CN109031309B - 一种组网气象雷达系统的拓扑结构优化方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种组网气象雷达系统的拓扑结构优化方法及装置。方法包括：根据外部输入的设计参数，将设计参数转换为约束条件；根据约束条件建立以组网气象雷达的观测覆盖率为优化目标的多维优化数学模型；采用穷举搜索法对多维优化数学模型进行求解，获取组网气象雷达在空间中的部署位置；根据外部输入的指令，确定组网气象雷达中的一个气象雷达作为中心节点并以中心节点的气象雷达为中心形成星形拓扑结构。本发明通过在限定约束条件下，建立以观测空域覆盖率为目标的优化模型，并获取最优解，从而实现优化组网气象雷达系统拓扑结构，获得对拟观测空域覆盖率最优的拓扑结构，有效的提高的设计整个拓扑可行性和保证拓扑的可靠性。

Description

一种组网气象雷达系统的拓扑结构优化方法及装置

技术领域

本发明涉及气象雷达观测领域，具体涉及一种组网气象雷达的系统拓扑结构优化方法及装置。

背景技术

组网气象雷达系统是指，通过多部气象雷达传感器组网，测量某一空域的云雨气象目标，从而实现更大的气象观测覆盖范围，或实现对某一观测区域内的云雨气象目标的更精细测量，增强对云、雨分布、特性及其演化运动过程的监测能力，同时大大降低对单部气象雷达的发射功率、成本等方面的要求。

地面组网气象雷达系统的各个气象雷达传感器通常在区域内广域分布，接收同一控制中心的控制信号而协同工作。组网气象雷达系统在设计和实施时，确定各个气象雷达在空间的部署并确定整个组网雷达系统的拓扑结构。

目前，组网气象雷达的系统拓扑结构存在冗余，多个气象雷达之间的探测空域范围出现重复，从而导致组网气象雷达系统拥塞和损耗。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种组网气象雷达的系统拓扑结构优化方法及装置，对组网气象雷达系统拓扑结构进行优化，获得对拟观测空域覆盖率最优的拓扑结构。

为实现上述目的，本发明提供以下技术方案：

一方面，本发明提供了一种组网气象雷达的系统拓扑结构优化方法，包括：

根据外部输入的设计参数，将所述设计参数转换为约束条件；

根据所述约束条件建立以组网气象雷达的观测覆盖率为优化目标的多维优化数学模型；

采用穷举搜索法对所述多维优化数学模型进行求解，获取组网气象雷达在空间中的部署位置；

根据外部输入的指令，确定组网气象雷达中的一个气象雷达作为中心节点并以中心节点的气象雷达为中心形成星形拓扑结构。

其中，所述设计参数包括：组网气象雷达需要观测的空域覆盖区域、组网气象雷达的布站区域、布站区域对应的地形数据、部署组网气象雷达的个数以及每个气象雷达的探测空域范围。

其中，所述约束条件为：

θ_n＝(x_n,y_n)∈B n＝1,2,...,N，

其中，θ_n＝(x_n,y_n)表示第n部气象雷达在二维平面上的坐标；N为部署组网气象雷达的个数；B为组网气象雷达的布站区域。

其中，所述多维优化数学模型为：

其中，η为观测覆盖率，表示组网气象雷达在给定拓扑条件Θ下，组网气象雷达的实际覆盖空域Ψ和需要观测的空域覆盖区域Ω的交集，在需要观测的空域覆盖区域Ω中的占比情况；

观测覆盖率η的表达式为：

其中，符号vol{·}表示对括号内的区域求体积。

其中，在给定拓扑条件Θ＝[θ₁,θ₂,...,θ_N]下，观测覆盖率η表达式中的实际覆盖空域Ψ的求解包括：

针对组网气象雷达中的第n部气象雷达A_n，根据气象雷达A_n在二维平面上的空间部署位置坐标θ_n＝(x_n,y_n)，以及气象雷达A_n的探测空域范围V_n，求解气象雷达A_n在无地形阻挡时的探测空域

