课题基金 / 基金详情

基于弹性周期时空预测的北极通航环境风险预测预报研究

批准号:
52101405
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
赵辉辉
学科分类:
航海与海事技术
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
赵辉辉

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
近年来随着全球气候不断变暖,北极航道船舶通航逐渐成为现实,但北极海区环境恶劣商船航行面临诸多风险,目前仍缺少对北极航道风险预测的有效方式。本课题首先分析诸多北极航行自然环境风险因素及风险评估模型,搜集数据计算北极长时间序列风险量化和分级数据集。其次,采用多种合适的时空分析方法,从多尺度周期角度评估并分析北极区域航道环境风险时空格局演化规律和趋势。再次,结合深度学习时空预测的理论方法,研究循环卷积网络记忆机制和时空注意力组合方式,捕捉空间区域内不同趋势和周期特征的各元素强度的相关性及其随时间的演变规律,建立基于深度学习的北极航道风险预测预报模型。模型可以自动学习高维时空数据中隐含的趋势和周期依赖关系,兼顾气候变化长期趋势、年度周期季节变化、以及短期变化趋势,自适应地从历史序列中抽取弹性周期和趋势特征以提高时空预测的准确性,最后结合历史数据和时空格局变化趋势分析模型有效性。
英文摘要
In recent years,with the global warming, the navigation of ships in polar channels has become a reality. However, the Arctic sea environment is poor, and there is still a lack of effective methods for the risk early warning and prediction of Arctic channels. This project first analyzes many natural environmental risk factors and risk assessment models of Arctic navigation, collects data and calculates the Arctic long-time series risk classification data set. Secondly, a variety of appropriate spatiotemporal analysis methods are used to evaluate and analyze the evolution law and trend of spatiotemporal pattern of environmental risk classification of Arctic waterway from the perspective of multi-scale cycle. Thirdly, combined with the theory and method of deep learning spatiotemporal prediction, this paper studies the memory mechanism of cyclic convolution network and spatiotemporal attention combination model, captures the correlation of each element strength of different trends and periodic characteristics in the spatial region and its evolution with time, and establishes the Arctic waterway risk prediction model based on deep learning. The model can automatically learn the implicit trend and cycle dependence in high-dimensional spatio-temporal data, take into account the long-term trend of climate change, annual cycle, seasonal change, and short-term change trend, and adaptively extract elastic cycle and trend features from historical series to improve the accuracy of spatio-temporal prediction. Finally, the historical data and spatio-temporal pattern change trend analysis model are effective.
随着全球气候不断变暖,极地航道船舶通航逐渐成为现实,但北极航线环境恶劣,目前仍缺少对北极航道风险预测的有效方式。本项目针对北极环境风险预测问题,构建了北极航行风险时空数据集:收集1978年以来北极海冰密集度、海冰厚度等历史数据,根据国际海事组织POLARIS系统所推出冰区航行风险评估方案,计算长时间序列逐日风险量化和分级空间分布数据集;探究了北极航行风险时空变化规律:采用时空分析方法和空间格局变化指标,探究发现北极航行风险呈现明显的季节性周期以及长期平均风险下降的趋势;构建风险要素时空预测模型:构建了一个轻量级的、非递归的时空预测模型——时空分解网络(STDNet)用于预测北极地区的每日海冰密集度。该模型基于季节和趋势分解,使用时空分解思想(STL)将模型分解为趋势和季节分量。设计了全局稀疏注意力模块来帮助模型提取全局信息。STDNet不仅从数据中提取具有周期性对应关系的季节信号和趋势信息,还获得了数据中的时空依赖特征,可以预测未来10天环境要素的时空变化。STDNet模型的性能指标优于现有的基于深度学习的SIC预测模型且更轻量化;构建了北极航线环境风险时空预测模型:在经典Transformer框架Video Swin Transformer作为编码器的基础上,提出了ViTs-CNN-CNN架构的深度神经网络,并在数据特征进入最后一个CNN模块前,设计了一种层级式嵌套残差结构,提高训练的稳定性和泛化性,实现了基于深度学习技术的航行环境风险分布端到端直接预测,为未来商船北极地区航行和航道动态规划提供信息支撑。成果方面,发表了5篇论文均被SCI收录,申请了两项国家专利,开发了“北极冰情预测与航道动态规划公共服务平台(ArcNavi)”示范应用系统,可为北极商船用户提供免费公共服务。
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