典型耦合優(yōu)化算法在源項(xiàng)反演中的對比研究

沈澤亞,郎建壘,程水源,毛書帥,崔繼憲

典型耦合優(yōu)化算法在源項(xiàng)反演中的對比研究

沈澤亞,郎建壘,程水源*,毛書帥,崔繼憲

(北京工業(yè)大學(xué),區(qū)域大氣復(fù)合污染防治北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100124)

突發(fā)大氣污染事故中,污染源的快速、準(zhǔn)確確定是應(yīng)急處置的基礎(chǔ).為研究有效的源項(xiàng)評估方法,本文基于美國草原外場SO2釋放實(shí)驗(yàn),利用GA-PSO、GA-NM、PSO-NM 3種耦合算法,分別與高斯點(diǎn)源煙羽擴(kuò)散模型結(jié)合,對源強(qiáng)和位置等污染源參數(shù)進(jìn)行反演與對比,并從算法結(jié)構(gòu)與大氣擴(kuò)散條件方面進(jìn)行反演效果差異分析.結(jié)果表明,從源強(qiáng)反演角度看,PSO-NM反演結(jié)果的準(zhǔn)確性最高、穩(wěn)定性最強(qiáng),平均誤差(11.3%)與平均標(biāo)準(zhǔn)偏差(0.7g/s)明顯低于GA-NM(16.4%、13.3g/s)與GA-PSO(29.0%、26.6g/s).從位置反演角度看,PSO-NM的反演結(jié)果最為穩(wěn)定,反演的平均標(biāo)準(zhǔn)偏差(0.29m)明顯低于GA-NM(3.20m)與GA-PSO(3.03m)算法;在不穩(wěn)定和中性擴(kuò)散條件下,PSO-NM算法的位置反演準(zhǔn)確性最高,誤差為4.97m;但在穩(wěn)定擴(kuò)散條件下,GA-NM的位置反演誤差(7.69m)最小.從反演效率角度看,PSO-NM與GA-NM反演時(shí)間最短,更適用于污染源的快速確定.

耦合算法；4維源參數(shù)；高斯點(diǎn)源煙羽擴(kuò)散模型；源項(xiàng)反演；突發(fā)大氣污染事故

突發(fā)大氣污染事故具有發(fā)生突然、形式多樣、危害嚴(yán)重的特點(diǎn)[1], 快速、準(zhǔn)確確定事故源的排放信息(源強(qiáng)、位置等)是準(zhǔn)確、快速應(yīng)急預(yù)警的前提.與常規(guī)大氣污染源相比,突發(fā)大氣污染事故源強(qiáng)、位置等信息不確定性很大,很難直接獲取,基于監(jiān)測數(shù)據(jù)的優(yōu)化反演是獲得源參數(shù)的重要途徑.目前一些學(xué)者已經(jīng)開展了源反演技術(shù)方面的研究.Keats等[2]和Senocak等[3]運(yùn)用馬爾科夫鏈-蒙特卡洛抽樣的貝葉斯推理方法對泄漏源進(jìn)行了反算.Akcelik等[4]根據(jù)擴(kuò)散方程建立了源強(qiáng)直接優(yōu)化求解的方法,但是這種方法對初值依賴性較大.張建文等[5]基于虛擬案例發(fā)現(xiàn),混合遺傳-Nelder Mead 單純形耦合算法對源參數(shù)(,,)反算效果優(yōu)于單一的遺傳和單純形算法.Ma等[6]發(fā)現(xiàn)吉洪諾夫與粒子群耦合算法潛在危險(xiǎn)氣體源參數(shù)反演的方法,但目前尚不能投入使用.Thomson等[7]發(fā)現(xiàn)模擬退火算法和隨機(jī)搜索算法對源強(qiáng)反算具有良好的魯棒性.蘇芳等[8]利用拉格朗日逆向軌跡反演模式對甲烷排放清單進(jìn)行反算,發(fā)現(xiàn)其不確定性(20~100%)較為可信.李航等[9]利用逆推算法對日本福島核事故源強(qiáng)進(jìn)行了反算,發(fā)現(xiàn)該計(jì)算方法對于緊急條件下無法對事故源強(qiáng)進(jìn)行近距離評估的情況具有優(yōu)越性和參考性.呂兆豐等[10]利用地面濃度反推法對某煉油廠VOCs源強(qiáng)進(jìn)行反算,得出的年排放量結(jié)果(2201.6±1011.9t/a)偏低.可見,大部分的研究針對某種算法(如PSO、SA等)對某些參數(shù)(如源強(qiáng)或地面位置等)的反演開展了分析,但缺乏不同反演技術(shù)對源排放參數(shù)反演性能的系統(tǒng)研究對比.