根据设计参数中的地形数据，对所述探测空域

进行修正，去除气象雷达A_n视线被阻挡的探测空域部分，得到第n部气象雷达A_n实际的探测空域V′_n；

获取n部气象雷达的实际探测空域V′₁,V′₂,...,V′_n,...,V′_N的并集，得到组网气象雷达系统的实际覆盖空域Ψ，即：Ψ＝V′₁∪V′₂∪...∪V′_N。

其中，所述气象雷达采用机械转台扫描方式的气象雷达，所述气象雷达的方位向的角度覆盖范围为0°到360°，俯仰向的角度覆盖范围为0°到200°。

另一方面，本发明还提供了一种组网气象雷达的系统拓扑结构优化装置，装置包括：

转换单元，用于根据外部输入的设计参数，将所述设计参数转换为约束条件；

建模单元，用于根据所述约束条件建立以组网气象雷达的观测覆盖率为优化目标的多维优化数学模型；

求解单元，用于采用穷举搜索法对所述多维优化数学模型进行求解，获取组网气象雷达在空间中的部署位置；

组网单元，用于根据外部输入的指令，确定组网气象雷达中的一个气象雷达作为中心节点并以中心节点的气象雷达为中心形成星形拓扑结构。

其中，所述气象雷达采用机械转台扫描方式的气象雷达，所述气象雷达的方位向的角度覆盖范围为0°到360°，俯仰向的角度覆盖范围为0°到200°。

另一方面，本发明还提供了一种电子设备，包括：处理器、存储器和总线；其中，

处理器和存储器通过总线完成相互间的通信；

处理器用于调用存储器中的程序指令，以执行上述组网气象雷达的系统拓扑结构优化方法。

另一方面，本发明还提供了一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使所述计算机执行上述组网气象雷达的系统拓扑结构优化方法。

由上述技术方案可知，本发明所述的组网气象雷达的系统拓扑结构优化方法及装置，通过在限定的约束条件下，建立以观测空域覆盖率为目标的优化模型，获取优化模型的最优解，从而实现优化组网气象雷达系统拓扑结构，获得对拟观测空域覆盖率最优的拓扑结构，有效的提高的设计整个拓扑可行性和保证拓扑的可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种组网气象雷达的系统拓扑结构优化方法的流程示意图；

图2是本发明实施例提供的一种组网气象雷达的系统拓扑结构优化方法中组网雷达系统的特侧空域示意图；

图3是本发明实施例提供的一种组网气象雷达的系统拓扑结构优化方法中组网雷达系统星形拓扑结构的示意图；

图4是本发明实施例提供的实际覆盖空域的计算方法的流程示意图；

图5是本发明实施例提供一种组网气象雷达的系统拓扑结构优化装置的结构示意图；

图6是本发明实施例提供的气象雷达角度覆盖范围示意图；

图7是本发明实施例提供的电子设备的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供了一种组网气象雷达的系统拓扑结构优化方法，参见图1，具体包括如下步骤：

S101：根据外部输入的设计参数，将所述设计参数转换为约束条件；

在本步骤中，外部输入的设计参数是根据用户的需求，将用户的需求转换为设计参数。

其中，设计参数包括：组网气象雷达需要观测的空域覆盖区域Ω、可供组网气象雷达的布站区域B、布站区域相对应的地形数据T、需要部署组网气象雷达的个数N，以及N部气象雷达A₁,A₂,...,A_n，...,A_N在以各自为中心原点时的探测空域范围V₁,V₂,...,V_n,...,V_N。

进一步的，根据设计参数转换的约束条件为：

θ_n＝(x_n,y_n)∈B n＝1,2,...,N，

其中，θ_n＝(x_n,y_n)表示第n部气象雷达A_n在二维平面上的坐标；N为部署组网气象雷达的个数；B为组网气象雷达的布站区域。

需要说明的是，在步骤S101中涉及的N部气象雷达A₁,A₂,...,A_n，...,A_N是基于机械转台扫描方式的气象雷达，该气象雷达的方位向的角度覆盖范围为0到360°，俯仰向的角度覆盖范围为-d到(180+d)°；其中，d的典型值为2°；而且步骤S101中的N部气象雷达A₁,A₂,...,A_n，...,A_N的探测空域范围V₁,V₂,...,V_n,...,V_N，n＝1,2,...,N，均是以各部气象雷达自身为中心原点时的探测空域范围，即V_n指的是第n部气象雷达A_n以其自身为中心且作为原点的坐标系下的探测空域范围。

