一种基于定位监测的泄漏防护距离测定系统及方法与流程

1.本发明涉及一种基于定位监测的泄漏防护距离测定系统及方法，属于泄露监控预测技术领域。


背景技术：

2.当发生危险气体泄漏事故时，确定其泄漏位置和泄漏源强，是制定应急方案的基础和依据之一。通常情况下，应急人员由于自身安全、地形、时间等限制因素，无法直接确定泄漏位置、测量泄漏源强。此时，通过固有监测装置或便携式可移动监测设备对事故现场及周围进行监测，利用获取的监测数据结合反算方法，确定事故源位置与强度、影响范围和程度等，可为灾难逃生路线和营救措施的制定提供合理指导，这对气体泄漏应急监测、大气污染源溯源反查等场合都具有一定指导意义。
3.（1）概率统计学方法利用大气扩散的数值分布规律，运用不同的算法进行统计分析，从而反演出泄漏源的位置或源强。理论基础是贝叶斯定理。利用待求参数的先验信息与实际观测数据得到参数的后验概率分布，再对后验分布进行抽样得到待求参数的估计值。
4.（2）优化理论方法构造合适的目标函数，计算目标函数的最优化解。基于优化的泄漏源参数反算中，通过扩散模型来对事故进行模拟，将模型的模拟结果与测量结果进行比较，建立目标函数。通过各种优化算法对目标函数进行优化，不断调整源参数，使得计算结果与测量结果能够更好的匹配（匹配度由目标函数来量化）。
5.优化模型方法研究泄漏源反算问题归结为扩散模式（高斯模型）得到的计算浓度与实际观测浓度的匹配度，即目标函数的优化求解。涉及的优化算法有：遗传算法（ga）、模拟退火法（sa）、粒子群算法（pso）、模式搜索法等。
6.（3）机器学习算法如建立人工神经网络，设立适应的维数和权重，根据大量的实际测量数据（测量浓度和对应的源强值），通过训练网络（需要大量的可靠数据来训练网络）得到源强与浓度之间的关联关系。训练完成后，反算出源强。不需要预知模型，以及扩散参数、稳定度等气象数据。
7.输入向量为传感器阵列的监测数据，输出向量即泄漏情况的描述变量。每个泄漏源都要设置相应的输出变量分别表示泄漏部位、泄漏面积、泄漏时间和泄漏量（连续泄漏时为泄漏速率）。在研究过程中，利用一组输出向量表示多个储罐的泄漏概率，在单处泄漏的情况下，如果在输出向量中仅出现一个接近1的输出量，其他均在0附近，就可以判断出泄漏罐的位置。


技术实现要素：

8.发明目的：为解决现场监测数据获取困难问题，本发明提供一种基于定位监测的
泄漏防护距离测定系统及方法，通过正向计算不同条件下不同泄露源的泄漏气体浓度数据，为危化品事故泄漏溯源提供数据。
9.技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种基于定位监测的泄漏防护距离测定方法，包括以下步骤：步骤1，根据气象状况、地理条件采用特纳尔法得到扩散参数基准值。
10.步骤2，根据地面有效粗糙度长度以及扩散参数基准值确定与地面有效粗糙度长度相关的大气扩散参数。
11.步骤3，根据泄漏时间以及扩散参数基准值确定与泄漏时间相关的大气扩散参数。
12.步骤4，根据风速、风向、泄漏源、与地面有效粗糙度长度相关的大气扩散参数以及与泄漏时间相关的大气扩散参数建立气体泄漏扩散模型。
13.步骤5，根据气体泄漏扩散模型确定泄漏扩散危害半径。
14.优选的：步骤1中根据气象状况、地理条件采用特纳尔法得到扩散参数基准值的方法：法：其中，表示侧风向扩散参数基准值、表示横向扩散参数幂函数系数；、表示垂直扩散参数幂函数系数，表示下风向距离，表示垂直扩散参数基准值。
15.优选的：步骤2中根据地面有效粗糙度长度以及扩散参数基准值确定与地面有效粗糙度长度相关的大气扩散参数的方法：（1）当地面有效粗糙度长度z
