本發(fā)明涉及環(huán)境預(yù)測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種街道峽谷機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣污染物濃度估算系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

隨著工業(yè)自動(dòng)化的快速推進(jìn)和人民生活水平的提高，城市機(jī)動(dòng)車(chē)保有量迅速增加，機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣排放已成為城市污染物的主要來(lái)源，嚴(yán)重影響了城市居民的生活質(zhì)量。與傳統(tǒng)煤炭為主的工業(yè)污染不同，機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣排放高度低，接近人的呼吸帶高度；機(jī)動(dòng)車(chē)保有量增長(zhǎng)快，導(dǎo)致排放源密度高。同時(shí)尾氣排放多集中在城市街道，擴(kuò)散條件差，容易造成污染物長(zhǎng)時(shí)間滯留，所以街道峽谷內(nèi)機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣擴(kuò)散成為當(dāng)前城市污染急需解決的難題。

街道峽谷是城市中最常見(jiàn)的地形之一，城市街道峽谷污染模式著重反映街道峽谷內(nèi)部的傳輸、擴(kuò)散及消散的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。這種微小尺度的污染擴(kuò)散問(wèn)題受周邊環(huán)境尤其是地理?xiàng)l件的影響較大，街道上方的風(fēng)速風(fēng)向、街道兩側(cè)建筑物的高度及分布情況、街道內(nèi)部的壁面溫度、街道的長(zhǎng)寬比和街道內(nèi)污染源的位置與強(qiáng)度等都對(duì)街道內(nèi)的流場(chǎng)和污染物濃度有著重大影響。

目前的實(shí)地測(cè)量法與物理風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)方式主要存在如下缺陷：1)實(shí)地測(cè)量法在實(shí)際實(shí)施中會(huì)受到諸多限制，而且由于設(shè)備價(jià)格較貴，也難以大面積布點(diǎn)監(jiān)測(cè)，但由于其得到的數(shù)據(jù)是實(shí)時(shí)真實(shí)的，所以可以為其它研究方法提供驗(yàn)證。2)物理風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，布置繁瑣、費(fèi)用昂貴，難以快速方便的進(jìn)行研究。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種街道峽谷機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣污染物濃度估算系統(tǒng)，可以快速得到街道峽谷污染物擴(kuò)散、分布情況，可操作性強(qiáng)，成本較低。

本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

一種街道峽谷機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣污染物濃度分布估算系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括：車(chē)牌照信息采集模塊、車(chē)牌識(shí)別模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與分析模塊以及針對(duì)街道內(nèi)流場(chǎng)的數(shù)值模擬計(jì)算模塊；其中：

所述車(chē)牌照信息采集模塊，用于采集通過(guò)街道的車(chē)輛圖像數(shù)據(jù)；

所述車(chē)牌識(shí)別模塊，用于識(shí)別車(chē)輛圖像數(shù)據(jù)中的車(chē)牌號(hào)；

所述數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與分析模塊中存儲(chǔ)有車(chē)輛信息數(shù)據(jù)庫(kù)與排放因子數(shù)據(jù)，用于根據(jù)車(chē)輛信息數(shù)據(jù)庫(kù)獲得各個(gè)車(chē)牌號(hào)對(duì)應(yīng)的車(chē)輛信息，并結(jié)合通過(guò)街道的車(chē)輛數(shù)目及街道環(huán)境信息來(lái)統(tǒng)計(jì)街道的實(shí)時(shí)車(chē)流量數(shù)據(jù)、車(chē)輛密度、車(chē)輛平均行駛速度以及各車(chē)型車(chē)輛占比，再結(jié)合相應(yīng)的排放因子來(lái)計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)街道峽谷內(nèi)各污染氣體的排放源強(qiáng)；

所述針對(duì)街道內(nèi)流場(chǎng)的數(shù)值模擬計(jì)算模塊，用于構(gòu)建街道環(huán)境的三維幾何模型，并設(shè)置邊界條件，再結(jié)合單位時(shí)間內(nèi)街道峽谷內(nèi)各污染氣體的排放源強(qiáng)與預(yù)定的湍流模型，對(duì)街道峽谷各污染氣體的濃度分布進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。

