测量平均速度范文1
“实验：测平均速度”教学目标
知识目标和能力目标
1．会使用表、刻度尺测量平均速度．
2．正确观察和测量平均速度．
情感目标
1．通过实验养成认真细致的行为习惯和实事求是的精神．
2．通过实验养成和其他同学合作的意识．
教学建议
"实验：测平均速度"教材分析
教材设计实验来巩固平均速度的知识，练习用钟表测时间，用刻度尺测长度，选用的器材简单，木块、斜面和小车，在斜面的中间放上铁片，用来划分两段路程，在小车或小球撞击到铁片上时能记录时间，两段时间之和就是小车在斜面上的总路程所通过的时间．
教材要求学生计算前半程、后半程、总程的平均速度，应当严格按照平均速度的计算公式计算，在计算中复习物理计算的步骤．
"实验：测平均速度"教法建议
用实验法教学，观察实验仪器，看各部分的在实验中的作用，并分析实验的过程中需要测量的物理量和如何测量该物理量，实验表格中的数据对应着哪步的测量结果．
要分小组做实验，增强学生的合作意识和合作能力，小组可以有发令成员，负责使小组各位预备完善后统一进行实验．有手持小车预备实验的成员，当听到发令后进行实验，有记录成员，当小车到达铁片时，听到撞击声就记录钟表所用的时间，并记录在表格中，三个成员共同完成本实验．
还可以在条件较好的学校、学生中使用其他的方法，例如可以让学生自行设计实验的过程，只要能完成测量平均速度的目的就可以采用．充分发挥学生的创造能力．
教学设计示例
“实验：测平均速度”教学设计示例
【教学单元分析】
实验要求学生会用钟表和刻度尺正确测量时间、距离，并求出平均速度，同时加深对平均速度的理解，对于实验器材可以自行选择．
将数据填入表格中，计算三个阶段的平均速度，假如用停表计时，可以用教材中的表格，假如用钟表计时，应当将运动时间改为三个栏目“计时开始、计时结束、运动时间”，再分别计算出运动时间．
对于时间的测量，应当进行适当的练习，经过几次实验，时间就会测得准确些．
【教学过程分析】
一．实验指导
小车的坡度要很小，小车在斜面的运动时间就会较长，测量时间增长，最后结果的误差就会减小．金属片放在斜面的中间，测量出斜面的总长，则前半程、后半程和全程的距离都可以得到．
二．表格设计
提供一个表格供参考
路程
运动时间
平均速度
计时开始
计时结束
运动时间
s1＝
t11＝
t12＝
t13＝
v1＝
s2＝
t21＝
t22＝
t23＝
v2＝
s＝
t＝
v＝
三．实验过程辅导
测量平均速度的原理、实验器材可以让学生说明，指出长度、时间的测量可以用测量工具直接测量，而速度测量需要测量长度和时间再根据速度公式计算，所以实验原理是速度的公式，由公式也可以看出实验器材是钟表和刻度尺．
平均速度测量，实验难点是计时结束以听到撞击声为准，即听到声音的同时记录结束时刻，注重学生区分时刻和时间的概念，时刻是结束或开始时刻在时间轴上的位置，而运动时间是这两个时刻之间的在时间轴上的长度，所以表格中的t13＝t12－t11，t23＝t22－t21．
平均速度的计算，注重物理量的对应，．而决定不能认为，可以让学生分析两个问题以加深理解：
1．某运动过程中，行驶的路程前半程的速度是10m/s，后半程是20m/s，计算全程的平均速度．
2．某运动过程中，前半段时间行驶的速度是10m/s，后半段时间行驶的速度20m/s，计算全程的平均速度．
对于问题1，全程的平均速度是：
对于问题2：全程的平均速度是：
【板书设计】
探究活动
【课题】
调查在交通规章制度中，对速度的限定
【组织形式】
学生小组
【教师辅导参考方案】
1．我国不同的公路、铁路（两者都分不同的级别）中对速度的要求．
2．对于同一种路面，各个国家的规定是否相同，分析其特点．
3．其他相关的问题，例如某路面超速的处罚是什么．
【评价】
1．从网上学习的小组，列出学习过程．
测量平均速度范文2
关键词:走航式ADCP；比测；误差分析；流量测验
中图分类号：P331文献标识码： A 文章编号：
ADCP是声学多普勒流速剖面仪的简称，在20世纪80年代由美国发明，后经不断完善与发展，已是一种先进的高科技流量测验设备。该设备具有操作方便、采集数据量大、快速高效、稳定可靠等优点，现已成为我国水文测验的常用仪器之一。ADCP按测流方式可以分为走航式ADCP和水平式ADCP两种类型，为了加快推进ADCP的推广应用，本文就结合实例，探讨了走航式ADCP在水文站中的应用。
1 水文站基本概况
1.1 测验河段
某水文站位于北江流域内，流量测验河段3000m呈直线，河段右岸是丘陵地带，左岸边坡平缓，总体上两岸地质条件简单。
1.2 水文断面
该水文站测验水面宽度在630m和780m不等，年水位变幅为16.6m。河床左段平缓，右岸陡峭系基岩。断面图见图1。
图1 水文站水文断面图
2 比测仪器设备
2.1 硬件设备配置