0 ≤ 0.1m时：0.1m时：其中，表示与地面有效粗糙度长度相关的下风向大气扩散参数，表示与地面有效粗糙度长度相关的侧风向扩散参数，表示与地面有效粗糙度长度相关的垂直扩散参数，表示侧风向扩散参数基准值表示垂直扩散参数基准值，表示地面有效粗糙度长度。
16.（2）当地面有效粗糙度长度z
0 ≥ 0.1m时：0.1m时：0.1m时：0.1m时：
其中，表示x方向扩散范围及速率大小的特征量拟合函数，表示下风向距离， 表示地面有效粗糙度长度，、、、、、、表示大气稳定度系数，表示y方向扩散范围及速率大小的特征量拟合函数， 表示z方向扩散范围及速率大小的特征量拟合函数, 表示与地面有效粗糙度长度相关的下风向大气扩散参数，表示与地面有效粗糙度长度相关的侧风向扩散参数，表示与地面有效粗糙度长度相关的垂直扩散参数，表示侧风向扩散参数基准值， 表示垂直扩散参数基准值，表示地面有效粗糙度长度。
17.优选的：步骤3中根据泄漏时间以及扩散参数基准值确定与泄漏时间相关的大气扩散参数的方法：扩散参数的方法：其中，表示与泄漏时间相关的下风向大气扩散参数，表示与泄漏时间相关的侧风向扩散参数，表示与泄漏时间相关的垂直扩散参数，表示泄漏时间，表示侧风向扩散参数基准值， 表示垂直扩散参数基准值。
18.优选的：步骤4中所述气体泄漏扩散模型包括连续性点源气体泄漏扩散模型和瞬间气体泄漏扩散模型。
19.连续性点源气体泄漏扩散模型：连续性点源气体泄漏扩散模型：式中：表示连续性点源气体泄漏扩散浓度，表示空间位置坐标，x表示泄漏源排放点至下风向上任一点的距离；y表示烟气的中心轴在直角水平方向上到任意点的距离；z表示从地表到任一点的高度，表示连续排放的物料质量流量，表示与泄漏时间相关的侧风向扩散参数，表示与泄漏时间相关的垂直扩散参
数，表示环境平均风速，表示泄漏源的有效高度。
20.瞬间气体泄漏扩散模型：间气体泄漏扩散模型：其中，表示瞬间气体泄漏扩散浓度，表示瞬时排放的物料质量，表示时刻，表示空间位置坐标，x表示泄漏源排放点至下风向上任一点的距离；y表示烟气的中心轴在直角水平方向上到任意点的距离；z表示从地表到任一点的高度，表示与泄漏时间相关的下风向大气扩散参数，表示与泄漏时间相关的侧风向扩散参数，表示与泄漏时间相关的垂直扩散参数，表示环境平均风速，表示泄漏源的有效高度。
21.优选的：步骤5中根据气体泄漏扩散模型确定泄漏扩散危害半径的方法如下：下风向距离:其中，表示下风向距离，表示环境平均风速，表示扩散时间。
22.将下风向距离代入气体泄漏扩散模型，并令y=0，则得到气体泄漏扩散浓度c。
23.泄漏扩散危害半径平方：其中，表示泄漏扩散危害半径平方（m2），为y方向上的扩散系数，表示危害浓度，表示气体泄漏扩散浓度泄漏扩散危害半径：其中，表示泄漏扩散危害半径。
24.一种基于定位监测的泄漏防护距离测定系统，包括输入模块、扩散参数基准值确定模块、与地面有效粗糙度长度相关的大气扩散参数确定模块、与泄漏时间相关的大气扩散参数确定模块、气体泄漏扩散模型模块、泄漏扩散危害半径确定模块、输出模块，其中：
所述输入模块用于输入气象状况、地理条件以及扩散时间。
25.所述扩散参数基准值确定模块用于根据气象状况、地理条件采用特纳尔法得到扩散参数基准值。
26.所述与地面有效粗糙度长度相关的大气扩散参数确定模块用于根据地面有效粗糙度长度以及扩散参数基准值确定与地面有效粗糙度长度相关的大气扩散参数。
27.所述与泄漏时间相关的大气扩散参数确定模块用于根据泄漏时间以及扩散参数基准值确定与泄漏时间相关的大气扩散参数。
28.所述气体泄漏扩散模型模块用于根据输入气象状况、扩散时间、与地面有效粗糙度长度相关的大气扩散参数和与泄漏时间相关的大气扩散参数利用气体泄漏扩散模型得到气体泄漏扩散浓度。
29.所述泄漏扩散危害半径确定模块用于根据气体泄漏扩散浓度得到泄漏扩散危害半径。
30.所述输出模块用于输出泄漏扩散危害半径。