本文在前期系統(tǒng)調(diào)研基礎(chǔ)上,篩選出了3種典型的、先進(jìn)的智能優(yōu)化耦合算法(GA-PSO、GA- NM、PSO-NM)對四維源參數(shù)(0,0,0,0)進(jìn)行了反演研究,并從準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性、時(shí)效性等方面進(jìn)行了系統(tǒng)對比分析.本文目的在于,通過對典型耦合優(yōu)化算法反演多維源參數(shù)的系統(tǒng)對比研究,從算法結(jié)構(gòu)和大氣擴(kuò)散條件角度進(jìn)行反演結(jié)果差異分析,篩選出適用于突發(fā)大氣污染事故的快速、準(zhǔn)確的溯源方法,為源項(xiàng)信息的快速確定與突發(fā)大氣污染事故的合理應(yīng)對提供思路和技術(shù)支持.

1 材料3和方法

1.1 算法介紹

1.1.1 基本算法介紹 選取遺傳算法、粒子群算法和單純形算法3種基本尋優(yōu)算法,開展兩兩耦合算法對比研究.標(biāo)準(zhǔn)遺傳算法(GA)是模擬自然界生物進(jìn)化過程的計(jì)算模型[11],經(jīng)過選擇、交叉和變異3種基本遺傳操作,逼近問題最優(yōu)解.標(biāo)準(zhǔn)粒子群算法(PSO)的思想源于自然界鳥群捕食和魚群捕食的過程,通過群體協(xié)作找到問題的全局最優(yōu)解[12].標(biāo)準(zhǔn)單純形算法(NM)是應(yīng)用規(guī)則或不規(guī)則的幾何圖形,通過反射、擴(kuò)張、壓縮、及整體收縮操作不斷構(gòu)成新的單純形,最后逼近最優(yōu)解[13].

1.1.2 遺傳與粒子群算法耦合(GA-PSO) 以PSO算法為主體,引入遺傳算法中的選擇、交叉、變異基本操作,構(gòu)成新的GA-PSO算法[14].耦合算法中3種遺傳操作均用實(shí)值編碼,滿足判定條件或達(dá)到最大迭代數(shù)后輸出最優(yōu)解.已有研究表明[15-16],GA-PSO耦合算法尋優(yōu)效果均優(yōu)于GA和PSO算法.因此本文選用GA-PSO耦合算法在源項(xiàng)反演中開展對比研究.

1.1.3 遺傳與單純形算法耦合(GA-NM) 以GA算法為主體,采用群體分類的方式構(gòu)建GA-NM耦合算法[17].將群體分為3類,最優(yōu)群體、最差群體和普通群體,最優(yōu)群體運(yùn)行NM算法,最差群體執(zhí)行重組交叉操作,普通群體執(zhí)行遺傳操作.已有研究[18-19]表明,耦合算法GA-NM的尋優(yōu)效果均優(yōu)于GA和NM算法.因此本文選用GA-NM耦合算法在源項(xiàng)反演中開展對比研究.

1.1.4 粒子群與單純形算法耦合(PSO-NM) 以PSO算法為主體,引入NM 算法構(gòu)成PSO-NM耦合算法[20].在PSO算法執(zhí)行達(dá)到一定迭代數(shù)后,再執(zhí)行NM算法尋優(yōu),直到滿足收斂條件.已有研究[21-22]表明,PSO-NM算法在計(jì)算均值與成功率等方面較PSO和NM算法更有優(yōu)勢.因此本文選用 PSO-NM耦合算法在源強(qiáng)反演中開展對比研究.

1.2 反算模型的構(gòu)建

1.2.1 高斯模型 在連續(xù)氣相泄漏的源強(qiáng)反算模型中,正向采用高斯煙羽擴(kuò)散模型[23]來模擬連續(xù)氣相泄漏源的擴(kuò)散濃度,在高斯模型中,以風(fēng)向?yàn)檩S,側(cè)風(fēng)向?yàn)檩S建立坐標(biāo)系,高斯模型的表達(dá)式如下:

式中:(,,)為監(jiān)測點(diǎn)在(,,)位置處的污染物濃度,g/m3;為平均風(fēng)速,m/s;為水平擴(kuò)散參數(shù),m;為垂直擴(kuò)散參數(shù),m;為釋放源強(qiáng),g/s;為釋放源點(diǎn)的縱坐標(biāo),m;為釋放源點(diǎn)的距地面垂直高度,m.