(1)LS25-3A型流速仪，经检测中心检定和本站试验前比测准用。
(2)HY1600测深仪，经检测中心鉴定合格，每次水深测量前均施测水温，并进行声速校正和水深比测。
(3)走航式ADCP，采用美国RDI公司骏马系列(WHM-300-I-UG83914)产品，安装在水文127轮测船左测，仪器探头入水深0.70m。仪器安装牢固、纵轴垂直、呈自然悬垂状态，仪器探头上的方向标识箭头与船体纵轴线基本平行。
(4)星站SF_2050GPS，具有实时差分功能，通过当地三参数改正，满足精度要求。GPS天线安装在ADCP探头上方。
(5)型号为THALES3011的GPS罗经，测前进行了自动校正。
2.2 软件设备
ADCP比测中WinRiver软件记录坐标、范围、流速流向、回声强度、方向、姿态、水温、好信号数百分比；保证测船航速＜2.5m/s；GPS动态定位精度优于±0.75m；GPS数据更新率0.5s。
3 比测内容和方法
3.1 流量比测
ADCP横渡法与流速仪法比测试验，按照“走航式声学多普勒流速剖面仪河流流量测验技术指南”和SL337-20O6(
3.2定点水深比测
ADCP按定点H≤ 10m、H > 10m 水深级施测, 以测深仪水深值为标准, 与常规测法作比较分析。共获得实测水深资料93份, 其中H≤10m水深级资料25份,H>10m水深级资料68份。
3.3 垂线定点流速比测
在流速仪断面上, 测速垂线位置锚定测船同步施测流速作比较, 常规流速法采用两点法, 时间历时不少于100s, 而ADCP在常规流速仪施测开始和结束时各采集1次数据(一般每次采1～ 3组数据), 取2次平均值作比较。共获得定点流速资料90 份, 其中0.00～ 1.00m /s(包括1100m /s)流速级资料32份, 1.00～ 2.00m/s(包括2.00m/s)流速级资料43份, 2.00m / s流速级资料15份。为了确定ADCP测速精度, 一共收集了90个样本。根据ADCP软件采用指示方程来模拟测速垂线的流速分布, 计算分析成果如表1所示。
表1 垂线定点流速比测精度统计(二点法) (修正前)
从上表可知, ADCP实测精度较高。再根据已定修正方法对实测流速成果进行修正, 计算分析成果如表2所示。
表2 垂线定点流速比测精度统计(二点法) (修正后)
经过修正, 实测流速测验精度有较大的提高, 表明使用改正系数法对ADCP实测流速进行修正有较好的效果。
3.4 河床床面泥沙运动试验
河床床面泥沙运动试验，位置选用水文站测流断面垂线起点距310、550、700m。在进行流速仪测验时同时记录ADCP测量数据，每条垂线单独记录一个文件。在比较定点流速的同时计算船只的速度和方向来判断河床床面泥沙运动。
4 误差分析
4.1 流量比测分析
共比测了54次，水位变化范围为40.16～51.56m，流量比测范围在6070～40900m3/s。以流速仪法施测流量为真值，将ADCP横渡法流量与其比较。经统计分析结果如下：
ADCP在底跟踪方式下流量与实测流量比较系统偏差为-1.61％，相对标准差为2.11％，95％置信水平的总随机不确定度为4.22％；
ADCP在GGA跟踪方式下流量与实测流量比较系统偏差为-1.51％，相对标准差为1.79％，95％置信水平的总随机不确定度为3.76％；
ADCP在底跟踪方式下流量与相应流量比较系统偏差为-1.77％，相对标准差为2.40％，95％置信水平的总随机不确定度为4.80％；
ADCP在GGA跟踪方式下流量与相应流量比较系统偏差为-1.68％，相对标准差为2.21％；95％置信水平的总随机不确定度为4.64％。
4.2 定点流速比测
共进行了6次ADCP定点垂线流速比测。用ADCP施测数据，通过概化垂线流速分布，计算各条垂线的水深、2点法流速流向，并与同步测深仪施测水深和流速仪施测流速进行比较。比测结果表明，各垂线定点比测水深相差不大。定点比测流速中，测点流速的相对误差最大为-17.2％，最小为0。各垂线平均流速相对误差分别为-1.15％、-1.71％、-0.22％、0.49％、-1.88％、-3.22％、-0.73％、-2.22％、-3.76％、-4.52％，与ADCP横渡法概化垂线分析的结果一致。
4.3 岸边流速系数及岸边流量比测分析
岸边流量估算通常采用岸边区域平均流速乘以部分面积而得。岸边区域平均流速按下式计算：
式中:Vm为起点微断面(近似垂线)或终点微断面内的深度平均流速；α为岸边流速系数。
该水文站采用流速仪法测流时，左右岸边流速系数a均采用0.70。与流速仪测验的岸边部分流量比较可知， ADCP左岸边系数选0.35，右岸因断面陡峭岸边系数选用0.5。这样，ADCP左右岸插补流量和流速仪测验的左右岸部分流量一致。
4.4 河床床面泥沙运动分析
