专利名称：基于相关系数的污染源辨识方法及其监测布点方法
技术领域：
本发明涉及反问题识源领域，特别是涉及室内空间中未知污染源释放位置的辨识领域。
背景技术：
对未知源的识别，在传热、地下水污染传输、大气污染传输等领域研究较多。伴随着SARS等流行病的爆发及有害气体的泄漏，使得室内空气污染问题日益受到重视，对室内污染物释放信息的识别，已成为研究的重点，快速准确的确定污染源释放信息，对采取有效地应对措施，减轻人员伤害及财产损失意义重大。 对室内未知污染源的识别已有较多的研究，Sohn et al.(参考文献[I])与Sreedharan et al.(参考文献[2])在一个三层的由多个房间组成的建筑空间内释放污染物，采用贝叶斯概率统计方法识别污染源的位置、强度及持续时间。该方法可用于识别污染源的释放信息，但需采用多组传感器，同时要构建有上千组采样点的采样数据库，在具体应用中成本高、工作量大。此外，Liu et al.(参考文献[3])基于伴随概率的多区域模型方法，快速追踪在多个隔间构成的室内空间中释放的污染物位置。Arvelo et al.(参考文献[4])等利用遗传算法来辨识在由九个隔间及一个门廊组成的建筑空间内释放的污染源的位置。上述方法在识别污染物释放信息时，均采用多区域数学模型，计算精度较粗糙，仅能得到污染物释放的宏观信息。因此，在污染源识别时，需要构建一种既能满足较低工作量及较少的运行成本，又能提闻污染识别精度的方法。计算流体力学(CFD)模拟是一种简单、快速、经济的方法，通过CFD的模拟，可以获得更加精确、详细的流场信息及污染传输扩散信息。因此，它越来越多的用于污染源信息识另IJ，例如Liu et al.(参考文献[5])等借助CFD模拟手段，通过采用联合状态概率法反向求解瞬态点源的释放位置。Zhang et al.根据准可逆求解法和伪可逆求解法，通过CFD反算来辨识单点、瞬时释放的污染源(参考文献[6，7])。Cai et al.(参考文献[8])假定污染源已知，通过CFD模拟建立污染源位置及浓度数据库，引入相似参数的方法，识别未知释放源位置及强度。本发明所采用的方法也是基于CFD模拟实现。在污染源信息识别中，污染源释放位置是至关重要的，也是难于识别的(参考文献)，对于单个点源瞬时或持续释放问题，一旦污染源位置确定，便可基于CFD方法模拟污染物释放过程及浓度分布状况，由污染源强度与污染物浓度之间的线性关系，利用线性缩放关系即可确定实际污染物释放强度(参考文献[7，8])。基于上述分析，本发明重点探讨污染源释放位置的辨识。参考文献[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
[2]Sreedharan P, Sohn M, Gadgil A, et al. Systems approach to evaluatingsensor characteristics forreal-time monitoring of high-risk indoor contaminantreleases[J]. Atmospheric Environment, 2006, 40(19):3490-3502[3]Liu X, Zhai Z.Prompt tracking of indoor airborne contaminant sourcelocation with probablity-basedinverse multi-zone modeling[J]. Building and Environment, 2009, 44(6):1135-1143.[4]Arvelo J, BrandtA, Roger R P, et al. 2002. An enhancement multizonemodel and its application tooptimum placement ofCBff sensors[J]. ASHRAETrans. 108(2) :818-825[5]Liu X, Zhai Z. Location identification for indoor instantaneous pointcontaminant source byprobability-based inverse computational fluid dynamicsmodeling[J]. Indoor Air, 2008, 18(1):2-11[6]Zhang T, Chen Q. Identification of contaminant sources in enclosedenvironments by inverse CFDmodeling[J]. IndoorAir, 2007, 17(3):167-177[7]Zhang T, Chen Q. Identification of contaminant sources in enclosedspaces by a single sensor[J]. Indoor Air, 2007, 17 (6):439-449.