采用R/S分析方法，對該地區(qū)實際環(huán)境凍融作用未來變化趨勢行分析；其中， 對凍融作用次數(shù)時間序列X(t)，X= 1，2,…，，計算均值序列：對上式進行線性模擬，得出Hurst指數(shù)，于是不同的H意味著序列不同的趨勢變化，其 中0〈H〈1 :當H= 0. 5時，表明序列是完全獨立的，是一個隨機變化過程；當0〈H〈0. 5時，表明 未來的變化趨勢與過去的變化趨勢相反，即反持續(xù)性，H越小，意味著反持續(xù)性越強；相反， H>0. 5時，表示未來的變化與過去的一致，即表現(xiàn)出持續(xù)性，H越大則說明持續(xù)性越強。6.根據(jù)權利要求1所述的一種實際環(huán)境凍融作用次數(shù)預估方法，其特征在于：所述步 驟五中，采用凍融作用次數(shù)預估模型，對該地區(qū)實際環(huán)境凍融作用次數(shù)進行預估；其中， 將凍融作用次數(shù)的預估分為三部分：長期變化趨勢、周期性變化和不規(guī)則變動；其中 周期性變化和不規(guī)則變化采用乘法模型反映，長期變化趨勢則采用加法模型，凍融作用次 數(shù)預測模型表示為：其中，隨時間變化的長期趨勢T;季節(jié)性變動S;不規(guī)則變動I;循環(huán)變動C; 根據(jù)M-K檢驗，凍融作用長期變化趨勢采用線性變化，表示為：式中：N-一時間序列年限；yi-一第i年凍融作用次數(shù)；k一一凍融作用次數(shù)隨年序列 的變化率；t--年序列；t。--年序列的中值； 由小波分析和R/S分析確定周期變化和不規(guī)則變化，根據(jù)小波分析方法的特點，采用 求余和求商的形式反應其周期性；不規(guī)則變化采用指數(shù)函數(shù)形式反映其變化的不規(guī)律性； 另外凍融作用次數(shù)的方差〇也是預估模型的重要組成部分，能夠反映凍融作用次數(shù)的離 散程度，用作不規(guī)則變化及周期性變化的基準參考值； 周期性變化C的表達形式如下：式中：D-一小波周期長度，通過前面分析取5年；r一一H指數(shù)； 通過計算得到了某地區(qū)實際環(huán)境凍融作用次數(shù)未來的變化趨勢。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種實際環(huán)境凍融作用次數(shù)預估方法，通過對某地區(qū)氣溫數(shù)據(jù)中日最高溫度與日最低溫度的正負交替次數(shù)統(tǒng)計分析，得到該地區(qū)實際環(huán)境凍融作用次數(shù)，然后基于Mann-Kendall檢驗、Morlet小波分析、R/S分析法建立凍融作用次數(shù)預估模型；其中Mann-Kendall趨勢檢驗反映凍融作用次數(shù)隨時間變化的長期趨勢，小波分析揭示凍融作用周期性變化，R/S分析反映未來變化趨勢的不規(guī)則性為未來的凍融作用次數(shù)預測提供依據(jù)；采用本研究提出的實際環(huán)境凍融作用次數(shù)預估方法可以診斷某地區(qū)凍融作用次數(shù)隨時間歷程及未來的變化趨勢；從而為遭受凍融作用影響的土木工程基礎設施建設、壽命預測、養(yǎng)護維修等提供參考。
【IPC分類】G06F19/00
【公開號】CN105046051
【申請?zhí)枴緾N201510346124
【發(fā)明人】司偉, 馬骉, 李寧, 周雪艷, 田宇翔
【申請人】長安大學
【公開日】2015年11月11日
【申請日】2015年6月19日