用定点垂线流速比测资料计算本断面河底平均“沙速”。用此时段内ADCP测流数据中底跟踪测出的瞬时“船速(投影为垂直断面向上的船速)”计算其垂直断面的分量作为该条垂线河底瞬时点“沙速”Vsji，该条垂线上的所有数据算术平均值，即为Vsj，
根据水文站测流断面垂线的横向分布规律，确定河底床面平均“沙速”公式为：
式中5分别为起点距Vs310、Vs550、Vs700垂线河底平均“沙速”。
用上述公式计算出当测流断面Q＜30000m3/s时，Vs≤0.013m/s；当30000m3/s＜Q＜40000m3/s时，Vs≤0.019m/s。计算结果表明，该水文站流量Q＜40000m3/s时河底平均“沙速”低于0.02m/s，由河底“沙速”引起的流量相对误差小于0.8％，说明该水文站测流断面在Q＜40000m3/s时底部走沙问题导致的流量误差可以忽略。
5 ADCP测验实施方案
5.1 测验方案
在走航式ADCP测验试验过程中，经过多种比测方案的比较和经验总结，对ADCP的测验注意事项总结如下：
（1）要求严格按照《声学多普勒流量测验规范》(SL337-2006)要求进行流量测验。
（）2安装上要求ADCP换能器应垂直安装，正向(换能器3箭头的指向)指向船头，与测船中轴线平行，换能器入水深度一般不宜小于0.5m。安装完毕后进行自检。GPS天线尽可能安装在声学多普勒流速剖面仪探头上方。GPS罗经天线安装在船顶，与ADCP换能器3箭头方向一致，定期进行率定。
（3）采用winRiver1.04(或1.06)软件进行ADCP数据采集和计算。
（4）单次施测过程中，在起点位置应调整好航向，听到出发信号后，方可开始。在起、终点位置停留时间不少于3组(次)脉冲信号。航迹应与测流断面线尽量重合。船速尽量小于或等于水流平均速度，并匀速航行。避免顺、逆向交错航行和船首的摆动。测船应尽量靠近水边，以减小两岸边盲区范围。
（5）声学多普勒流速剖面仪施测一个航次流量可以看作是过水断面的瞬时流量。为减少因水流脉动带来的影响，单次流量测验应不少于2测回(往返各2次)，流量成果为测量多个单次流量的均值。如果多个单次中的任意一次流量与平均值的相对误差大于5％，应补测并以合理的单次成果计算测次流量。
（6）要进行现场记录和质量检查。正式测验前，应将断面位置、测验日期、人员、设备文件和测验软件版本等信息数据，在现场如实记录在专用记载表上，以备检查。测验完成后，应将数据备份。
5.2 资料处理方案
按《声学多普勒流量测验规范》有关测量成果的整理要求，具体操作如下：
首先打开WinRiver(回放模式/流量标准表格)，摘录单次断面总流量、断面总面积、最大流速、最大水深。其次将多个单次总流量，取平均值，作为该测次的断面流量成果；将多个单次总面积，取平均值，作为该测次的断面面积成果；在多个单次最大流速中挑选最大值作为该测次的最大流速成果；在多个单次最大水深中挑选最大值作为该测次的最大水深成果。其它水文特征计算方法是：水面宽为左水边和右水边之差；断面平均流速等于断面流量除以断面面积；断面平均水深等于断面面积除以水面宽。相应水位为整个测次开始水位与终了水位的平均值。
6 结束语
总之，走航式ADCP具有高效、稳定可靠等优点，在水文测验中得到广泛地应用。实际施测结果表明，走航式ADCP在流况简单、含沙量较小、河床稳定的流量测验中是可行的。但在含沙量大、河底推移质运动明显的河流使用是否可行，以及如何减小误差还有待探讨。
参考文献
[1] 马东,高强.走航式ADCP在水文流量测验中的应用[J].科技创新导报.2010年第36期
[2] 谢波,田岳明,叶建红,吴建荣.ADCP河流流量测验及其误差分析[J].水资源研究.2007年第04期
测量平均速度范文3
关键词：ADCP；流量测验；测深；测速；比测试验
1 ADCP基本原理及流量计算
1．1 基本原理
ADCP实际上应是一个包括：（1）ADCP换能器（4个探头）；（2）操作软件系统；（3）计算机及连接设备等3个主要部分组成。利用声学原理，ADCP向水体发射一个（一对或一组）声脉冲，这些声脉冲碰到水体中悬浮的且随水体运动的微粒后产生反射波，并记录发射波与反射波之间的频率改变，这个频率改变即称多普勒频移，可据此计算出水流相对于ADCP的速度。同时，还向河底发射底跟踪声脉冲，测出ADCP安装平台（测船）的运动速度以及水深，然后将水流相对速度扣除船速得到水流的绝对速度。
按多普勒频移方程：
Fd＝2 F V／C（1）
式中：Fd——多普勒频移；
F——发射频率；
C——超声波在水体中的传播速度，与温度、含盐度有关；
V——水流的运动速度。
从公式可知，发射频率F为已知，只要测定声速C和频移Fd，即可求出水流速度。
DR0300型ADCP主要技术指数如下：
工作频率：307．2 kHz；
换能器发射角：20°；
测速范围：±0．01～±10 m／s（水平方向）；
