一種基于網(wǎng)絡(luò)病毒傳播模型的空氣污染溯源方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及基于觀測點(diǎn)數(shù)據(jù)的空氣污染溯源問題，提出了一種基于網(wǎng)絡(luò)病毒傳播 模型的空氣污染溯源方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 空氣污染溯源是利用空氣中某些氣體成分的特征及其時(shí)空分布，并通過特定的溯 源方法尋找空氣傳播源頭的過程。該技術(shù)在天氣預(yù)測，大氣污染治理等領(lǐng)域具有非常重要 的研究及應(yīng)用價(jià)值。
[0003] 隨著環(huán)境的日益惡化，污染治理成為當(dāng)代一個(gè)重要的研究課題。空氣污染治理是 污染治理的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，控制污染源是污染治理的關(guān)鍵。如何及時(shí)、準(zhǔn)確地找到空氣污染 源是一個(gè)熱點(diǎn)問題;與此同時(shí)，發(fā)現(xiàn)一定區(qū)域內(nèi)優(yōu)質(zhì)空氣的擴(kuò)散源頭也具有十分重要的意 義。
[0004] 傳統(tǒng)的溯源方法大多數(shù)用來處理水體污染問題，空氣污染溯源方法較少，優(yōu)質(zhì)空 氣的溯源方法并未深入研究。與此同時(shí)，傳統(tǒng)的空氣污染溯源方法不能將時(shí)間、空間、強(qiáng)度 統(tǒng)一在溯源結(jié)果中，在區(qū)域范圍較大時(shí)計(jì)算復(fù)雜度過高，也不能很好地滿足時(shí)效性的要求。 因此，采用基于網(wǎng)絡(luò)病毒傳播模型的空氣污染溯源方法來處理空氣污染溯源問題就顯得尤 為重要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[000引針對現(xiàn)有空氣污染溯源方法的高復(fù)雜度及其溯源結(jié)果的局限性問題，本發(fā)明的目 的是提供一種基于網(wǎng)絡(luò)病毒傳播模型的空氣污染溯源方法，最大限度地優(yōu)化溯源結(jié)果，提 高溯源效率。
[0006] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提出的基于網(wǎng)絡(luò)病毒傳播模型的空氣污染溯源方法包括 W下步驟：
[0007] 步驟一.獲取相關(guān)子圖：
[0008] 將某地區(qū)各個(gè)觀測站W(wǎng)及它們之間的互相影響關(guān)系表示為一張有向圖，利用各個(gè) 觀測站之間的地理信息和天氣信息，將各觀測點(diǎn)的加權(quán)距離數(shù)值化，得到距離矩陣。對于目 標(biāo)站點(diǎn)，使用距離闊值篩選出與其相關(guān)的站點(diǎn)，得到其相關(guān)子圖。
[0009] 步驟二.構(gòu)造大氣污染轉(zhuǎn)移方程：
[0010] 根據(jù)步驟一中得到的相關(guān)子圖，構(gòu)造各個(gè)觀測點(diǎn)之間的可達(dá)性矩陣，構(gòu)造某個(gè)時(shí) 間區(qū)間內(nèi)各個(gè)觀測站的污染物濃度矩陣。再選擇新的時(shí)間區(qū)間，構(gòu)造新的時(shí)間區(qū)間內(nèi)各個(gè) 觀測站的污染物濃度矩陣。由上述新舊兩個(gè)污染物濃度矩陣構(gòu)造污染物濃度轉(zhuǎn)移方程，并 求解該矩陣，得到的解為各個(gè)觀測點(diǎn)之間的可達(dá)性矩陣。
[0011] 步驟單點(diǎn)溯源分析：
[0012] 根據(jù)步驟二得到的可達(dá)性矩陣，依次進(jìn)行對數(shù)化和對角差異化預(yù)處理，并提取對 目標(biāo)站點(diǎn)貢獻(xiàn)度絕對值最高的站點(diǎn)，分別尋找污染物和優(yōu)質(zhì)空氣的來源，并記錄源的影響 強(qiáng)度。連續(xù)滑動(dòng)時(shí)間區(qū)間，執(zhí)行若干次上述過程，根據(jù)每次執(zhí)行的結(jié)果繪制污染物和優(yōu)質(zhì)空 氣的傳播路徑。
