有毒有害气体泄露溯源新方法技术

本发明专利技术公开了一种有毒有害气体泄露溯源新方法，首先，采用基于移动策略的监测车进行有毒有害气体的监测，可以保证在任何地方发生泄漏时都能监测到有效数据，而且明显较低建设成本，其次，采用最小二乘法建立目标函数，计算量小，对硬件的要求低，最后，将遗传算法与禁忌搜索算法采用镶嵌耦合的策略，须先采用遗传算法进行粗略定位，再用禁忌搜索算法进行精细定位，在克服了遗传算法的早熟的缺点的同时，又克充分利用了禁忌搜索算法的搜索能力，达到的定位精度高，定位速度快的目标，在有毒有害气体泄漏事故现场有着巨大的优势。本发明专利技术建设成本低、定位精度高、定位速度快，能实现泄漏源事故的快速源估计，为后续的应急管理提供强有力的支持。的支持。的支持。

【技术实现步骤摘要】
有毒有害气体泄露溯源新方法


[0001]本专利技术涉及公共安全应急管理领域，特别是涉及有毒有害气体泄漏扩散事故源项估计的方法。

技术介绍

[0002]随着国民经济的不断发展，尤其是近些年来石油化工行业的迅猛发展，涉及到化工生产的原材料，中间产品和最终成品的企业增多。在工业园区中，大量有毒有害的的化工液体、气体集中放置，使泄漏的可能性陡增，而一旦发生泄漏，由于危化品事故的毒害性、扩散性、突发性以及不确定性等特点，再加上环境因素例如风速的影响，会给周围环境的居民带来巨大的危害，对公共安全产生巨大的威胁。
[0003]在发生有毒有害气体泄漏事故后，如何能够既快又准地锁定泄漏点位置，估算泄漏源强，进行快速的应急处理，成为了事故应急救援中亟待解决的问题。通过部署传感器阵列，用监测到的气体浓度来估算源强和源位置，这为后续的应急管理决策提供了强有力的支持，提升了应急疏散的效果，为制定疏散计划提供决策参考，从而减少人员伤亡和财产损失。
[0004]目前，针对源项估计(Q,x,y,z)主要有以下几种方法：第一是通过传感器监测到的气体浓度，利用大气扩散方程直接反解得到数值解或者解析解，这种方法计算量大，对环境的要求比较高，敏感性强，而且在现场情况下，时效性差；第二是利用无人飞行机在工业园区上方整个区域进行全局搜索定位，这种方法精度高，能很快的监测到泄漏源，但是需要的成本也比较高，对无色无味的有毒气体难以捕捉，而且泄漏源的浓度还需要再借助其他方法确定；第三是随机逼近的方法，通过预测模型计算出在模型参数下传感器观察值出现的似然值，再利用似然值来改进对模型参数的估计，此方法的先验信息需要获取大量的历史数据，这与事故发生后快速响应的要求不符。由此，针对有毒有害气体泄漏事故，源项估计的准确性、稳定性和时效性就显得尤为重要。