速度分辨率：0．25 cm／s；
测深范围：8．0～130 m。
1．2 流量计算
ADCP基于如下的公式计算流量：
QADCP=suξds（3）
式中：QADCP——流量；
S——河流某断面部分面积；
u——河流断面某点处流速矢量；
ξ——作业船航迹上的单位法线矢量；
ds——河流断面上面积微元，由下式确定：
ds=|Vb|dzdt（4）
式中：dz——垂向长度微元，z自河底起算；
dt——时间微元；
Vb——船速矢量；
｜Vb｜——作业船速度（沿航迹）。
将沿航迹的断面离散为m个微小断面，则公式（3）可以写为：
QADCP=∫T0∫H0udzξ|Vb|dt=∫Ta∫H0cu×Vbkdzdt=∑mi=1［（V×Vb）k］HiΔt（5）
式中：T——航行时间（跨断面）；
Hi——在i测量微小断面处的水深；
m——断面内总的微小断面数目；
Δt——相应于测量微小断面的平均时间；
k——垂向单位矢量；
V——相应于测量微小断面的垂线平均流速矢量。
V=1H∫H0udz（6）
因存在上、下盲区，垂线平均流速的计算分为中层、表层和底层3部分。
1．2．1 中层流速
中层平均流速由系统直接测出，其值为第一个垂向单元至靠近河底单元（未受到河底干扰）所有单元所测流速之平均：
VXM=1n∑ni=1Uxj(7)
式中：Uxj——单元j中所测的x向流速分量；
n——微断面中有效单元的数目。
1．2．2 表层流速
由于ADCP换能器必须浸入水中一定深度，系统不能直接测出这部分水流速，形成表层盲区，一般采用指数流速分布公式来推求：
UU=9.5×ZZ0b（8）
式中：U——高度Z处的流速；
U——河底剪切流速；
Z0——河底粗糙高度；
b——经验常数，通常取16。
公式（8）整理后，令ax=9.5U/Zb0，则对x向量流速分量：
Ux=axZb（9）
设Z1为河底至靠近河底单元（未受河底干扰）的高度，Z2为河底至第一个单元的高度，垂向单元长度为Dc，则在中层进行积分可得到中层平均流速：
1．2．3 底层流速
由于河底对声束的干扰，在河底存在一干扰区（底盲区），其流速数据不能使用。类似于表层流速的推导过程，底层平均流速的计算公式为：
VXB=DCZ(b+1)1Z1(Zb+12-Zb+11∑nj=1Uxj
则x方向分量垂线平均流速计算公式为：
Vx=1H∫H0Uxdz=1H［∫Z10Uxdz+∫Z20Uxdz+∫HZ2Uxdz］=1HZ1VXB+(Z2-Z1)VXM+(H-Z2)VXT=HbDC(Zb+12-Zb+11)∑nj=1Uxj
同理，y方向各分量与上述各式类似。
1．3 岸边流量估算
由于作业船不可能紧靠岸边测验，ADCP不能测出近岸边的流速和流量。可以利用比例内插法来确定岸边流量。根据流量测验规范，岸边流量可由下式估算：
QNB=aLHm2Vm(11)
式中：α——岸边系数，一般取0．707；
L——岸边至测量起点（或终点）微小断面的距离；
Hm——起点（或终点）微小断面处的水深；
Vm——起点（或终点）微小断面内的垂线平均流速。
显然，河流某断面流量等于ADCP流量QADCP与岸边估算流量QNB之和。
2 比测试验
本次比测试验设在岗南水文站电厂洞出口下游300米处，ADCP设备按技术要求安装在三体船上，人工拉动测船运行。
2．1 主要参数
ADCP比测主要参数设置深度单元厚度：20cm；深度单元个数：15～25；水体发射脉冲次数：5；底跟踪发射脉冲次数：4；水体含盐度：0．0 ppt；水体测量模式：wm1。
2．2 流量比测
ADCP测船分别以测流断面的左岸、右岸为起始标志、结束标志，测船尽可能沿着测流断面线匀速横渡施测。ADCP测船以两个往返，来回测验4次为一个测程，取4次流量平均值与电厂流速计作比较。
2．3 水深比测
因为断面比较平整光滑，基本无淤泥，所以将ADCP测得水深与断面水尺读数相比较。
3 资料整理分析
3．1 水深资料
共收集105个样本进行统计计算，分析成果见表1。由表1可知，误差值是有规律的，均为负值，说明ADCP实测水深系统偏小。为了消除误差，我们将不同等级水深的绝对误差平均值作为改正参数，来修正流量测验中各条垂线水深，修正后比测成果见表2。
3．2 流量资料
本次比测共收集了45个样本，并计算测量成果。从表3来看，ADCP实测流量与电厂流速计相比，有较大误差，通过利用水深、流速改正参数对ADCP实测资料进行后处理，流量比测精度有大幅度提高，无系统偏差，相对误差≤±10％累积频率达95％以上。
测量平均速度范文4
【关键词】山区河流；流量；测量方法
1流量测量目的
