[發明專利]一種城市路網大氣污染物濃度時空分布實時監測系統

在審

• 申請號: 201611267881.9
• 申請日: 2016-12-31
• 公開（公告）號: CN106650159A
• 公開（公告）日: 2017-05-10
• 發明（設計）人: 康宇;李澤瑞;呂文君;陳國勇;許鎮義
• 申請（專利權）人: 中國科學技術大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50;G06K9/62
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司11251
• 代理人: 楊學明,顧煒

技術領域

本發明涉及一種城市路網大氣污染物濃度時空分布實時監測系統，屬于大氣污染實時監測技術

背景技術

隨著城市機動車保有量的增加與工業污染源的移出，機動車尾氣排放已經漸漸成為城市大氣的主要污染源，大量的研究表明，居住在靠近主干道的生活區中的居民，由于長時間的暴露在尾氣污染之中，其患哮喘、肺結核以及各種心腦血管疾病的概率都會大大增加。因此，如果能夠實時的獲取城市路網大氣污染物濃度的時空分布，這將會對制定治理污染的相關政策提供巨大的幫助。但是，由于城市路網龐大、污染物化學反應復雜、擴散模型不精確等因素，實現這種實時監測一直是十分困難的。

常用的方法是不另行增加設備或者增加少量的監測設備，結合擴散模型(如OSPM等)并利用已有信息(如交通流量、排放因子、氣象參數等)來推算出污染物濃度。由于擴散模型十分復雜而且不夠精確，所以只能得到大概的污染情況。用神經網絡模型、最小方差模型以及自回歸模型來辨識出已有的數據與濃度之間的關系是一種較為精確的方法，但是由于每條街道都需要事先做實驗來確定這種數學關系，而且需要定期校正，該方法的實用性也不是很強。

發明內容

本發明技術解決問題：克服現有技術的不足，提出一種城市路網大氣污染物濃度時空分布實時監測系統，利用了道路上已有的各類交通傳感器設備，通過大氣建模與數據融合技術，在不需要增加額外設備的條件下，實現了道路大氣污染物濃度的較為準確的實時監測，為制定治理污染的相關政策提供數據支撐。

本發明技術解決方案：

一種城市路網大氣污染物濃度時空分布實時監測系統，包括：數據中心和傳感器網絡；所述傳感器網絡包括分布在路網中的多個傳感器構成，將多個傳感器形成的實時監測數據傳輸到數據中心，數據中心結合其他外部數據庫(車輛信息數據庫、車輛年檢數據庫、城市路網地理信息數據庫、城市空氣污染監測數據庫)的數據，使用自校正異步互補濾波算法對數據進行融合，最終實現大氣污染物濃度時空分布的實時精確監測。

所述的傳感器網絡由固定式交通排放監測器、移動式大氣污染監測器、交通流傳感器以及道路氣象監測器組成。分別實現對交通污染排放的監測、對道路大氣污染物濃度的監測、對交通流量的監測以及對道路氣象的監測。

所述自校正異步互補濾波算法包括污染物擴散隨機差分方程模型、異步互補濾波器和自校正調節器；污染物擴散隨機差分方程描述了大氣污染物的擴散過程，異步互補濾波器可以將傳感器網絡產生的數據進行融合以獲得準確的污染物濃度時空分布，自校正調節器可以調節異步互補濾波器中的權重系數以保證濾波器的性能。

所述污染物擴散隨機差分方程模型具有如下形式：

x_t＝kx_t-1+χ+u_t-1+w_t-1

其中x_t代表道路氣體污染物濃度，χ＝(1-k)μ代表污染物靜態濃度，μ代表高層空氣中的平均污染物濃度，u_t代表由交通引起的大氣污染物濃度增加量，w_t表示高斯白噪聲，k∈(0,1)是擴散系數，t表示時間；

所述異步互補濾波器，為如下形式：

其中是在時間t的最優估計；y_t表示移動式大氣污染監測器對大氣污染物濃度的檢測值，是移動式大氣污染監測器的噪聲，為高斯白噪聲，p_t與q_t為誤差方差。

假設p_t＝p，P_t＝P及q_t＝q，則權重系數其中N為同步周期系數，K＝k^N為同步擴散系數，為同步噪聲，也是一個高斯白噪聲，同步方差

所述自校正調節器，具有如下形式：

其中為P_Nt的估計，為q_Nt的估計，為相關函數r⁽⁰⁾與r⁽¹⁾的估計，0＜λ＜1代表遺忘因子，檢測差分序列z_Nt+N＝y_Nt+N-Ky_Nt-U_Nt是兩個獨立隨機過程W_Nt和v_Nt+N-Kv_Nt之和。

本發明與現有技術相比的優點在于：