（应用数学专业论文）模糊聚类和模糊推理在评价海冰灾害中的应用.pdf

中文摘要摘要与陆地相比，海洋的石油勘探与开发要复杂得多，而主要原因之一是海洋灾害。“南风北冰”是我国海洋灾害的主要形式。“北冰主要指渤黄海的海冰灾害，其中，辽东湾北部是我国海冰灾害最严重的海域。对于结构物朱说，流冰总体的危害水平取决于结构物所在海域的各种尺寸及强度的冰盘分布。冰盘危害性主要是由冰盘能量及强度所决定的。那么，在一个典型的冰情年份，收集一典型海域的流冰数据，根据冰盘的若干特性指标进行聚类分析，将其分成具有不同危害程度的若干类别，并统计出各类的冰量，结果对于抗冰措施的设计具有重要的参考价值。因此，本文给出了如何根据结构物的形式及其所在海域的特点对流冰进行模糊分类的方法。针对辽东湾北部流冰对斜坡式人工岛的危害问题，选择一典型海域，应用f c m算法将该海域在一重冰年的流冰按面积和厚度进行聚类分析，最终将所有冰盘分成1 5 个不同危害程度的类别。一方面，形成了一个该海域流冰对斜坡人工岛危害水平的评价，另一方面也证明了f c m 聚类算法可以应用于流冰分类，方法可行。在结构物前，海冰堆积发生与否以及堆积的危害程度与海冰的总量、冰盘厚度、冰盘漂移速度、风的速度和方向、结构物防护墙高度等诸多因素相关。针对冰盘个体来说，能否越过结构物的防护墙对设备造成危害是由冰盘的尺寸、厚度及速度等因素决定的。因流冰自身的变化、流冰场的复杂性以及流冰对结构物的不同危害机制，很难建立一个精确的数学模型来描述该过程。但却可以对观测及实验资料进行分析，并参考危害过程中的基本力学原理，构造合适的模糊推理规则来评价冰盘个体的危害程度。在本文中，就如何根据结构物的形式及所在海域的特点建立个合适的模糊推理系统评价冰盘对结构物的危害程度，给出了具体的实施步骤。根据斜坡人工岛形式及其所在海域的气象水文特点，结合观测及实验中的现象、结论，构造了若干模糊推理规则，建立了一个根据冰盘直径、厚度及速度评价其对斜坡人工岛危害程度的模糊推理系统。此外，应用在近岸人工岛产生的现缘对其进行了检验，效果较好。因此，该推理系统埘冬季海上石油生产的防灾工作具有参考价值。同时也说明了应用模糊推理解决类似问题方法可行。关键词：流冰危害；模糊分类；模糊推理英文摘要t h ea p p l i c a t i o no ff u z z yc l u s t e r i n ga n df u z z yi n f e r e n c ei nt h ea s s e s s m e n to fs e ai c ed i s a s t e ra b s tr a c tt h ee x p l o r a t i o na n de x p l o i t a t i o no fo i li ns e aa r e a sa r em u c hm o r ec o m p l i c a t e dt h a ni nt h el a n d o c e a n i cd i s a s t e ri so n eo ft h ef a c t o r st h a tr e s u l ti nt h ec o m p l e x i t y t h em a i no c e a n i cd i s a s t e ri st y p h o o ni ns o u t hc h i n as e a ，b u ti ss e ai c ei nb o h a is e aa n dh u a n g h a is e ai nt h en o r t hp a r to fc h i n a ，a m o n gw h i c ht h en o r t h e r np a r to fl i a o d o n gb a yi st h es e v e r e s ta r e a t h ed i s t r i b u t i o no fs e ai c e si nd i f f e r e n ts i z ea n ds t r e n g t hi nas e aa r e ad e t e r m i n e st h eg e n e r a ld e g r e eo fd a m a g ef r o mf l o a t i n gi c e st ot h es t r u c t u r e s w h e t h e ra ni c ec a nd a m a g eas t r u c t u r es e r i o u s l yd e p e n d so ni t se n e r g ya n ds t r e n g t h w ec a nc o l l e c tt h ef l o a t i n gi c e sd a t ai nat y p i c a la r e ao fat y p i c a ly e a rf o rt h ei c ec o n d i t i o n ，a n dd oac l u s t e r i n ga n a l y s i so nt h ed a t aa c c o r d i n gt os o m eo ft h e i rp r o p e r t yi n d e x e s ，t h e nc l a