本發(fā)明屬于風(fēng)速模擬，具體涉及一種風(fēng)速隨機(jī)模擬方法、裝置、設(shè)備及介質(zhì)。

背景技術(shù)：

1、常見(jiàn)的風(fēng)有：季風(fēng)、龍卷風(fēng)、熱帶氣旋、臺(tái)風(fēng)、颶風(fēng)等，其中臺(tái)風(fēng)對(duì)沿海地區(qū)超高層建筑影響最大、也最廣泛。值得注意的是，大氣邊界層的風(fēng)的速度和方向總在不斷變化，表現(xiàn)較為隨機(jī)，一般以順風(fēng)向、橫風(fēng)向和豎向三分量來(lái)表達(dá)。在工程實(shí)際中，為了方便一般采用平穩(wěn)風(fēng)速模型來(lái)進(jìn)行抗風(fēng)分析和設(shè)計(jì)。但在臺(tái)風(fēng)等強(qiáng)風(fēng)氣象條件下實(shí)測(cè)獲得的風(fēng)速實(shí)際往往是非平穩(wěn)的。如實(shí)測(cè)臺(tái)風(fēng)的順風(fēng)向風(fēng)速分量依據(jù)是否平穩(wěn)，可分解為確定平均風(fēng)速或時(shí)變平均風(fēng)速和脈動(dòng)風(fēng)速之和，而橫風(fēng)向和豎向分量一般為零均值隨機(jī)序列。風(fēng)速的變化特性不但對(duì)高層建筑、高聳結(jié)構(gòu)、大跨屋蓋和大跨橋梁結(jié)構(gòu)等風(fēng)荷載確定有著主要影響，而且影響著風(fēng)力機(jī)的發(fā)電性能。因此，風(fēng)速時(shí)程的模擬對(duì)于風(fēng)工程和風(fēng)能領(lǐng)域都有重要的意義。由于控制邊界層風(fēng)速的ns方程組是非線性的，難以得到其精確的理論解，通過(guò)數(shù)學(xué)模型構(gòu)建單點(diǎn)或多點(diǎn)風(fēng)速時(shí)程成為主要的模擬手段。

2、在氣象和風(fēng)工程領(lǐng)域，風(fēng)速時(shí)程生成方法大致可分為以下4類(lèi)：

3、(1)諧波疊加法，諧波疊加法是根據(jù)譜分解和余弦函數(shù)疊加的思想模擬隨機(jī)風(fēng)速時(shí)程，適用于指定譜特征的平穩(wěn)高斯隨機(jī)過(guò)程，算法簡(jiǎn)單直觀，數(shù)學(xué)基礎(chǔ)嚴(yán)密，通過(guò)疊加一系列具有隨機(jī)相位角的三角函數(shù)來(lái)模擬多變量或多維隨機(jī)過(guò)程，其模擬效果較好，但是計(jì)算量大；

4、(2)線性濾波法，線性濾波法將隨機(jī)過(guò)程抽象為滿足一定條件的白噪聲，通過(guò)某一假定系統(tǒng)進(jìn)行適當(dāng)變換而擬合出該過(guò)程。最常見(jiàn)采用的是自回歸ar模型，直接從時(shí)域的角度入手模擬，因而計(jì)算量小、模擬速度快，尤其在對(duì)大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行風(fēng)場(chǎng)模擬時(shí)應(yīng)用廣泛，但相較于諧波疊加法，其模擬質(zhì)量略顯不足；

5、(3)基于實(shí)測(cè)歷史數(shù)據(jù)的人工智能機(jī)器學(xué)習(xí)類(lèi)方法，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)等，這類(lèi)方法主要是通過(guò)大量的實(shí)測(cè)風(fēng)速樣本，訓(xùn)練得到可以描述其內(nèi)在關(guān)聯(lián)的模型，進(jìn)而模擬生成更多的風(fēng)速樣本。

6、(4)基于分形函數(shù)的風(fēng)速模擬，此類(lèi)方法就是利用已知weierstrass-mandelbrot(wm)函數(shù)表達(dá)式和對(duì)應(yīng)的譜公式，確定待定系數(shù)，進(jìn)而模擬脈動(dòng)風(fēng)速時(shí)程。