S102：根据所述约束条件建立以组网气象雷达的观测覆盖率为优化目标的多维优化数学模型；

在本步骤中，根据上述步骤S101中的约束条件，以组网气象雷达空域覆盖区域Ω的观测覆盖率η为优化目标，建立下式的多维优化数学模型：

其中，η为观测覆盖率，表示组网气象雷达在给定拓扑条件Θ下，组网气象雷达的实际覆盖空域Ψ和需要观测的空域覆盖区域Ω的交集，在需要观测的空域覆盖区域Ω中的占比情况；

观测覆盖率η的表达式为：

其中，符号vol{·}表示对括号内的区域求体积。

参见图2，在实际中，组网气象雷达的实际覆盖空域Ψ和需要观测的空域覆盖区域Ω不能够完全重合，因此对拓扑结构进行优化，通过计算观测覆盖率η保证拓扑结构的处于最优状态。

S103：采用穷举搜索法对所述多维优化数学模型进行求解，获取组网气象雷达在空间中的部署位置；

在本步骤中，利用穷举搜索法对上述步骤S102中的多维优化数学模型进行数学上的求解，得到的最优解即为N部组网气象雷达A₁,A₂,...,A_N在空间中最优的部署位置。

需要说明的是，上述求解该多维优化数学模型的最优解时，除可使用穷举法，还可以使用粒子群优化算法。

S104：根据外部输入的指令，确定组网气象雷达中的一个气象雷达作为中心节点并以中心节点的气象雷达为中心形成星形拓扑结构。

在本步骤中，外部输入的指令是指将用户指定信息转换为外部输入的指令，其中，用于执行信息为用户指定N部组网气象雷达中的一个气象雷达为中心节点。

根据用户指定的某一部气象雷达作为中心节点，参见图3，如指定第n部气象雷达A_n为中心节点，则气象雷达A_n为中心，其它气象雷达为辅节点而组成的星型拓扑结构。

需要说明的是，本发明实施例中用到的气象雷达并不仅限于某个特定频段的气象雷达，例如，其可以是专门工作于X、Ku频段用于探测降雨，也可以是专门工作于Ka频段用于测云，还可以是同时工作于多个不同的频段。

从上述描述可知，本发明实施例提供的一种组网气象雷达的系统拓扑结构优化方法，通过在限定的约束条件下，建立以观测空域覆盖率为目标的优化模型，获取优化模型的最优解，从而实现优化组网气象雷达系统拓扑结构，获得对拟观测空域覆盖率最优的拓扑结构，有效的提高的设计整个拓扑可行性和保证拓扑的可靠性。

在一种可选实施方式中，提供了上述步骤S102中的实际覆盖空域的计算方法，参见图4，在给定拓扑条件Θ＝[θ₁,θ₂,...,θ_N]下，观测覆盖率η表达式中的实际覆盖空域Ψ的求解，具体包括如下步骤：

S1021：针对组网气象雷达中的第n部气象雷达A_n，根据气象雷达A_n在二维平面上的空间部署位置坐标θ_n＝(x_n,y_n)，以及气象雷达A_n的探测空域范围V_n，求解气象雷达A_n在无地形阻挡时的探测空域

S1022：根据设计参数中的地形数据，对所述探测空域

进行修正，去除气象雷达A_n视线被阻挡的探测空域部分，得到第n部气象雷达A_n实际的探测空域V′_n；

S1023：获取n部气象雷达的实际探测空域V′₁,V′₂,...,V′_n,...,V′_N的并集，得到组网气象雷达系统的实际覆盖空域Ψ，即：Ψ＝V′₁∪V′₂∪...∪V′_N。

