專利名稱：基于相關(guān)系數(shù)的污染源辨識方法及其監(jiān)測布點方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及反問題識源領(lǐng)域，特別是涉及室內(nèi)空間中未知污染源釋放位置的辨識領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
對未知源的識別，在傳熱、地下水污染傳輸、大氣污染傳輸?shù)阮I(lǐng)域研究較多。伴隨著SARS等流行病的爆發(fā)及有害氣體的泄漏，使得室內(nèi)空氣污染問題日益受到重視，對室內(nèi)污染物釋放信息的識別，已成為研究的重點，快速準(zhǔn)確的確定污染源釋放信息，對采取有效地應(yīng)對措施，減輕人員傷害及財產(chǎn)損失意義重大。 對室內(nèi)未知污染源的識別已有較多的研究，Sohn et al.(參考文獻(xiàn)[I])與Sreedharan et al.(參考文獻(xiàn)[2])在一個三層的由多個房間組成的建筑空間內(nèi)釋放污染物，采用貝葉斯概率統(tǒng)計方法識別污染源的位置、強(qiáng)度及持續(xù)時間。該方法可用于識別污染源的釋放信息，但需采用多組傳感器，同時要構(gòu)建有上千組采樣點的采樣數(shù)據(jù)庫，在具體應(yīng)用中成本高、工作量大。此外，Liu et al.(參考文獻(xiàn)[3])基于伴隨概率的多區(qū)域模型方法，快速追蹤在多個隔間構(gòu)成的室內(nèi)空間中釋放的污染物位置。Arvelo et al.(參考文獻(xiàn)[4])等利用遺傳算法來辨識在由九個隔間及一個門廊組成的建筑空間內(nèi)釋放的污染源的位置。上述方法在識別污染物釋放信息時，均采用多區(qū)域數(shù)學(xué)模型，計算精度較粗糙，僅能得到污染物釋放的宏觀信息。因此，在污染源識別時，需要構(gòu)建一種既能滿足較低工作量及較少的運行成本，又能提聞污染識別精度的方法。計算流體力學(xué)(CFD)模擬是一種簡單、快速、經(jīng)濟(jì)的方法，通過CFD的模擬，可以獲得更加精確、詳細(xì)的流場信息及污染傳輸擴(kuò)散信息。因此，它越來越多的用于污染源信息識另IJ，例如Liu et al.(參考文獻(xiàn)[5])等借助CFD模擬手段，通過采用聯(lián)合狀態(tài)概率法反向求解瞬態(tài)點源的釋放位置。Zhang et al.根據(jù)準(zhǔn)可逆求解法和偽可逆求解法，通過CFD反算來辨識單點、瞬時釋放的污染源(參考文獻(xiàn)[6，7])。Cai et al.(參考文獻(xiàn)[8])假定污染源已知，通過CFD模擬建立污染源位置及濃度數(shù)據(jù)庫，引入相似參數(shù)的方法，識別未知釋放源位置及強(qiáng)度。本發(fā)明所采用的方法也是基于CFD模擬實現(xiàn)。在污染源信息識別中，污染源釋放位置是至關(guān)重要的，也是難于識別的(參考文獻(xiàn))，對于單個點源瞬時或持續(xù)釋放問題，一旦污染源位置確定，便可基于CFD方法模擬污染物釋放過程及濃度分布狀況，由污染源強(qiáng)度與污染物濃度之間的線性關(guān)系，利用線性縮放關(guān)系即可確定實際污染物釋放強(qiáng)度(參考文獻(xiàn)[7，8])。基于上述分析，本發(fā)明重點探討污染源釋放位置的辨識。參考文獻(xiàn)[I]Sohn M, Reynolds P,Singh N, et al. Rapidly locating and characterizingpollutant releases in buildings[J]. Journal of Air and Waste ManagementAssociation, 2002, 52:1422-1432
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發(fā)明內(nèi)容
