(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210551355.4 (22)申请日 2022.05.18 (71)申请人 西南交通大 学 地址 611756 四川省成 都市郫都区犀安路 999号 (72)发明人 李瑞芳　曹晓斌　刘乐佳　梁钰婧　 李承志　叶俊　谢金洋　简明华　 季耀政　龙意仁　李易　 (74)专利代理 机构 四川省方圆智云知识产权代 理事务所(普通 合伙) 51368 专利代理师 王悦 (51)Int.Cl. G06V 20/00(2022.01) G06V 10/20(2022.01) G06V 10/44(2022.01)G06V 10/84(2022.01) G06N 7/00(2006.01) (54)发明名称 一种基于马尔科夫链的雷电先导发展路径 的模拟方法 (57)摘要 本发明公开了一种基于马尔科夫链的雷电 先导发展路径的模拟方法， 首先， 对采集的真实 雷电图像进行识别和分析， 将实测得到的大量的 雷电数据转变为时间序列样本。 其次， 通过对样 本进行分形研究， 提取马尔科夫链的关键参数， 运用盒维数法计算雷电图像的分形 维数， 反推得 到步长、 转移概率以及分支概率。 最后， 建立马尔 科夫链模型， 并通过灰色模型进行修正优化， 模 拟生成新的雷击路径， 实现对雷电先导发展路径 的模拟， 对模拟结果从分形 维数、 分支概率、 转移 概率三个方面进行验证， 结果表明模拟生成的雷 电图像真实且合理。 本发明提出的模拟方法可以 对雷电先导发展路径进行模拟， 可为今后雷电精 确预警以及差异化防雷工作奠定 基础。 权利要求书1页 说明书7页 附图9页 CN 114792392 A 2022.07.26 CN 114792392 A 1.一种基于马尔科 夫链的雷电先导发展路径的模拟方法， 其特 征在于， 包括以下步骤： 步骤1： 搜集真实雷电图像， 对图像进行分析和处理， 识别雷电通道， 提取图像 中的雷电 路径； 利用加权平均值法对彩色图像进 行灰度化处理， 将背 景的偏亮云块进行暗化处理， 使 图像背景部分与雷电通道像素的灰度值差距加大， 对雷电通道进行识别， 提取 雷电通道； 步骤2： 基于雷电分形理论， 用盒维数法确定马尔科夫链模型的三个关键参数： 步长， 分 支概率和转移概率的合理范围， 并依次进行计算； 计算分形维数， 确定参数合理取值范围， 在范围内选择步长； 对雷电路径的主支和各级分支分别计算分支概率， 并对同级分支概率 求平均值； 定义为马尔科夫链状态空间的九种状态， 一步转移概率即为雷电路径在特定步 长下， 在上述九种状态之间的转移概 率， 所有一 步转移概率组成一 步转移概率矩阵； 步骤3： 建立马尔科夫链模型； 根据雷电发展的规律特性， 采用灰色模型等方法对一步 转移概率矩阵进行修正， 使矩阵元素更具有普适性以及参考价值， 再将灰色模型和 一步转 移概率矩阵相结合得到优化后的马尔科 夫链模型； 步骤4： 通过Matlab编程， 输入模型数据， 模拟雷击路径并生成雷电图像， 重复多次， 选 取合理的图像； 对比模型生成雷电路径与实际雷电数据， 验证模型合理性。 2.根据权利要求1所述的基于马尔科夫链的雷电先导发展路径的模拟方法， 其特征在 于， 步骤1 中， 采用基于Otsu自适应阈值的Canny算子识别法对 雷电通道进行识别， 提取雷电 通道。 3.根据权利要求1所述的基于马尔科夫链的雷电先导发展路径的模拟方法， 其特征在 于， 步骤2中， 运用盒维数法计算分形维数。 4.