Scientific journal
Fundamental research
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,749

RESEARCH OF THE DISTANCE-TYPE IDENTIFICATION METHOD FOR ESTIMATION EMISSION PARAMETERS OF STATIONARY SOURCES

Stepanchenko I.V. 1
1 Kamyshin Technological Institute (branch of the) Volgograd State Technical University
1589 KB
As stationary sources are a major sources for urban air pollution there is a need to research of the distance-type identification methods of the emission parameters of stationary sources. There is a summary distance-type identification method witch based on the minimization of the difference values between the measured values and values of calculated concentration of the pollutant. The method of finding a solution is the method of steepest descent with variable step. Gradient descent has known problems with pathological functions. It does not matter, because the step value can select in advance. There is suggested two groups of experiments to conduct the research. The first group includes experiments on the influence of the measurement points number of pollutants concentrations to the possibility and precision of the volume and mass of emissions identification from stationary sources. The second group includes experiments on the influence of measurement error such is background concentrations or unaccounted source of emissions on the result of the identification algorithm. For each group of experiments are shown graphs. According to the results of experiments made conclusions about the linear relation of the displacement on the resulting estimates.
atmospheric air
emission source
environmental monitoring
gas flow consumption
identification method
mass emission
pollutant
1. Aoki M. Vvedenie v metody optimizacii. Osnovy i prilozhenija nelinejnogo programmirovanija. M.: Nauka, 1977. p. 343. [Aoki, M. Introduction to Optimization Techniques. Fundamentals and Applications of Nonlinear Programming. New York, NY: Macmillan, 1971. Print.]
2. Zarodnjuk M.S. [i dr.] Vosstanovlenie polej zagrjaznenija metodami receptornogo mode-lirovanija na primere pos. Homutovo. Optika atmosfery i okeana. 2006. T. 19, no 6. pp. 557–561.
3. Krushel E.G., Stepanchenko I.V., Stepanchenko O.V. O vybore sostava parametrov sta-cionarnyh istochnikov vybrosa zagrjaznjajushhih veshhestv v atmosferu dlja priblizhennoj modeli diagnostiki narushenij normativov PDV. Problemy regional’noj jekologii. 2012. no 3. pp. 21–24.
4. Krushel E.G., Stepanchenko I.V., Stepanchenko O.V. Algoritm ocenki prostranstvennogo raspredelenija prizemnyh koncentracij vrednyh veshhestv po rezul’tatam tochechnyh izmerenij. Izvestija Volgogradskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta. 2011. T. 3. no 10. pp. 9–13.
5. Krushel E.G., Stepanchenko I.V. Ob algoritme identifikacii parametrov vybrosov vrednyh veshhestv v atmosferu. Vestnik komp’juternyh i informacionnyh tehnologij. 2013. no 10 (112). pp. 37–42.
6. Krushel E.G., Stepanchenko I.V., Panfilov A.E. Jekologicheskij monitoring atmosfernogo vozduha nebol’shih gorodov. Modeli i algoritmy. M.: Nauka, 2012. 118 p.
7. Metodika rascheta koncentracij v atmosfernom vozduhe vrednyh veshhestv, soderzhashhihsja v vybrosah predprijatij. Utverzhdena predsedatelem gosudarstvennogo komiteta SSSR po gidrometeorologii i kontrolju prirodnoj sredy N 192 ot 04.08.1986 g. L.: Gidrometeoizdat, 1987. 68 p.
8. Raputa V.F., Panarin A.V. Zadacha opredelenija polozhenija i moshhnosti istochnika. Izvestija SO AN SSSR. Serija «Tehnicheskie nauki». 1986. Vyp. 2. no 10. pp. 92–96.

Определение режимных параметров стационарного источника выбросов в атмосферный воздух является одной из важных задач экологического мониторинга. Решение данной задачи позволяет определить вклад каждого источника выбросов в общую картину загрязнения. Существующие теоретические методы и практические подходы [2, 7, 8] имеют существенные недостатки и проблемы, такие как сложность адаптации методов к конкретным условиям, определение параметров только одного источника, необходимость согласования с нормативными документами (при наказании нарушителей), ограниченные условиям применения метода (например, только при снежном покрове) и т.п.

Представляет интерес определение ограничений применения метода дистанционной идентификации объемов выбросов из стационарных источников, предложенного в работах [5, 6]. Для этого необходимо провести численное моделирование различных ситуаций: наличие неучтенного источника, неточность проведения измерений (как по величине, так и по местоположению), чувствительного метода к неточным входным данным и др.

Приведем краткое изложение метода идентификации, описанного в [5, 6]. Входной информацией являются прямые измерения приземных концентраций загрязняющих веществ на территории города вне санитарно-защитных зон предприятий и оперативная информация о температуре воздуха, скорости и направлении ветра. Основными выходными данными являются характеристики выбросов единичного источника в атмосферу, значения которых могут изменяться в реальном масштабе времени (согласно [3, 5, 6]): Mi[t] – масса выбросов загрязняющего вещества в единицу времени от i-го источника, г/с и Vi[t] – расход газовоздушной смеси из i-го источника, м3/с, где i – индекс источника выброса загрязняющего вещества; I [t] – множество источников, оказывающих влияние на значения концентраций st01.wmf в некоторой точке; t – момент текущего времени; g∈{1,…,G} – индекс загрязняющего вещества, G – общее число веществ, по которым осуществляется мониторинг (далее изложение ведется применительно к одному из веществ, поэтому индекс вещества g не будет указываться).