基于上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出了一種基于相關(guān)系數(shù)的污染源辨識方法，利用未知污染源模擬與實際發(fā)生污染時的監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行相關(guān)度匹配得到的相關(guān)系數(shù)，實現(xiàn)污染源準(zhǔn)確辨識，以及，依據(jù)強(qiáng)弱對流區(qū)進(jìn)行污染監(jiān)測布點的方法。本發(fā)明提出了一種基于相關(guān)系數(shù)的污染源辨識方法，包括建庫和識別兩個過程，其特征在于，該方法包括以下步驟步驟一，在污染檢測環(huán)境中設(shè)置傳感器監(jiān)測點，模擬未知源釋放過程，獲取污染物濃度信息樣本數(shù)據(jù)；進(jìn)行污染檢測環(huán)境的空間區(qū)域分割及未知污染源位置假定，將未知污染源位置及污染物濃度信息建立數(shù)據(jù)庫；步驟二，采用濃度信息相關(guān)度匹配及最近鄰規(guī)則，當(dāng)真實污染事故發(fā)生時，基于監(jiān)測的污染物濃度信息，利用相關(guān)系數(shù)分析法，找出數(shù)據(jù)庫中相關(guān)度最大的位置點，該位置點即為所要辨識的污染源釋放點。所述傳感器監(jiān)測點采用單個傳感器，其位置設(shè)定在室內(nèi)空間特定排風(fēng)口的中心位置；當(dāng)有多個排放風(fēng)口時，應(yīng)選擇風(fēng)量最大的排風(fēng) 口的中心位置設(shè)置傳感器；當(dāng)多個排風(fēng)口風(fēng)量一致時，選擇距離送風(fēng)口位置最遠(yuǎn)的排風(fēng)口中心處設(shè)置傳感器。所述空間區(qū)域分割及未知污染源位置假定的具體處理包括將室內(nèi)空間區(qū)域均勻劃分成幾何尺寸、形狀一致的小的空間單元P ;若室內(nèi)空間形狀不規(guī)則，以每個空間單元所占的體積為劃分依據(jù)，并保證彼此的形狀較一致；劃分出小單元后，在每個小單元的中心，設(shè)置未知污染源，將污染源依次記為S = (S1, S2, , SJ。所述的未知源釋放及辨識過程具體包括以下處理采用數(shù)值模擬軟件模擬污染源釋放，在監(jiān)測點處得到的各未知源的濃度信息，依次記為M= { α 1； α 2，. . .，α Ν}，而真實釋放過程中監(jiān)測到的濃度信息記為α 0,對每個濃度信息的具體監(jiān)測值記為a j = {cn, ci2, . . . , cim} ,O^i^N,m = τ / Δ t, m > 2τ為監(jiān)測的時間段，At為監(jiān)測的時間間隔；
將實際污染發(fā)生時監(jiān)測的濃度信息與未知污染源數(shù)據(jù)庫中的濃度信息進(jìn)行相關(guān)度分析，采用如下的相關(guān)度計算公式
Σ(% -%)(% - %)取，0 )= —=— ^I ^ i ^ N (I)
-Ciy)2 ^jECcoj-C0j)2和G分別代表著濃度序列的平均值；由公式(I)得到相關(guān)度值最大的污染源位置點，該點即為最可能的釋放點。本發(fā)明還提出了一種污染源監(jiān)測布點方法，該方法包括以下步驟針對室內(nèi)空間區(qū)域，通過CFD方法模擬得到流場的網(wǎng)格雷諾數(shù)，根據(jù)網(wǎng)格雷諾數(shù)的高低，將空間流場劃分為強(qiáng)對流區(qū)和弱對流區(qū)兩個特征區(qū)域，針對每個特征區(qū)域采用不同的布點原則，即對強(qiáng)對流區(qū)采用加密布點原則，對弱對流區(qū)采用稀疏布點原則。所述空間流場的網(wǎng)格雷諾數(shù)最大值記為Remax,則取
IR0=-Remix(2)對Re < R0的區(qū)域，定義為弱對流區(qū)，對Re > R0的區(qū)域，定義為強(qiáng)對流區(qū)。對強(qiáng)對流區(qū)按照所劃定的區(qū)域，將該區(qū)域劃分成幾何尺寸、形狀接近一致的小的空間單元Pa，其中Pa < P ;對弱對流區(qū)將該區(qū)域劃分成幾何尺寸、形狀接近一致的小的空間單元Pb，Pb > P，其中P為將室內(nèi)空間區(qū)域均勻劃分成幾何尺寸、形狀一致的小的空間單