s s i f ya l lt h es e a i c e si n t oaf e wc l a s s e sw i t hd i f f e r e n tl e v e lo fd a m a g ea n dc a l c u l a t et h ea m o u n to fe a c hc l a s s t h er e s u l ts h o u l db ei m p o r t a n tf o rt h ed e s i g no ft h ea g a i n s t i c em e a s u r e s t h e r e f o r e ，w ep r o v i d e dam e t h o do fc l a s s i f y i n gt h ef l o a t i n gs e a - i c e sw i t hf c mc l u s t e r i n ga l g o r i t h m ，i nw h i c hap r o p e ru n d e r s t a n d i n go ft h et y p eo fs t r u c t u r ea n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h es e aa r e ai se s s e n t i a l i nt h es t u d yo nd a m a g eo ff l o a t i n gi c e st ot h es l o p e da r t i f i c i a li s l a n di nt h en o r t h e r np a r to fl i a o d o n gb a y , w eu s et h ef c mc l u s t e r i n ga l g o r i t h mt od oac l u s t e r i n ga n a l y s i so nt h ei c e si nat y p i c a ls e aa r e ao fah e a v yi c e - c o n d i t i o n e dy e a r ( 2 0 0 0 ) ，a c c o r d i n gt ot h e i ra r e aa n dt h i c k n e s s ，a n dt h e nc l a s s i f yt h e mi n t o15c l a s s e sw i t hd i f f e r e n tl e v e lo fd a m a g e o nt h eo n eh a n d ，w eg o tag e n e r a la s s e s s m e n to nt h ei m p a c tf r o mf l o a t i n gi c e st ot h es l o p e da r t i f i c i a li s l a n di nt h es e aa r e a o nt h eo t h e rh a n d ，i tp r o v e st h a ti ti sf e a s i b l ew eu s et h ef c mc l u s t e r i n ga l g o r i t h mt oc l a s s i f ys e ai c e s t h ep i l i n gu po fs e a - i c ei nf r o n to ft h es t r u c t u r ea n di t sd a m a g er e l a t et om a n yf a c t o r ss u c ha st h es u mo fs e a - i c e ，t h et h i c k n e s so fi c eb l o c k ，t h ed r i f t i n gs p e e do fi c e ，t h ev e l o c i t ya n dd i r e c t i o no fw i n da n dt h eh e i g h to ft h ep r o t e c t i n gw a l lo fs t r u c t u r ee t c w h e t h e ra l li c ec a nm o v ec r o s st h ep r o t e c t i n gw a l lt od a m a g et h ef a c i l i t i e si sd e t e r m i n e db yi t ss i z e ，t h i c k n e s sa n dv e l o c i t y , e t c d u et ot h ec h a n g e so ff l o a t i n gi c e s t h ec o m p l e x i t yo fi c e sd i s t r i b u t i o na sw e l la st h ed i f f e r e n td a m a g i n gp r o c e s sf o rv a r i o u ss t r u c t u r e s ，i ti sd