技术实现思路

[0005]为了解决现有技术中存在的问题，本专利技术提供一种有毒有害气体泄露溯源新方法，解决现有技术中有毒有害气体泄漏事故，源项估计的准确性、稳定性和时效性不佳的问题。
[0006]本专利技术的技术方案为：
[0007]首先，在工业园区内部采取移动监测车和传感器结合的方法监测有毒有害气体浓度，将工业园区进行区域的划分，根据不同区域发生事故的可能性和工业园区的常年风向，合理部署移动监测车和传感器的初始位置，以保证在不同区域发生有毒有害气体泄漏时都能通过监测车或者传感器监测到有效的浓度数据，同时记录监测到浓度数据的地方在地理坐标系中的位置；其次，监测大气环境数据，通过气象仪监测到实时的风速和相对于地理坐标系的风向偏角；再次，通过气象仪采集的风向相对于地理坐标系会有一定的偏角θ，所以
将地理坐标系在xoy平面旋转一个角度θ，建立标准风向坐标系，再以风向坐标系的x0轴逆时针方向旋转90度作为y0轴方向，竖直向上为z0轴建立标准风向坐标系，将传感器阵列采集到的监测数据，以及数据采集的时刻和监测到数据的地方在标准风向坐标系中的坐标进行记录；再次，基于监测到的风速数据和气体的数据，根据Pasquill—Giffod稳定度分类方法，获得相关大气稳定度，再根据地面粗糙度和大气稳定度，得到修正的扩散系数，通过Fick扩散定律和质量守恒定律，建立高斯烟羽模型；另外，确定源参数估计的方法，基于建立的气体扩散模型，建立监测车或者传感器监测的浓度C
ce
(i)与通过扩散模型计算的浓度C
cal
(i)，两者差的平方和作为目标函数，通过求解目标函数的最小值获得最优解；除此之外，建立反求模型，选取目标函数为适应度函数，采用遗传算法与禁忌搜索算法镶嵌的耦合策略进行优化计算，须先初始化种群：在工业园区内将源强，源位置进行实值编码，再用遗传算法进行粗略定位，将遗产算法得到的粗略定位结果引人禁忌搜索算法，实现精确定位；最后，坐标系的转化，利用风向偏角，将在标准风向坐标系中的坐标进行坐标转化，得到在地理坐标系中的源位置坐标，即所求的泄漏事故源的位置坐标。
[0008]本专利技术有益效果：
[0009]首先，采用本专利技术基于移动策略的监测车进行有毒有害气体的监测，可以保证在任何地方发生泄漏时都能监测到有效数据，而且明显较低建设成本，其次，采用最小二乘法建立目标函数，计算量小，对硬件的要求低，最后，将遗传算法与禁忌搜索算法采用镶嵌耦合的策略，须先采用遗传算法进行粗略定位，再用禁忌搜索算法进行精细定位，在克服了遗传算法的早熟的缺点的同时，又克充分利用了禁忌搜索算法的搜索能力，达到的定位精度高，定位速度快的目标，在有毒有害气体泄漏事故现场有着巨大的优势。
[0010]本专利技术建设成本低、定位精度高、定位速度快，能实现泄漏源事故的快速源估计，为后续的应急管理提供强有力的支持。
附图说明
[0011]图1为本专利技术所描述的一种有毒有害气体泄漏源项估计的方法的主流程图；
[0012]图2为地理坐标系与标准风向坐标系的坐标转换图；
[0013]图3为有毒有害气体源估计参数迭代优化流程图。
具体实施方式
[0014]为了使本专利技术技术手段，目的更加通俗易懂，下面结合附图进一步阐述本专利技术。本专利技术所提供的一种有毒有害气体泄漏源项估计的方法，主要流程图如图1所示，主要包含以下步骤：
[0015]步骤1：工业园区内，根据可能发生泄漏的区域，划分园区，根据区域的划分，进行移动监测车和传感器初始位置的布置，监测车和传感器位置的部署主要依据以下几点：
[0016](1)整个监测区域内无障碍物，则根据本区域的常年风向频率，将传感器的初始位置多数部署在下风向；
[0017](2)如果在监测区域内存在较高的建筑物，那么气体更有可能绕过障碍物，而不是越过障碍物，所以在障碍物周围布置传感器；
[0018](3)一旦发生有毒有害气体泄漏，如果传感器监测到的有效数据不足，将利用移动
监测车进行大规模搜索，如检测到有毒有害气体的浓度超过阈值，即认为到达了泄漏事故影响区域，转为小规模搜索；
[0019](4)小规模搜索开始，基于梯度信息，先沿某一方向移动一段距离，监测气体浓度，如果新位置的浓度小于原位置，则监测车向原位置的反方向移动，到达新位置后再基于浓度梯度信息调整移动方向。