流量是河流的重要水文特征，是反映水资源的基本资料，也是小水电站可行性研究的必要的资料。山区小河流一般坡降较大，具有修建水电站得天独厚的条件，但多数河流无水文实测资料。对山区河流流量进行测量的目的是：通过测量获得河流第一手的水资源资料，为准确测算出河流梯级电站多年平均发电量提供依据；在工程运用期间，通过流量测量资料的积累，复核和修正原初步设计的水文数据，改进调度方案或对工程进行必要的改造。流量测量数据是水电站装机容量大小、投资成败的关键，对投资建设水电站具有重要意义。
2流量测量方法
2.1流量测量方法的选择
河流某断面的流量Q值等于过水断面面积w乘以断面平均流速v，流量测量包括断面测量、流速测量及流量计算三个部分。
河流流量测量方法根据山区河流特点及现场条件，选用面积～流速法，即在测流断面的若干垂线上，用流速仪施测流速，然后计算流量。
2.2仪器的选择及其技术特点、工作原理
2.2.1仪器的选择及技术特点
根据河水流速、宽度、深度等特征，选择南京水利水文自动化研究所防汛设备厂生产的LS1206B型旋桨式流速仪。该流速仪技术特点：
测速范围：0.06～8m/s
测流误差：≤1.5%
测量方式：测杆定位测量（也可缆绳悬挂定位测量）
工作水体环境：水温0℃～40℃，水深0.1m～30m
储存环境：温度-25℃～55℃，湿度≤90%
电源：DC8.4V充电电池，充满后可连续工作40小时以上
显示屏：4×16位液晶显示
LS1206B型旋桨式流速仪结构简易、轻巧方便、功能齐全、自动化程度高、稳定可靠，是国内目前新型的便携式流速测量仪器，适用于江河、水电站、闸坝和渠道流速测量。它主要由LS1206B型旋桨式流速传感器、LS1206B型流速测算仪、0.4m×4Φ16测杆组成。
2.2.2仪器的工作原理
LS1206B型旋桨式流速仪依据面积流速法原理设计，测出流速即可得出流量。测流速时，由水力推动旋桨式转子流速仪旋转，内置信号装置产生转数信号，由下面公式计算流速：
2.3流量测量方法
2.3.1断面选择及测量方法
对于还没有修建首部枢纽的水电站，流速仪测流断面选择在其下游河段水流稳定处，没有横比降之处，河流底部为不透水岩层，河流中间没有不规则的大石头，部分小石头采用人工清除。在该断面上同时设基本水尺，基本水尺断面与流速仪测流断面重合。
对于已经修建首部枢纽的水电站，断面宜设置在冲沙闸或溢流坝顶，冲沙闸断面测量方法是用测杆测出水深，钢卷尺测出冲沙闸宽度即可；没有修建首部枢纽的河流断面测量的方法是：在拟修建水电站的坝址处，在测流断面上根据河宽和断面的转折变化情况，布设一定数量的测深垂线，测得每条测深垂线与岸上起点桩间的水平距离，用水准仪测得每条测深垂线处的河底相对高程，绘制出测流断面的断面图。水浅时用测杆直接量出水深。
2.3.2流速测量
在测流断面上选择若干条垂线作为测速垂线，并在每条测速垂线上选定若干个测点，测点分布见表1。测速垂线的数目，视水面宽度、水深和测量精度而定，本次采用精测法，水面宽度小于5m时，选择5条测速垂线，5m时选择6条测速垂线，大于5m时选择10条测速垂线。测速垂线的位置以能控制断面形状和流速横向分布为原则进行布设。
测速垂线上的测点确定后，将旋桨仪按照水深固定在测杆上（测杆上有刻度标记），用手按流速测算仪显示屏上启停键进行测量与停止，待读完数字后，按一次启停键，即可进行下一次测量。
2.3.3流量计算
断面测量和测点流速数据求得之后，由测点流速推求垂线平均流速，再推求部分断面面积上的部分平均流速，把各部分平均流速与相应部分面积相乘即得部分流量，各部分流量之和即为测流断面流量。具体算法如下：
1、垂线平均流速
2、岸边及中间部分的平均流速
距岸边最近的垂线平均流速要乘以岸边系数，斜坡岸边为0.67～0.75，陡岸为0.8～0.9，死水边为0.5～0.67。
4、流量计算
部分流量等于部分断面面积和此部分的面积的平均流速的乘积。全部部分流量之和即为测流断面的流量。
3注意事项
3.1流速仪的使用应严格按照《河流流量测验规范》GB50179-93及其它相关水文测验规范的有关规定执行；
3.2流速仪入水使用前，应进行简单测试，对准旋桨仪迎水面轻缓而均匀地吹气，旋桨应能轻松起转，无卡顿现象；用手快速拨转旋桨，应无急停现象；
3.3检查参数设置是否和说明书一致；
测量平均速度范文5
【关键词】风速预测；SVM回归；误差百分比；平均百分比误差；平均绝对误差
1.引言
风电场机组一直受无规律的变向、变负荷的风力作用，这会使发电机的发电量波动很大，对电网造成较大的威胁，因此对风电场风速预测的理论和实际的研究具有重要意义。支持向量机（SVM）在国外已经应用在话者识别[1]、生物医学[2]、噪音处理[3]等方面，在国内虽然也在模式识别、机械故障诊断、电力预测方面有应用，但是在风电场风速预测上应用较少[4]。风速受气压、温度、纬度、海拔等的影响，风速的随机性很强，本文利用SVM预测风速，百分比误差精度在5%以内，可以为风电场风速预测提供较好的参考。
2.支持向量机回归原理