所述車(chē)牌照信息采集模塊為一臺(tái)或多臺(tái)數(shù)碼攝像機(jī)，安裝在街道上方，確保能夠抓拍到街道內(nèi)所有車(chē)道上的車(chē)輛；并且，數(shù)碼攝像機(jī)上還設(shè)有確保夜間正常工作的補(bǔ)光燈。

所述車(chē)牌識(shí)別模塊為一臺(tái)或多臺(tái)圖像處理設(shè)備，采用有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)的方式將識(shí)別到的車(chē)牌號(hào)傳輸給數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與分析模塊。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與分析模塊根據(jù)獲得的車(chē)流量數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)街道峽谷內(nèi)每一污染氣體的排放源強(qiáng)，其公式為：

$Q=\underset{i}{\Σ}\frac{D_i\×E_i\×V\×{10}^{-3}}{3600\×w\×h};$

其中，i表示不同車(chē)型；D_i為第i種車(chē)型的車(chē)輛密度，V為車(chē)輛平均行駛速度，E_i為第i種車(chē)型的排放因子，污染氣體排放源的等效寬度和長(zhǎng)度為w與h。

所述構(gòu)建街道環(huán)境的三維幾何模型，并設(shè)置邊界條件包括：

首先，通過(guò)對(duì)街道實(shí)際物理特征的近似，并進(jìn)行等比例縮放，得到街道環(huán)境的三維幾何模型；其中，設(shè)定街道風(fēng)向垂直于街道，迎風(fēng)面建筑物到街道入口距離取N倍建筑物寬度，背風(fēng)面建筑物到街道出口距離取2N倍建筑物寬度，污染氣體的排放源強(qiáng)近似為線(xiàn)源強(qiáng)；對(duì)于孤立街道，僅設(shè)置街道兩側(cè)的建筑物，對(duì)于非孤立街道，按照街道實(shí)際環(huán)境在街道的上下游方向設(shè)置多個(gè)根據(jù)實(shí)際尺寸等比例縮放的街道；對(duì)于街道內(nèi)綠化帶，將其假設(shè)為多孔介質(zhì)，用壓力損失參數(shù)λ來(lái)描述多孔介質(zhì)的空氣動(dòng)力學(xué)特性；

然后，對(duì)街道環(huán)境的三維幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分時(shí)采取漸進(jìn)的方法逐步提高網(wǎng)格數(shù)目；

最后，設(shè)置邊界條件，包括：結(jié)合實(shí)際風(fēng)速儀測(cè)定的風(fēng)速，給定街道入口邊界上的速度垂直分量滿(mǎn)足指數(shù)型風(fēng)速輪廓線(xiàn)分布；出口邊界處，計(jì)算區(qū)域足夠大，邊界條件為充分發(fā)展流動(dòng)，沿流動(dòng)方向各流動(dòng)參數(shù)的一階導(dǎo)數(shù)為零；建筑物表面，設(shè)置為無(wú)滑移邊界，即不論計(jì)算采用何種湍流模型，與壁面平行與垂直的速度均為零；街道前后以及上邊界設(shè)置為對(duì)稱(chēng)邊界條件。

所述用壓力損失參數(shù)λ來(lái)描述多孔介質(zhì)的空氣動(dòng)力學(xué)特性包括：

計(jì)算壓力損失參數(shù)λ，其公式如下：

$\mathrm{\λ}=\frac{P_{windward}-P_{leeward}}{(1/2){\mathrm{\ρu}}^{2}d};$

式中，P_windward、P_leeward分別為多孔介質(zhì)迎風(fēng)面和背風(fēng)面的靜壓；u為沿流動(dòng)方向的平均速度，ρ為流體的密度，d為多孔介質(zhì)的厚度；

街道內(nèi)流動(dòng)屬于高雷諾數(shù)流動(dòng)，則忽略多孔介質(zhì)的粘性損失項(xiàng)，從而利用所述壓力損失參數(shù)λ計(jì)算多孔介質(zhì)的慣性阻力系數(shù)。

由上述本發(fā)明提供的技術(shù)方案可以看出，可以由城市道路車(chē)流量、峽谷幾何結(jié)構(gòu)等數(shù)據(jù)，通過(guò)CFD數(shù)值模擬方法得到街道峽谷污染物擴(kuò)散、分布情況，可操作性強(qiáng)；另外，本發(fā)明使得對(duì)城市各區(qū)域空氣污染程度的監(jiān)測(cè)變得更加機(jī)動(dòng)靈活，方便繪制本地區(qū)空氣污染濃度分布圖，利于確定本區(qū)域內(nèi)的重污染區(qū)、分析本區(qū)域內(nèi)空氣污染的原因，為制定本區(qū)域尾氣污染治理措施提供科學(xué)合理的依據(jù)。

