一種有毒有害氣體泄漏擴(kuò)散事故源定位方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及公共安全應(yīng)急監(jiān)測技術(shù)，特別是涉及一種有毒有害氣體泄漏擴(kuò)散事故 的事故源定位方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著化學(xué)工業(yè)園區(qū)成為石油化工行業(yè)發(fā)展的主流模式，大量的危險(xiǎn)化學(xué)品企業(yè)形 成區(qū)域性集中發(fā)展態(tài)勢，加劇了事故災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)。有毒有害氣體泄漏擴(kuò)散事故是重特大工業(yè) 事故災(zāi)害類型之一，由于大氣環(huán)境介質(zhì)的運(yùn)載與傳播作用，此類事故往往影響區(qū)域范圍大、 波及人口眾多，對公共安全構(gòu)成巨大威脅。
[0003] 如何快速而準(zhǔn)確的預(yù)測及估計(jì)氣體泄漏擴(kuò)散源位置，成為應(yīng)急救援中的一項(xiàng)關(guān)鍵 技術(shù)問題。通過在應(yīng)急監(jiān)測區(qū)域部署氣體傳感器，對未知的有毒有害氣體泄漏擴(kuò)散源進(jìn)行 定位，將為應(yīng)急響應(yīng)部門提供及時(shí)有效的決策支持。
[0004] 現(xiàn)有的技術(shù)方法主要包括以下三類：
[0005] (1)最近節(jié)點(diǎn)法。主要基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，以區(qū)域性、大規(guī)模部署的傳感器 陣列中監(jiān)測濃度最大的節(jié)點(diǎn)位置作為近似的氣體源。該方法基于氣體擴(kuò)散衰減模型，不考 慮風(fēng)速風(fēng)向等氣象參數(shù)的影響，同時(shí)氣體源定位精度與所部署傳感器節(jié)點(diǎn)密度呈現(xiàn)顯著的 正相關(guān)，因此要求在探測區(qū)域部署大量的監(jiān)測傳感器，投放及管理成本高。
[0006] (2)預(yù)測模型法。主要基于高斯擴(kuò)散模型，通過對監(jiān)測區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，以不同 網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)作為氣體源進(jìn)行正向擴(kuò)散濃度演算預(yù)測，并將預(yù)測值與監(jiān)測值比較以確定最佳匹 配的氣體源節(jié)點(diǎn)。該方法氣體源定位精度與區(qū)域網(wǎng)格劃分的密度密切相關(guān)，網(wǎng)格數(shù)量的增 加將導(dǎo)致計(jì)算量激增，因此計(jì)算的效率偏低。
[0007] (3)概率模型法。主要基于貝葉斯推理技術(shù)，通過預(yù)測模型計(jì)算出在假定氣體源位 置下傳感器觀測值出現(xiàn)的似然值，再利用似然值來改進(jìn)對氣體源位置參數(shù)的估計(jì)。該方法 雖然可得到一定置信度下氣體源位置參數(shù)在參數(shù)空間的概率分布信息，但其結(jié)果對先驗(yàn)概 率的依賴程度極高，而先驗(yàn)信息需要通過大量的歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)加以獲取，這一要求在突發(fā) 事故場景、要求快速應(yīng)急響應(yīng)的情況下難以實(shí)現(xiàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種有毒有害氣體泄漏擴(kuò)散事故源 定位方法。
[0009] 本發(fā)明的目的通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)。
[0010] 一種有毒有害氣體泄漏擴(kuò)散事故源定位方法，將擴(kuò)散預(yù)測模型與監(jiān)測傳感器采集 數(shù)據(jù)相結(jié)合，進(jìn)行氣體源參數(shù)的反向演算，尋找最佳參數(shù)組合方案，使得預(yù)測模型計(jì)算值與 監(jiān)測觀測值間的誤差最小化，具體實(shí)施步驟如下：
[0011] 步驟1:監(jiān)測傳感器陣列部署，在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)部署用于監(jiān)測氣體濃度的傳感器陣 列，并記錄各監(jiān)測點(diǎn)在地理坐標(biāo)系統(tǒng)中的位置坐標(biāo)；
[0012] 步驟2 :獲取氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)，假設(shè)氣體擴(kuò)散過程中大氣環(huán)境因素保持穩(wěn)定，通過風(fēng) 速風(fēng)向儀獲取監(jiān)測區(qū)域的穩(wěn)態(tài)風(fēng)速與風(fēng)向角度數(shù)據(jù)；
[0013] 步驟3 :建立標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)向坐標(biāo)系統(tǒng)，利用氣象監(jiān)測得到的穩(wěn)態(tài)風(fēng)向角Θ，對原有地理 坐標(biāo)系統(tǒng)在水平面上進(jìn)行一定角度的旋轉(zhuǎn)，得到以X軸為正風(fēng)向的標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)向坐標(biāo)系統(tǒng)；
