一种有毒有害气体泄漏扩散事故源定位方法技术

本发明专利技术公开了一种有毒有害气体泄漏扩散事故源定位方法，属于公共安全应急监测技术领域；本发明专利技术所采用的技术方案是通过将扩散预测模型与监测传感器采集数据相结合，进行气体源参数的反向演算，使得预测模型计算值与监测值间的误差最小化；本发明专利技术所述的气体源定位方法包括以下步骤，步骤1：监测传感器阵列部署；步骤2：获取气象监测数据；步骤3：建立标准风向坐标系统；步骤4：选取气体浓度监测数据；步骤5：气体源位置参数优化计算；步骤6：气体源地理位置坐标转换。采用本发明专利技术所述的气体泄漏扩散源定位方法，能够实现区域性有毒有害气体泄漏扩散源的快速、准确定位，为应急响应部门提供及时有效的决策支持。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及公共安全应急监测技术，特别是涉及一种有毒有害气体泄漏扩散事故 的事故源定位方法。
技术介绍
随着化学工业园区成为石油化工行业发展的主流模式，大量的危险化学品企业形 成区域性集中发展态势，加剧了事故灾害风险。有毒有害气体泄漏扩散事故是重特大工业 事故灾害类型之一，由于大气环境介质的运载与传播作用，此类事故往往影响区域范围大、 波及人口众多，对公共安全构成巨大威胁。 如何快速而准确的预测及估计气体泄漏扩散源位置，成为应急救援中的一项关键 技术问题。通过在应急监测区域部署气体传感器，对未知的有毒有害气体泄漏扩散源进行 定位，将为应急响应部门提供及时有效的决策支持。 现有的技术方法主要包括以下三类： (1)最近节点法。主要基于无线传感器网络技术，以区域性、大规模部署的传感器 阵列中监测浓度最大的节点位置作为近似的气体源。该方法基于气体扩散衰减模型，不考 虑风速风向等气象参数的影响，同时气体源定位精度与所部署传感器节点密度呈现显著的 正相关，因此要求在探测区域部署大量的监测传感器，投放及管理成本高。 (2)预测模型法。主要基于高斯扩散模型，通过对监测区域进行网格划分，以不同 网格节点作为气体源进行正向扩散浓度演算预测，并将预测值与监测值比较以确定最佳匹 配的气体源节点。该方法气体源定位精度与区域网格划分的密度密切相关，网格数量的增 加将导致计算量激增，因此计算的效率偏低。 (3)概率模型法。主要基于贝叶斯推理技术，通过预测模型计算出在假定气体源位 置下传感器观测值出现的似然值，再利用似然值来改进对气体源位置参数的估计。该方法 虽然可得到一定置信度下气体源位置参数在参数空间的概率分布信息，但其结果对先验概 率的依赖程度极高，而先验信息需要通过大量的历史统计数据加以获取，这一要求在突发 事故场景、要求快速应急响应的情况下难以实现。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的不足，本专利技术提供了一种有毒有害气体泄漏扩散事故源 定位方法。 本专利技术的目的通过如下技术方案实现。 ，将扩散预测模型与监测传感器采集 数据相结合，进行气体源参数的反向演算，寻找最佳参数组合方案，使得预测模型计算值与 监测观测值间的误差最小化，具体实施步骤如下： 步骤1:监测传感器阵列部署，在监测区域内部署用于监测气体浓度的传感器阵 列，并记录各监测点在地理坐标系统中的位置坐标； 步骤2 :获取气象监测数据，假设气体扩散过程中大气环境因素保持稳定，通过风 速风向仪获取监测区域的稳态风速与风向角度数据； 步骤3 :建立标准风向坐标系统，利用气象监测得到的稳态风向角Θ，对原有地理 坐标系统在水平面上进行一定角度的旋转，得到以X轴为正风向的标准风向坐标系统； 步骤4:从监测传感器阵列获取气体浓度监测数据，对监测区域内的非零观测数 据进行记录，包括气体浓度监测值、观测时刻、监测点在标准风向坐标系统中的位置坐标； 步骤5 :气体源参数优化计算，采用高斯烟团扩散预测模型，基于最小二乘原理， 构建气体源参数的优化模型，采用粒子群优化法，进行多维解空间的全局搜索，得到最优参 数组合； 步骤6 :气体源地理位置坐标转换，再次利用气象监测得到的稳态风向角，将步骤 5计算得到的气体源在标准风向系统中的位置坐标，转换为地理位置坐标，该地理位置坐标 即为有毒有害气体泄漏扩散事故源位置。 进一步地，步骤1所述的地理坐标系统（? ye，ze)，具体是：以监测区域内平均水 准面的切平面作为地面水平面；水平面坐标y轴以正北方向为正；水平面坐标X轴以正东 方向为正；垂直坐标z轴以垂直水平地面向上方向为正；取监测区域水平地面的西南角作 为地理坐标系原点。 