附圖說(shuō)明

為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他附圖。

圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的街道峽谷機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣污染物濃度估算系統(tǒng)的示意圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的多孔介質(zhì)壓力損失參數(shù)λ實(shí)驗(yàn)測(cè)量圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例提供的街道結(jié)構(gòu)及設(shè)置的邊界條件示意圖；

圖4為本發(fā)明實(shí)施例提供的所設(shè)置的邊界條件下街道內(nèi)流場(chǎng)示意圖；

圖5為本發(fā)明實(shí)施例提供的所設(shè)置的邊界條件下CO濃度分布圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。

圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的街道峽谷機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣污染物濃度估算系統(tǒng)的示意圖。如圖1所示，其主要包括：車(chē)牌照信息采集模塊、車(chē)牌識(shí)別模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與分析模塊以及針對(duì)街道內(nèi)流場(chǎng)的數(shù)值模擬計(jì)算模塊；其中：

所述車(chē)牌照信息采集模塊，用于采集通過(guò)街道的車(chē)輛圖像數(shù)據(jù)。所述車(chē)牌照信息采集模塊為一臺(tái)或多臺(tái)數(shù)碼攝像機(jī)，安裝在街道上方，確保能夠抓拍到街道內(nèi)所有車(chē)道上的車(chē)輛；并且，數(shù)碼攝像機(jī)上還設(shè)有確保夜間正常工作的補(bǔ)光燈。

所述車(chē)牌識(shí)別模塊，用于識(shí)別車(chē)輛圖像數(shù)據(jù)中的車(chē)牌號(hào)。所述車(chē)牌識(shí)別模塊為一臺(tái)或多臺(tái)圖像處理設(shè)備，采用有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)的方式將識(shí)別到的車(chē)牌號(hào)傳輸給數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與分析模塊。

所述數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與分析模塊中存儲(chǔ)有車(chē)輛信息數(shù)據(jù)庫(kù)與排放因子數(shù)據(jù)，用于根據(jù)車(chē)輛信息數(shù)據(jù)庫(kù)獲得各個(gè)車(chē)牌號(hào)對(duì)應(yīng)的車(chē)輛信息，并結(jié)合通過(guò)街道的車(chē)輛數(shù)目及街道環(huán)境信息來(lái)統(tǒng)計(jì)街道的實(shí)時(shí)車(chē)流量數(shù)據(jù)、各車(chē)型的車(chē)輛密度以及車(chē)輛平均行駛速度，再結(jié)合相應(yīng)的排放因子來(lái)計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)街道峽谷內(nèi)各污染氣體的排放源強(qiáng)。

本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，所述的排放因子數(shù)據(jù)為國(guó)家發(fā)布的，不同污染物對(duì)應(yīng)不同的排放因子數(shù)據(jù)。

根據(jù)獲得的車(chē)流量數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)街道峽谷內(nèi)每一污染氣體的排放源強(qiáng)的公式為：

$Q=\underset{i}{\Σ}\frac{D_i\×E_i\×V\×{10}^{-3}}{3600\×w\×h};$

其中，i表示不同車(chē)型；D_i為第i種車(chē)型的車(chē)輛密度，單位是veh/m；V為車(chē)輛平均行駛速度，單位是km/h；E_i為第i種車(chē)型的的排放因子，Q為相應(yīng)污染氣體的排放源強(qiáng)，單位是kg/(m³·s)；污染氣體排放源的等效寬度和長(zhǎng)度為w與h。

所述針對(duì)街道內(nèi)流場(chǎng)的數(shù)值模擬計(jì)算模塊，用于構(gòu)建街道環(huán)境的三維幾何模型，并設(shè)置邊界條件，再結(jié)合單位時(shí)間內(nèi)街道峽谷內(nèi)各污染氣體的排放源強(qiáng)與預(yù)定的湍流模型，對(duì)街道峽谷各污染氣體的濃度分布進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。

