基于网格搜索的多站闪电定位算法改进与闪电定位系统的设计实现

摘要

闪电是一种严重的自然灾害现象，监测区域闪电发生情况、研究闪电活动规律，对分析闪电活动特征、防雷减灾具有重要意义。目前，国内外对闪电信号探测大多采用多站时间差定位法。传统的基于多站非线性时间差方程组近似求解法存在初始值难以确定、迭代不稳定、探测精度低等问题;近年新出现的基于时间差的区域搜索算法，能较好改善探测精度，但存在时空复杂度高、算法效率偏低等问题。 本文将在现有网格搜索闪电定位算法的基础上，提出一种基于网格的多站闪电定位优化算法(AFSA-SVM-GLLM)。以该算法处理为核心，设计并实现了一套闪电定位与发布查询系统。论文的主要工作内容如下: 1、提出一种基于网格的多站闪电定位优化算法。该算法融合利用人工鱼群优化SVM(AFSA-SVM)、多维混合空间索引进行快速闪电定位。算法首先将探测范围划分为网格，使用OKD树来存储每个网格到各探测站的时间差向量，大大缩短了查询时间，且可以减小构建索引占用的空间;其次针对探范围区内每一个网格训练其AFSA_SVM分类器，提高分类的准确率;最后，在需要进行定位的时候，利用OKD树的近邻搜索查找出备选网格，并使用网格上的AFSA SVM分类器识别是否为闪电发生地点。该算法可以有效提高多站闪电定位的精度和实时性，并将该算法作为本文应用系统定位模块的核心算法，取得了较好的效果。 2、基于WEB-Spring架构，设计并实现一套闪电定位与信息发布系统（Lightning Location And Information Public System，LL-IPS）。该系统主要包括:数据接收通讯模块，闪电定位模块，集用户权限管理、闪电数据实时显示、历史闪电数据统计分析、数据备份与恢复、站点监控、日志管理等于一体的闪电信息发布模块。其中，数据接收通讯模块基于Netty技术，实时接收各探测点服务器发送的闪电信号报文;闪电定位模块则负责将各站点发来的、时间差小于指定阈值的闪电信息，调用AFSA-SVM-GLLM算法生成闪电定位记录，存入系统数据库中;闪电信息发布相关模块，则是基于高德GIS分时段显示指定区域的闪电数据记录集。 3、使用蒙特卡洛模拟闪电发生位置，对AFSA优化SVM在闪电定位上的作用进行了实验，验证算法的有效性，以及所设计系统的可用性。 目前，该系统开发已基本完成，并投入了试运行，效果较好，受到了用户的好评。

目录

声明

摘要

1．1研究背景及意义

1．2多站闪电定位国内外研究综述

1．2．1 多站闪电定位系统研究与应用现状

1．2．2 多站闪电定位算法的研究与进展

1．3本文主要研究内容

1．4本文章节安排

第2章相关技术分析

2．1 多站地闪定位模型及误差分析

2．1．1 平面多站地闪定位模型与误差分析

2．1．2椭球面多站地闪模型与误差分析

2．2网格搜索闪电定位方法分析

2．3多站闪电定位系统实现相关技术

2．3．1基于Spring／SpringBoot的Web开发

2．3．2基于Netty的网络通信编程技术

2．4本章小结

第3章基于网格搜索的多站闪电定位算法改进

3．1 人工鱼群对支持向量机参数优化

3．1．1支持向量机

3．1．2人工鱼群算法

3．1．3 人工鱼群优化支持向量机的研究

3．2混合空间索引查询备选网格算法

3．2．1 网格信息持久化

3．2．2混合空间索引分析和数据结构设计

3．3．3混合空间索引检索备选网格

3．3混合空间索引与AFSA_SVM联合闪电定位算法设计

3．3．1 改进的网格搜索闪电定位问题建模

3．3．2改进的网格搜索闪电定位算法设计

3．3．3算法复杂度分析

3．4本章小结

第4章闪电定位与信息发布系统设计与实现

4．1 系统开发、运行环境和架构设计

4．1．1系统开发与运行环境

4．1．2系统需求分析

4．2 LL-IPS系统总体设计

4．2．1系统技术架构

4．2．2系统拓扑结构设计

4．2．3系统总体模块结构设计

4．3基于Netty框架的实时通信服务实现说明

4．3．1 闪电定位服务模块实现

4．3．2浏览器与闪电信息发布模块的通信功能实现

4．3．3通信服务与前端探测器的通信功能实现

4．3．4通信服务与闪电信息发布模块的通信功能实现

4．4 LL-IPS系统信息发布模块实现说明

4．4．1 系统用户登录及其权限管理

4．4．2主页设计与实现

4．5系统维护设计

4．5．1系统写入过滤

4．5．2可扩展性和可靠性设计

4．5．3可测试性设计

4．7本章小结

第5章算法验证与系统测试

5．1 算法验证

5．1．1 备选网格查询时间对比实验

5．1．2 AFSA优化SVM验证

5．1．3改进的网格搜索闪电定位算法验证

5．2系统测试

5．2．1 闪电信息发布模块的测试

5．2．2基于Netty的实时通信服务测试

5．3本章小结

第6章总结与展望

6．1 工作总结

6．2下一步工作展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的研究成果