式中:y、z分別表示第個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的坐標(biāo)和采樣高度,m.0反演源的源強(qiáng),g/s.0、0、0分別為反演源的位置坐標(biāo),m.將(3)式作為耦合優(yōu)化算法中的適應(yīng)度函數(shù),進(jìn)行尋優(yōu)求解.

通過編程計(jì)算,將(3)式作為耦合優(yōu)化算法的適應(yīng)度函數(shù),最大迭代次數(shù)設(shè)為1000次,運(yùn)行過程中判定是否滿足收斂條件,滿足則運(yùn)行結(jié)束,輸出結(jié)果,否則算法繼續(xù)迭代優(yōu)化,直至滿足收斂條件. Zhang等[24]研究表明,啟發(fā)式優(yōu)化算法在尋優(yōu)過程中容易受到初始值的影響,可通過增加運(yùn)行次數(shù)的方式有效降低其影響.Cantelli等[25]和Cervone等[26]研究中應(yīng)用遺傳算法尋優(yōu)的運(yùn)行次數(shù)為30、300次,本研究運(yùn)行次數(shù)為3000次,并保證在同一運(yùn)算環(huán)境下開展源項(xiàng)反算研究.

1.3 經(jīng)典實(shí)驗(yàn)介紹

1956年夏季,在美國內(nèi)布拉斯加州中北部奧尼爾鎮(zhèn)(北緯40°29.6’,西經(jīng)98°34.3’)開展了草原SO2氣體釋放外場實(shí)驗(yàn)[27],實(shí)驗(yàn)場地海拔高度約600m,地處奧尼爾鎮(zhèn)北部,距離鎮(zhèn)中心約8000m.試驗(yàn)場地屬于近水平高地,為草原地形,地勢平坦.實(shí)驗(yàn)涉及多種大氣擴(kuò)散條件,采用Pasquill分類方法,總體上大致可分為不穩(wěn)定、中性和穩(wěn)定3種條件.不穩(wěn)定條件下的實(shí)驗(yàn)在白天開展,由于晚上沒有陽光,大氣擴(kuò)散相對穩(wěn)定,故大部分中性和穩(wěn)定條件的實(shí)驗(yàn)在傍晚或者夜間開展.實(shí)驗(yàn)以釋放源點(diǎn)為中心,分別以50、100、200和400m為半徑,由西向東、順時(shí)針、半圓弧布設(shè)監(jiān)測點(diǎn),相鄰監(jiān)測點(diǎn)的間隔為2°,每一圓弧布點(diǎn)編號為1~91#,源正西方向監(jiān)測點(diǎn)編號為1#,正東方向?yàn)?1#,布點(diǎn)簡圖如圖1所示.監(jiān)測點(diǎn)高度距地面1.5m.

圖1 經(jīng)典實(shí)驗(yàn)布點(diǎn)方式

表1 實(shí)驗(yàn)開展條件及擴(kuò)散參數(shù)

注:Δ=-0,即采樣點(diǎn)位置的橫坐標(biāo)與反演源橫坐標(biāo)之差.

本文在不穩(wěn)定、中性和穩(wěn)定3種大氣擴(kuò)散條件下各選取3次實(shí)驗(yàn)開展源項(xiàng)反演研究,實(shí)驗(yàn)編號記為US1、US2、US3、NS1、NS2、NS3、S1、S2、S3.釋放源高度均為0.46m,其他實(shí)驗(yàn)參數(shù)及σ和σ擴(kuò)散參數(shù)[28]見表1,其中有效監(jiān)測點(diǎn)個(gè)數(shù)為實(shí)際能夠監(jiān)測到SO2濃度的所有點(diǎn)位個(gè)數(shù).本文以釋放源為坐標(biāo)原點(diǎn),風(fēng)向?yàn)檩S,風(fēng)向逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°為軸,高度為軸建立坐標(biāo)系,利用高斯擴(kuò)散模型模擬下風(fēng)向各監(jiān)測點(diǎn)濃度.本研究真實(shí)源強(qiáng)記為,坐標(biāo)記為、、,其中=0m、=0m、=0.46m,對應(yīng)的反演源的源強(qiáng)和位置坐標(biāo)記為0,0,0,0.

