[發明專利]基于伴隨脈沖算法的室內氣態污染源時空信息估計方法

在審

• 申請號: 202211451922.5
• 申請日: 2022-11-18
• 公開（公告）號: CN116205150A
• 公開（公告）日: 2023-06-02
• 發明（設計）人: 古忠琳;李斐;景源琪;張杰;薛曉彤
• 申請（專利權）人: 南京工業大學
• 主分類號: G06F30/28
• 分類號: G06F30/28;G06F17/16;G06F111/08;G06F119/14;G06F119/08;G06F113/08
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本發明公開了一種基于伴隨脈沖算法的室內氣態污染源時空信息快速估計方法，該方法包括以下步驟：測量房間邊界條件，在房間內排風口位置布置污染物傳感器，作為主機傳感器，在房間內其他位置布置污染物傳感器，作為從機傳感器。利用伴隨脈沖方法通過求解伴隨方程，可以獲得傳感器對應計算域內所有位置的伴隨濃度響應，進而快速建立傳感器和泄漏源之間的響應特性矩陣；進一步利用正則化算法，通過殘差的計算比較，實現對計算域內所有潛在污染源時空信息的解析。本發明可以快速建立不同傳感器和大量潛在源之間的響應矩陣，大大縮短了正向仿真試算的時間，能夠快速準確地識別污染源位置和釋放速率，對于改善室內空氣質量具有重要意義。

技術領域

本發明屬于建筑環境及健康領域，具體涉及一種基于伴隨脈沖算法的室內氣態污染源時空信息快速估計方法。

背景技術

室內空氣質量(IAQ)對居民來說很重要，因為人們大部分時間都在室內環境中度過。室內污染問題是導致病態建筑綜合癥(SBS)的一個重要因素，如果人們長期暴露在污染環境中，會引起頭痛、疲勞和呼吸困難等不適癥狀。近期，公共建筑的生物安全也備受關注。特別是對于一些呼吸道傳染病，如SARS和COVID-19，病原體可以以生物氣溶膠的形式傳播。如果不及時發現，將對人體健康造成極大危害。因此，基于傳感器檢測數據，一種良好的源項逆向估計算法對于空氣傳播病原體的源識別具有重要意義。

目前室內污染源定位方法可分為移動傳感器法和固定傳感器法。移動傳感器在機器人技術和無人機的發展下能夠自動識別污染物的來源。基本概念主要受到生物行為的啟發，例如覓食和交配。然而，這種方法成本高昂，并且通常適用于人工訪問不方便的情況。對于固定傳感器的源識別，可以分為三種類型：后向、前向和伴隨概率方法。后向方法是直接求解具有負時間步長的前向輸運方程，主要包括準可逆(QR)和拉格朗日可逆(LR)方法。后向方法需要準確可靠的氣流場。但在現實場景中，難以準確獲取氣流信息，限制了該方法的應用。前向法需要預先對潛在污染源進行大量前向模擬，然后利用目標函數計算傳感器監測數據與預測數據的匹配度。對于動態源的定位，傳感器響應通常比較復雜，求解過程伴隨著病態矩陣，引入正則化方法來保證求解的收斂性。雖然正則化方法可以避免源強度計算中的發散，但是通過前向模擬來建立傳感器與房間空間中所有潛在源之間的響應關系是非常費力的。伴隨概率方程對于連續排放源識別，需要已知源的先驗信息。但在實際情況中，污染源的排放形式通常是未知的。

因此，本發明提出了一種結合伴隨脈沖和正則化方法的新模型來識別整個房間中點污染源的位置和釋放強度。能夠快速準確地識別污染源釋放速率和位置，該方法對改善室內空氣質量具有重要意義。

發明內容

本發明的實施例提出了一種結合伴隨脈沖和正則化方法的新模型來識別整個空間中點污染源的位置和釋放強度方法，將該方法結合呼吸性傳染病特異性生物標志物傳感器，可以用于識別公共建筑中呼吸性傳染病病原體來源。

為達到上述目的，本發明的實施例采用如下技術方案：

本發明實施例提供一種基于伴隨脈沖算法的室內氣態污染源時空信息估計方法，包括：

第一步，測量房間邊界條件，包括送風口速度、壁面溫度、內熱源功率，在數值模擬軟件中模擬流場。流場模擬采用標準k-ε模型，使用SIMPLE算法來耦合壓力和動量方程，對所有其他變量使用一階迎風格式；

第二步，在房間內的排風口位置布置污染物傳感器，作為主機傳感器，在房間內主導氣流下游位置布置污染物傳感器，作為從機傳感器；

第三步，在數值模型中將流場取反，以矩形脈沖的形式分別在主傳感器位置與從傳感器位置以qs為強度釋放示蹤氣體，通過數值模擬獲得潛在泄漏源位置處對應的伴隨濃度隨時間變化的序列。以矩形脈沖的形式分別在主機傳感器位置與從機傳感器位置釋放示蹤氣體，矩陣脈沖的時長為測量的時間分辨率步長；

第四步，正向流場中傳感器位置處的污染物濃度與反向流場中源位置處的伴隨濃度成正比，其數學描述為：