1963年，Vapnik提出一种非常有潜力的分类方法支持向量机（Support Vector Machine，SVM），它是一种基于统计学习理论的模式识别方法[5]。SVM以训练误差作为优化问题的约束条件，以置信范围值最小化作为优化目标，成功的解决了小样本、非线性及高维模式识别问题，并能够推广应用到函数拟合等其他机器学习问题中。
支持向量机回归的主要思想是通过一个非线性映射Φ，将数据x映射到高位特征空间F，并在这个空间进行线性回归[6]。
本文在风速预测中采用的核函数为径向基RBF核函数（高斯核函数）。
3.SVM参数选择和优化
由于选择的是RBF核函数，所以在核函数参数的选择上有惩罚项常数C和RBF的参数g。目前参数寻优方法有网格寻优，GA寻优，PSO寻优等，其中最简单最有效的方法是网格寻优。但是上述几种方法都是基于知道测试集标签的情况下进行参数优化的，本文是在假定不知道测试集标签的情况下，运用交叉验证（Cross Validation）的方法找到最佳的C和g。
C和g的值是在以2为底的[-8，8]上取值，即C和g的值是在[2-8，28]取值，取最终测试集数据和预测集数据误差最小的C和g。
4.实验与分析
本文选取我国某风电厂的风速数据，风速数据为一天中风速的平均值。本文选取某年当中连续300天的风速数据作为样本，前290个作为训练集，后10个作为预测集。实验程序是在MATLAB 7.11（R2010b）平台上完成，通过对比实测值和预测值来判断预测的精度。本文风速预测的步骤如图1所示。
对实验数据预处理，即用MATLAB自带的mapmaxmin归一化到[-1，1]，构成训练集，然后参数寻优选择合理的核函数，建立预测模型，最后进行真实数据和预测数据的误差分析。支持向量机预测模型效果一般用误差百分比（APE）、平均百分比误差（MAPE）和平均绝对误差（MAE）来评价[7-8]，APE、MAPE和MAE的表达式如下：
风速预测值与实际值的对比如图3。实线代表实际风速，虚线代表预测风速。由图可以看出预测效果还是不错的。图4为风速实际值与预测值之间的误差图。
根据实际风速和预测风速值得到表1。
由表1可见，风速实际值与预测值的比较，平均百分比误差（MAPE）为1.705%，平均绝对误差（MAE）为0.1705，误差百分比误差最大的不超过5%，预测效果可以达到预测精度，验证了SVM理论在风速预测中的可行性。
5.结语
本文结合风场部分风速资料，利用SVM建立风速预测模型，核函数取RBF核函数是为了建模方便，惩罚因子C，gamma因子g，e-SVR中损失函数p的选取是利用libsvm工具箱中SVMcgForRegress求得，模型中数据的平均百分比误差（MAPE）为1.705%，平均绝对误差（MAE）为0.1705，较为理想，可以为风电场的风速预测提供较有价值的参考。
参考文献
[1]Campbell，W.M.A SVM/HMM system for speaker recognition[J].IEEE international Conference on Acoustics，Speech and Signal Processing-Proceedings，2003：209-212.
[2]Rémi Cuingnet，Charlotte Rosso，Marie Chupin，Stéphane Lehéricy，etc.Spatial regularization of SVM for the detection of diffusion alterations associated with stroke outcome[J].Medical Image Analysis，2004，5（15）：729-737.
[3]R Kumar，A Kulkarni，V.K Jayaraman，B.D Kulkarni.Symbolization assisted SVM classifier for noisy data[J].Pattern Recognition Letters，2004，4（25）：495-504.
[4]杜颖，卢继平，李青，邓颖玲.基于最小二乘支持向量机的风电场短期风速预测[J].电网技术，2008，32（15）：62-66.
[5]Corinna Cortes，V.VAPNIK.Support-Vector Network[J].Machine Learning，1995，20（3）.
[6]韩立群.人工神经网络理论、设计及应用（第二版）[M].北京：化学工业出版社，2007.
[7]张华，曾杰.基于支持向量机的风速预测模型研究[J].太阳能学报，2010，31（7）：928-932.
[8]彭怀午，杨晓峰，刘方锐.基于SVM方法的风电场短期风速预测[J].电网与清洁能源，2009，25（7）：48-52.
