[发明专利]一种室内突发空气污染预警传感器布置优化方法

权利要求书

1.一种室内突发空气污染预警传感器布置优化方法，其特征在于：

引入马尔科夫链描述突发空气污染在室内的扩散特征，建立最小化预警时间及最大化预警概率两个目标函数，通过构造多个预警传感器在采样时刻的阈值矩阵，并将其与相同时刻下马尔科夫链预测的各传感器位置的污染概率矩阵进行比较，即可快速计算以上两个目标函数，进而对所有可能的预警传感器布置方案进行全遍历寻优，最后得到优化的预警传感器布置方案。

2.根据权利要求1所述的室内突发空气污染预警传感器布置优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)对于需要进行预警的建筑空间，将其划分为y个有限单元，预先在该建筑空间布置x个预警传感器，则需要计算的预警传感器网络总数如下：

(2)当空气污染被释放后，预警传感器网络的污染检测时间定义为：

t_ala＝t (2)

对于每个污染释放场景，可得预警传感器网络m检测到污染的概率为：

P_m＝1-P_q (3)

式中，P_m表示预警传感器网络m中的1个或多个传感器检测到空气污染的概率；P_q则为预警传感器网络m无法检测到污染的概率；

优化目标函数定义为：

式中，g₁(x)表示最小化污染检测时间，g₂(x)表示最大化污染检出概率；L_λ为污染释放场景λ(λ＝1,2,...,w)。

3.根据权利要求2所述的室内突发空气污染预警传感器布置优化方法，其特征在于，为计算优化目标函数中的t_ala和P_m，引入马尔科夫链：

式中，p_ij表示空气污染在单个时间步长Δt内由单元i传播到单元j的概率；

将第k个状态下各单元的空气污染的概率分布表示为：

式中，为第k个时刻空气污染驻留在单元j的概率；对于稳态气流场而言，由马尔科夫链的基本性质，则：

θ_k+1＝θ₀·P_t^k+1 (7)

式中，θ₀为空气污染在t＝0时刻的初始概率分布；

将不同污染释放场景下计算的污染概率分布矩阵θ_k+1与Z(y,x)个预警传感器网络在相应采样时刻的报警浓度阈值矩阵进行判定与统计，就能直接得到t_ala和P_m，进而代入式(4)中进行遍历寻优，最终得到最优的传感器布点。

4.根据权利要求2所述的室内突发空气污染预警传感器布置优化方法，其特征在于：步骤(2)中，对于Z(y,x)个预警传感器网络重复计算上述两个目标函数，最终得到的优化传感器网络应具有最小化预警时间和最大化预警概率，两者所占的权重相等。

5.根据权利要求3所述的室内突发空气污染预警传感器布置优化方法，其特征在于：若已知突发污染在室内的释放初始信息，可通过矩阵叠乘的方式得到任意时刻室内任意单元的空气污染概率分布；所需计算的污染场景即可由释放时间t＝0，释放强度θ₀＝1及释放位置确定。

6.根据权利要求3所述的室内突发空气污染预警传感器布置优化方法，其特征在于：

针对两个目标函数，在由式(7)马尔科夫链计算的空气污染概率分布中，定义若在采样时刻预警传感器位置处的计算浓度高于预警传感器的报警阈值传感器将发出警报，则：

此时，预警传感器网络成功检测到当前污染释放场景λ下的空气污染：

P_m＝100％ (9)

继续测试预警传感器网络在其余污染释放场景下的t_ala和P_m，最终得到的目标函数g₁(x)和g₂(x)是各场景计算结果的概率累加值。