针对博物馆展陈空间气流组织可视化的监测数据同化方法技术

针对博物馆展陈空间气流组织可视化的监测数据同化方法，涉及一种博物馆内的气流组织的监测数据同化方法。为了解决现有的博物馆内空气状态参数的监测方法使得流场可视化的结果与实际观测值产生较大误差的问题。本发明专利技术通过样本的正向模拟计算出边界条件与模拟结果之间的相关关系；然后基于迭代集合卡尔曼滤波，结合有限监测点的观测数据，计算各误差在模拟值与测量值的差值中所占的权重，反向推导出逼近实际工况的边界条件参数，并将优化后的边界条件参数重新代入CFD模型进行计算，循环迭代直至模拟结果与观测数据的差距达到收敛条件，获得能够反映博物馆展陈空间内较为真实的空气状态参数分布结果。主要用于博物馆展陈空间气流组织的监测。空间气流组织的监测。空间气流组织的监测。

【技术实现步骤摘要】
针对博物馆展陈空间气流组织可视化的监测数据同化方法


[0001]本专利技术涉及一种博物馆内的气流组织的监测数据同化方法。

技术介绍

[0002]温湿度等空气状态参数的监测和控制对于博物馆藏品保护非常重要。自2008年起，国内博物馆陆续建立了展陈环境温湿度监测系统，通过放置在展厅、展柜等不同位置的温湿度传感器，对文物保存环境中的温湿度数据进行连续监测和记录。但存在以下问题：展陈空间内能够放置的温湿度传感器数量始终是有限的，无法准确掌握热湿流场的空间全局分布情况，从而无法获知不同藏品所在位置的温湿度及变化情况。目前，可采用计算流体动力学(CFD)模拟来解决上述问题。利用室内环境CFD模拟，即在热湿负荷及空调设计参数已知的基础上实现流场可视化的数值模拟技术。然而在实际应用中，室外气象参数、照明和设备开启率以及观展人数的动态变化等因素导致展厅内的热湿负荷存在波动，同时，不同工况下的空调运行参数也有所变化，从而流场可视化的结果与实际观测产生较大差异。