[8] Cai H. , Li X, Long ff. , et al. Real-time determination of indoorcontaminant source location andstrength,Part I:with one sensor[J].Proceedings:Building Simulation, 2007, 1272-1278[9]张腾飞.辨识室内空气污染源的反问题建模[J].建筑热能通风空调，2008，27(6) :18-2
发明内容
基于上述技术问题，本发明提出了一种基于相关系数的污染源辨识方法，利用未知污染源模拟与实际发生污染时的监测结果进行相关度匹配得到的相关系数，实现污染源准确辨识，以及，依据强弱对流区进行污染监测布点的方法。本发明提出了一种基于相关系数的污染源辨识方法，包括建库和识别两个过程，其特征在于，该方法包括以下步骤步骤一，在污染检测环境中设置传感器监测点，模拟未知源释放过程，获取污染物浓度信息样本数据；进行污染检测环境的空间区域分割及未知污染源位置假定，将未知污染源位置及污染物浓度信息建立数据库；步骤二，采用浓度信息相关度匹配及最近邻规则，当真实污染事故发生时，基于监测的污染物浓度信息，利用相关系数分析法，找出数据库中相关度最大的位置点，该位置点即为所要辨识的污染源释放点。所述传感器监测点采用单个传感器，其位置设定在室内空间特定排风口的中心位置；当有多个排放风口时，应选择风量最大的排风 口的中心位置设置传感器；当多个排风口风量一致时，选择距离送风口位置最远的排风口中心处设置传感器。所述空间区域分割及未知污染源位置假定的具体处理包括将室内空间区域均匀划分成几何尺寸、形状一致的小的空间单元P ;若室内空间形状不规则，以每个空间单元所占的体积为划分依据，并保证彼此的形状较一致；划分出小单元后，在每个小单元的中心，设置未知污染源，将污染源依次记为S = (S1, S2, , SJ。所述的未知源释放及辨识过程具体包括以下处理采用数值模拟软件模拟污染源释放，在监测点处得到的各未知源的浓度信息，依次记为M= { α 1； α 2，. . .，α Ν}，而真实释放过程中监测到的浓度信息记为α 0,对每个浓度信息的具体监测值记为a j = {cn, ci2, . . . , cim} ,O^i^N,m = τ / Δ t, m > 2τ为监测的时间段，At为监测的时间间隔；
将实际污染发生时监测的浓度信息与未知污染源数据库中的浓度信息进行相关度分析，采用如下的相关度计算公式
Σ(% -%)(% - %)取，0 )= —=— ^I ^ i ^ N (I)
-Ciy)2 ^jECcoj-C0j)2和G分别代表着浓度序列的平均值；由公式(I)得到相关度值最大的污染源位置点，该点即为最可能的释放点。本发明还提出了一种污染源监测布点方法，该方法包括以下步骤针对室内空间区域，通过CFD方法模拟得到流场的网格雷诺数，根据网格雷诺数的高低，将空间流场划分为强对流区和弱对流区两个特征区域，针对每个特征区域采用不同的布点原则，即对强对流区采用加密布点原则，对弱对流区采用稀疏布点原则。所述空间流场的网格雷诺数最大值记为Remax,则取
IR0=-Remix(2)对Re < R0的区域，定义为弱对流区，对Re > R0的区域，定义为强对流区。对强对流区按照所划定的区域，将该区域划分成几何尺寸、形状接近一致的小的空间单元Pa，其中Pa < P ;对弱对流区将该区域划分成几何尺寸、形状接近一致的小的空间单元Pb，Pb > P，其中P为将室内空间区域均匀划分成几何尺寸、形状一致的小的空间单
J Li ο与现有技术相比，本发明的基于相关系数的污染源辨识方法在反问题识源领域中，提高识别效率，增加辨识的准确性，另一方面，本发明的污染源监测布点方法与现有技术中的均匀布点技术方法相比，布点数量减少；不仅是高效的布点方法。且为本发明的污染源辨识方法奠定了基础，两个方法共同实现了快速、准确的寻找污染源释放点，进而采取及时有效的措施来降低危害、减少损失。
图I会议室结构示意图1-1、三维视图；1-2、二维平面2 二维模型下的强对流区布点示意图2-1表示样本点及释放点示意图'2-2表示所有释放点的图例标注；图3 二维模型下全区域均匀布点示意图4弱对流区采用稀疏布点后的示意图及图例标注；图5为本发明的基于相关系数的污染源辨识方法流程示意图。附图标记1_灯；2_出风口 ；3_进风口 ；4_柜子；5_人；6_桌子；7_樹；S1-S8-污染源释放点；R_传感器监测点；