7、以上四類(lèi)方法中，每一種方法都是基于不同的理論和機(jī)制發(fā)展而來(lái)的，所得到的風(fēng)速時(shí)程均揭露風(fēng)本身不同的本質(zhì)屬性。近些年的研究發(fā)現(xiàn)，風(fēng)表現(xiàn)出明顯的分形混沌特性，且分形維度的值是與地貌類(lèi)型和風(fēng)本身屬性相關(guān)的。1-3類(lèi)風(fēng)速模擬方法并不能直觀地反映出風(fēng)速時(shí)程的分形特性，第4類(lèi)方法中，均采用統(tǒng)一的分形維數(shù)d＝1.7代入到wm函數(shù)中，且其采用的weierstrass譜表達(dá)式不準(zhǔn)確。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)以上背景技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種風(fēng)速隨機(jī)模擬方法、裝置、設(shè)備及介質(zhì)，本方案以能準(zhǔn)確計(jì)算weierstrass函數(shù)分形維度的結(jié)構(gòu)函數(shù)法，獲得需要模擬點(diǎn)的實(shí)測(cè)風(fēng)速的分形維度，替代第四類(lèi)方法中的固定分形維度1.7，采用更準(zhǔn)確的weierstrass譜表達(dá)式來(lái)計(jì)算待定參數(shù)，進(jìn)而得到模擬的風(fēng)速時(shí)程樣本。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

3、本發(fā)明第一方面，提供了一種風(fēng)速隨機(jī)模擬方法，包括以下步驟：

4、確定模擬點(diǎn)位置，采集模擬點(diǎn)位置的風(fēng)速數(shù)據(jù)，計(jì)算所述風(fēng)速數(shù)據(jù)的脈動(dòng)風(fēng)速分量；

5、確定脈動(dòng)風(fēng)速方差和湍流積分尺度；基于風(fēng)速數(shù)據(jù)的脈動(dòng)風(fēng)速分量，通過(guò)結(jié)構(gòu)函數(shù)法計(jì)算得到脈動(dòng)風(fēng)速分量的分形維數(shù)；

6、構(gòu)建wm函數(shù)，設(shè)定wm函數(shù)的待定系數(shù)，以及確定wm函數(shù)的漸進(jìn)譜；采用馮卡門(mén)譜作為目標(biāo)譜；基于待定系數(shù)構(gòu)建漸進(jìn)譜和目標(biāo)譜的差異化函數(shù)，通過(guò)最小化差異化函數(shù)來(lái)確定最優(yōu)待定系數(shù)；

7、將最優(yōu)待定系數(shù)帶入wm函數(shù)的實(shí)部表達(dá)式，生成脈動(dòng)風(fēng)速時(shí)程；將脈動(dòng)風(fēng)速時(shí)程疊加一致平均風(fēng)速或時(shí)變平均風(fēng)速，得到全風(fēng)速時(shí)程。

8、進(jìn)一步的，計(jì)算所述風(fēng)速數(shù)據(jù)的脈動(dòng)風(fēng)速分量的步驟中：

9、使用輪次檢驗(yàn)法對(duì)風(fēng)速數(shù)據(jù)進(jìn)行平穩(wěn)性檢驗(yàn)；

10、如果風(fēng)速數(shù)據(jù)平穩(wěn)，則計(jì)算預(yù)設(shè)時(shí)間范圍的平均風(fēng)速并提取得到脈動(dòng)風(fēng)速分量；

11、如果風(fēng)速數(shù)據(jù)非平穩(wěn)，則利用小波變換方法提取風(fēng)速數(shù)據(jù)最優(yōu)時(shí)變均值，從而得到脈動(dòng)風(fēng)速分量。

12、進(jìn)一步的，確定脈動(dòng)風(fēng)速方差和湍流積分尺度，包括：

13、所述脈動(dòng)風(fēng)速方差通過(guò)對(duì)脈動(dòng)風(fēng)速分量進(jìn)行時(shí)間平均的平方差來(lái)計(jì)算得到；

14、所述湍流積分尺度基于風(fēng)速自相關(guān)函數(shù)的積分進(jìn)行得到。

15、進(jìn)一步的，構(gòu)建的所述wm函數(shù)如下：

16、

17、其中：d為復(fù)數(shù)w(t)的分形維數(shù)；γn是頻率；是相位；t是函數(shù)的自變量；γ是一個(gè)大于1的實(shí)數(shù)；n是求和的索引變量；φn是相位角；i是虛數(shù)單位；e是自然對(duì)數(shù)的底數(shù)。

18、進(jìn)一步的，所述wm函數(shù)的實(shí)部表達(dá)式表示如下：

19、

20、式中，r(t)表示脈動(dòng)風(fēng)速時(shí)程；nmin和nmax分別表示最小索引值、最大索引值；a表示待定系數(shù)。

21、進(jìn)一步的，確定wm函數(shù)的漸進(jìn)譜，采用馮卡門(mén)譜作為目標(biāo)譜，包括：

22、wm函數(shù)所對(duì)應(yīng)的漸進(jìn)譜sr(f)記為：

23、sr(f)＝a2m(f)(m(f)～1/(2πf)5-2d)