i f f i c u l tt ob u il da l la c c u r a t em a t h e m a t i c a lm o d e lt od e s c r i b et h ep r o c e s s h o w e v e r , a _ r e rd o i n ga na n a l y s i so nt h em a t e r i a lf r o mp r a c t i c a li n v e s t i g a t i o n sa n de x p e r i m e n t s ，a n ds t u d y i n gt h eb a s i cm e c h a n i c sp r i n c i p l e si nt h ed a m a g i n gp r o c e s s ，w ec a nb u i l daf e wp r o p e rf u z z yi n f e r e n c er u l e st oa s s e s st h ei m p a c tf r o mt h ei c e h e r e ，w ep r o v i d e dt h ed e t a i l e ds t e p st ob u i l daf u z z yi n f e r e n c es y s t e mf o rt h ea s s e s s m e n to ff l o a t i n gi c e s ，i nw h i c hi ti se s s e n t i a lt og e tag e n u i n eu n d e r s t a n d i n go ft h et y p eo fs t r u c t u r ea n dt h ec h a r a c t e r i s t i e so ft h es e aa r e a 。a c c o r d i n gt ot h es t r u c t u r et h a ti st h es l o p e da r t i f i c i a li s l a n da n dt h em e t e o r o l o g i c a la n dh y d r o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h es e aa r e aa sw e l la s t h ep h e n o m e n o na n dc o n c l u s i o nf r o mi n v e s t i g a t i o na n de x p e r i m e n t s ，w em a d eaf e wf u z z yi n f e r e n c er u l e sa n db u i l taf u z z yi n f e r e n c es y s t e m ，w i t hw h i c hw et a i la s s e s st h ed a m a g i n gl e v e lo fa ni c eo nt h eb a s i so fi t sd i a m e t e r , t h i c k n e s sa n ds p e e d i na d d i t i o n ，w eh a v ee x a m i n e dt h es y s t e mw i t hp h e n o m e n o no b s e r v e da ta no f f s h o r ea r t i f i c i a li s l a n d t h e r e f o r e ，t h ef u z z yi n f e r e n c es y s t e mi sc o n d u c i v et ot h ea g a i n s t d i s a s t e rw o r k si nt h eo f f s h o r ee x p l o i t a t i o no fp e t r o l e u md u r i n gw i n t e r , w h i c ha l s oi n d i c a t e st h ef e a s i b i l i t yo fs o l v i n gt h es i m i l a rp r o b l e m sw i t hf u z z yi n f e r e n c e k e yw o r d s ：s e a - i c ed i s a s t e r ；f u z z yc l u s t e r i ng ；f u z z yi n f e r e n c e大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，撰写成博士硕士学位论文= = 蘧塑鐾娄塑搓翅丝堡查迁绘连鲨塞壹主的廛囝：。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出藿要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表或未公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。