[發明專利]基于CA模型的河道污染源定位系統及方法

在審

• 申請號: 202210001957.2
• 申請日: 2022-01-04
• 公開（公告）號: CN114330170A
• 公開（公告）日: 2022-04-12
• 發明（設計）人: 李林;陳丞璐;陳文洪;黃晨旭;趙紅梅
• 申請（專利權）人: 江西師范大學
• 主分類號: G06F30/28
• 分類號: G06F30/28;G06F17/18;G06Q50/26;G06F113/08
• 代理公司: 北京壹川鳴知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 11765
• 代理人: 范慶國

本發明涉及河道排污點定位技術領域，尤其涉及基于CA模型的河道污染源定位系統及方法。基于CA模型的河道污染源定位系統及方法，包括有水質自動監測站，在河道各個主要排污口附近分別布置有斷面監測點；當監測到河道中的污染物的濃度超等；自動記錄斷面監測點的水文信息和實時監測數據；構建元胞自動機模型，CA模型主要包括元胞空間、鄰域類型、元胞狀態、轉換規則和時間；設定輸入值并輸出結果。根據CA模型的特點，結合現有監測數據，可以有效地模擬水體中污染污擴散情況。

技術領域

本發明涉及河道排污點定位技術領域，尤其涉及基于CA模型的河道污染源定位系統及方法。

背景技術

面對突發性的河道水污染事件，其發生的突然性和危害的嚴重性會威脅到廣大人民的人身和財產安全，給社會經濟的發展帶來不可估量的損失。經調查分析，主要是由企業違規排放廢水和工廠事故泄漏造成的。在自動監測站監測到河水中污染物超標時，根據河流的水文特征選取合適的水動力學方程，以及真實的污染物濃度監測數據、污染源的分布數據等，通過構造相關模型并應用相關算法對污染源展開逆向追蹤。常用的溯源算法主要是遺傳算法、粒子群算法和模擬退火算法等，但存在容易陷入局部最優和搜索時間較長的問題。

CA模型是一種離散的空間擴展動力系統模擬方法，并用于研宄在水流、擴散規則的作用下，快速模擬河流水質中污染物濃度的變化情況，相比于水動力-微分方程，基于CA模型的算法是對復雜和有組織的系統進行動態過程展示的更好工具。因此，如何在CA模型的算法中結合現有監測條件加以改進使之能精確定位到污染源，是本領域人員所急需解決的技術問題。

發明內容

為了克服常用方法容易陷入局部最優和搜索時間較長的缺點，提供基于CA模型的河道污染源定位系統及方法。

技術方案：基于CA模型的河道污染源定位系統及方法，包括有水質自動監測站，在河道各個主要排污口附近分別布置有斷面監測點；

當監測到河道中的污染物的濃度超標時，自動記錄斷面監測點的水文信息和實時監測數據，主要流程包括：

1)監測站處河流的斷面面積A、河底高程、土地利用類型、水流流速、斷面監測流量、以及監測站監測到的某段離散時間內污染物濃度變化數據，記為Mi(i＝1，2，...，n)。

2)利用EXCEL軟件分析連續日變化數據，得出污染物排放的周期規律，記為H；

3)實地探測河道主要排污口的空間位置分布，記為L；

進一步地，還包括有構建元胞自動機模型，CA模型主要包括元胞空間、鄰域類型、元胞狀態、轉換規則和時間；設定輸入值并輸出結果，主要步驟如下：

S01通常情況，污染物在河道的擴散方向中垂向擴散較小，橫向水流速度也較小，在此忽略河道污染物擴散的垂向和橫向擴散系數，即構建的河道污染物擴散方式可簡化為二維元胞空間；

S02二維元胞空間適合采用Moor鄰域，其每個元胞以與其相鄰的上下左右和對角線上的8個元胞作為鄰域元胞進行信息傳遞；

S03河流CA模型元胞狀態的參數集，包括有靜態參數集和動態參數集；

S04轉換規則包括水流擴散、隨流輸移和衰減過程；水流作用的擴散規則：M＝

輪污染物隨流輸移規則：S＝，隨水輸移的速度及方向同水流流速流向相同，但每一步的輸移距離L隨流向的不同而變化；

衰減規則，引入衰減系數,以修正各元胞間的擴散作用；

S05再根據MATLAB軟件程序進行CA模型的運算以及輸出結果的可視化表達。

進一步地，步驟S05具體流程如下：