24、其中，m(f)表示與頻率f和分形維數(shù)d相關(guān)的漸近函數(shù)。

25、馮卡門(mén)譜作為目標(biāo)譜，表達(dá)式為：

26、

27、其中，為十分鐘平均風(fēng)速；lu湍流積分尺度；σu為脈動(dòng)速度方差；fn為歸一化頻率。su(f)表示風(fēng)速譜密度函數(shù)。

28、進(jìn)一步的，基于待定系數(shù)構(gòu)建漸進(jìn)譜和目標(biāo)譜的差異化函數(shù)，通過(guò)最小化差異化函數(shù)來(lái)確定最優(yōu)待定系數(shù)，包括如下：

29、引入系數(shù)g(a)來(lái)表征目標(biāo)譜和近似譜的差異：

30、g(a)＝σ(sr(f)-su(f))2

31、待定系數(shù)a，是使得目標(biāo)譜和近似譜最為接近的參數(shù)，因此取系數(shù)g(a)對(duì)a2的偏導(dǎo)：

32、

33、使偏導(dǎo)數(shù)為0，可以確定得到最優(yōu)待定系數(shù)a。

34、本發(fā)明第二方面，提供了一種風(fēng)速隨機(jī)模擬裝置，包括：

35、第一確定模塊，用于確定模擬點(diǎn)位置，采集模擬點(diǎn)位置的風(fēng)速數(shù)據(jù)，計(jì)算所述風(fēng)速數(shù)據(jù)的脈動(dòng)風(fēng)速分量；

36、第二確定模塊，用于確定脈動(dòng)風(fēng)速方差和湍流積分尺度；基于風(fēng)速數(shù)據(jù)的脈動(dòng)風(fēng)速分量，通過(guò)結(jié)構(gòu)函數(shù)法計(jì)算得到脈動(dòng)風(fēng)速分量的分形維數(shù)；

37、系數(shù)求解模塊，用于構(gòu)建wm函數(shù)，設(shè)定wm函數(shù)的待定系數(shù)，以及確定wm函數(shù)的漸進(jìn)譜；采用馮卡門(mén)譜作為目標(biāo)譜；基于待定系數(shù)構(gòu)建漸進(jìn)譜和目標(biāo)譜的差異化函數(shù)，通過(guò)最小化差異化函數(shù)來(lái)確定最優(yōu)待定系數(shù)；

38、風(fēng)速模擬模塊，用于將最優(yōu)待定系數(shù)帶入wm函數(shù)的實(shí)部表達(dá)式，生成脈動(dòng)風(fēng)速時(shí)程；將脈動(dòng)風(fēng)速時(shí)程疊加一致平均風(fēng)速或時(shí)變平均風(fēng)速，得到全風(fēng)速時(shí)程。

39、本發(fā)明第三方面，提供了一種電子設(shè)備，包括處理器和存儲(chǔ)器，所述處理器用于執(zhí)行存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)的計(jì)算機(jī)程序以實(shí)現(xiàn)如上述的風(fēng)速隨機(jī)模擬方法。

40、本發(fā)明第四方面，提供了一種計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，所述計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)存儲(chǔ)有至少一個(gè)指令，所述至少一個(gè)指令被處理器執(zhí)行時(shí)實(shí)現(xiàn)如上述的風(fēng)速隨機(jī)模擬方法。

41、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明至少包括以下有益效果：

42、本發(fā)明采用脈動(dòng)風(fēng)速方差和湍流積分尺度采用結(jié)構(gòu)函數(shù)法計(jì)算分形，與傳統(tǒng)的諧波疊加和線性濾波方法相比，該方法能直觀、準(zhǔn)確的表達(dá)脈動(dòng)風(fēng)速中隱含的分形維數(shù)特征，且非采用固定的分形維數(shù)1.7，更能模擬出貼合模擬點(diǎn)風(fēng)速原有屬性的風(fēng)速序列；

43、本發(fā)明采用了隨機(jī)wm函數(shù)得到更為準(zhǔn)確的譜表達(dá)式，提高了模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性；

44、采用偏導(dǎo)數(shù)的方法計(jì)算待定系數(shù)相較于其余方法計(jì)算更加便捷，使用方便。

45、本發(fā)明提供的一種風(fēng)速隨機(jī)模擬裝置、電子設(shè)備和計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)同樣解決了背景技術(shù)部分提出的問(wèn)題。