J Li ο與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的基于相關(guān)系數(shù)的污染源辨識方法在反問題識源領(lǐng)域中，提高識別效率，增加辨識的準(zhǔn)確性，另一方面，本發(fā)明的污染源監(jiān)測布點方法與現(xiàn)有技術(shù)中的均勻布點技術(shù)方法相比，布點數(shù)量減少；不僅是高效的布點方法。且為本發(fā)明的污染源辨識方法奠定了基礎(chǔ)，兩個方法共同實現(xiàn)了快速、準(zhǔn)確的尋找污染源釋放點，進(jìn)而采取及時有效的措施來降低危害、減少損失。


圖I會議室結(jié)構(gòu)示意圖1-1、三維視圖；1-2、二維平面2 二維模型下的強(qiáng)對流區(qū)布點示意圖2-1表示樣本點及釋放點示意圖'2-2表示所有釋放點的圖例標(biāo)注；圖3 二維模型下全區(qū)域均勻布點示意圖4弱對流區(qū)采用稀疏布點后的示意圖及圖例標(biāo)注；圖5為本發(fā)明的基于相關(guān)系數(shù)的污染源辨識方法流程示意圖。附圖標(biāo)記1_燈；2_出風(fēng)口 ；3_進(jìn)風(fēng)口 ；4_柜子；5_人；6_桌子；7_樹；S1-S8-污染源釋放點；R_傳感器監(jiān)測點；
具體實施例方式以下結(jié)合附圖和具體實施場景舉例，對本發(fā)明的基于相關(guān)系數(shù)的污染源辨識及改進(jìn)的高效布點識別方法的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明例如，被識別對象為一個三維的會議室。建立如圖I所示的會議室三維模型，其長(X)X寬(Y)X高(Z)為9mX4mX3. 2m，在房間的頂部有兩個進(jìn)風(fēng)口 3 (O. 4mXO. 4m)，送風(fēng)量為O. 128m3/s ;在房間頂部的中間位置為出風(fēng)口 2 (O. 8mXO. 4m)，將室內(nèi)空間壁面設(shè)置為非滑移的絕熱壁面；在室內(nèi)空間中，假定有八個參加會議的成員，均坐在固定的位置，坐立時高度為lm，每個人面前均有對應(yīng)的辦公桌，高度為O. 6m，所模擬潛在的病毒傳染源位于人的口部，將其依次記為S1-S8。假定每次只有一個污染源釋放病毒，釋放強(qiáng)度為50units/s，在室內(nèi)空間中僅有一個傳感器R，其坐標(biāo)為(X，Y，Z)= (4. 5,2,3. 5)m，位于出風(fēng)口 2的中心位置處，傳感器的檢出限為lppm。潛在污染源的位置如表I所示。表I潛在污染源釋放位置
權(quán)利要求
1.一種基于相關(guān)系數(shù)的污染源辨識方法，包括建庫和識別兩個過程，其特征在于，該方法包括以下步驟 步驟一，在污染檢測環(huán)境中設(shè)置傳感器監(jiān)測點，模擬未知源釋放過程，獲取污染物濃度信息樣本數(shù)據(jù)；進(jìn)行污染檢測環(huán)境的空間區(qū)域分割及未知污染源位置假定，將未知污染源位置及污染物濃度信息建立數(shù)據(jù)庫； 步驟二、采用濃度信息相關(guān)度匹配及最近鄰規(guī)則，當(dāng)真實污染事故發(fā)生時，基于監(jiān)測的污染物濃度信息，利用相關(guān)系數(shù)分析法，找出數(shù)據(jù)庫中相關(guān)度最大的位置點，該位置點即為所要辨識的污染源釋放點。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于相關(guān)系數(shù)的污染源辨識方法，其特征在于，所述傳感器監(jiān)測點采用單個傳感器，其位置設(shè)定在室內(nèi)空間特定排風(fēng)口的中心位置；當(dāng)有多個排放風(fēng)口時，應(yīng)選擇風(fēng)量最大的排風(fēng)口的中心位置設(shè)置傳感器；當(dāng)多個排風(fēng)口風(fēng)量一致時，選擇距離送風(fēng)口位置最遠(yuǎn)的排風(fēng)口中心處設(shè)置傳感器。