一种利用固定位置污染物探测器辨识城市空间多污染物源的方法与流程

技术特征：

1.一种利用固定位置污染物探测器辨识城市空间多污染物源的方法，其特征在于，步骤如下：

第一步，根据城市三维地图建立建筑的三维模型，再根据气象站提供的待测城区上风向的主导风速和风向，使用计算流体力学求解纳维斯托克斯方程得出待测城区的速度场；

第二步，首先，默认待测城区只有一个污染物源，在所有污染物探测器中随机挑选三个探测器，所选的探测器确保各个探测器检测到的污染物浓度值差别在20％以上，且探测器的位置不在一条直线上；然后，读取三个探测器检测到的污染物浓度信息、所处的位置坐标以及此时城市气象站记录的主导风向和风速，将数据分别记录为L1、L2和L3；

对每个探测器探测到的信息，通过求解污染物传播方程的伴随方程：

其中，ψ^*为伴随概率因子，位置或时间的伴随概率因子；τ为逆向的时间；为探测区域位置矢量；为污染物探测器位置矢量；C表示污染物浓度；X_j为位置坐标轴，其中j＝1,2,3分别对应水平、垂直、竖直三个方向；V_j为X_j轴方向上的速度；ν_C,j表示污染物C在X_j方向上的有效湍流扩散系数；q_O为污染物负源的单位体积流量；Γ₁,Γ₂和Γ₃为边界条件；n_i为X_j轴方向的单位矢量；为负荷项，其表达式由两个阶跃方程组成：

$\mathrm{\δ}\left(\mathrm{\τ}\right)=\left\{\begin{array}{cc}1,& \mathrm{\τ}=0\\ 0,& \mathrm{\τ}\≠0\end{array}\right.---(1-3)$

得出各个探测器辨识到的污染物源可能存在的位置，上述得出的可能的污染源位置无限多，通过公式(1-4)求解如下方程将三个探测器的辨识结果整合，即确定唯一一个可能的污染物源：

$\begin{array}{c}{f}_x\left(x|{\hat{C}}_1,\mathrm{...},{\hat{C}}_N;{\mathrm{\τ}}_0,{\stackrel{\→}{x}}_{w,1},\mathrm{...},{\stackrel{\→}{x}}_{w,N},{\mathrm{\τ}}_1,\mathrm{...},{\mathrm{\τ}}_N\right)\\ =\frac{{\∫}_{M_0}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Π}}}P\left({\hat{C}}_i|M_0,x;{\mathrm{\τ}}_0,{\stackrel{\→}{x}}_{w,i},{\mathrm{\τ}}_i\right)f_x\left(x;{\mathrm{\τ}}_0,{\stackrel{\→}{x}}_{w,i},{\mathrm{\τ}}_i\right){\mathrm{dM}}_0}{{\∫}_{M_0}{\∫}_x\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Π}}}P\left({\hat{C}}_i|M_0,x;{\mathrm{\τ}}_0,{\stackrel{\→}{x}}_{w,i},{\mathrm{\τ}}_i\right)f_x\left(x;{\mathrm{\τ}}_0,{\stackrel{\→}{x}}_{w,i},{\mathrm{\τ}}_i\right){\mathrm{dxdM}}_0}\end{array}---\left(1-4\right)$

其中，N为探测数据的个数；τ_i、和分别为对应于第i个探测数据的探测位置、探测时间和探测到的污染物浓度；τ₀为已知的污染物释放时间；M₀为假设的污染物释放强度；为根据第i个探测数据通过公式(1-1)计算出的污染源概率分布；为根据第i个探测数据求得的相应污染物释放浓度M₀和位置x的概率分布；一般将的分布形式定义为正态分布：

$P\left({\hat{C}}_i\right|M_0,x;{\mathrm{\τ}}_0,{\stackrel{\→}{x}}_{w,i},{\mathrm{\τ}}_i)~N(M_0\·f_x(x;{\mathrm{\τ}}_0,{\stackrel{\→}{x}}_{w,i},{\mathrm{\τ}}_i),{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\ϵ}}^2)---(1-5)$

其中，为对应于第i个探测数据可能的实际污染物浓度；为污染物探测器的测量误差的标准平方差；

通过将L1、L2和L3对应的信息代入上述公式(1-1)至公式(1-5)求解，辨识到第一个污染物源的第一个可能位置S1(1)和释放强度C1(1)后，在待测城区的地图上标示出S1(1)位置；

第三步，在地图上从位置S1(1)出发沿着主导风向的方向移动再寻找三个位置最接近S1(1)的污染物探测器，记录其位置和污染物浓度信息并重复第二步，辨识到第一个污染物源的第二个可能位置S1(2)及相应的释放强度C1(2)，并在待测城区的地图上标示出S1(2)位置；寻找三个新的探测器时，必须向同一个方向偏移，使得到的污染物浓度值尽量只来自于一个污染源的影响；

第四步，如果离S1(1)最近的污染物探测器与离S1(2)最近的污染物探测器不是同一个污染物探测器，则表明没有辨识到污染物源，重复第三步直至离S1(n)与S1(n+1)最近的污染物探测器为同一个探测器，n＝1,2,3,…；当离S1(n)与S1(n+1)最近的污染物探测器为同一个探测器时，S1(n+1)和C1(n+1)即为第一个污染物源的位置和释放强度；

第五步，确定第一个污染物源的位置和释放强度后，根据S1(n+1)和C1(n+1)求解污染物状态方程

其中，C表示污染物浓度；t为时间；V_j为X_j轴方向上的速度；ν_C,j表示污染物C在X_j方向上的有效湍流扩散系数；q_O为污染物负源的单位体积流量；q_I为污染物正源的单位体积流量；C_I为相应的污染物体积浓度；S_C为所有其它形式的污染物源，则(Sc+q_IC_I-q_OC)为所有外部污染物源的总和；Γ₁,Γ₂和Γ₃为边界条件；C₀为各个位置的初始浓度；g₁,g₂和g₃表示已知的污染物边界条件数学表达式；n_i为X_j轴方向的单位矢量；

得到由第一个污染物源导致的整个区域的污染物浓度分布，读取各个污染物探测器对应位置处的污染物浓度值；由于在速度场稳定的情况下，公式(1-6)相对于质量浓度C来说是一个线性方程，因此各个污染物源造成的污染物浓度场直接相加或相减；将原有的所有探测器探测到的污染物浓度数据减去由第一个污染物源导致的浓度值，即得到剩余其它污染物源导致的各个污染物探测器处的污染物浓度值；

第六步，重复第二步至第五步直至所有的污染物探测器的数值都低于污染物对人体造成危害的限值。