[0014] 步驟4:從監(jiān)測傳感器陣列獲取氣體濃度監(jiān)測數(shù)據(jù)，對監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的非零觀測數(shù) 據(jù)進(jìn)行記錄，包括氣體濃度監(jiān)測值、觀測時(shí)刻、監(jiān)測點(diǎn)在標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)向坐標(biāo)系統(tǒng)中的位置坐標(biāo)；
[0015] 步驟5 :氣體源參數(shù)優(yōu)化計(jì)算，采用高斯煙團(tuán)擴(kuò)散預(yù)測模型，基于最小二乘原理， 構(gòu)建氣體源參數(shù)的優(yōu)化模型，采用粒子群優(yōu)化法，進(jìn)行多維解空間的全局搜索，得到最優(yōu)參 數(shù)組合；
[0016] 步驟6 :氣體源地理位置坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，再次利用氣象監(jiān)測得到的穩(wěn)態(tài)風(fēng)向角，將步驟 5計(jì)算得到的氣體源在標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)向系統(tǒng)中的位置坐標(biāo)，轉(zhuǎn)換為地理位置坐標(biāo)，該地理位置坐標(biāo) 即為有毒有害氣體泄漏擴(kuò)散事故源位置。
[0017] 進(jìn)一步地，步驟1所述的地理坐標(biāo)系統(tǒng)（? ye，ze)，具體是：以監(jiān)測區(qū)域內(nèi)平均水 準(zhǔn)面的切平面作為地面水平面；水平面坐標(biāo)y軸以正北方向?yàn)檎凰矫孀鴺?biāo)X軸以正東 方向?yàn)檎?；垂直坐?biāo)z軸以垂直水平地面向上方向?yàn)檎蝗”O(jiān)測區(qū)域水平地面的西南角作 為地理坐標(biāo)系原點(diǎn)。
[0018] 進(jìn)一步地，步驟3所述的標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)向坐標(biāo)系統(tǒng)（xw，yw，z w)，具體是：以監(jiān)測區(qū)域內(nèi)平 均水準(zhǔn)面的切平面作為地面水平面；水平面以正風(fēng)向?yàn)樽鴺?biāo)X軸，以橫風(fēng)向?yàn)樽鴺?biāo)y軸，以 垂直水平面方向?yàn)樽鴺?biāo)z軸；與地理坐標(biāo)系統(tǒng)具有公共原點(diǎn)；標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)向坐標(biāo)系統(tǒng)的位置坐 標(biāo)通過地理坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換得到，表示為：
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種有毒有害氣體泄漏擴(kuò)散事故源定位方法，其特征在于包括如下步驟： 步驟1 :監(jiān)測傳感器陣列部署，在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)部署用于監(jiān)測氣體濃度的傳感器陣列，并 記錄各監(jiān)測點(diǎn)在地理坐標(biāo)系統(tǒng)中的位置坐標(biāo)； 步驟2 :獲取氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)，假設(shè)氣體擴(kuò)散過程中大氣環(huán)境因素保持穩(wěn)定，通過風(fēng)速風(fēng) 向儀獲取監(jiān)測區(qū)域的穩(wěn)態(tài)風(fēng)速與風(fēng)向角度數(shù)據(jù)； 步驟3 :建立標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)向坐標(biāo)系統(tǒng)，利用氣象監(jiān)測得到的穩(wěn)態(tài)風(fēng)向角Θ，對原有地理坐標(biāo) 系統(tǒng)在水平面上進(jìn)行一定角度的旋轉(zhuǎn)，得到以X軸為正風(fēng)向的標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)向坐標(biāo)系統(tǒng)； 步驟4 :從監(jiān)測傳感器陣列獲取氣體濃度監(jiān)測數(shù)據(jù)，對監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的非零觀測數(shù)據(jù)進(jìn) 行記錄，包括氣體濃度監(jiān)測值、觀測時(shí)亥I」、監(jiān)測點(diǎn)在標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)向坐標(biāo)系統(tǒng)中的位置坐標(biāo)； 步驟5 :氣體源參數(shù)優(yōu)化計(jì)算，采用高斯煙團(tuán)擴(kuò)散預(yù)測模型，基于最小二乘原理，構(gòu)建 氣體源參數(shù)的優(yōu)化模型，采用粒子群優(yōu)化法，進(jìn)行多維解空間的全局搜索，得到最優(yōu)參數(shù)組 合； 步驟6 :氣體源地理位置坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，再次利用氣象監(jiān)測得到的穩(wěn)態(tài)風(fēng)向角，將步驟5計(jì) 算得到的氣體源在標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)向系統(tǒng)中的位置坐標(biāo)，轉(zhuǎn)換為地理位置坐標(biāo)，該地理位置坐標(biāo)即 為有毒有害氣體泄漏擴(kuò)散事故源位置。