进一步地，步骤3所述的标准风向坐标系统（xw，yw，z w)，具体是：以监测区域内平 均水准面的切平面作为地面水平面；水平面以正风向为坐标X轴，以横风向为坐标y轴，以 垂直水平面方向为坐标z轴；与地理坐标系统具有公共原点；标准风向坐标系统的位置坐 标通过地理坐标系统转换得到，表示为：【主权项】1. ，其特征在于包括如下步骤： 步骤1 :监测传感器阵列部署，在监测区域内部署用于监测气体浓度的传感器阵列，并 记录各监测点在地理坐标系统中的位置坐标； 步骤2 :获取气象监测数据，假设气体扩散过程中大气环境因素保持稳定，通过风速风 向仪获取监测区域的稳态风速与风向角度数据； 步骤3 :建立标准风向坐标系统，利用气象监测得到的稳态风向角Θ，对原有地理坐标 系统在水平面上进行一定角度的旋转，得到以X轴为正风向的标准风向坐标系统； 步骤4 :从监测传感器阵列获取气体浓度监测数据，对监测区域内的非零观测数据进 行记录，包括气体浓度监测值、观测时亥I」、监测点在标准风向坐标系统中的位置坐标； 步骤5 :气体源参数优化计算，采用高斯烟团扩散预测模型，基于最小二乘原理，构建 气体源参数的优化模型，采用粒子群优化法，进行多维解空间的全局搜索，得到最优参数组 合； 步骤6 :气体源地理位置坐标转换，再次利用气象监测得到的稳态风向角，将步骤5计 算得到的气体源在标准风向系统中的位置坐标，转换为地理位置坐标，该地理位置坐标即 为有毒有害气体泄漏扩散事故源位置。2. 根据权利要求1所述的，其特征在于步 骤1所述的地理坐标系统（? ye，Ze)，具体是：以监测区域内平均水准面的切平面作为地面 水平面；水平面坐标y轴以正北方向为正；水平面坐标X轴以正东方向为正；垂直坐标z轴 以垂直水平地面向上方向为正；取监测区域水平地面的西南角作为地理坐标系原点。3. 根据权利要求1所述的，其特征在于步 骤3所述的标准风向坐标系统（xw，y w，zw)，具体是：以监测区域内平均水准面的切平面作为 地面水平面；水平面以正风向为坐标X轴，以横风向为坐标y轴，以垂直水平面方向为坐标 z轴；与地理坐标系统具有公共原点；标准风向坐标系统的位置坐标通过地理坐标系统转 换得到，表示为：式（1)中，（XW，yw，Zw)为风向坐标系坐标；(? yc，zc)为地理信息系统坐标；Θ为正风 向与正北方向的夹角。4. 根据权利要求1所述的，其特征在于步 骤5所述的气体源参数的优化模型是以气体浓度监测值与扩散模型预测值之间的误差平 方和最小化作为目标函数，表示为：式（2)中，多维变量（Qc^xtl, yci，^tci)表示气体泄漏扩散源的源强Qtl、泄漏源在风向坐 标系中的位置坐标（?,、Ztl)、泄漏扩散起始时刻表示监测点获取的监测浓度值； Ccal表示基于高斯烟团模型的监测点浓度计算值；i表示非零气体浓度观测数据的序号；η 表示非零气体浓度观测数据的个数，η多10。【专利摘要】本专利技术公开了，属于公共安全应急监测
；本专利技术所采用的技术方案是通过将扩散预测模型与监测传感器采集数据相结合，进行气体源参数的反向演算，使得预测模型计算值与监测值间的误差最小化；本专利技术所述的气体源定位方法包括以下步骤，步骤1：监测传感器阵列部署；步骤2：获取气象监测数据；步骤3：建立标准风向坐标系统；步骤4：选取气体浓度监测数据；步骤5：气体源位置参数优化计算；步骤6：气体源地理位置坐标转换。采用本专利技术所述的气体泄漏扩散源定位方法，能够实现区域性有毒有害气体泄漏扩散源的快速、准确定位，为应本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种有毒有害气体泄漏扩散事故源定位方法，其特征在于包括如下步骤：步骤1：监测传感器阵列部署，在监测区域内部署用于监测气体浓度的传感器阵列，并记录各监测点在地理坐标系统中的位置坐标；步骤2：获取气象监测数据，假设气体扩散过程中大气环境因素保持稳定，通过风速风向仪获取监测区域的稳态风速与风向角度数据；步骤3：建立标准风向坐标系统，利用气象监测得到的稳态风向角θ，对原有地理坐标系统在水平面上进行一定角度的旋转，得到以x轴为正风向的标准风向坐标系统；步骤4：从监测传感器阵列获取气体浓度监测数据，对监测区域内的非零观测数据进行记录，包括气体浓度监测值、观测时刻、监测点在标准风向坐标系统中的位置坐标；步骤5：气体源参数优化计算，采用高斯烟团扩散预测模型，基于最小二乘原理，构建气体源参数的优化模型，采用粒子群优化法，进行多维解空间的全局搜索，得到最优参数组合；步骤6：气体源地理位置坐标转换，再次利用气象监测得到的稳态风向角，将步骤5计算得到的气体源在标准风向系统中的位置坐标，转换为地理位置坐标，该地理位置坐标即为有毒有害气体泄漏扩散事故源位置。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：陈国华，陈珑凯，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东;44