根据权利要求1所述的基于马尔科夫链的雷电先导发展路径的模拟方法， 其特征在 于， 步骤2中， 将雷电发展的九个方向定义 为马尔科 夫链状态空间的九种状态。 5.根据权利要求1所述的基于马尔科夫链的雷电先导发展路径的模拟方法， 其特征在 于， 步骤3中， 由步长、 分支概 率和转移概 率建立马尔科 夫链模型。 6.根据权利要求1所述的基于马尔科夫链的雷电先导发展路径的模拟方法， 其特征在 于， 步骤4中， 用蒙特卡洛法模拟雷击路径并生成雷电图像。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 114792392 A 2一种基于马尔 科夫链的雷电先导发展路径的模拟方 法 技术领域 [0001]本发明涉及电力系统过电压技术领域， 具体为一种基于马尔科夫链的雷电先导发 展路径的模拟方法。 背景技术 [0002]雷电是发生于自然界的一种瞬时高电压、 大电流、 强电磁辐射的大气放电现象， 它 主要表现为 强大的冲击波、 剧变的电磁场、 强烈的电磁辐射、 炽热的高温。 雷电灾害对电力、 通信、 交通等行业具有巨大的破坏性， 据统计， 我国每年因雷击而造成的伤亡人数大约 10500人， 造成的经济损失更是无法估计。 因此雷电的预测和预防研究具有重大的理论意义 和工程价值。 [0003]模拟雷击发展过程是雷电预测和预防的关键， 建立雷击发展模型则是模拟 雷电发 展过程的基础。 从对雷云放电过程的观测以及研究可知， 通道发展具有确定性和随机性的 特点， 研究雷电物理机制及 减少灾害关键问题之一是掌握这两种特性在雷电先导 发展过程 中所起的作用和规律。 目前国内外经常采用分形发展模型结合数值计算法或模拟电荷法， 计算空间电场的基础上， 进 行雷击路径模拟。 但由于以上方法， 每模拟一次雷击路径都必须 计算大量的空间电场值， 不同地形下落雷分布的研究又需要模拟成千上万条雷击路径， 若 采用计算空间电场的方法逐一模拟雷击路径， 计算量太大， 计算速度太慢， 难以满足落雷分 布模拟的需要。 因此需要提出 可实现大量雷击路径模拟的方法。 发明内容 [0004]针对上述问题， 本发明旨在提供一种基于马尔科夫链的雷电先导发展路径的模拟 方法， 适用于大量雷击路径的模拟。 技 术方案如下： [0005]一种基于马尔科 夫链的雷电先导发展路径的模拟方法， 包括以下步骤： [0006]步骤1： 搜集真实雷电图像， 对图像进行分析和处理， 识别雷电通道， 提取图像中的 雷电路径。 利用加权平均值法对彩色图像进行灰度化处理， 将背景 的偏亮云块进行暗化处 理， 使图像背景部分与雷电通道像素的灰度值差距加大； 采用基于 Otsu自适应阈值的Canny 算子识别法对雷电通道进行识别， 提取 雷电通道。 [0007]步骤2： 基于雷电分形理论， 用盒维数法确定马尔科夫链模型的三个关键参数： 步 长， 分支概率和转移概率的合理范围， 并依 次进行计算。 运用盒维数法计算分形维数， 确定 参数合理取值范围， 在范围内选择步长； 对雷电路径的主支和各级分支分别计算分支概率， 并对同级分支概率求平均值； 将雷电发展的九个方向定义为马尔科夫链状态空间的九种状 态， 一步转移概率即为雷电路径在特定步长下， 在上述九种状态之间的转移 概率， 所有一步 转移概率组成一 步转移概率矩阵。 [0008]步骤3： 由关键参数建立马尔科夫链模型。 根据雷电发展的规律特性， 对于初步建 立的马尔科夫链模型， 采用灰色模型等方法对一步转移概率矩阵进行修正， 使矩阵元素更 具有普适性以及参考价值， 再将灰色模型和一步转移概率矩阵相结合得到优化后的马尔科说　明　书 1/7 页 3 CN 114792392 A 3