一種有毒有害氣體泄漏擴散事故源定位方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及公共安全應急監測技術，特別是涉及一種有毒有害氣體泄漏擴散事故 的事故源定位方法。
【背景技術】
[0002] 隨著化學工業園區成為石油化工行業發展的主流模式，大量的危險化學品企業形 成區域性集中發展態勢，加劇了事故災害風險。有毒有害氣體泄漏擴散事故是重特大工業 事故災害類型之一，由于大氣環境介質的運載與傳播作用，此類事故往往影響區域范圍大、 波及人口眾多，對公共安全構成巨大威脅。
[0003] 如何快速而準確的預測及估計氣體泄漏擴散源位置，成為應急救援中的一項關鍵 技術問題。通過在應急監測區域部署氣體傳感器，對未知的有毒有害氣體泄漏擴散源進行 定位，將為應急響應部門提供及時有效的決策支持。
[0004] 現有的技術方法主要包括以下三類：
[0005] (1)最近節點法。主要基于無線傳感器網絡技術，以區域性、大規模部署的傳感器 陣列中監測濃度最大的節點位置作為近似的氣體源。該方法基于氣體擴散衰減模型，不考 慮風速風向等氣象參數的影響，同時氣體源定位精度與所部署傳感器節點密度呈現顯著的 正相關，因此要求在探測區域部署大量的監測傳感器，投放及管理成本高。
[0006] (2)預測模型法。主要基于高斯擴散模型，通過對監測區域進行網格劃分，以不同 網格節點作為氣體源進行正向擴散濃度演算預測，并將預測值與監測值比較以確定最佳匹 配的氣體源節點。該方法氣體源定位精度與區域網格劃分的密度密切相關，網格數量的增 加將導致計算量激增，因此計算的效率偏低。
[0007] (3)概率模型法。主要基于貝葉斯推理技術，通過預測模型計算出在假定氣體源位 置下傳感器觀測值出現的似然值，再利用似然值來改進對氣體源位置參數的估計。該方法 雖然可得到一定置信度下氣體源位置參數在參數空間的概率分布信息，但其結果對先驗概 率的依賴程度極高，而先驗信息需要通過大量的歷史統計數據加以獲取，這一要求在突發 事故場景、要求快速應急響應的情況下難以實現。

【發明內容】

[0008] 為了克服上述現有技術的不足，本發明提供了一種有毒有害氣體泄漏擴散事故源 定位方法。
[0009] 本發明的目的通過如下技術方案實現。
[0010] 一種有毒有害氣體泄漏擴散事故源定位方法，將擴散預測模型與監測傳感器采集 數據相結合，進行氣體源參數的反向演算，尋找最佳參數組合方案，使得預測模型計算值與 監測觀測值間的誤差最小化，具體實施步驟如下：
[0011] 步驟1:監測傳感器陣列部署，在監測區域內部署用于監測氣體濃度的傳感器陣 列，并記錄各監測點在地理坐標系統中的位置坐標；
[0012] 步驟2 :獲取氣象監測數據，假設氣體擴散過程中大氣環境因素保持穩定，通過風 速風向儀獲取監測區域的穩態風速與風向角度數據；
[0013] 步驟3 :建立標準風向坐標系統，利用氣象監測得到的穩態風向角Θ，對原有地理 坐標系統在水平面上進行一定角度的旋轉，得到以X軸為正風向的標準風向坐標系統；
[0014] 步驟4:從監測傳感器陣列獲取氣體濃度監測數據，對監測區域內的非零觀測數 據進行記錄，包括氣體濃度監測值、觀測時刻、監測點在標準風向坐標系統中的位置坐標；
[0015] 步驟5 :氣體源參數優化計算，采用高斯煙團擴散預測模型，基于最小二乘原理， 構建氣體源參數的優化模型，采用粒子群優化法，進行多維解空間的全局搜索，得到最優參 數組合；
[0016] 步驟6 :氣體源地理位置坐標轉換，再次利用氣象監測得到的穩態風向角，將步驟 5計算得到的氣體源在標準風向系統中的位置坐標，轉換為地理位置坐標，該地理位置坐標 即為有毒有害氣體泄漏擴散事故源位置。
[0017] 進一步地，步驟1所述的地理坐標系統（? ye，ze)，具體是：以監測區域內平均水 準面的切平面作為地面水平面；水平面坐標y軸以正北方向為正；水平面坐標X軸以正東 方向為正；垂直坐標z軸以垂直水平地面向上方向為正；取監測區域水平地面的西南角作 為地理坐標系原點。