[0013] 所述的步驟一中描述的相關(guān)子圖獲取的具體過程如下：
[0014] 把該地區(qū)全部觀測站W(wǎng)及它們的相互影響關(guān)系表示為一張有向圖，W觀測點(diǎn)之間 的地理距離為基礎(chǔ)，再加上風(fēng)力影響，得到圖中各點(diǎn)的加權(quán)距離矩陣D，其中化1表示觀測點(diǎn)j 對目標(biāo)站點(diǎn)i的影響距離。對于目標(biāo)站點(diǎn)i，設(shè)置闊值Dm,遍歷D的第巧U，對< Dm,提取j 加入集合Bi中。Bi中所有元素構(gòu)成的圖即為目標(biāo)站點(diǎn)i的相關(guān)子圖。
[0015] 所述的步驟二中描述的大氣污染轉(zhuǎn)移方程構(gòu)造的具體過程如下：
[0016] 1)設(shè)可達(dá)性矩陣A，其中元素 Au代表相關(guān)子圖中站點(diǎn)j對站點(diǎn)i的污染貢獻(xiàn)度。
[0017] 2)設(shè)It為t時(shí)刻相關(guān)子圖中各站點(diǎn)污染濃度列向量，即lt=[pi,t，P2,t，…，Pn,t]T，其 中Pi, t表示站點(diǎn)i在t時(shí)刻的污染濃度。
[0018] 3)設(shè)Pt為一定時(shí)間區(qū)間內(nèi)相關(guān)子圖中各觀測點(diǎn)的污染濃度矩陣，即Pt= [It, It+l,…，It+s-l]，其中S為時(shí)間區(qū)間的長度。
[0019] 4)設(shè)Pt-r為Pt向前滑動(dòng)r個(gè)時(shí)間單位后相關(guān)子圖中各觀測點(diǎn)的污染濃度矩陣，即 Pt-r= [ It-r , It-r+l , , It-r+s-l]，其中 S為時(shí)間區(qū)間的長度。
[0020] 5)構(gòu)造大氣污染轉(zhuǎn)移方程Pt = APt-T,求解A，得到相關(guān)子圖的可達(dá)性矩陣，行數(shù)記 為n。
[0021 ]所述的步驟=中描述的單點(diǎn)溯源分析的具體過程如下：
[002引1)對可達(dá)性矩陣A進(jìn)行對數(shù)化處理，構(gòu)造矩陣AM吏得對任意Au EA,A^ U滿足:若AiJ 〉0,A' dj = ln(l+Adj);右Aij〈0,A' ：Lj = -ln(l+| Aij I)。
[0023] 2)對矩陣進(jìn)行對角差異化處理，構(gòu)造矩陣A"使得，對任意且i辛j，A"ij 細(xì)足:A"：ij=A' dJ-A' ji。
[0024] 3)對于目標(biāo)站點(diǎn)i，在預(yù)處理后的矩陣A"中，記A" iw=max {A" ii，A" i2，…，A" in}，取正 闊值A(chǔ)+:若A" iw〉A(chǔ)%則W作為站點(diǎn)i的污染物源頭，并把A" IW作為污染源的影響強(qiáng)度；否則，認(rèn) 為該時(shí)間段污染傳播不顯著，W= i，即i為自身的源頭。
[0025] 4)將W重新作為污染物溯源的目標(biāo)站點(diǎn)，重復(fù)若干次上述溯源過程，直到時(shí)間區(qū)間 滑動(dòng)到起始時(shí)刻，找到起始時(shí)刻的污染源頭，繪制出該時(shí)間段內(nèi)污染物的傳播路徑并標(biāo)記 每次傳播的強(qiáng)度。
[0026] 5)對于目標(biāo)站點(diǎn)i，在預(yù)處理后的矩陣A"中，記A" iq=min {A" ii，A" i2，…，A" in}，取負(fù) 闊值A(chǔ)^:若A" iq<A^，則q作為站點(diǎn)i的優(yōu)質(zhì)空氣源頭，并把A" iq作為污染源的影響強(qiáng)度;否則， 認(rèn)為該時(shí)間段優(yōu)質(zhì)空氣傳播不顯著，q = i，即i為自身的源頭。
