【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)涉及海上搜救，尤其是涉及一種海上落水人員漂流軌跡預(yù)測(cè)方法。
技術(shù)介紹
1、在海上搜救行動(dòng)中，落水人員的救援是非常關(guān)鍵而且緊急的任務(wù)，但是由于氣象的不確定性以及漂流的復(fù)雜性致使行動(dòng)變得尤為困難。首先，海上落水人員的搜救需要進(jìn)行準(zhǔn)確的定位，一個(gè)漂流的物體是在風(fēng)、水流和波浪作用于它的凈平衡力的作用下移動(dòng)的。如果不能準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)漂移物體的軌跡或最可能的搜索區(qū)域，就很難找到漂移物體。因此，近二十年來，如何對(duì)漂移物體的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行建模一直是一個(gè)研究熱點(diǎn)。而漂流軌跡預(yù)測(cè)可以讓救援人員更有效便捷的了解落水人員的位置和漂流移動(dòng)情況，進(jìn)而去制定針對(duì)性的搜索和救援行動(dòng)。另外，在海上如此廣闊的范圍進(jìn)行搜尋是非常耗時(shí)耗力的，通過漂流軌跡的預(yù)測(cè)，可以縮小搜索范圍，最大限度的減少搜尋時(shí)間，提高救援成功率。所以，精準(zhǔn)預(yù)測(cè)落水人員的漂流軌跡，以此提高救援的成功率成為其中一個(gè)重要的研究方向，如何實(shí)現(xiàn)落水目標(biāo)高效準(zhǔn)確的軌跡預(yù)測(cè)顯得尤為重要。
2、在軌跡預(yù)測(cè)大類中，海上落水人員漂流路徑預(yù)測(cè)同樣也屬于粒子預(yù)測(cè)其中的一類。在粒子預(yù)測(cè)中，通常會(huì)使用傳統(tǒng)的數(shù)值模型方法來模擬預(yù)測(cè)粒子運(yùn)動(dòng)。有研究人員使用解析法進(jìn)行漂流軌跡的預(yù)測(cè)，由于海上落水人員的漂移運(yùn)動(dòng)是在風(fēng)、浪、流等外力作用下的復(fù)雜合成運(yùn)動(dòng)，該方法首先獲取到一些會(huì)對(duì)海上落水人員的漂流軌跡產(chǎn)生直接影響的數(shù)據(jù)因素，從而確定運(yùn)動(dòng)方程模型（相較簡(jiǎn)單的流場(chǎng)模型）。然后根據(jù)當(dāng)前落水人員的初始條件（初速度，體重，落水位置，方向等）作為該運(yùn)動(dòng)方程模型的輸入進(jìn)行求解，獲得根據(jù)時(shí)間不同得到的漂流軌跡的位移，從而確定某時(shí)刻的位置。
3、；
4、由于解析法所存在的忽略隨機(jī)性（解析法以一種確定性的公式來描述變化，忽略了其中突發(fā)情況的發(fā)生），限制于簡(jiǎn)化模型等不足，某些研究人員又提出了蒙特卡洛模擬法，其基本思想就是當(dāng)所求解問題是某種隨機(jī)事件出現(xiàn)的概率，或者是某個(gè)隨機(jī)變量的期望值時(shí)，通過某種實(shí)驗(yàn)的方法，以這種事件出現(xiàn)的頻率估計(jì)這一隨機(jī)事件的概率，或者得到這個(gè)隨機(jī)變量的數(shù)字特征，并將其作為問題的解，該方法將隨機(jī)生成的數(shù)據(jù)加入到數(shù)值模型中，目的就是為了去模擬漂流過程中的隨機(jī)性影響，隨后進(jìn)行大量采樣，進(jìn)行多次模擬加入不同隨機(jī)值，得到對(duì)應(yīng)的多條漂流預(yù)測(cè)軌跡，進(jìn)而進(jìn)行綜合評(píng)判分析。這種方法可以在模擬中考慮到多種情況，從而使最終獲得預(yù)測(cè)的軌跡更為精確可靠。
5、其次，某些研究人員又提出了關(guān)于拉格朗日粒子追蹤法，它的基本思想是跟蹤流體粒子的運(yùn)動(dòng)，并將所有粒子的運(yùn)動(dòng)整合起來，構(gòu)建整個(gè)流體動(dòng)力學(xué)。結(jié)合研究對(duì)象（失航船舶或飛機(jī)）和環(huán)境的特點(diǎn)，對(duì)約束條件和求解過程進(jìn)行了研究。簡(jiǎn)單來說，拉格朗日粒子追蹤法就是模擬大量粒子，根據(jù)模擬得出的路徑來預(yù)估真實(shí)粒子的漂流軌跡。首先，需要將所研究的流場(chǎng)域劃分為離散網(wǎng)絡(luò)，也就是若干個(gè)子網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)子網(wǎng)絡(luò)中可以設(shè)置多個(gè)粒子，賦予這些粒子初始位置，速度以及其他一些必要的屬性，隨后根據(jù)流場(chǎng)數(shù)據(jù)或者流場(chǎng)運(yùn)動(dòng)方程去計(jì)算每個(gè)粒子的運(yùn)動(dòng)情況，以此來獲取整個(gè)流場(chǎng)域的動(dòng)力學(xué)行為，幫助去理解流場(chǎng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律。但是該方法也有一定的局限性，現(xiàn)實(shí)的粒子，比如海上落水人員等的初始位置等屬性數(shù)據(jù)可能與模擬粒子的屬性不同，導(dǎo)致不能得到較好的預(yù)測(cè)效果。