[0020]工业园区中一旦发生泄漏，可保证在不同区域发生有毒有害气体泄漏时下风向都能有监测到有效的浓度数据，同时记录各个传感器在地理坐标系中的位置；根据传感器的测量半径，采取以组为单位，通过调研，当发生泄漏时，监测到有效浓度数据为20时，反算效果较优。
[0021]步骤2：实时监测大气环境数据，假设在有毒有害气体扩散过程中，大气环境稳定，没有剧烈的湍流现象，通过气象仪监测到实时的风速与风向偏角。
[0022]步骤3：建立标准风向坐标系，通过气象仪采集的风向会有一定的偏角θ，所以将地理坐标系在xoy面上旋转一个角度θ，建立标准风向坐标系。地理坐标系的x轴，y轴,是以正东方向和正北方向建立，竖直向上的方向为z轴方向，由于风向并不一定沿着x轴，y轴方向，会有一本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种有毒有害气体泄露溯源新方法，其特征在于，包括以下步骤：首先，在工业园区内部采取移动监测车和传感器结合的方法监测有毒有害气体浓度，将工业园区进行区域的划分，根据不同区域发生事故的可能性和工业园区的常年风向，合理部署移动监测车和传感器的初始位置，以保证在不同区域发生有毒有害气体泄漏时都能通过监测车或者传感器监测到有效的浓度数据，同时记录监测到浓度数据的地方在地理坐标系中的位置；其次，监测大气环境数据，通过气象仪监测到实时的风速和相对于地理坐标系的风向偏角；再次，通过气象仪采集的风向相对于地理坐标系会有一定的偏角θ，所以将地理坐标系在xoy平面旋转一个角度θ，建立标准风向坐标系，再以风向坐标系的x0轴逆时针方向旋转90度作为y0轴方向，竖直向上为z0轴建立标准风向坐标系，将传感器阵列采集到的监测数据，以及数据采集的时刻和监测到数据的地方在标准风向坐标系中的坐标进行记录；再次，基于监测到的风速数据和气体的数据，根据Pasquill—Giffod稳定度分类方法，获得相关大气稳定度，再根据地面粗糙度和大气稳定度，得到修正的扩散系数，通过Fick扩散定律和质量守恒定律，建立高斯烟羽模型；另外，确定源参数估计的方法，基于建立的气体扩散模型，建立监测车或者传感器监测的浓度C
ce
(i)与通过扩散模型计算的浓度C
cal
(i)，两者差的平方和作为目标函数，通过求解目标函数的最小值获得最优解；除此之外，建立反求模型，选取目标函数为适应度函数，采用遗传算法与禁忌搜索算法镶嵌的耦合策略进行优化计算，须先初始化种群：在工业园区内将源强，源位置进行实值编码，再用遗传算法进行粗略定位，将遗产算法得到的粗略定位结果引人禁忌搜索算法，实现精确定位；最后，坐标系的转化，利用风向偏角，将在标准风向坐标系中的坐标进行坐标转化，得到在地理坐标系中的源位置坐标，即所求的泄漏事故源的位置坐标。2.根据权利要求1所述有毒有害气体泄露溯源新方法，其特征在于，所述移动监测车和传感器的部署主要包括：(1)整个监测区域内无障碍物，则根据本区域的常年风向频率，将传感器的初始位置多数部署在下风向；(2)如果在监测区域内存在较高的建筑物，那么气体更有可能绕过障碍物，而不是越过障碍物，所以在障碍物周围布置传感器；(3)一旦发生有毒有害气体泄漏，如果传感器监测到的有效数据不足，将利用移动监测车进行大规模搜索，如检测到有毒有害气体的浓度超过阈值，即认为到达了泄漏事故影响区域，转为小规模搜索；(4)小规模搜索开始，基于梯度信息，先沿某一方向移动一段距离，监测气体浓度，如果新位置的浓度小于原位置，则监测车向原位置的反方向移动，到达新位置后再基于浓度梯度信息调整移动方向。3.根据权利要求1所述有毒有害气体泄露溯源新方法，其特征在于，地理坐标系与标准风向坐标系的坐标换算关系由下式(1)建立，
式中(a,b,c)表示标准风向坐标系中的坐标，(A,B,C)表示地理坐标系中的坐标。4.根据权利要求1所述有毒有害气体泄露溯源新方法，其特征在于，所述高斯烟羽模型为：C(x,y,z)：空间中任意一点的有毒...

【专利技术属性】
技术研发人员：娄本亮，谢宇新，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：