从上述描述可知，本发明实施例提供的实际覆盖空域Ψ的计算方法简单、有效，并且能够准确获取组网气象雷达系统的实际覆盖空域。

本发明实施例提供了一种组网气象雷达系统的拓扑结构优化装置，参见图5，该装置具体包括：

转换单元10，用于根据外部输入的设计参数，将所述设计参数转换为约束条件；

建模单元20，用于根据所述约束条件建立以组网气象雷达的观测覆盖率为优化目标的多维优化数学模型；

求解单元30，用于采用穷举搜索法对所述多维优化数学模型进行求解，获取组网气象雷达在空间中的部署位置；

组网单元40，用于根据外部输入的指令，确定组网气象雷达中的一个气象雷达作为中心节点并以中心节点的气象雷达为中心形成星形拓扑结构。

其中，所述气象雷达采用机械转台扫描方式的气象雷达，所述气象雷达的方位向的角度覆盖范围为0°到360°，俯仰向的角度覆盖范围为0°到200°，如图6所示。

需要说明的是，装置中各模块所实现的功能与方法实施例中相应的操作步骤对应，这里不再赘述。

由上述技术方案可知，本发明所述的一种组网气象雷达系统的拓扑结构优化装置，通过在限定的约束条件下，建立以观测空域覆盖率为目标的优化模型，获取优化模型的最优解，实现获得对拟观测空域覆盖率最优的拓扑结构，从而实现优化组网气象雷达系统拓扑结构，有效的提高的设计整个拓扑可行性和保证拓扑的可靠性，并且具有结构简单、稳定性好的有益效果。

本发明实施例提供了一种电子设备，参见图7，该电子设备可以包括：处理器11、存储器12、总线13及存储在存储器12上并可在处理器11上运行的计算机程序；

其中，所述处理器11，存储器12通过所述总线13完成相互间的通信；

所述处理器11执行所述计算机程序时实现上述各方法实施例所提供的方法，例如包括：根据外部输入的设计参数，将所述设计参数转换为约束条件；根据所述约束条件建立以组网气象雷达的观测覆盖率为优化目标的多维优化数学模型；采用穷举搜索法对所述多维优化数学模型进行求解，获取组网气象雷达在空间中的部署位置；根据外部输入的指令，确定组网气象雷达中的一个气象雷达作为中心节点并以中心节点的气象雷达为中心形成星形拓扑结构。

本发明实施例五提供了一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述各方法实施例所提供的方法，例如包括：根据外部输入的设计参数，将所述设计参数转换为约束条件；根据所述约束条件建立以组网气象雷达的观测覆盖率为优化目标的多维优化数学模型；采用穷举搜索法对所述多维优化数学模型进行求解，获取组网气象雷达在空间中的部署位置；根据外部输入的指令，确定组网气象雷达中的一个气象雷达作为中心节点并以中心节点的气象雷达为中心形成星形拓扑结构。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、装置、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、装置、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置/系统。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明的说明书中，说明了大量具体细节。然而能够理解的是，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。类似地，应当理解，为了精简本发明公开并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释呈反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。本发明并不局限于任何单一的方面，也不局限于任何单一的实施例，也不局限于这些方面和/或实施例的任意组合和/或置换。而且，可以单独使用本发明的每个方面和/或实施例或者与一个或更多其他方面和/或其实施例结合使用。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (9)