论文作者签名聪锄锵僻乃月彳日学位论文版权使用授权书本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交、版权使用管理办法 ，同意大连海事大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。保密口，在年解密后适用本授权书。本学位论文属于：保密口不保密囹( 请在以上方框内打“4 )论文作者签名：啄铀够导师签名：日期：伽多年弓月吁日模糊聚类和j 模糊斜l ：理侄许价海冰灾害中的应用己l吉】i乍j辽东湾北部蕴藏丰富的石油天然气资源，渤海石油公司的锦州油田以及辽河油田浅海的多个开发区块( 例如葵花岛、月牙、月东、葵东) 都位于该海域。在我国的海洋石油开发中“南风北冰”一直是海洋环境条件的灾害因素，其中北冰是指渤海和黄海的海冰。因为海水盐度较低( 多条河流的注入) 、水浅、在地理上纬度靠北以及冬季气候受强劲而稳定的蒙古冷高压的控制，辽东湾北部成为渤海海冰灾害最严重的海域。冰期大约为1 2 0 天( 在当年的11 月中旬起至次年的3 月中旬) ，其中的6 0 天为严重冰期，此间该海域整体被各种尺寸及强度的海冰所覆盖。辽河油田浅海开发区目前发现了若1 ：具有开采价值的区块，如果所有的区块都转入开发，总投资将达到几十亿人民币。在目前的技术条件下，由于受水深、海冰对海洋工程结构物以及对船舶航行安全的影响，冰期不得不停止生产。影响了投资的回收和利润的增加。在以往对海工结构安全这类问题的解决方案中，通常是增加结构物自身的强度，这当然会导致投资的大大增加。最近，人们在探索其它的抗冰措施：方案之一就是在结构物前面放置一个防冰的辅助结构物，其功能为把那些具有破坏性的能量大、强度高( 厚而大) 的冰盘破坏成不具有破坏性的能量小、强度高( 厚而小) 的若干个小冰盘。显然，要完成某海域的结构物及其抗冰措施的设计，首先需要解决的问题就是要形成一个对该海域海冰平均的危害水平以及个别小概率严重事件风险性的综合评价。对前者，我们需要了解该海域上各种尺寸及强度的海冰的分布；而针对后者，我们需要了解漂浮在该海域上的冰盘个体( 尤其是厚而大) 对结构物的危害程度。因此，本文给出了如何根据结构物的形式及其所在海域的气象、水文特点，利用f c m 聚类算法将海冰进行分类的方法，以及利用模糊推理来评价冰盘个体对结构物危害水平的方法。引。专针对辽东湾北部葵东海域流冰对斜坡式人工岛的危害这一具体问题，利用上述的方法，认识到了该海域流冰对斜坡人工岛的平均危害水平；根据对各类冰盘( 聚类中心的特征值) 及若干个厚f 舡1 1 人冰盘危害程度的计算结果，对该海域的流冰对斜坡人工岛危害的风险性做了评价。此外，通过对这一具体问题的解决，也说明了利用模糊聚类和模糊推理的方法评价海冰灾害的可行性。本论文依托于横向项目：辽河浅海海冰安全技术研究和辽河葵东油田海工配套技术研究。模糊聚炎剐 诞糊推理在评价海冰灾害中的应用第1 章辽东湾北部海冰的环境特点及危害1 1 引言南风北冰是我国海洋灾害的一卜要形式。北冰主要指渤黄海的海冰灾害，其中辽东湾北部是我国海冰危害最严重的海域。国家海洋局1 9 7 3 年主要以地理上的合理统计厚度和范围以及海冰对航行的影响为依据制定了中国冰情预报等级，将海冰的冰情分为冰情轻年( 海面结冰情况只在近岸发生，不影响海上通航) 、冰情偏轻年( 海面近岸和离岸较远的海面部结冰，但不影响通航) 、冰情常年( 各海湾大部分海面被海冰覆盖，一般会影响通航) 、冰情偏重年( 各海湾海而被海冰覆盖，明显阻碍通航) 和冰情重年( 非常严重的冰情，造成严重灾害) 五个级别。各级别冰情在辽东湾的盛冰期的结冰范围和冰厚见表1 1 【2 1 。表1 1 各等级在盛冰期结冰范围和冰厚表t a b 1 1t h er a n g ea n dt h i c k n e s so fs e ai c ei ns e v e r ep e r i o af o rd i f f e r e n ti c eg r a d e s等级海区结冰范围( nm i l e )冰厚情况( c m )冰情最轻辽东湾 3 5 1 2 5 5 0最大1 0 0随着海洋产业的发展，辽东湾北部建设了港口、石油开发平台以及斜坡式人工岛等固定海洋工程建筑。利用上述海冰危害划分方式来描述海冰对固定的海洋工程结构的危害，其最明显的局限性在于：不能反映冰情较轻年份海冰对结构物可能造成的危害【3 j 。较轻海冰对航行几乎没有影响，但是调查发现，即使在冰情较轻的年份里，近岸或海中浅滩上依然可以形成厚度超过设计厚度( 5 0 c m ) 的巨大冰原，这些冰原一般只随潮水起伏运动，但是一旦浮起运动，就会对结构物造成灾害性影响。第l 幸辽尔湾北部海冰的环境特点及危害不能反映区域内海冰对结构物的影响。因流冰随海水和风的运动及海冰分区的存在，一个结构物只能受到一定f x 域内海冰的影响，大区域的海冰厚度和范围的隶属划分，对实际工程建设意义f ：足很大。综合上述情况，从一定范围的大比例尺卫星遥感资料入手，研究海冰对海洋工程结构的整体危害和巨大冰盘带来的工程风险，对保障海洋工程及设施的安全和降低工程投资具有现实意义。