31.优选的：所述输出模块用于输出下风向危害影响面积、下风向危害距离、横风向危害距离、危害区形成时间。
32.本发明相比现有技术，具有以下有益效果：本发明根据气象状况、地理条件以及扩散时间能够得到泄漏气体浓度以及泄漏扩散危害半径，避免了现场监测数据获取困难的问题。
附图说明
33.图1为在地图上生成泄漏防护的警示距离示意图。
具体实施方式
34.下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本技术所附权利要求所限定的范围。
35.一种基于定位监测的泄漏防护距离测定方法，包括以下步骤：步骤1，根据气象状况、地理条件采用特纳尔法得到扩散参数基准值。
36.采用特纳尔法，结合气象状况、地理条件等因素对大气稳定度进行划分。大气稳定度是指大气中的某一气团在垂直方向上的稳定程度，大气稳定度影响污染物在大气中的扩散，大气越不稳定，污染物的扩散速率越快。大气稳定度与天气现象、时空尺度和地理条件密切相关，采用特纳尔法，结合气象状况、地理条件等因素对大气稳定度进行划分。特纳尔法应用某地、某时及太阳高度θh和云量（全天空为10分制），确定太阳辐射等级，再由太阳辐射等级和距离地面高度10m的平均风速确定大气稳定度的级别。
37.太阳高度角θh按照下式计算：式中：φ—当地地理纬度。
38.λ—当地地理经度。
39.t—观测时的北京时间。
40.δ—太阳倾角，应用下式计算。
41.式中：θ0=2πdn/365；dn—一年中日期序数，0,1,2,
…
,364。
42.根据表1，由太阳高度θh和云量（全天空为十分制，总云量和低云量由地方气象观测资料确定，参照中央气象局《地面气象观测规范》第4.3章），确定太阳辐射等级。
43.表1 太阳辐射等级（中国）根据表2，由太阳辐射等级和距离地面高度10m的平均风速（距离地面10m高处10min的平均风速，如使用气象台资料，参照中央气象局《地面气象观测规范》第9章），确定大气稳定度等级。
44.表2 大气稳定度等级扩散参数σy、σz是表示扩散范围及速率大小的特征量，即正态分布函数的标准差。参照我国国家标准《制定地方大气污染物排放标准的技术方法》（gb/t-3840-91），考虑地面状况对扩散的影响，对特纳尔法确定的大气稳定度等级进行以下修正：
①ꢀ
平原地区农村及城市远郊区：a、b、c级稳定度直接查表确定；d、e、f级稳定度则需要向不稳定方向提半级再查表确定；
②ꢀ
工业区城区、丘陵山区的农村或城市，a、b级不提，c级提到b级，d、e、f向不稳定方向提一级半，再查表确定；非工业区的城市，a、b级不提，c级提到b~c级，d、e、f向不稳定方向提一级，再查表确定。具体如表3所示。
45.表3 不同地区扩散参数稳定度级别修正扩散参数计算公式如下：扩散参数计算公式如下：其中，表示侧风向扩散参数基准值，、表示横向扩散参数幂函数系数；、表示垂直扩散参数幂函数系数，表示下风向距离，表示垂直扩散参数基准值。
46.表4 横向扩散参数幂函数表达式系数值（取样时间0.5h）
表5 垂直扩散参数幂函数表达式系数值（取样时间0.5h）
根据表4、表5的扩散参数幂函数表达式系数值，依据下风距离x，确定扩散系数γ1、a1、γ2、a2，根据建立的经验函数确定扩散参数、。
47.步骤2，根据地面有效粗糙度长度以及扩散参数基准值确定与地面有效粗糙度长度相关的大气扩散参数。
48.（1）当地面有效粗糙度长度z
0 ≤ 0.1m时：0.1m时：其中，表示与地面有效粗糙度长度相关的下风向大气扩散参数，表示
与地面有效粗糙度长度相关的侧风向扩散参数，表示与地面有效粗糙度长度相关的垂直扩散参数，表示侧风向扩散参数基准值表示垂直扩散参数基准值，表示地面有效粗糙度长度。
49.（2）当地面有效粗糙度长度z
