[发明专利]一种利用可移动污染物探测器辨识城市空间多污染物源的方法

摘要

本发明属于大气污染物源辨识技术领域，具体涉及一种利用可移动污染物探测器辨识城市空间多污染物源的方法。此发明首次提出有别于传统试错法的多污染物源的快速逆向辨识方法，能够使用单个可移动污染物探测器快速辨识出多个污染物源，初始投资低，速度快，结果准确，能够实现对城市大气环境的实时监测及快速诊断，为城市大气污染的治理和决策提供经济高效的技术方案。为了验证结果的准确性，可以在完成以上步骤辨识到所有污染物源之后，再挑选一个主导风速和风向与原来明显不同的时间段进行重复辨识，以确保所有污染物源都已经被找到。

主权项

一种利用可移动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，将污染物探测器在待测城区中选取三个测点进行测量，首先，默认待测城区只有一个污染物源，将污染物探测器移动到待测城区随机一个位置，并探测其污染物浓度；若探测到的污染物浓度值高于污染物对人体造成危害的限值，则将此时污染物探测器的位置、探测到的污染物浓度以及当时气象站的气象数据记录为L1；再将污染物探测器移动到另外一个位置，并将此时污染物探测器的位置、探测到的污染物浓度以及当时气象站的气象数据记录为L2，判断正确的移动方向和距离的指标为L2的污染物浓度与L1的污染物浓度相差最少20％；最后，将污染物探测器移动到第三个位置，并将此时污染物探测器的位置、探测到的污染物浓度以及当时气象站的气象数据记录为L3；第三步，对每个测点探测到的数据，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；Xj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；Vj为Xj轴方向上的速度；νC,j表示污染物C在Xj方向上的有效湍流扩散系数；qO为污染物负源的单位体积流量；Γ1,Γ2和Γ3为边界条件；ni为Xj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：δ(τ)=1,τ=00,τ≠0---(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，通过求解如下方程公式(1‑4)，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：fx(x|C^1,...,C^N;τ0,x→w,1,...,x→w,N,τ1,...,τN)=∫M0Πi=1NP(C^i|M0,x;τ0,x→w,i,τi)fx(x;τ0,x→w,i,τi)dM0∫M0∫xΠi=1NP(C^i|M0,x;τ0,x→w,i,τi)fx(x;τ0,x→w,i,τi)dxdM0---(1-4)]]>其中，N为探测数据的个数；τi、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(C^i|M0,x;τ0,x→w,i,τi)~N(M0·fx(x;τ0,x→w,i,τi),σϵ2)---(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，即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)，将污染物探测器移动到S1(1)处并测量此处污染物的真实浓度C1(1,real)；第四步，如果污染物的真实浓度C1(1,real)与释放强度C1(1)数值差距明显，则将污染物探测器从S1(1)出发沿主导风向移动，直到探测到高于污染物对人体造成危害的限值，并将此时污染物探测器的位置、探测到的污染物浓度以及当时气象站的气象数据记录为L4，然后重复第二步至第三步，直至得到的C1(n，real)与C1(n)相匹配，即两者数值为一个数量级；此时表明真实的污染物源在S1(n)附近，在S1(n)附近搜寻以确认污染物源精确位置和释放强度；第五步，确定第一个污染物源的位置和释放强度后，根据S1和C1求解污染物状态方程其中，C表示污染物浓度，t为时间，Vj为Xj轴方向上的速度，νC,j表示污染物C在Xj方向上的有效湍流扩散系数，qO为污染物负源的单位体积流量，qI为污染物正源的单位体积流量，CI为相应的污染物体积浓度，SC为所有其它形式的污染物源，则(Sc+qICI‑qOC)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，ni为Xj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，读取污染物探测器探测过的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已探测位置处的污染物浓度值；第六步，经过上述处理后，如果各个已探测位置处的浓度值依然高于污染物对人体造成危害的限值，表明还有污染物源没有被找到，重复步骤二至步骤七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，则认为所有威胁的污染物源均已被找到。