测量平均速度范文6
关键词：皮艇；运动学；动力学；竞技能力
中图分类号：G861.43文献标识码：A文章编号：1007-3612(2007)08-1122-04
1实船测试系统
实船测试系统的核心是多功能中央处理器，完成船体三轴加速度测量、多维桨力信号采集、多种信号的测量时序同步、信号本地存储、USB数据通信等功能，采用密封防水处理，便于船载安装。测试系统总重量小于0.6 kg，结构紧凑，对运动员的训练感觉影响很小。其硬件结构如图1所示。
1.1桨力传感器常见的工业传感器，要求应变计紧密粘贴在弹性材料表面。专业的皮艇桨杆采用高强度碳纤维制成，在桨力作用下会产生应变，因此桨杆可以看作工业传感器中的弹性材料。遗憾的是，不论从技术角度，还是从实际操作可行性角度，都不可能在每个桨杆表面贴上应变计。因此我们采用传动机构，将桨杆的应变传递至另外一个弹性材料（应变梁）。在应变梁上贴电阻应变计检测梁的应变，从而获得对桨力的间接测量。桨力传感器实物照片如图2所示。
这种偏置型桨力传感器不需要破坏桨体结构，可快速安装到桨杆上，实现了在多个桨杆之间的轮换使用。整个传感器重量低于80 g，结构紧凑，对运动员正常训练的感觉影响很小。目前，国家皮艇队的实船测试系统均装备了偏置型传感器，经过长期实船测试，其测力原理的有效性和可靠性得到了验证。
1.2艇速测量在测试系统中，加速度传感器除了反映船体加速度信息外，更为重要的是需要利用加速度的时域积分，获得船体速度。
目前皮艇速度的测量主要可分为接触式和非接触式两种，其中接触式测速装置检测船体相对于水流的速度，由于传感器只能置于船体的某一个部位，因此实际上测定的是流速场某点的流速，所以传感器在水中的深度、离艇的距离和安装在艇上的位置都影响速度的测量精度。非接触式测速装置多采用GPS（Global positioning system）或者高速摄影方法。高精度差分GPS定位误差可控制在10 cm以内，但是其数据刷新频率较低，只能反映一段时间内的宏观速度，无法测量每一时刻的实时速度。高速摄影方法受摄像机视野的限制，只能测量出很短距离艇的运动速度，而且需要大量的事后处理工作［8］。
利用加速度信号的时域积分计算速度是一个非常直观的思路，可避免上述接触式、非接触式速度测量存在的问题。但传统的加速度测量中，动态加速度信号和重力加速度信号交叉干扰，容易产生较大的测量误差。针对这一问题，我们利用磁倾角输出作为补偿数据源，取得了理想的测量精度，并在实际测量应用中得到成功验证。
1.3测试指标测试系统可以提供任何时刻的船体加速度、桨力信息、船体姿态信息，在此基础上，可以导出的参数主要包括：1) 动力学信息：每桨最大力量，每桨平均力量，每桨冲量，每桨做功，每桨功率，以及上述参数在任意时间或距离内的统计信息。2) 运动学信息：船速，船体加速度，位移，桨频，拉桨时间，有效拉桨时间，回桨时间，单桨位移，单桨最大最小和平均船速，以及上述参数在任意时间或距离内的统计信息。3) 船体姿态信息：船体上下颠簸、左右摇摆的速度和幅度，以及上述参数在任意时间或距离内的统计信息。
有了这些基础数据，可以从运动学和动力学角度出发，对运动员专项竞技能力进行分析和评估。
1.4分析方法反映运动员竞技能力的最直接指标是测试成绩，因此我们以船速为因变量，以测试所得的30余项动力学、运动学指标为自变量，采用多因素逐步回归分析法，初步筛选出能够有效反映运动员专项技能的主要因素。需要说明的是，限于篇幅本文没有涉及船体姿态信息。
2专项竞技能力评估方法
下面以我国某优秀女子运动员在GAⅢ强度下，单人皮艇500 m的测试数据为例，从运动学和动力学角度出发，进行竞技能力评估和分析。我们将该运动员关键的动力学、运动学信息每50 m做一次平均，显示在表1中，表2简单介绍了各参数的基本含义。
图3显示的是在GAⅢ训练强度下，500 m测试过程中随机抽取三次划桨的桨力信号对比，结合表1和图3可以得到以下结论：
1) 高水平运动员技术动作定性，桨力信号具有很好的重复性。
2) 左侧拉桨时间占左侧动作周期的比例约为65%，右侧拉桨时间占右侧动作周期的比例约为68%，上述比例不随桨频的变化而产生明显的差异，说明高桨频并未牺牲拉桨时间。
3) 右侧桨叶入水产生的瞬时力量峰值较左手小，说明右侧入水更加柔和，桨叶包水效果更好。
4) 左右侧桨力曲线前坡均很陡峭，说明桨叶推进力作用迅速；左右侧桨力曲线后坡均很陡峭，说明桨叶出水快速，无带水现象［9］。
5) 左侧桨力曲线达到顶峰后，衰减很快；相比较而言，右侧桨力曲线则平坦、饱满。
6) 总的来说，该运动员右手技术动作好于左手，这一点与教练员的判断是一致的。
2.2专项身体素质分析
图4显示的是500 m全程中，船速、桨频和左右侧平均桨力的变化趋势。结合表1和图4，可以得到下面的结论。
1) 左侧最大桨力平均为220 N，右侧最大桨力平均为212 N，说明与左侧拉桨动作有关的肌群最大力量、最大速度力量优于右侧。
2) 训练过程中，左侧最大力量衰减32.5%，右侧最大力量衰减19.6%；左侧平均力量衰减37.4%，右侧平均力量衰减19.1%。说明与右侧拉桨动作有关的肌群速度耐力优于左侧。