1 2 辽东湾北部海冰的特点1 ，2 1 辽东湾北部海冰的形成与发展辽东湾位于渤海的北部，从河北省的人清河口至辽东半岛南端的老铁山一线为其南界，北抵海岸；研究区域为辽东湾北部5 m 水深等深线以浅的海域。由于每年都有大凌河、双台子河和辽河等河流的淡水流入辽东湾北部这个半封闭的海湾，使该海域海水盐度相对较低；秋末冬初常有偏北大风，风向限制了潮水的上涨，使本来有大量浅滩的浅水域实际水深史小，从而使该海域的热容量变得更小；偏北向的风区长度不够，所以一般不起大浪，使海面相对平静；此外，这一地区气象情况是受强劲而稳定的蒙古冷高压的控制，在地理纬度上处于我国比较靠北的海域。种种因素使得该海域成为我国海上结冰灾害最严重的海区【4 】。海冰的厚度是海冰威胁海洋工程结构物的指标之一。海冰厚度与气温的关系公式被经常引用的是h = c t ) f d d 一3 t d d k ，其中，h 为平整冰厚度；口为冰厚度增长系数c m ( c d ) 忱( 对于辽东湾北部为1 6 仁1 9 0 ) ；f d d 为统计范围内低于冰点日平均气温的累积值；t d d 为统计范围内高于o 的日平均气温的累积值；k 为初冰层出现所需要的平均冻冰度同。营口鲅鱼圈海域的冰厚度增长系数口为1 9 2 c m ( c d ) 忱、初冰层出现所需要的平均冻冰度日k 为3 5 3 5 ( c d ) 【5 1 。按此公式计算，一个日平均温度为1 0 c 而持续1 0 天的寒潮，导致的海冰厚度为1 5 4 c m 。1 2 2 辽东湾北部海冰的力学性质哺1海冰的强度与冰荷载直接相关。海冰的强度与海冰的组构、物性( 温度、盐度、密度) 以及外在条件( 加载方向、速率) 等有关。常见的海冰强度指标有抗压强度，模糊聚类和模糊推理在评价海冰灾害中的应用弯曲强度，剪切强度，摩擦系数以及弹性模量、泊松比等。工程上最常用的是海冰的抗压强度和弯曲强度，海冰的各种力学强度随海冰的温度的降低而增大。辽东湾北部平整冰设计抗压强度为2 6 5 m p a ；重叠冰设计抗压强度为2 5 0m p a 。平整冰设计弯曲强度为6 3 9k p a ；重叠冰设计弯曲强度为6 0 8k p a 。一般定性地认为海冰的弯曲强度小于抗压强度的1 3 。1 2 3 辽东湾北部海冰的分布特点距离辽东湾北部海岸4 5 k m 左右以内，也就是水深1 0 m 等深线以内是我因结冰最严重的海域。该区域容易形成重叠冰、堆积冰和冰脊等，是辽东湾海上浮冰的主要发源地。该区域内5 0 年一遇的平整冰的厚度大于5 0 c m ，海冰水平的抗压强度o c 7 2 5 m p a 。二一般在11 月中旬开始结冰、次年3 月中下旬海冰消失，其中1 2 月下旬至2 月底为盛冰期，一般在5 0 天以上。流冰厚度2 0 3 0 c m ，最大厚度约4 5 e m ，速度为0 4 0 8 m s ，海冰的密度为o 8 3 0 8 9 9 c m 3 。冰情严重年份海冰分布见图1 1 【。图例一a a固定诛边缘线叠蕊一_一心曳 鼍h漉诛边缘线。 6 0 c m删5 0 - 8 0 c l t霹：支u j爝j4 0 - 5 0 c - 朋m 3 0 - 4 0 e tn n 氦j 臻e! ；：! ，q ：、可2 0 - 3 0 a1 0 - 2 0 c 量p z z “鲥堆积严重堆积殿一l；黼?、熊鲺錾! ；!。爹幻l 象” 找芏q 一丧n澜一一曲窆 妇y一一獯茭敝；勤一乏矽一，渺。黝物，：z图1 1 辽东湾冰情严重年的海冰分布示意图f i g 1 1t h ep a t t e r no fh e a v yi c ec o n d i t i o ni nl i a o d o n gb a y第l 章辽东湾北部海冰的环境特点及危害根据现场调查和遥感资料，辽东湾北部浅水区海冰在浅水区域存在明显的分区( 遥感资料表明海冰在沿岸海滩和离岸浅滩具有同样的存在特征) ，依次可以划分为：沿岸冻结区( 岸边到海图水深约一2 0 m 海域) 、滩涂堆积区( 海图水深约2 0 m - - 一0 m 等深线海域) 及流冰区( 0 m 等深线以深海域) ( 分别见图1 2 、图1 3 、图1 4 和图1 5 ) t 引。图1 2 典型的近岸海冰分布f i g 1 2t h et y p i c a lp a t t e r no fs e ai c ei nt h eo f f s h o r ea r e a图1 3 沿岸冻结区利滩涂堆积区分界f i g 1 3t h eb o u n d a r yb e t w e e nt h ef r o z e nz o n ea l o n gt h es h o r ea n dt h ep i l i n g u pz o n eo nt h eb e a c h模糊聚类和模糊推理在评价海冰灾害中的应用图1 4 滩涂堆积又：和流冰区分界f i g 1 4t h eb o u n d a r yb e t w e e nt h ep i l i n g u pz o n eo nt h eb e a c ha n dt h ef l o a t i n gi c ea r e a图1 5 流冰的卫星遥感图片f i g 1 5t h ep a t t e r no ff l o a t i n gi c e sf r o mas a t e l l i t er e m o t es e n s i n gi m a g e7 第l 章辽东湾北部海冰的环境特点及危害沿岸冻结区形成的厚度大、冰温低、强度大的冰原和滩涂堆积区形成的冰丘( 见图1 6 ) ，都有可能漂浮进入流冰区，而运动着的海冰就可能危害工程结构物。