0 ≥ 0.1m时：0.1m时：0.1m时：0.1m时：其中，表示x方向扩散范围及速率大小的特征量拟合函数，表示下风向距离，表示地面有效粗糙度长度，、、、、、、表示大气稳定度系数，表示y方向扩散范围及速率大小的特征量拟合函数， 表示z方向扩散范围及速率大小的特征量拟合函数，表示与地面有效粗糙度长度相关的下风向大气扩散参数，表示与地面有效粗糙度长度相关的侧风向扩散参数，表示与地面有效粗糙度长度相关的垂直扩散参数，表示侧风向扩散参数基准值， 表示垂直扩散参数基准值，表示地面有效粗糙度长度。
50.步骤3，根据泄漏时间以及扩散参数基准值确定与泄漏时间相关的大气扩散参数。
[0051]51.其中，表示与泄漏时间相关的下风向大气扩散参数，表示与泄漏时间相关的侧风向扩散参数，表示与泄漏时间相关的垂直扩散参数，表示泄漏时间，表示侧风向扩散参数基准值， 表示垂直扩散参数基准值。
[0052]
步骤4，根据风速、风向、泄漏源、与地面有效粗糙度长度相关的大气扩散参数以及与泄漏时间相关的大气扩散参数建立气体泄漏扩散模型。
[0053]
所述气体泄漏扩散模型包括连续性点源气体泄漏扩散模型和瞬间气体泄漏扩散模型，气体泄漏扩散模型正向计算不同条件下（主要考虑风速、风向、泄漏源强等）不同泄漏源的泄漏浓度数据。
[0054]
其中根据风速、风向、泄漏源以及与地面有效粗糙度长度相关的大气扩散参数建立连续性点源气体泄漏扩散模型。
[0055]
连续性点源气体泄漏扩散模型：点源气体泄漏扩散模型：式中：表示连续性点源气体泄漏扩散浓度，表示空间位置坐标，x表示泄漏源排放点至下风向上任一点的距离（m）；y表示烟气的中心轴在直角水平方向上到任意点的距离（m）；z表示从地表到任一点的高度（m）；表示连续排放的物料质量流量，表示与泄漏时间相关的侧风向扩散参数，表示与泄漏时间相关的垂直扩散参数，、在连续泄漏中与地面有效粗糙长度z0有关，、计算时，大气扩散系数（按照z0≤0.1时计算出、），再利用地面有效粗糙长度z0是否大于0.1对其进行修正，表示环境平均风速（m/s），表示泄漏源的有效高度。
[0056]
计算z=hr时的浓度：=hr时的浓度：式中：表示泄漏源抬升高度（m）（出自“重大危险源分级标准.doc”），表示气云出口速度（m／s），表示出口直径（m），表示环境风速(m/s)，表示泄漏源的有效高度（m），表示泄漏源高度（m）。
[0057]
确定公式中y的计算过程如下：a)步长的选择（解决迭代性能问题，设定目标浓度nd(mg/m3)），根据目标浓度进行
选择步长，当nd《=0.01，则步长可取1000；当nd《=0.1，则步长可取700；当nd《=1，则步长可取300；当nd《=50，则步长可取100；当nd《=100，则步长可取00；当nd《=300，则步长可取1；b)将下风向距离x=0以步长迭代增加，针对固定的x，则可以使用上式的反推公式，计算对应x的y值（即对应横风向距离，此时代入的浓度为临界值中毒浓度），用一个值记录目前已经遍历的x下最大横风向距离，当随着x增大，某个位置y开始变小的临界值对应的x记录为x
mid
，此时的y为横风向影响最远距离。接着随x增大，计算对应横风向距离，直到对应x处计算的y=0，此时x为下风向中毒危害最远距离。下风向中毒危害面积的计算：把危害区域按照步长分成n个区域，计算每个区域面积再叠加，其中当步长大于1计算当前小区域面积时，还应先把步长具体细化计算，得到的反推公式如下：引入时间因素进行分析，适用于瞬间气体泄漏扩散，即根据风速、风向、泄漏源以及与泄漏时间相关的大气扩散参数建立瞬间气体泄漏扩散模型。
[0058]
瞬间气体泄漏扩散模型：间气体泄漏扩散模型：其中，表示瞬间气体泄漏扩散浓度，表示瞬时排放的物料质量，表示时刻，表示空间位置坐标，x表示泄漏源排放点至下风向上任一点的距离（m）；y表示烟气的中心轴在直角水平方向上到任意点的距离（m）；z表示从地表到任一点的高度（m），表示连续排放的物料质量流量，表示与泄漏时间相关的下风向大气扩散参数，表示与泄漏时间相关的侧风向扩散参数，表示与泄漏时间相关的垂直