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種有毒有害氣體泄漏擴(kuò)散事故源定位方法，其特征在于步 驟1所述的地理坐標(biāo)系統(tǒng)（? ye，Ze)，具體是：以監(jiān)測區(qū)域內(nèi)平均水準(zhǔn)面的切平面作為地面 水平面；水平面坐標(biāo)y軸以正北方向?yàn)檎?；水平面坐?biāo)X軸以正東方向?yàn)檎淮怪弊鴺?biāo)z軸 以垂直水平地面向上方向?yàn)檎?；取監(jiān)測區(qū)域水平地面的西南角作為地理坐標(biāo)系原點(diǎn)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種有毒有害氣體泄漏擴(kuò)散事故源定位方法，其特征在于步 驟3所述的標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)向坐標(biāo)系統(tǒng)（xw，y w，zw)，具體是：以監(jiān)測區(qū)域內(nèi)平均水準(zhǔn)面的切平面作為 地面水平面；水平面以正風(fēng)向?yàn)樽鴺?biāo)X軸，以橫風(fēng)向?yàn)樽鴺?biāo)y軸，以垂直水平面方向?yàn)樽鴺?biāo) z軸；與地理坐標(biāo)系統(tǒng)具有公共原點(diǎn)；標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)向坐標(biāo)系統(tǒng)的位置坐標(biāo)通過地理坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn) 換得到，表示為：
式（1)中，（XW，yw，Zw)為風(fēng)向坐標(biāo)系坐標(biāo)；(? yc，zc)為地理信息系統(tǒng)坐標(biāo)；Θ為正風(fēng) 向與正北方向的夾角。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種有毒有害氣體泄漏擴(kuò)散事故源定位方法，其特征在于步 驟5所述的氣體源參數(shù)的優(yōu)化模型是以氣體濃度監(jiān)測值與擴(kuò)散模型預(yù)測值之間的誤差平 方和最小化作為目標(biāo)函數(shù)，表示為：
式（2)中，多維變量（Qc^xtl, yci，^tci)表示氣體泄漏擴(kuò)散源的源強(qiáng)Qtl、泄漏源在風(fēng)向坐 標(biāo)系中的位置坐標(biāo)（?,、Ztl)、泄漏擴(kuò)散起始時(shí)刻表示監(jiān)測點(diǎn)獲取的監(jiān)測濃度值； Ccal表示基于高斯煙團(tuán)模型的監(jiān)測點(diǎn)濃度計(jì)算值；i表示非零氣體濃度觀測數(shù)據(jù)的序號(hào)；η 表示非零氣體濃度觀測數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)，η多10。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種有毒有害氣體泄漏擴(kuò)散事故源定位方法，屬于公共安全應(yīng)急監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域；本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是通過將擴(kuò)散預(yù)測模型與監(jiān)測傳感器采集數(shù)據(jù)相結(jié)合，進(jìn)行氣體源參數(shù)的反向演算，使得預(yù)測模型計(jì)算值與監(jiān)測值間的誤差最小化；本發(fā)明所述的氣體源定位方法包括以下步驟，步驟1：監(jiān)測傳感器陣列部署；步驟2：獲取氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)；步驟3：建立標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)向坐標(biāo)系統(tǒng)；步驟4：選取氣體濃度監(jiān)測數(shù)據(jù)；步驟5：氣體源位置參數(shù)優(yōu)化計(jì)算；步驟6：氣體源地理位置坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。采用本發(fā)明所述的氣體泄漏擴(kuò)散源定位方法，能夠?qū)崿F(xiàn)區(qū)域性有毒有害氣體泄漏擴(kuò)散源的快速、準(zhǔn)確定位，為應(yīng)急響應(yīng)部門提供及時(shí)有效的決策支持。
【IPC分類】G01V9-00
【公開號(hào)】CN104834017
【申請?zhí)枴緾N201510219311
【發(fā)明人】陳國華, 陳瓏凱
【申請人】華南理工大學(xué)
【公開日】2015年8月12日
【申請日】2015年4月30日