图1 6 冻结区的冰rf i g 1 6a ni c eb l o c ki nt h ef r o z e nz o n e1 3 辽东湾海冰对海洋工程结构物的危害1 3 1 海冰的危害综述海冰危害取决于海冰的性质、海冰和结构物的接触方式、海洋工程建筑材料在低温下的性能等，通常可归结为下面几种形式：厚度大、面积大的冰盘在风和流的驱动下整体移动对结构物产生挤压破坏；作用于柔性的钢结构导管架平台引起平台振动；因整体冰层随温度急剧上升引起膨胀产生的对结构物的挤压：流冰撞击；结构物与周围的海冰冻结成一体，水位涨落时，冰随着水位变化，对结构物产生向上拔、或下压的作用力；渗入海工混凝土建筑物表层毛细管孔道的海水，结冰时产生膨胀压力，导致混凝土内部呈现应力状态：海冰和结构物表面的摩擦【9 j 。此外，在滩涂以及浅海区域，由于水深较浅，修建斜坡式砂石人工岛工程量不是很大，同时由于砂石人工岛具有对工程地质条件要求较低、岛面上可以实行陆地化作业、开发后期成本低以及海冰不会伤害主体结构等优点而被广泛采用。由于砂石人工岛的护坡结构把作用在它上面的力都传递给地基，所以海冰对砂石模糊聚类和模糊推理在评价海冰灾害中的应用人工岛的危害，主要是对局部护坡的损坏以及爬坡进入场地损坏岛体内部的设备、设施等。如图1 7 ，井场顶面相对海滩高度3 6 m ，围墙高度1 2 m ，海冰越过围墙进入井场，石油公司被迫撤出设备。图1 7 灾害过程产生的堆积f i g 1 7t h ep i l i n gu pi nt h ed i s a s t e r1 3 2 海冰对斜坡人工岛的危害特点【1 0 1如果仅就一个爬坡冰盘的初始速度，根据能量守恒原理，即使不考虑摩擦和弯曲破坏带来的能量消耗，海冰所具有的速度不可能使爬坡高度达到图1 7 所描述的高度。事实上，海冰在斜坡结构物的堆积和爬坡的实质是参与堆积过程的所有海冰( 包括推动海冰堆积爬坡而被阻挡而静止在结构物前的冰盘) 的总动能，减掉弯曲破坏和摩擦所消耗的能量后，转化为势能而形成堆积体。大冰盘和斜坡式人工岛发生作用时，可以使冰盘弯曲破坏为许多碎块。如果冰量和环境动力足够大，这些碎冰块发生坡前堆积，使堆积海冰覆盖人工岛护坡后形成的斜面成为最适合爬坡的角度，从而使更多的海冰完成爬坡堆积。所以，浮起并参与堆积冰原的面积和厚度是影响爬坡的决定性因素：同样在流冰区和斜坡式人工岛相互作用的巨型冰盘的面积和厚度是斜坡式人工岛堆积的决定性因素。1 3 3 流冰的研究第1 章辽东湾北部海冰的环境特点及危害流冰对海洋工程结构物除因挤压破坏产生静荷载外，还有对柔性工程结构产生“冰激振动”荷载以及海冰对浅海斜坡人工岛的堆积爬坡造成的危害。各类海冰设计载荷总是以厚度和强度作为指标。事实上，流冰面积应是流冰具有能量的一个重要标志，在有限的速度下，如果小块流冰因具有能量不足，以使自身在与海洋工程结构物的作用过程中发生破坏，则振动载荷和挤压破坏导致的静荷载也就不会出现。此外，在海冰厚度超过2 6 c m 时，海冰之间不再发生压曲破坏j ，不同冰板之间可以互相推移传递动能。如果将海冰的强度作为一个常数来考虑，要评价一个区域内海冰对结构物的危害就要集中研究流冰的厚度、面积、速度。尤其当研究海冰在斜坡人工岛前爬坡造成的危害程度时，实质上就是关注海冰具有的能量及其和斜坡人工岛的相互作用方式。模糊聚类和模糊推理在评价海冰灾害中的应用第2 章模糊聚类在海冰分类中的应用2 1 引言所谓聚类分析，就是根据事物间的不同特征、亲疏程度和相似性等关系对事物进行分类的一种数学方法，其数学基础是数理统计中的多元分析。由于在现实世界中，事物问的关系的界限一般是不分明的，即为模糊关系。因此，利刖模糊数学方法来进行聚类分析会更自然，更符合客观实际。模糊聚类分析在天气预报【1 2 1 、地震预报、灾害预测【13 1 、环境保护【、地质研究、石油与天然气勘探1 1 5 】f 1 6 】、工程设计、图象分捌1 7 】等领域有着广泛的应用。聚类分析方法大致可分为三大类：其一是分类数不定，根据不同要求对事物进行动态聚类，此类方法基于模糊等价矩阵聚类，称为模糊等价矩阵动态聚类分析法；其二是分类数给定，寻找出对事物的最佳分类方案，此类方法是基于f 1 标函数聚类的，称为模糊c 均值( f c m ) 聚类算法或称为模糊i s o d a t a 聚类分析法；其三是在摄动有意义的情况下，根据模糊相似矩阵聚类的，此类方法称为基于摄动的模糊聚类分析法。辽东湾北部是我国海冰最严重的海域，当然也是海冰灾害最严重的海域。在三个月左右的冰期内，海面上漂浮着大量的冰盘，对结构物的安全、冬季航行造成严重威胁。对于结构物来说，漂浮在海面上冰盘的危害程度主要取决于冰盘所携带的能量和冰盘所具有的强度，二者缺一不可。在速度一定的前提下，若一个冰盘面积很大，但厚度小，这时冰盘所携带的能量可能较大，但因强度小够，在运动过程中会发生弯曲破坏、压曲破坏，因此不具有很大的破坏性。类似地，若冰盘虽然厚度大，但面积小，又因能量不足，也不具有破坏性。只有当冰盘既大又厚时，才对结构物造成威胁。