1.一种组网气象雷达系统的拓扑结构优化方法，其特征在于，包括：

根据外部输入的设计参数，将所述设计参数转换为约束条件；

根据所述约束条件建立以组网气象雷达的观测覆盖率为优化目标的多维优化数学模型；

采用穷举搜索法对所述多维优化数学模型进行求解，获取组网气象雷达在空间中的部署位置；

根据外部输入的指令，确定组网气象雷达中的一个气象雷达作为中心节点并以中心节点的气象雷达为中心形成星形拓扑结构；

其中，所述多维优化数学模型为：

其中，η为观测覆盖率，表示组网气象雷达在给定拓扑条件Θ下，组网气象雷达的实际覆盖空域Ψ和需要观测的空域覆盖区域Ω的交集，在需要观测的空域覆盖区域Ω中的占比情况；

观测覆盖率η的表达式为：

其中，符号vol{·}表示对括号内的区域求体积。

2.根据权利要求1所述的组网气象雷达系统的拓扑结构优化方法，其特征在于，所述设计参数包括：组网气象雷达需要观测的空域覆盖区域、组网气象雷达的布站区域、布站区域对应的地形数据、部署组网气象雷达的个数以及每个气象雷达的探测空域范围。

3.根据权利要求2所述的组网气象雷达系统的拓扑结构优化方法，其特征在于，所述约束条件为：

θ_n＝(x_n,y_n)∈B n＝1,2,...,N，

其中，θ_n＝(x_n,y_n)表示第n部气象雷达在二维平面上的坐标；N为部署组网气象雷达的个数；B为组网气象雷达的布站区域。

4.根据权利要求2所述的组网气象雷达系统的拓扑结构优化方法，其特征在于，在给定拓扑条件Θ＝[θ₁,θ₂,...,θ_N]下，观测覆盖率η表达式中的实际覆盖空域Ψ的求解包括：

针对组网气象雷达中的第n部气象雷达A_n，根据气象雷达A_n在二维平面上的空间部署位置坐标θ_n＝(x_n,y_n)，以及气象雷达A_n的探测空域范围V_n，求解气象雷达A_n在无地形阻挡时的探测空域

根据设计参数中的地形数据，对所述探测空域

进行修正，去除气象雷达A_n视线被阻挡的探测空域部分，得到第n部气象雷达A_n实际的探测空域V′_n；

获取n部气象雷达的实际探测空域V′₁,V′₂,...,V′_n,...,V′_N的并集，得到组网气象雷达系统的实际覆盖空域Ψ，即：Ψ＝V′₁∪V′₂∪...∪V′_N。

5.根据权利要求1所述的组网气象雷达系统的拓扑结构优化方法，其特征在于，所述气象雷达采用机械转台扫描方式的气象雷达，所述气象雷达的方位向的角度覆盖范围为0°到360°，俯仰向的角度覆盖范围为0°到200°。

6.一种组网气象雷达系统的拓扑结构优化装置，其特征在于，包括：

转换单元，用于根据外部输入的设计参数，将所述设计参数转换为约束条件；

建模单元，用于根据所述约束条件建立以组网气象雷达的观测覆盖率为优化目标的多维优化数学模型；

求解单元，用于采用穷举搜索法对所述多维优化数学模型进行求解，获取组网气象雷达在空间中的部署位置；

组网单元，用于根据外部输入的指令，确定组网气象雷达中的一个气象雷达作为中心节点并以中心节点的气象雷达为中心形成星形拓扑结构；

其中，所述多维优化数学模型为：

其中，η为观测覆盖率，表示组网气象雷达在给定拓扑条件Θ下，组网气象雷达的实际覆盖空域Ψ和需要观测的空域覆盖区域Ω的交集，在需要观测的空域覆盖区域Ω中的占比情况；

观测覆盖率η的表达式为：

其中，符号vol{·}表示对括号内的区域求体积。

7.根据权利要求6所述的组网气象雷达系统的拓扑结构优化装置，其特征在于，

所述气象雷达采用机械转台扫描方式的气象雷达，所述气象雷达的方位向的角度覆盖范围为0°到360°，俯仰向的角度覆盖范围为0°到200°。

8.一种电子设备，其特征在于，包括：处理器、存储器和总线；其中，

处理器和存储器通过总线完成相互间的通信；

处理器用于调用存储器中的程序指令，以执行权利要求1-5任一项所述的组网气象雷达系统的拓扑结构优化方法。

9.一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使所述计算机执行权利要求1-5任一项所述的组网气象雷达系统的拓扑结构优化方法。

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