所述針對(duì)街道內(nèi)流場(chǎng)的數(shù)值模擬計(jì)算模塊的主要負(fù)責(zé)三個(gè)部分的工作：構(gòu)建三維幾何模型、設(shè)置邊界條件，以及各污染氣體的濃度分布進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。具體如下：

1、構(gòu)建三維幾何模型。

通過(guò)對(duì)街道實(shí)際物理特征的近似，并進(jìn)行等比例縮放，得到等比例街道環(huán)境的三維幾何模型；其中，設(shè)定街道風(fēng)向垂直于街道，迎風(fēng)面建筑物到街道入口距離取N倍建筑物寬度，背風(fēng)面建筑物到街道出口距離取2N倍建筑物寬度，污染氣體的排放源強(qiáng)近似為線(xiàn)源強(qiáng)。

對(duì)于孤立街道，僅設(shè)置街道兩側(cè)的建筑物。

對(duì)于非孤立街道，按照街道實(shí)際環(huán)境在街道的上下游方向設(shè)置多個(gè)根據(jù)實(shí)際尺寸等比例縮放的街道。

對(duì)于街道內(nèi)綠化帶，綠化帶模型參照落葉喬木設(shè)計(jì)，孔隙率P為96％～99％，為了測(cè)定綠化帶的空氣動(dòng)力學(xué)特征，在實(shí)驗(yàn)中用金屬骨架和纖維均勻填充物來(lái)模擬樹(shù)冠的效果。樹(shù)木由固態(tài)的枝干、枝葉和枝干間的空隙構(gòu)成，各個(gè)空隙之間相互連通，所以可以假定樹(shù)冠為均勻的多孔介質(zhì)，可以用壓力損失參數(shù)λ來(lái)描述多孔介質(zhì)的空氣動(dòng)力學(xué)特性。

如圖2所示為多孔介質(zhì)壓力損失參數(shù)λ實(shí)驗(yàn)測(cè)量圖，λ通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定，由強(qiáng)制空氣流流動(dòng)厚度為d的多孔介質(zhì)模型，測(cè)量氣流上下游的靜壓，通過(guò)如下公式算出λ的值：

$\mathrm{\λ}=\frac{P_{windward}-P_{leeward}}{(1/2){\mathrm{\ρu}}^{2}d};$

式中，P_windward、P_leeward分別為多孔介質(zhì)迎風(fēng)面和背風(fēng)面的靜壓；u為沿流動(dòng)方向的平均速度，ρ為流體的密度。

多孔介質(zhì)模型通過(guò)在動(dòng)量方程中添加源項(xiàng)的方法來(lái)模擬多孔介質(zhì)對(duì)流體的阻礙作用，源項(xiàng)包括粘性阻力項(xiàng)和慣性阻力項(xiàng)。

$S_i=-(\underset{j=1}{\overset{3}{\Σ}}{D}_{ij}{\mathrm{\μv}}_j+\underset{j=1}{\overset{3}{\Σ}}{C}_{ij}\frac{1}{2}\mathrm{\ρ}|v\left|v_j\right);$

其中，D為粘性阻力系數(shù)矩陣，C為慣性損失系數(shù)矩陣。i、j表示三維坐標(biāo)軸，取值，v_j表示速度。在全部變量的連續(xù)性方程和輸運(yùn)方程中，瞬態(tài)項(xiàng)都要變成

對(duì)于均勻的多孔介質(zhì)，D、C矩陣除對(duì)角線(xiàn)元素都為零，在D、C矩陣的對(duì)角線(xiàn)項(xiàng)帶入1/α和C₂，可得

$S_i=-(\frac{\mathrm{\μ}}{\mathrm{\α}}{u}_i+C_2\frac{1}{2}\mathrm{\ρ}|v\left|v_i\right)$

其中，α為滲透率，C₂為慣性阻力系數(shù)。由于街道內(nèi)流動(dòng)屬于高雷諾數(shù)流動(dòng)，則忽略多孔介質(zhì)的粘性損失項(xiàng)；從而利用所述壓力損失參數(shù)λ計(jì)算多孔介質(zhì)的慣性阻力系數(shù)。