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于相關(guān)系數(shù)的污染源辨識方法，其特征在于，所述空間區(qū)域分割及未知污染源位置假定的具體處理包括將室內(nèi)空間區(qū)域均勻劃分成幾何尺寸、形狀一致的小的空間單元P ;若室內(nèi)空間形狀不規(guī)則，以每個空間單元所占的體積為劃分依據(jù)，并保證彼此的形狀較一致；劃分出小單元后，在每個小單元的中心，設(shè)置未知污染源，將污染源依次記為S = (S1, S2,, SJ。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于相關(guān)系數(shù)的污染源辨識方法，其特征在于，所述的未知源釋放及辨識過程具體包括以下處理 采用數(shù)值模擬軟件模擬污染源釋放，在監(jiān)測點處得到的各未知源的濃度信息，依次記為M = { a 1； a 2) , a N}，而真實釋放過程中監(jiān)測到的濃度信息記為a 0,對每個濃度信息的具體監(jiān)測值記為a j = {cn, c12, ，cim} ,O≤i≤ N, 1≤ j ≤ m, m = x / A t, m > 2 T為監(jiān)測的時間段，At為監(jiān)測的時間間隔； 將實際污染發(fā)生時監(jiān)測的濃度信息與未知污染源數(shù)據(jù)庫中的濃度信息進(jìn)行相關(guān)度分析，采用如下的相關(guān)度計算公式
5.一種污染源監(jiān)測布點方法，其特征在于，該方法包括以下步驟 針對室內(nèi)空間區(qū)域，通過CFD方法模擬得到流場的網(wǎng)格雷諾數(shù)，根據(jù)網(wǎng)格雷諾數(shù)的高低，將空間流場劃分為強(qiáng)對流區(qū)和弱對流區(qū)兩個特征區(qū)域，針對每個特征區(qū)域采用不同的布點原則，即對強(qiáng)對流區(qū)采用加密布點，對弱對流區(qū)采用稀疏布點。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的污染源監(jiān)測布點方法，其特征在于，所述空間流場的網(wǎng)格雷諾數(shù)最大值記為Remax,則取
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的污染源監(jiān)測布點方法，其特征在于，對強(qiáng)對流區(qū)按照所劃定的區(qū)域，將該區(qū)域劃分成幾何尺寸、形狀接近一致的小的空間單元Pa，其中Pa < P ;對弱對流區(qū)將該區(qū)域劃分成幾何尺寸、形狀接近一致的小的空間單元Pb，Pb > P，其中P為將室內(nèi)空間區(qū)域均勻劃分成幾何尺寸、形狀一致的小的空間單元。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于相關(guān)系數(shù)的污染源辨識方法，包括建庫和識別兩個過程，建庫包括設(shè)置傳感器監(jiān)測點；空間區(qū)域分割及未知源位置假定；模擬未知源釋放過程；獲取所有未知源釋放的濃度信息；建立未知源位置及濃度信息數(shù)據(jù)庫；識別過程采用濃度信息相關(guān)度匹配及最近鄰規(guī)則，當(dāng)真實污染發(fā)生時，基于污染物濃度信息，利用相關(guān)系數(shù)分析法找出數(shù)據(jù)庫中相關(guān)度最大的位置點，該位置點即為污染源釋放點；污染源監(jiān)測布點方法則針對強(qiáng)、弱對流區(qū)特征區(qū)域采用不同的布點原則，與現(xiàn)有技術(shù)相比，基于相關(guān)系數(shù)的污染源辨識方法提高識別效率和準(zhǔn)確性，污染源監(jiān)測布點方法與現(xiàn)有技術(shù)相比布點數(shù)量減少，是高效的布點方法；且為本發(fā)明的污染源辨識方法奠定了基礎(chǔ)。
文檔編號G01N33/00GK102967689SQ201210479898
公開日2013年3月13日 申請日期2012年11月22日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月22日
發(fā)明者尤學(xué)一, 王淋淋 申請人:天津大學(xué)