6、但是，由于海洋環(huán)境的復(fù)雜性和不確定性；傳統(tǒng)方法基于一定的假設(shè)；以及預(yù)測(cè)的漂流位置不單單和上個(gè)時(shí)刻的信息有關(guān)系，傳統(tǒng)的數(shù)值模擬方法無法得到較為精確的預(yù)測(cè)路徑，另外，漂移軌跡預(yù)測(cè)的任務(wù)通常被定義為基于一系列歷史漂移數(shù)據(jù)來預(yù)測(cè)未來時(shí)段內(nèi)的軌跡。因此，研究人員經(jīng)常使用基于統(tǒng)計(jì)學(xué)以及機(jī)器學(xué)習(xí)的方法將軌跡預(yù)測(cè)問題轉(zhuǎn)換為有序時(shí)間序列的預(yù)測(cè)問題從而提高預(yù)測(cè)的精度。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、本專利技術(shù)的目的是提供一種海上落水人員漂流軌跡預(yù)測(cè)方法，解決了在現(xiàn)有的落水人員漂流軌跡預(yù)測(cè)中，面臨的一些技術(shù)問題，比如對(duì)于不同的位置和氣象數(shù)據(jù)無法有很強(qiáng)的泛化性，無法較好地捕捉數(shù)據(jù)之間的時(shí)序關(guān)系等致使預(yù)測(cè)精度不高，本專利技術(shù)直接使用深度學(xué)習(xí)的方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和對(duì)比，通過對(duì)原始transformer進(jìn)行改進(jìn)，提供一種新穎有效的模型方法，在落水人員搜救領(lǐng)域取得較可靠的預(yù)測(cè)結(jié)果，有望為該領(lǐng)域的研究提供新的工具和方法。
2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本專利技術(shù)提供了一種海上落水人員漂流軌跡預(yù)測(cè)方法，包括以下步驟：
3、s1、收集海上落水人員相關(guān)數(shù)據(jù)；
4、s2、對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理；
5、s3、根據(jù)處理后的數(shù)據(jù)集制作訓(xùn)練和測(cè)試的數(shù)據(jù)loader；
6、s4、循環(huán)迭代多次，將每個(gè)batch中的數(shù)據(jù)喂入amwm-transformer模型中，獲得模型的輸出和原始的標(biāo)簽數(shù)據(jù)進(jìn)行l(wèi)oss值計(jì)算，根據(jù)loss值更新模型參數(shù)，完成模型訓(xùn)練；
7、s5、根據(jù)已訓(xùn)練好的模型，將測(cè)試的輸入特征喂入得到輸出，與真實(shí)標(biāo)簽做loss值進(jìn)行累加計(jì)算，得到最終測(cè)試數(shù)據(jù)的總loss值，使用ade和fde對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)。
8、優(yōu)選的，s1中，海上落水人員相關(guān)數(shù)據(jù)包含某仿真假人在近海海域的漂流軌跡信息數(shù)據(jù)，包括假人id編號(hào)、日期、具體時(shí)間、經(jīng)度、緯度、海風(fēng)和海流的分解速度信息，提取除id編號(hào)、日期和具體時(shí)間外的數(shù)據(jù)作為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
9、優(yōu)選的，s2中，使用最大值-最小值歸一化法對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，公式如下所示：
10、；
11、其中， x表示當(dāng)前數(shù)據(jù)， xmin表示當(dāng)前數(shù)據(jù)中的最小值， xmax表示當(dāng)前數(shù)據(jù)中的最大值， xnorm表示當(dāng)前數(shù)據(jù)經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化處理后的結(jié)果。
12、優(yōu)選的，s3具體過程為：
13、首先，按照設(shè)定比例劃分訓(xùn)練集和測(cè)試集，隨后根據(jù)設(shè)置的歷史滑動(dòng)窗口大小和預(yù)測(cè)窗口大小得到輸入特征和標(biāo)簽，分別命名為xtrain、ytrain、xtest、ytest，將訓(xùn)練集的輸入特征和標(biāo)簽以元組形式加入到新列表中，再以batch_size分割，形成train_loader和test_loader。
14、優(yōu)選的，s4中，loss值使用 mse進(jìn)行計(jì)算，公式如下：
15、；
16、其中，代表數(shù)據(jù)樣本量，?表示標(biāo)簽值，表示模型預(yù)測(cè)值。
17、優(yōu)選的，s4中，在transformer中新增添多頭自適應(yīng)注意力權(quán)重機(jī)制amwm，通過差異化的注意力頭活躍程度改變其對(duì)應(yīng)權(quán)重，以此來替換原始注意力矩陣只使用相同權(quán)重分配的機(jī)制，將transformer結(jié)構(gòu)中只包含全連接層的前饋網(wǎng)絡(luò)替換為lstm層。
18、優(yōu)選的，s4中，自適應(yīng)注意力權(quán)重機(jī)制amwm，是基于注意力本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
1.一種海上落水人員漂流軌跡預(yù)測(cè)方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種海上落水人員漂流軌跡預(yù)測(cè)方法，其特征在于，S1中，海上落水人員相關(guān)數(shù)據(jù)包含某仿真假人在近海海域的漂流軌跡信息數(shù)據(jù)，包括假人id編號(hào)、日期、具體時(shí)間、經(jīng)度、緯度、海風(fēng)和海流的分解速度信息，提取除id編號(hào)、日期和具體時(shí)間外的數(shù)據(jù)作為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種海上落水人員漂流軌跡預(yù)測(cè)方法，其特征在于，S2中，使用最大值-最小值歸一化法對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，公式如下所示：