3) 在国家女子皮艇队中，该运动员左侧拉桨最大力量居第3位，右侧拉桨最大力量居第4位，左侧拉桨平均力量居第2位，右侧拉桨平均力量居第6位。
4) 该运动员左侧拉桨动作相关肌群的速度耐力是相对薄弱环节，在日常训练中应加以重视。
2.3竞速结构分析
图5显示的是500 m全程速度图，其中蓝色线条反映了船速的动态变化过程，结合图4、图5和表1可以得到以下结论：
1) 起航后，经过5.9 s时间、17.3 m距离，一个动作周期的平均船速即达到全程平均船速；起航阶段共计9桨，起航平均桨频为99.3。说明该运动员的起航是成功的。
2) 21 m处，桨频达到最高峰120；此后桨频呈马鞍型分布，21～150 m区间内桨频逐步下降，150～380 m区间内桨频保持在112左右，380～500 m区间内桨频上升至114左右。根据张沪等人的研究，国际大赛中优秀运动员绝大多数采用这种桨频结构［10］。
3) 起航后，经过10.5 s时间、38 m的距离，船速达到高峰；船速高峰稳定维持至35.6 s、160 m；自此以后，船速稳步下降。
4) 该运动员在后120 m提高了桨频进行冲刺，但是由于桨力的稳步衰减，尤其是左侧桨力衰减严重，导致冲刺阶段速度无法得到提升，反而呈现稳步下降的趋势。
2.4动力保护问题流畅一直是水上运动所追求的目标，所谓不流畅，指运动员完成划船动作时，表现为划得紧、动作僵、不连贯，给人感觉好像总是断断续续，流畅性不够，实效性差［2］。这是基于多年现场工作经验的一种很通俗的描述形式，从另外一个角度看，不流畅也就是每一个划桨周期中，船速的波动大，给人的视觉造成了一种断断续续的感觉。
单桨周期内船速差（最高船速-最低船速）是衡量一个运动员动力保护能力的重要指标，用VDF表示。可以想象，船体的平均船速也会影响该指标，平均船速越高，则VDF相应越大。因此更为合理的指标应该是VDF/V_B，其中V_B表示平均船速。
在研究VDF和VDF/V_B的时候，需要排除起航阶段，因为这时候船体自静止开始加速，每一桨速度差不能反映真实的动力保护水平。
通过比较，该运动员的VDF数值在国家女子皮艇队中处于倒数第三位，VDF/V_B数值处于倒数第一位，这说明该运动员动力保护做得好。
2.5桨力效率评估水流对桨叶的作用力（桨力）大部分成为推进船体的动力，少部分则用于维持船体的平衡。因此，我们定义桨力效率为：运动员桨力有多大程度转化为对船体的有效推力。
基于上述分析，可以提出一种基于能量守恒定律的桨力效率评估方法，考察自至时间段内，人船桨系统在阻力和桨力共同作用下的能量转换情况：
划船效果将动力学信息（桨力）和运动学信息（船速）直接联系起来，不仅表达了运动员技术动作的完善程度，也表征了某个运动员是否适合皮艇项目。换句话说，体重大、力量大的运动员成绩往往并不优于体重轻、力量弱的运动员。
3结论
皮艇项目对于力量和技术都有很高的要求，结合实船运动学动力学信息，对运动员竞技能力进行综合分析评估，可发现运动员的薄弱环节，对于教练员制定科学训练计划具有重要意义。本文从桨力信号特征分析、专项身体素质分析、竞速结构分析、动力保护问题、桨力效率评估、划船效果评估等几个方面，介绍了皮艇竞技能力评估的基本思路和方法。所论述的技术指标和评估方法，对于划艇项目和赛艇项目也具有参考价值。
在将来的工作中，拟综合采用多种统计分析方法，对动力学、运动学和船体姿态等指标进行分析，确定各代表性指标及其权重，试图建立皮艇专项竞技能力的评价标准体系，为日常训练和运动员选材提供科学依据。
参考文献：
［1］ 王卫星.2004年中国皮划艇运动员的体能训练特点与实践［J］.山东体育学院学报，2005，21（2）：5-8.
［2］ 崔大林.皮划艇项目科学化训练的探索［J］.北京体育大学学报，2004，27（12）：1585-1591.
［3］ 刘爱杰.雅典奥运会我国皮划艇实现历史性突破的核心启迪［J］.山东体育学院学报，2005，21（2）：1-4.
［4］ 曹景伟，刘爱杰，袁守龙，等.皮划艇项目短期内实现奥运金牌零突破的系统思考［J］.天津体育学院学报，2005，20（2）：1-10.
［5］ 曹景伟.面向2008年奥运会我国优秀皮划艇（静水）运动员科学选材的理论与实证研究［D］.北京体育大学博士学位论文，2004.
［6］ 周学军，薛冰.我国皮划艇专项力量训练存在的误区和思考［J］.武汉体育学院学报，2001，35（2）：104-106.
［7］ 葛新发.赛艇水动力性能和运动员机能的评定研究［D］.武汉理工大学博士学位论文，2004.
［8］ 艾康伟，何申杰.赛艇、皮划艇GPS测速仪的研制［J］.体育科学，1999，2（2）：12-15.
［9］ 叶国雄，等.划船运动概论［M］.北京：人民体育出版社，2000：179-183.
［10］ 张沪，王亚华，曹晓霞.优秀皮划艇运动员的比赛策略研究［J］.武汉体育学院学报，2005，39（7）：74-79.
［11］ A. Dudhia. Basic Physics of Rowing..