在一个典型冰情年份，如果能够获得辽东湾北部典型海域的浮冰数据，首先，根据冰盘的特性指标( 面积、厚度、速度等) 对这些冰盘进行聚类，然后，再根据它们的破坏力将其分成若干类，最后再统计出各个类别的冰量，那么得到的结果将对该海域的结构物形式的设计以及抗冰措施的采用具有重要的参考价值f 1 8 】。第2 章模糊聚类在海冰分类中的应用本章讨论的圭要内容为：针对冰盘分类问题，给出一个怎样利川模糊c 均值算法将漂浮在某一海域的冰盘进行分类的方法。第二节对模糊c 均值算法做一个概括；第三节给出应用f c m 算法将冰盘分类的方法；第四节针对第三三节的方法给出一个应用实例。第五节小结。2 2 模糊c 均值聚类算法n 9 1基于目标函数的模糊i s o d a t a 聚类分析方法是由j c b e z d e k 和p f c a s t e l a z于1 9 9 7 年提出的，其基本思想是在分类数指定的条件下，利用模糊i s o d a t a( i t e r a t i v es e l f - o r g a n i z i n gd a t aa n a l y s i st e c h n i q u ea ) 算法寻找出对事物的最佳分类方案。该方法也称为模糊c 均值聚类法。设被分类对象的集合为u = 缸i ，“2 ，“。 ，其中每一个对象“j 均有m 个特性指标，即u j2 似”u f 2 ，u 拥)相应的特性指标矩阵为u l iu 1 2u 2 1u 2 2u h lu 2甜l m“2 m：“现将对象集合u 分成c 类( 2 c n ) ，设c 个聚类中心向量构成的矩阵为y =kk：m 1m 2 m 。v 2 1 屹2 屹mk l 屹2 ( 2 2 1 )为了获得一个最佳的模糊分类，按照下列聚类准则，从模糊分类空间咏中优选出一个最好的模糊分类。聚类准则求出适当的模糊分类矩阵r 及聚类中心矩阵y ，使目标函数 ! ；! 糊聚类和模糊推理在评价海冰灾害中的应用( 2 2 2 )达到极小值，其中q 可取定的值( 一般取9 = 2 ) ，而帆一杉8 表示对象蚝与第j 类聚类中心向量r 的距离。在应用中，最常用的距离有下列几种：( 1 ) c h e b y s h e v 距离慨一杉4 _ m a x h 一吩i( 2 2 3 )i s j s 一( 2 ) h a m m i n g 距离( 3 ) e u c l i d 距离( 4 ) m i n k o w s k i 距离k 一硎= 芝k 一吩l( 2 2 4 )j = ll u 。一k 8 = ( ( ”材一吩) 2 ) “2( 2 2 5 )k r , 1 l = ( 芝k 一计) 帅( p 1 )( 2 2 6 )= l一般地，求解由式( 2 2 2 ) 给出的目标函数j ( r ，v ) 相当困难，通常采用迭代运算方法求出近似解。计算可分两步完成：求最佳模糊分类矩阵和最佳聚类中心矩阵第一步选定分类数c ，2 cs | r l ，取一初始模糊分类聚阵r o m 庀，逐步迭代，= 0 ，1 ，2 ，第二步对于尺n ，计算聚类中心聚阵v u = ( 叩，矽，嘭d ) r( 2 2 7 )式中玎k m = ( d ) 4 u 。e ( 呓d ) 9i = 1 , 2 ，c( 2 2 8 )七= l七= l2k一七”尸，l。渊。=、，矿r，i 、筇2 章模糊聚类在海冰分类中的应用第三步修正模糊分类矩阶r “，耿r：l 壹(r( 2 2 9 )【k = 1 , 2 ，n ；j = 1 , 2 ，0第四步比较r “与r “，若对取定的精度s 0 有m a x r , 枷一训扣占( 2 2 1 0 )则r t “1 与y ( 即为所求，停止迭代；否则，= ，+ 1 ，回到第二步，重复进行。应用上述算法得到的模糊分类矩阵r o * u 和聚类中心矩阵y “是相对于分类数c ，初始模糊分类矩阵r 0 ，s 和参数q 的局部最优解。另外，由于本算法要求u 。形，以及迭代式( 2 2 8 ) 及( 2 2 9 ) 本身的原因，初始模糊分类矩阵r t 的选取除了必须满足模糊分类矩阵的三个条件之外，还必须加以如下限制：( 1 ) 初始矩阵尺o 不能是一个每一元素都相同的常数矩阵；( 2 ) 初始矩阵r 0 不能是一个每一行的元素等值的矩阵；( 3 ) 初始矩阵r 中对只有一个对象的类，聚类前要除掉，待聚类后再加入。同时满足上述六个条件所选取的初始模糊分类矩阵r t ，才不会在模糊i s o d a t a 的计算迭代过程中造成失真现象，否则将使聚类分析失败。模糊聚类在求出最佳模糊分类矩阵和最佳聚类中心矩阵后，可按照下列原则束分类。( 1 ) 利用最佳模糊分类矩阵聚类。判别原则i 设求得的最佳模糊分类矩阵为r + ：l2 吒。r , tr 2 2 吒l乞2 ( 2 2 11 )模糊聚类和模糊推理在评价海冰灾害中的应用v u 。u ，在尺+ 的第k 列中，如果= m a 。x ( d )( 2 2 1 2 )则将对象略归于第f 类，即对象u 。对哪一类的隶属度最大，就将它归到哪一类。( 2 ) 利用最佳聚类中心矩阵聚类。判别原则i i 设求得的最佳聚类巾心矩阵为r = ( k ，嘭，哆) r( 2 2 1 3 )v u t u ，如果愀一州= 啤( 帆一哆l | )( 2 2 1 4 )则将对象归于第f 类，即u 。与哪个聚类中心向量最靠近，就将它归到哪一类。