對(duì)街道環(huán)境的三維幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分；示例性的，網(wǎng)格劃分可以采用ICEM CFD軟件實(shí)現(xiàn)。網(wǎng)格劃分時(shí)，網(wǎng)格越密集，計(jì)算精度越好，但是計(jì)算時(shí)間會(huì)相應(yīng)增長(zhǎng)。本發(fā)明實(shí)施例采取漸進(jìn)的方法逐步提高網(wǎng)格數(shù)目，實(shí)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)化驗(yàn)證。

2、設(shè)置邊界條件。

本發(fā)明實(shí)施例中，利用FLUENT軟件為網(wǎng)格劃分后的三維幾何模型設(shè)置邊界條件。街道結(jié)構(gòu)及設(shè)置的邊界條件如圖3所示，包括：

結(jié)合實(shí)際風(fēng)速儀測(cè)定的風(fēng)速，給定街道入口邊界上的速度垂直分量滿(mǎn)足指數(shù)型風(fēng)速輪廓線(xiàn)分布；其中，U(z)表示z高度的風(fēng)速，a是跟實(shí)際風(fēng)速對(duì)比后的標(biāo)定系數(shù)。

出口邊界處，計(jì)算區(qū)域足夠大，邊界條件為充分發(fā)展流動(dòng)，沿流動(dòng)方向各流動(dòng)參數(shù)的一階導(dǎo)數(shù)為零。

建筑物表面(固體壁面)，設(shè)置為無(wú)滑移邊界，即不論計(jì)算采用何種湍流模型，與壁面平行與垂直的速度均為零；壁面選用混凝土材料。

街道前后以及上邊界設(shè)置為對(duì)稱(chēng)邊界條件。

3、各污染氣體的濃度分布進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。

本發(fā)明實(shí)施例中，采用速度與壓力耦合的SIMPLE算法。

本發(fā)明對(duì)湍流的數(shù)值模擬做如下假設(shè)：假定街道內(nèi)流動(dòng)為定常流動(dòng)，即流場(chǎng)參數(shù)不隨時(shí)間變化；因?yàn)榱鲌?chǎng)速度數(shù)量級(jí)不大，故可假設(shè)流體為不可壓流體；街道內(nèi)溫度變化緩慢，故不考慮溫度變化對(duì)流場(chǎng)的影響。

具體計(jì)算時(shí)，由所述針對(duì)街道內(nèi)流場(chǎng)的數(shù)值模擬計(jì)算模塊，按照上述步驟1劃分街道環(huán)境的三維幾何模型網(wǎng)格，再按照上述步驟2設(shè)置相應(yīng)的邊界條件，然后，選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型對(duì)街道峽谷內(nèi)機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣擴(kuò)散進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。

最后對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行后處理，得到街道內(nèi)各污染氣體濃度的分布情況。如圖4、5所示，分別是街道內(nèi)流場(chǎng)和CO濃度分布圖。

本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，當(dāng)使用上述方式劃分街道環(huán)境的三維幾何模型網(wǎng)格并設(shè)置相應(yīng)的邊界條件后，使用常規(guī)的算法即可完成街道峽谷內(nèi)機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣擴(kuò)散的數(shù)值模擬計(jì)算以及分布情況計(jì)算。

本發(fā)明實(shí)施例的上述方案中，由城市道路車(chē)流量、峽谷幾何結(jié)構(gòu)等數(shù)據(jù)，通過(guò)CFD數(shù)值模擬方法得到街道峽谷污染物擴(kuò)散、分布情況，可操作性強(qiáng)；另外，本發(fā)明使得對(duì)城市各區(qū)域空氣污染程度的監(jiān)測(cè)變得更加機(jī)動(dòng)靈活，方便繪制本地區(qū)空氣污染濃度分布圖，利于確定本區(qū)域內(nèi)的重污染區(qū)、分析本區(qū)域內(nèi)空氣污染的原因，為制定本區(qū)域尾氣污染治理措施提供科學(xué)合理的依據(jù)。

所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員可以清楚地了解到，為描述的方便和簡(jiǎn)潔，僅以上述各功能模塊的劃分進(jìn)行舉例說(shuō)明，實(shí)際應(yīng)用中，可以根據(jù)需要而將上述功能分配由不同的功能模塊完成，即將裝置的內(nèi)部結(jié)構(gòu)劃分成不同的功能模塊，以完成以上描述的全部或者部分功能。

以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明披露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書(shū)的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。