[0018] 進一步地，步驟3所述的標準風向坐標系統（xw，yw，z w)，具體是：以監測區域內平 均水準面的切平面作為地面水平面；水平面以正風向為坐標X軸，以橫風向為坐標y軸，以 垂直水平面方向為坐標z軸；與地理坐標系統具有公共原點；標準風向坐標系統的位置坐 標通過地理坐標系統轉換得到，表示為：
【主權項】
1. 一種有毒有害氣體泄漏擴散事故源定位方法，其特征在于包括如下步驟： 步驟1 :監測傳感器陣列部署，在監測區域內部署用于監測氣體濃度的傳感器陣列，并 記錄各監測點在地理坐標系統中的位置坐標； 步驟2 :獲取氣象監測數據，假設氣體擴散過程中大氣環境因素保持穩定，通過風速風 向儀獲取監測區域的穩態風速與風向角度數據； 步驟3 :建立標準風向坐標系統，利用氣象監測得到的穩態風向角Θ，對原有地理坐標 系統在水平面上進行一定角度的旋轉，得到以X軸為正風向的標準風向坐標系統； 步驟4 :從監測傳感器陣列獲取氣體濃度監測數據，對監測區域內的非零觀測數據進 行記錄，包括氣體濃度監測值、觀測時亥I」、監測點在標準風向坐標系統中的位置坐標； 步驟5 :氣體源參數優化計算，采用高斯煙團擴散預測模型，基于最小二乘原理，構建 氣體源參數的優化模型，采用粒子群優化法，進行多維解空間的全局搜索，得到最優參數組 合； 步驟6 :氣體源地理位置坐標轉換，再次利用氣象監測得到的穩態風向角，將步驟5計 算得到的氣體源在標準風向系統中的位置坐標，轉換為地理位置坐標，該地理位置坐標即 為有毒有害氣體泄漏擴散事故源位置。
2. 根據權利要求1所述的一種有毒有害氣體泄漏擴散事故源定位方法，其特征在于步 驟1所述的地理坐標系統（? ye，Ze)，具體是：以監測區域內平均水準面的切平面作為地面 水平面；水平面坐標y軸以正北方向為正；水平面坐標X軸以正東方向為正；垂直坐標z軸 以垂直水平地面向上方向為正；取監測區域水平地面的西南角作為地理坐標系原點。
3. 根據權利要求1所述的一種有毒有害氣體泄漏擴散事故源定位方法，其特征在于步 驟3所述的標準風向坐標系統（xw，y w，zw)，具體是：以監測區域內平均水準面的切平面作為 地面水平面；水平面以正風向為坐標X軸，以橫風向為坐標y軸，以垂直水平面方向為坐標 z軸；與地理坐標系統具有公共原點；標準風向坐標系統的位置坐標通過地理坐標系統轉 換得到，表示為：
式（1)中，（XW，yw，Zw)為風向坐標系坐標；(? yc，zc)為地理信息系統坐標；Θ為正風 向與正北方向的夾角。
4. 根據權利要求1所述的一種有毒有害氣體泄漏擴散事故源定位方法，其特征在于步 驟5所述的氣體源參數的優化模型是以氣體濃度監測值與擴散模型預測值之間的誤差平 方和最小化作為目標函數，表示為：
式（2)中，多維變量（Qc^xtl, yci，^tci)表示氣體泄漏擴散源的源強Qtl、泄漏源在風向坐 標系中的位置坐標（?,、Ztl)、泄漏擴散起始時刻表示監測點獲取的監測濃度值； Ccal表示基于高斯煙團模型的監測點濃度計算值；i表示非零氣體濃度觀測數據的序號；η 表示非零氣體濃度觀測數據的個數，η多10。
【專利摘要】本發明公開了一種有毒有害氣體泄漏擴散事故源定位方法，屬于公共安全應急監測技術領域；本發明所采用的技術方案是通過將擴散預測模型與監測傳感器采集數據相結合，進行氣體源參數的反向演算，使得預測模型計算值與監測值間的誤差最小化；本發明所述的氣體源定位方法包括以下步驟，步驟1：監測傳感器陣列部署；步驟2：獲取氣象監測數據；步驟3：建立標準風向坐標系統；步驟4：選取氣體濃度監測數據；步驟5：氣體源位置參數優化計算；步驟6：氣體源地理位置坐標轉換。采用本發明所述的氣體泄漏擴散源定位方法，能夠實現區域性有毒有害氣體泄漏擴散源的快速、準確定位，為應急響應部門提供及時有效的決策支持。
【IPC分類】G01V9-00
【公開號】CN104834017
【申請號】CN201510219311
【發明人】陳國華, 陳瓏凱
【申請人】華南理工大學
【公開日】2015年8月12日
【申請日】2015年4月30日