2 3 基于f c m 算法的海冰分类利用f c m 算法对漂浮在某一海域上的冰盘根据其特性指标进行模糊分类可分为以下几个步骤：( 一) 背景分析流冰对海洋工程结构物的危害主要有静荷载和动荷载，取决于冰盘的强度、厚度、面积、速度等多种因素。针对于不同形式的结构物，由于海冰与结构物之间相互作用的物理机制不同，即使处于相同的海域，流冰分类所依据的特性指标也应不同；类似地，即使结构物形式相同，但因所处不同海域具有不同的水文、气象特点，决定流冰危害性的因素也不尽相同，也应根据不同的特性指标聚类。因此，应该跟据结构物的形式和所在海域的气象( 主要因素是风和温度) 、水文( 主要因素是流) 特点，判定导致危害的主要形式和控制因素，同时参考抗冰措施的特点，来选择研究区域，并确定对该区域内的流冰( 冰盘) 进行分类研究所依据的特性指标。( 二) 数据的收集与整理原始资料的收集与整理收集所研究海域上所有冰盘资料，筛选掉其中对结构物显然不会构成威胁的第2 章模糊聚类在海冰分类中的应用冰盘数据，余下部分( 设冰盘数【j 为n ) 构成被分类对象( 冰盘) 的集合u = 函。，“：“。)其中每一个对象甜，有，z 个特性指标材f l 蚝：，o9u 加，分别为第i 个冰盘的面积 和厚度等：巩= 伽n ，“，：“蛔)o = l ，2 ，刀)构成原始的特性指标矩阵：儿置u 1 2 u l 州u 2 2 u 2 mu h 2 u h m( 2 3 1 将中数据做数据变抉首先，利用标准差变换“：燮( f _ 1 , 2 ，7 z ；k = 1 , 2 ，聊) ( 2 3 2 )其中：- “t = i 1 喜甜让吼= 去喜c 矗一云t ) 2经过这样的变换后，使得每个变量的均值为0 ，而方差为1 ，且消除了量纲的影响，但不一定在区间【o ，1 】上，然后再利用极差变换5 瓦u i - i m k ( f = l ，2 ，聆；尼= 1 ，2 ，历)( 2 3 3 )其中，m 。：m i n 缸：m 。= m 磷函：)l g 如l g s ”这样，使得0 “：1 ，且消除了量纲的影响。( 三) 聚类分析根据分类集合中所包含元素的数量甩的大小以及工程应用的可行性，确定分类数c ，应用f c m 算法对经过变换后的冰盘特性指标数据进行聚类分析，得到最佳模糊分类矩阵模糊聚类幸l l 粪糊推理在评价海冰灾害中的应用及最佳聚类中心矩阵尺：l2 。吒l吃2 吩。2 ( 2 3 4 )儿巨引仁”，并计算出各类冰盘的总体积。r k 。u ：iy = i ? t 匕zl ：l k 。屹：嵋。匕。：么( 2 3 7 )2 4 应用实例本算例针对斜坡人工岛的特点以及减灾措施，以偏重年份的海冰卫星遥感资料为依据，研究一个典型区域内，可能导致不同程度危害的海冰总量。第2 章模糊聚类在海冰分类中的应片j( 一) 背景分析石油公司拟在图2 1 i 2 0 】椭圆所示的位置修建斜坡人工岛，典型护坡剖面和附近海域的表层流场分别如图2 2 、图2 3 所示。该工区海流以往复流为主，最大流速方向与等深线走向一致，其中葵东1 号构造区的最大可能表层流速1 2 3 3c m s 1 2 。图2 1 葵东油田位置不意图f i g 2 it h el o c a t i o no fk u i d o n go i l f i e l d因为浅水斜坡人工岛具有图2 2 所示的护坡结构，海冰和人工岛发生作用r 寸只能发生弯曲破坏，海冰和人工岛之间的作用力通过岛体传递给地基，而且此时的静荷载应该采用弯曲强度( 是抗压强度的l 3 ) 进行核算；护面为大的块石和混凝土结构，其局部的抗压强度也大于海冰的抗压强度。同时，由于岛体为实体斜面结构，也不存在柔性，所以通常意义的动荷载和静荷载都不适用。斜坡人工岛前面的冰排具有足够的能量时，堆积一直发展，从而使斜坡前的堆积达到一个合适的角度，部分海冰依靠自身和所在大冰盘的能量实现覆盖式的爬坡，事实上巨大冰盘在与斜坡人工岛的作用过程中消耗了更多的能量，从而使海冰的堆积体向高模糊聚类和模糊推理在评价海冰灾害中的应用向远发展。严重时，海冰越过防浪墙进入岛内危及生产设施( 见图1 7 ) ，迫使生产停止，成为海冰的主要灾害性影响，这时，海冰对岛体自身伤害反而很小【2 2 1 。图2 2 浅水斜坡人工岛剖面示意图f i g 2 2t h es e c t i o n a ld r a w i n go ft h es l o p e da r t i f i c i a li s l a n d图2 3 工区附近海域半日潮流图示意图f i g 2 3t h ep a t t e r no fs e m i - d a yt i d ea n dc u r r e n ti nt h es e aa r e an e a rt h ew o r k i n gs i t e从灾害实际调查情况分析，如果仅关注一个爬坡冰块的初始速度，依据能量守恒原理，即使不考虑摩擦和海冰弯曲破坏带来的能量消耗，对应海冰速度( 平第2 章模糊聚类在海冰分类中的应用均0 3 8 m s ，最大1 0 4 m s ) 的爬坡高度也不可能达到图1 7 所示的程度。海冰在斜坡人工岛前爬坡过程本质是运动着的巨大冰盘受岛体阻挡、破坏、消耗动能，使其- d , 部分破坏并获得势能实现爬坡形成堆积体。如果海冰提供总动能一定，堆积体的形状将影响堆积