扩散参数，表示环境平均风速，表示泄漏源的有效高度。
[0059]
大气扩散参数在瞬时泄漏与地面有效粗糙长度z0无关，计算出的大气扩散参数（按照z0≤0.1时计算出大气扩散参数），再利用泄漏时间t
l
对其进行修正，如步骤3所示。
[0060]
计算时，且处的浓度：处的浓度：确定下风向影响最远距离l计算过程如下：由上可知，大气扩散参数是与x（x=ut）有关系的，在计算时使用时间的迭代计算浓度与目标浓度进行比较，直到计算的浓度《目标浓度（kg/m3）而得到的时间即为下风向中毒影响最远距离形成时间（s），进而计算下风向影响最远距离（m）l
max
=t
max
*u；其中u表示环境平均风速（m/s）。
[0061]
步骤5，根据气体泄漏扩散模型确定泄漏扩散危害半径。
[0062]
根据气体泄漏扩散模型确定泄漏扩散危害半径的方法如下：下风向距离:其中，表示下风向距离，表示环境平均风速，表示扩散时间。
[0063]
将下风向距离代入气体泄漏扩散模型，并令y=0，则得到气体泄漏扩散浓度c。
[0064]
泄漏扩散危害半径平方：其中，表示泄漏扩散危害半径平方（m2），为y方向上的扩散系数，表示危害浓度，表示气体泄漏扩散浓度。
[0065]
泄漏扩散危害半径：其中，表示泄漏扩散危害半径。
[0066]
当r》0时，输出结果为：1.扩散tk秒后，下风向x米处的危害半径为r米。
[0067]
2.扩散tk秒后，下风向危害影响面积为平方米。
[0068]
3.扩散危害情况（在模拟界面显示）。
[0069]
3.1 下风向危害距离（米）： 。
[0070]
3.2 横风向危害距离（米）：。
[0071]
3.3危害区域面积（平方米）：。
[0072]
3.4 危害区形成时间（秒）：tk。
[0073]
当r《=0时，则结果参数均为0。
[0074]
一种基于定位监测的泄漏防护距离测定系统，包括输入模块、扩散参数基准值确定模块、与地面有效粗糙度长度相关的大气扩散参数确定模块、与泄漏时间相关的大气扩散参数确定模块、气体泄漏扩散模型模块、泄漏扩散危害半径确定模块、输出模块，其中：所述输入模块用于输入气象状况、地理条件以及扩散时间。
[0075]
所述扩散参数基准值确定模块用于根据气象状况、地理条件采用特纳尔法得到扩散参数基准值。
[0076]
所述与地面有效粗糙度长度相关的大气扩散参数确定模块用于根据地面有效粗糙度长度以及扩散参数基准值确定与地面有效粗糙度长度相关的大气扩散参数。
[0077]
所述与泄漏时间相关的大气扩散参数确定模块用于根据泄漏时间以及扩散参数基准值确定与泄漏时间相关的大气扩散参数。
[0078]
所述气体泄漏扩散模型模块用于根据输入气象状况、扩散时间、与地面有效粗糙度长度相关的大气扩散参数和与泄漏时间相关的大气扩散参数利用气体泄漏扩散模型得到气体泄漏扩散浓度。
[0079]
所述泄漏扩散危害半径确定模块用于根据气体泄漏扩散浓度得到泄漏扩散危害半径。
[0080]
所述输出模块用于输出泄漏扩散危害半径、下风向危害影响面积、下风向危害距离、横风向危害距离、危害区形成时间。
[0081]
选定危化品泄漏场景，结合固定传感器监测和移动布控监测结果，将一组监测值与模型计算的浓度值进行比对，当满足浓度标准偏差小于10-5
，反算溯源定位泄漏源（释放源）位置，结合模型计算出的相关危害距离，并结合erg定义数据，在地图上生成泄漏防护的警示距离图形，如图1所示，实现泄漏防护距离测定和警戒隔离区域的划分。
[0082]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。