技术实现思路

[0003]本专利技术是为了解决现有的博物馆内空气状态参数的监测方法使得流场可视化的结果与实际观测值产生较大误差的问题；进而提供一种针对博物馆展陈空间气流组织可视化的监测数据同化方法。
[0004]针对博物馆展陈空间气流组织可视化的监测数据同化方法，包括以下步骤：
[0005]S1、针对展陈空间内影响热湿环境的因素，确定模型边界条件中具有不确定性的条件参数变量，统计具有不确定性的条件参数变量的数量，并输入到数据同化算法程序中，同时向数据同化算法程序中输入各条件参数变量对应的条件参数值的区间范围；
[0006]根据每个条件参数变量在其变化区间内的一般分布规律，对各条件参数变量分别进行采样，并构建所有条件参数变量的初始集合E；
[0007]S2、向数据同化算法程序中输入展陈空间内无线监测系统所采集的观测数据，构建测量值向量；
[0008]S3、通过CFD正演模型分别对初始集合中的各元素进行求解，获得观测节点位置对应的空气状态参数模拟值矩阵；
[0009]S4、基于各条件参数变量的取样样本值与各空气状态参数模拟值之间的协方差矩阵、各空气状态参数模拟值之间的协方差矩阵以及测量误差方差矩阵，计算卡尔曼增益矩阵；
[0010]S5、通过集合卡尔曼滤波法修正集合元素中的条件参数变量的参数值并更新初始集合为E'；
[0011]S6、计算空气状态参数模拟值与空气状态参数测量值之间的均方根误差，设定收敛标准，判定计算收敛与否；当所有空气状态参数的RMSE均达到收敛标准时，则判定计算收敛，执行步骤S7；否则，令E＝E'，返回步骤S3，循环执行步骤S3～S6，直至迭代计算收敛；
[0012]S7、输出监测数据同化后博物馆展陈空间内气流组织的可视化结果。
[0013]进一步地，S1中，初始集合E的计算过程如下：
[0014]设模型边界条件中存在m个具有不确定性的条件参数变量x
i
，i＝1,2,3，
…
，m；设每个条件参数变量的取样数量为n，即初始集合中元素的数量为n，初始集合中的第j个元素为Z
j
＝[x
1,j
，x
2,j
，x
3,j
，
…
，x
m,j
]，j＝1,2,3,
…
,n；构成初始集合E＝[Z1，Z2，Z3，
···
，Z
n
]，对应的矩阵形式为：
[0015][0016]式中，x
i,j
——第i个条件参数变量的第j个取样样本值。
[0017]进一步地，S2中，构建测量值向量的计算过程如下：
[0018]设数据同化算法程序中所构建的测量值向量为Y，假设在一次测量中，在c个测量点测量d种空气状态参数，则观测数据共包含b＝c
×
d个空气状态参数测量值y
a
，a＝1,2,3，
…
，b；则测量值向量Y为：
[0019]Y＝[y
1 y2ꢀ…ꢀ
y
b
]T
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)。
[0020]进一步地，S3中，构建模拟值矩阵的具体计算过程如下：
[0021]将模型中的边界条件设定为集合E中每个元素的样本值，一组边界条件为一种工况，将集合E中的元素Z
j
分别代入CFD正演模型中，通过CFD模拟，对每个工况分别进行求解计算，获得各个工况对应的展陈空间流场分布模拟结果，构建模拟值矩阵P如下：
[0022][0023]式中，p
a,j
——第j个集合元素对应的第a个空气状态参数模拟值。
[0024]进一步地，S4中，卡尔曼增益矩阵的具体计算过程如下：
[0025]K＝C
xp
(C
pp
+R)
‑1ꢀꢀꢀ
(4)
[0026][0027][0028][0029][0030][0031][0032]式中，C
xp
——集合中的每个条件参数变量的取样样本值与各空气状态参数模拟值的协方差矩阵；C
xip
——集合中的第i个条件参数变量的取样样本值与各空气状态参数模拟值的协方差矩阵；C
pp
——各空气状态参数模拟值之间的协方差矩阵；R——测量误差方差矩阵，测量误差方差矩阵是由无线监测系统所采集的各测量值自身的背景噪声所组成的方差矩阵，其中σ
a
——第a个空气状态参数测量值标准差，由测量仪器误差限η
a
计算得，σ
a
＝η
a
/3；——输入的第i个条件参数变量n个样本的平均值；——第a个空气状态参数n个样本模拟值的平均值。
[0033]进一步地，S5中，修正后的初始集合E
’
、修正后的初始集合元素Z'
j
和修正后的条件参数变量样本x'
i,j
的计算过程如下：
[0034]E'＝E+K(YH
‑
P)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(11)
[0035]式中，H——将空气状态参数测量值投影至空气状态参数模拟值的投影矩阵，为1
×
n的元素均为1的矩阵，从而使空气状态参数测量值矩阵转化为b
×
n的矩阵；
[0036]则集合中的条件参数变量样本x
i,j
修正并更新如下：
[0037][0038][0039]进一步地，S6中，空气状态参数模拟值与空气状态参数测量值之间的均方根误差和收敛准则计算过程如下：
[0040]第a个空气状态参数模拟值与空气状态参数测量值的均方根误差计算如下：
[0041][0042]设置收敛准则为：
[0043]R本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.针对博物馆展陈空间气流组织可视化的监测数据同化方法，其特征在于：包括以下步骤：S1、针对展陈空间内影响热湿环境的因素，确定模型边界条件中具有不确定性的条件参数变量，统计具有不确定性的条件参数变量的数量，并输入到数据同化算法程序中，同时向数据同化算法程序中输入各条件参数变量对应的条件参数值的区间范围；根据每个条件参数变量在其变化区间内的一般分布规律，对各条件参数变量分别进行采样，并构建所有条件参数变量的初始集合E；S2、向数据同化算法程序中输入展陈空间内无线监测系统所采集的观测数据，构建测量值向量；S3、通过CFD正演模型分别对初始集合中的各元素进行求解，获得观测节点位置对应的空气状态参数模拟值矩阵；S4、基于各条件参数变量的取样样本值与各空气状态参数模拟值之间的协方差矩阵、各空气状态参数模拟值之间的协方差矩阵以及测量误差方差矩阵，计算卡尔曼增益矩阵；S5、通过集合卡尔曼滤波法修正集合元素中的条件参数变量的参数值并更新初始集合为E'；S6、计算空气状态参数模拟值与空气状态参数测量值之间的均方根误差，设定收敛标准，判定计算收敛与否；当所有空气状态参数的RMSE均达到收敛标准时，则判定计算收敛，执行步骤S7；否则，令E＝E'，返回步骤S3，循环执行步骤S3～S6，直至迭代计算收敛；S7、输出监测数据同化后博物馆展陈空间内气流组织的可视化结果。2.根据权利要求1所述的针对博物馆展陈空间气流组织可视化的监测数据同化方法，其特征在于：S1中，初始集合E的计算过程如下：设模型边界条件中存在m个具有不确定性的条件参数变量x
i
，i＝1,2,3，
…
，m；设每个条件参数变量的取样数量为n，即初始集合中元素的数量为n，初始集合中的第j个元素为Z
j
＝[x
1,j
，x
2,j
，x
3,j
，
…
，x
m,j
]，j＝1,2,3,
…
,n；构成初始集合E＝[Z1，Z2，Z3，
···
，Z
n
]，对应的矩阵形式为：式中，x
i,j
——第i个条件参数变量的第j个取样样本值。3.根据权利要求2所述的针对博物馆展陈空间气流组织可视化的监测数据同化方法，其特征在于：S2中，构建测量值向量的计算过程如下：设数据同化算法程序中所构建的测量值向量为Y，假设在一次测量中，在c个测量点测量d种空气状态参数，则观测数据共包含b＝c
×
d个空气状态参数测量值y
a
，a＝1,2,3，
…
，b；则测量值向量Y为：Y＝[y
1 y2…
y
b
]
T
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)。4.根据权利要求3所述的针对博物馆展陈空间气流组织可视化的监测数据同化方法，其特征在于：S3中，构建模拟值矩阵的具体计算过程如下：
将模型中的边界条件设定为集合E中每个元素的样本值，一组边界条件为一种工况，将集合E中的元素Z
j
分别代入CFD正演模型中，通过CFD模拟，对每个工况分别进行求解计算，获得各个工况对应的展陈空间流场分布模拟结果，构建模拟值矩阵P如下：式中，p
a,j
——第j个集合元素...

【专利技术属性】
技术研发人员：钱玮昕，唐铭，刘京，陈庆庆，刘洋，丁荣良，杜雷，张然，
申请(专利权)人：中国国家博物馆，
类型：发明
国别省市：