Остальные параметры стационарных источников выбросов в атмосферу (в частности, высота трубы над поверхностью земли Hi, м; диаметр устья трубы Di, м; координаты размещения i-го источника (xi, yi), м) задаются для всех i∈I[t] и рассматриваются в задаче идентификации как константы.

Суммарные значения приземных концентраций при рассеивании одноименных загрязняющих веществ группой источников вычисляются сложением концентраций, рассчитанных для каждого i-го источника отдельно.

Метод идентификации был разработан в работах [5, 6] и основан на поиске минимума среднеквадратического критерия рассогласования между вычисленными и измеренными концентрациями загрязняющих веществ

st02.wmf

где Cf ( j) – измеренная концентрация загрязняющего вещества в точке j, c координатами xj, yj; Cm(xj, yj, M, V) – вычисленные значения по модели ОНД-86 [], M, V – вектора масс и объемов выбросов, элементами которых являются массы и объемы выбросов отдельных источников; N – количество точек измерения.

Поиск минимума основан на простейшем градиентном методе наискорейшего спуска [1]

st03.wmf (1)

где st04.wmf является нормированным градиентом критерия по искомым переменным, рассчитанным для точек (xj, yj), j = 1,…, N; λ(v) – шаг алгоритма, v – итерация алгоритма.

Для проведения исследования были разработаны сценарии вычислительных экспериментов. В первой группе экспериментов варьировалось количество точек контроля концентраций загрязняющих веществ. Исследовалась возможность определения методом идентификации искомые параметры при количестве точек измерений меньше количества источников.

Во второй группе экспериментов моделировался неизвестный неучтенный источник небольшой мощности. Исследовалась чувствительность алгоритма к наличию такого источника в зависимости от его мощности.

 

Эксперименты проводились для оценки параметров выбросов диоксида серы из труб пяти различных предприятий г. Камышина Волгоградской обл. для следующих значений метеорологических условий и экологических параметров (такие же, как предложенные в [4–6]): экологические константы: A = 200, F = 1, η = 1; зимнее время, ∆T = 135 °C; угол между направлением ветра и абсциссой равен 0,25π; абсцисса направлена на север; угол отсчитывается против часовой стрелки; шаги сетки на зоне рассеивания – 100 м по осям абсцисс и ординат; опасная скорость ветра um = 4,46 м/с.

Параметры источников выбросов приведены в таблице.

Параметры источников выбросов

Номер источника выброса

№ 1

№ 2

№ 3

№ 4

№ 5

Высота трубы, м

100,0

55,0

65,0

50,0

55,0

Диаметр трубы, м

3,0

3,0

3,0

3,5

3,0

Температура газовоздушной смеси, °C

120,0

100,0

130,0

100,0

95,0

Место расположения

Координата x, м

601

701

1801

2201

1299

Координата y, м

699

1401

1699

1101

1001

Контрольные значения параметров выбросов, к которым должна быть обеспечена сходимость алгоритма (1)

Расход газовоздушной смеси V, м3/с

165

135

140

165

135

Масса выброса M, г/с

180

115

135

170

120

Пример результата вычислительных экспериментов первой группы представлен на рис. 1.

ctep1.wmf

Рис. 1. Смещенность в оценке объемов выбросов источников № 1 (точное значение 165 м3/с)

По результатам экспериментов этой группы можно сделать вывод, что, с одной стороны, отсутствие одной точки измерения (четыре точки на пять источников) приводит к смещенности в оценке параметров источников (рис. 1). А с другой стороны, отсутствие измерения одного источника может не привести к смещенности оценок объемов выбросов ни одного источника. Это объясняется тем, что подфакельные оси некоторых источников совпадают между собой и с направлением ветра или точки измерения находятся достаточно близко (расстояние до 200 м).

Пример результатов экспериментов второй группы приведен на рис. 2.

ctep2.wmf

Рис. 2. Ошибка идентификации объема выбросов источника № 1 в зависимости от отклонения концентраций в точке измерения

Представляет определенный интерес поведение алгоритма при больших величинах отклонений концентрации в точке измерения. Так, было установлено, что при превышении концентрации в 3 раза ошибка алгоритма идентификации по определению объемов выбросов первого источника составит порядка 73 %.

Результаты экспериментов этой группы были получены и на других источниках выбросов.

Таким образом, из проведенных экспериментов можно сделать следующие выводы:

1. При определенных условиях расположения точек контроля, источников выбросов и направления ветра можно уменьшить количество исходных данных для алгоритма идентификации.

2. При наличии неучтенного источника выбросов ошибка идентифицируемых параметров линейно зависит от мощности источника и появляется смещенность в оценке параметров стационарных источников.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ, грант 14-07-97011.

Рецензенты:

Фоменков С.А., д.т.н., профессор, профессор кафедры «Системы автоматизированного проектирования и поискового конструирования» Волгоградского государственного технического университета, г. Волгоград;

Томашевский Ю.Б., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой «Системотехника» Института электронной техники и машиностроения Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А., г. Саратов.

Работа поступила в редакцию 05.12.2014.