[0027] 6)將q重新作為優(yōu)質(zhì)空氣溯源的目標(biāo)站點(diǎn)，重復(fù)若干次上述溯源過程，直到時(shí)間區(qū) 間滑動(dòng)到起始時(shí)刻，找到起始時(shí)刻的優(yōu)質(zhì)空氣源頭，繪制出該時(shí)間段內(nèi)優(yōu)質(zhì)空氣的傳播路 徑并標(biāo)記每次傳播的強(qiáng)度。
[0028] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：
[0029] (1)基于網(wǎng)絡(luò)病毒傳播模型的空氣污染溯源方法，能夠準(zhǔn)確地按照時(shí)間要求尋找 源頭的空間位置，并且能得到源頭的影響強(qiáng)度；
[0030] (2)該方法利用一定時(shí)空的污染物數(shù)據(jù)篩選出范圍更小的相關(guān)區(qū)域，并且能夠高 效地得到溯源結(jié)果，時(shí)效性較強(qiáng)。
【附圖說明】
[0031] 圖1為本發(fā)明一種基于網(wǎng)絡(luò)病毒傳播模型的空氣污染溯源方法的步驟流程圖。
[0032] 圖2為相關(guān)子圖獲取的步驟流程圖。
[0033] 圖3為大氣污染轉(zhuǎn)移方程構(gòu)造的步驟流程圖。
[0034] 圖4為單點(diǎn)溯源分析的步驟流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0035] 下面將結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0036] 本發(fā)明的一種基于網(wǎng)絡(luò)病毒傳播模型的空氣污染溯源方法，流程如圖1所示，包括 W下步驟：
[0037] 步驟Sl:利用加權(quán)距離獲取相關(guān)子圖；
[0038] 步驟S2:構(gòu)造與求解大氣污染轉(zhuǎn)移方程；
[0039] 步驟S3:可達(dá)性矩陣預(yù)處理及單點(diǎn)連續(xù)溯源。
[0040] 下面將對每個(gè)步驟進(jìn)行具體的說明：
[0041] 步驟Sl實(shí)現(xiàn)相關(guān)子圖的獲取，利用計(jì)算的加權(quán)距離來約束目標(biāo)站點(diǎn)的相關(guān)點(diǎn)，從 全局圖中獲取相關(guān)子圖。圖2給出了該方法的具體流程如下：
[0042] 1)根據(jù)地理數(shù)據(jù)和風(fēng)力數(shù)據(jù)計(jì)算任意兩觀測點(diǎn)之間的加權(quán)距離，得到加權(quán)距離矩 陣D。
[004引 2)采用闊值Dm約束對目標(biāo)站點(diǎn)的影響范圍，即遍歷D的第i列，對V% < An，提取j 加入集合Bi中。
[0044] 3)Bi中所有元素構(gòu)成的圖即為目標(biāo)站點(diǎn)i的相關(guān)子圖。
[004引步驟S2實(shí)現(xiàn)大氣污染轉(zhuǎn)移方程的構(gòu)造，定義可達(dá)性矩陣來表示站點(diǎn)間的相互影響 關(guān)系，利用不同時(shí)間區(qū)間內(nèi)各觀測點(diǎn)污染濃度的變化，構(gòu)造濃度轉(zhuǎn)移方程并求解。圖3給出 了該方法的具體流程如下：
[0046] 1)結(jié)合目標(biāo)站點(diǎn)i的相關(guān)子圖，獲取各觀測點(diǎn)污染物濃度在一定時(shí)間區(qū)間的分布 矩陣。
[0047] 2)在污染物濃度時(shí)空分布矩陣中提取相關(guān)子矩陣，得到不同時(shí)間區(qū)間下污染物濃 度分布矩陣，具體為：
[0048] a)利用相關(guān)子圖，在全局時(shí)空分布矩陣中提取相關(guān)站點(diǎn)集Bi的時(shí)空分布子矩陣。
[0049] b)構(gòu)造 Pt為一定時(shí)間區(qū)間內(nèi)相