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種海上落水人員漂流軌跡預(yù)測(cè)方法，其特征在于，S3具體過程為：
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種海上落水人員漂流軌跡預(yù)測(cè)方法，其特征在于，S4中，loss值使用MSE進(jìn)行計(jì)算，公式如下：
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種海上落水人員漂流軌跡預(yù)測(cè)方法，其特征在于，S4中，在Transformer中新增添多頭自適應(yīng)注意力權(quán)重機(jī)制AMWM，通過差異化的注意力頭活躍程度改變其對(duì)應(yīng)權(quán)重，以此來替換原始注意力矩陣只使用相同權(quán)重分配的機(jī)制，將Transf
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種海上落水人員漂流軌跡預(yù)測(cè)方法，其特征在于，S4中，自適應(yīng)注意力權(quán)重機(jī)制AMWM，是基于注意力矩陣獲取之后進(jìn)行的，在原始Transformer的注意力矩陣獲取部分，輸入數(shù)據(jù)是一個(gè)時(shí)序數(shù)據(jù)序列即過去一段時(shí)間的漂流軌跡位置數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)堆疊而成的數(shù)據(jù)：
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種海上落水人員漂流軌跡預(yù)測(cè)方法，其特征在于，S4中，使用方差、標(biāo)準(zhǔn)差和均方差獲取注意力矩陣中的屬性數(shù)據(jù)，對(duì)不同的屬性進(jìn)行相加再求標(biāo)準(zhǔn)差獲取到總體數(shù)據(jù)的離散程度，最后，對(duì)屬性數(shù)據(jù)做一次均值操作，得到全面評(píng)估注意力頭活躍程度的具體指標(biāo)，具體公式如下：
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種海上落水人員漂流軌跡預(yù)測(cè)方法，其特征在于，S4中，LSTM層中的LSTM神經(jīng)元用于添加、維護(hù)或刪除通過反饋回路傳輸?shù)男畔?，門由一個(gè)sigmoid神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)層組成，根據(jù)輸入的值選擇讓部分信息通過，這個(gè)sigmoid層輸出一個(gè)介于0和1之間的值，以指示允許通過多少信息，根據(jù)新的輸入和先前的迭代值控制保留多少信息，具體公式如下：
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的一種海上落水人員漂流軌跡預(yù)測(cè)方法，其特征在于，S5中，將經(jīng)緯度上的差距單位從度轉(zhuǎn)化為公里，隨后通過如下所示的ADE_custom和FDE_custom公式進(jìn)行評(píng)價(jià)：
...【技術(shù)特征摘要】
1.一種海上落水人員漂流軌跡預(yù)測(cè)方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種海上落水人員漂流軌跡預(yù)測(cè)方法，其特征在于，s1中，海上落水人員相關(guān)數(shù)據(jù)包含某仿真假人在近海海域的漂流軌跡信息數(shù)據(jù)，包括假人id編號(hào)、日期、具體時(shí)間、經(jīng)度、緯度、海風(fēng)和海流的分解速度信息，提取除id編號(hào)、日期和具體時(shí)間外的數(shù)據(jù)作為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種海上落水人員漂流軌跡預(yù)測(cè)方法，其特征在于，s2中，使用最大值-最小值歸一化法對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，公式如下所示：
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種海上落水人員漂流軌跡預(yù)測(cè)方法，其特征在于，s3具體過程為：
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種海上落水人員漂流軌跡預(yù)測(cè)方法，其特征在于，s4中，loss值使用mse進(jìn)行計(jì)算，公式如下：
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種海上落水人員漂流軌跡預(yù)測(cè)方法，其特征在于，s4中，在transformer中新增添多頭自適應(yīng)注意力權(quán)重機(jī)制amwm，通過差異化的注意力頭活躍程度改變其對(duì)應(yīng)權(quán)重，以此來替換原始注意力矩陣只使用相同權(quán)重分配的機(jī)制，將transformer結(jié)構(gòu)中只包含全連接層的前饋網(wǎng)絡(luò)替換為lstm層。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種海上...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：董帝渤，朱嘉琪，童治豪，游子誠(chéng)，李哲，王洪祥，姚玉鵬，田朋振，李月朋，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：福建理工大學(xué)，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：
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