053空气传播物污染源辨识之反问题研究现状.doc

空气传播物污染源辨识之反问题研究现状 大连理工大学土木水利工程学院 张腾飞* 王树刚 摘要 当今建筑环境内空气污染物的监测技术还不十分成熟，发生于2003年的非典事件重创世界经济的直接损失达400亿美元，然而在发生非典病毒传播时，人们甚至不清楚病毒源在哪里。此外，国外多次发生的利用生化物质袭击建筑环境的事件，也给我国的建筑环境安全敲响了警钟。细菌病毒与生化物质均属于可在空气中传播的污染物，危害巨大。如何在空气中出污染源的时候给出及时的安全预警，准确辨识出污染源的位置与强度，就显得尤为重要。本文总结了国内外有关应用反问题建模的方法辨识污染源的研究现状，并且归纳出求解病态反问题的四类方法，即分析法、优化法、概率法以及直接求解法。直接求解法不需要使用过多的假设因而比较适于建筑环境中污染源的辨识。 关键词：污染源辨识，反问题，室内空气品质，建筑环境安全，CFD(计算流体力学)建模 1．前言 在现代社会中，人类90%以上的时间都在以建筑物为主的人工环境中度过。如何给每位个体营造一个健康、舒适、安全的人工环境关系到每位个体的福耻与康乐。然而，始于20世纪70年代，出于建筑节能考虑，给建筑环境供给的新风逐渐减少，再加上气流组织的不合理，人工环境往往成为空气疾病传播的场所。现有研究表明，人工环境中通风系统的设计跟传染疾病的空气传播息息相关[1]。由于通风系统设计和运行的不当，在2003年新加坡的非典事件中，人工环境（医院）被怀疑助长了空气传染疾病的传播[2]。据统计，2003年发生的非典事件重创世界经济的直接损失达400亿美元[3]，在亚洲特别是我国，社会与经济秩序被严重干扰。如何开发出相应的技术来预防空气疾病的传播，如何在出现病毒污染源的时候给出及时的预警，并准确辨识出污染源的位置、强度等信息，直至采取应急措施来清除污染源，就显得尤为重要。 除了疾病传播的威胁，随着中国在世界影响力的增大，境外不良势力也在向我国渗透，公共场所极可能成为恐怖主义或极端势力的袭击目标[4][5]，他们试图通过各种渠道获得生化武器来制造危害社会的效应。1995年3月发生在日本东京地铁站的“沙林”神经毒气案，直接导致12人死亡，近千人到医院寻求治疗[6]。目前，我国的公共建筑环境以及居民居住环境还不具备抵御生化袭击的能力。随着中国参加世界活动的日益增多，公共建筑环境的安全形势将更加严峻，如何尽早开发出相应的抵御生化袭击的预警技术，在发生袭击时减少伤害，甚至让极端势力打消危害社会的念头，就显得尤为迫切。 在发生疾病传播或者生化袭击时，最为关心的是细菌、病毒源以及生化物质污染源的信息。一旦知道污染源的位置以及强度，便可采取有效措施来隔离病人，疏散人群，合理操作通风系统，甚至采用应急通风措施或者其它物理或化学手段来减小损失。获得污染源信息的一个行之有效的办法是，在人工环境内布置空气污染物传感器[7]，通过传感器所测定的污染物浓度来推断污染物释放的状况。然而，由于空气在人工环境内的流通，当传感器探测到污染物释放时，污染源已经在空间内某个未知的位置释放。因而在此条件下所需求解的是有别于传统意义上的另一类问题——反问题。顾名思义，正问题是由已知的污染源来推测污染物的传播途径与分布状况，属于“由因及果”；而反问题则相反，属于“由果及因”，即由传感器的浓度信息来推断污染源释放的位置及强度。因此，区别于正问题，反问题具有一些独特的特征。 2．反问题求解特征 反问题区别于传统正问题的主要特点是反问题属于病态问题，即无法同时满足求解过程中解的存在性、单一性、以及数值稳定性等三个要素[8]。关于反问题中解的存在性问题，由于任何事情的发生都有它特定的起因，当传感器探测到污染物释放时，污染源一定存在并且污染物释放已经发生；如果传感器的测量误差能限定在一定的范围内，应该来说解一定存在。关于解的唯一性问题，由于多种原因都可能导致一个同样的结果，比如在人工环境内不同位置释放的多个污染源，均可能导致在某个位置的传感器获得同样的浓度信息，因此一个通常做法是尽可能获取最大量的信息来使解唯一存在[9]，即布置多个传感器来进一步区分不同的污染源以使解唯一存在。Alifanov[10]指出，反问题在数值求解方面不具备稳定性。下面以追踪气体污染物一维传播问题为例，来介绍反问题求解过程中的数值稳定性问题。 追踪气态污染物在建筑环境内传播的控制方程为： （1） 其中， 为空气密度, 是气态污染物在某时刻t的浓度, 为在迪卡尔坐标分量 (i=1, 2, 3)方向上的速度分量, 为污染物在空气中的有效扩散系数，是污染源强度。若污染源的位置与强度为已知，污染物传播的途径及分布状况便可以求解出来。 由于在反问题建模里，已知的信息为空气速度场以及污染物浓度信息，需要求解的是污染源的位置与强度