具体实施例方式以下结合附图和具体实施场景举例，对本发明的基于相关系数的污染源辨识及改进的高效布点识别方法的技术方案进行详细说明例如，被识别对象为一个三维的会议室。建立如图I所示的会议室三维模型，其长(X)X宽(Y)X高(Z)为9mX4mX3. 2m，在房间的顶部有两个进风口 3 (O. 4mXO. 4m)，送风量为O. 128m3/s ;在房间顶部的中间位置为出风口 2 (O. 8mXO. 4m)，将室内空间壁面设置为非滑移的绝热壁面；在室内空间中，假定有八个参加会议的成员，均坐在固定的位置，坐立时高度为lm，每个人面前均有对应的办公桌，高度为O. 6m，所模拟潜在的病毒传染源位于人的口部，将其依次记为S1-S8。假定每次只有一个污染源释放病毒，释放强度为50units/s，在室内空间中仅有一个传感器R，其坐标为(X，Y，Z)= (4. 5,2,3. 5)m，位于出风口 2的中心位置处，传感器的检出限为lppm。潜在污染源的位置如表I所示。表I潜在污染源释放位置
权利要求
1.一种基于相关系数的污染源辨识方法，包括建库和识别两个过程，其特征在于，该方法包括以下步骤 步骤一，在污染检测环境中设置传感器监测点，模拟未知源释放过程，获取污染物浓度信息样本数据；进行污染检测环境的空间区域分割及未知污染源位置假定，将未知污染源位置及污染物浓度信息建立数据库； 步骤二、采用浓度信息相关度匹配及最近邻规则，当真实污染事故发生时，基于监测的污染物浓度信息，利用相关系数分析法，找出数据库中相关度最大的位置点，该位置点即为所要辨识的污染源释放点。
2.根据权利要求I所述的基于相关系数的污染源辨识方法，其特征在于，所述传感器监测点采用单个传感器，其位置设定在室内空间特定排风口的中心位置；当有多个排放风口时，应选择风量最大的排风口的中心位置设置传感器；当多个排风口风量一致时，选择距离送风口位置最远的排风口中心处设置传感器。
3.根据权利要求I所述的基于相关系数的污染源辨识方法，其特征在于，所述空间区域分割及未知污染源位置假定的具体处理包括将室内空间区域均匀划分成几何尺寸、形状一致的小的空间单元P ;若室内空间形状不规则，以每个空间单元所占的体积为划分依据，并保证彼此的形状较一致；划分出小单元后，在每个小单元的中心，设置未知污染源，将污染源依次记为S = (S1, S2,, SJ。
4.根据权利要求I所述的基于相关系数的污染源辨识方法，其特征在于，所述的未知源释放及辨识过程具体包括以下处理 采用数值模拟软件模拟污染源释放，在监测点处得到的各未知源的浓度信息，依次记为M = { a 1； a 2) , a N}，而真实释放过程中监测到的浓度信息记为a 0,对每个浓度信息的具体监测值记为a j = {cn, c12, ，cim} ,O≤i≤ N, 1≤ j ≤ m, m = x / A t, m > 2 T为监测的时间段，At为监测的时间间隔； 将实际污染发生时监测的浓度信息与未知污染源数据库中的浓度信息进行相关度分析，采用如下的相关度计算公式
5.一种污染源监测布点方法，其特征在于，该方法包括以下步骤 针对室内空间区域，通过CFD方法模拟得到流场的网格雷诺数，根据网格雷诺数的高低，将空间流场划分为强对流区和弱对流区两个特征区域，针对每个特征区域采用不同的布点原则，即对强对流区采用加密布点，对弱对流区采用稀疏布点。
6.根据权利要求5所述的污染源监测布点方法，其特征在于，所述空间流场的网格雷诺数最大值记为Remax,则取
7.根据权利要求6所述的污染源监测布点方法，其特征在于，对强对流区按照所划定的区域，将该区域划分成几何尺寸、形状接近一致的小的空间单元Pa，其中Pa < P ;对弱对流区将该区域划分成几何尺寸、形状接近一致的小的空间单元Pb，Pb > P，其中P为将室内空间区域均匀划分成几何尺寸、形状一致的小的空间单元。
全文摘要
本发明公开了一种基于相关系数的污染源辨识方法，包括建库和识别两个过程，建库包括设置传感器监测点；空间区域分割及未知源位置假定；模拟未知源释放过程；获取所有未知源释放的浓度信息；建立未知源位置及浓度信息数据库；识别过程采用浓度信息相关度匹配及最近邻规则，当真实污染发生时，基于污染物浓度信息，利用相关系数分析法找出数据库中相关度最大的位置点，该位置点即为污染源释放点；污染源监测布点方法则针对强、弱对流区特征区域采用不同的布点原则，与现有技术相比，基于相关系数的污染源辨识方法提高识别效率和准确性，污染源监测布点方法与现有技术相比布点数量减少，是高效的布点方法；且为本发明的污染源辨识方法奠定了基础。
文档编号G01N33/00GK102967689SQ201210479898
公开日2013年3月13日 申请日期2012年11月22日 优先权日2012年11月22日
发明者尤学一, 王淋淋 申请人:天津大学