2 結(jié)果與討論

2.1 正向擴(kuò)散模擬評估

高斯擴(kuò)散模型模擬結(jié)果如圖2所示,9次實(shí)驗(yàn)的模擬值與監(jiān)測值均有較好的相關(guān)性,均達(dá)到0.9以上,利用高斯點(diǎn)源煙羽擴(kuò)散模型的模擬結(jié)果與監(jiān)測結(jié)果的相關(guān)系數(shù)均大于0.9;從統(tǒng)計(jì)學(xué)的角度分析,模擬結(jié)果與監(jiān)測結(jié)果兩組數(shù)據(jù)的值明顯小于0.05,相關(guān)關(guān)系十分顯著,同時(shí)證明了值是可信的.但是模擬結(jié)果與監(jiān)測結(jié)果仍存在一定的誤差,其不確定性主要來源于兩方面:一是SO2濃度的監(jiān)測存在不可避免的誤差,二是由于高斯模型本身的限制,模擬時(shí)未考慮地形及氣象條件的影響.因此,在不同的穩(wěn)定條件下,高斯點(diǎn)源煙羽擴(kuò)散模型均適用于點(diǎn)源擴(kuò)散模擬,驗(yàn)證了擴(kuò)散系數(shù)σ、σ(表1)對本實(shí)驗(yàn)?zāi)M是適用的,同時(shí)高斯點(diǎn)源煙羽擴(kuò)散模型及9次實(shí)驗(yàn)均為源強(qiáng)反演中目標(biāo)函數(shù)的構(gòu)建提供良好的支撐.

2.2 反向反算結(jié)果

根據(jù)已有研究成果[29],不同的監(jiān)測點(diǎn)數(shù)量對源強(qiáng)反演效果存在一定影響,發(fā)現(xiàn)增加監(jiān)測點(diǎn)數(shù)可以減小反演結(jié)果的誤差,但增加到25個(gè)監(jiān)測點(diǎn)時(shí),再增加監(jiān)測點(diǎn)數(shù)量,反演結(jié)果幾乎無變化.因此,本文為了減小源強(qiáng)反算的誤差,按照監(jiān)測值與模擬值誤差的絕對值小于0.005g/m3的原則選取監(jiān)測點(diǎn),進(jìn)行源參數(shù)反算.

圖3 不同算法的反演結(jié)果比較

2.3 反算結(jié)果分析

2.3.1 源強(qiáng)反算結(jié)果分析 圖3a顯示,綜合分析9次實(shí)驗(yàn)的源強(qiáng)反演結(jié)果發(fā)現(xiàn),PSO-NM算法的反演結(jié)果與真值最為接近,準(zhǔn)確性更高,平均誤差為11.3%;GA-NM算法的反演準(zhǔn)確性次之,平均誤差為16.4%;GA-PSO算法的反演準(zhǔn)確性最差,平均誤差為29.0%.在不穩(wěn)定條件和中性條件下,3種算法的反演準(zhǔn)確性與9次綜合反演結(jié)果類似,均為PSO-NM最高(9.5%)、GA-NM次之(22.3%)、GA-PSO最低(32.9%).而在穩(wěn)定條件下(S1、S2、S3)不同,GA-NM算法的準(zhǔn)確性最高,平均誤差為4.6%;PSO-NM算法次之,平均誤差為15.0%;GA- PSO算法最差,平均誤差為21.2%.因此,從源強(qiáng)反演的準(zhǔn)確性角度分析,在大氣擴(kuò)散條件為不穩(wěn)定和中性下,優(yōu)先考慮使用PSO-NM算法;大氣擴(kuò)散穩(wěn)定條件下,優(yōu)先考慮選用GA-NM算法開展源強(qiáng)反算研究.

從源強(qiáng)反演結(jié)果的穩(wěn)定性來看,在9次實(shí)驗(yàn)與各大氣擴(kuò)散條件(不穩(wěn)定、中性、穩(wěn)定)下,PSO-NM算法源強(qiáng)反演結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.0~2.2g/s,平均標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.7g/s;GA-NM算法源強(qiáng)反演結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)偏差為8.8~18.5g/s,平均標(biāo)準(zhǔn)偏差為13.3g/s;GA- PSO的源強(qiáng)反演結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)偏差為22.3~32.9g/s,平均標(biāo)準(zhǔn)偏差為26.6g/s.通過對比分析可以發(fā)現(xiàn),PSO-NM源強(qiáng)反演的標(biāo)準(zhǔn)偏差范圍與平均標(biāo)準(zhǔn)偏差均明顯低于GA-NM與GA-PSO,穩(wěn)定性最強(qiáng).因此,從算法穩(wěn)定性來看,不同大氣擴(kuò)散條件下PSO-NM算法的反演結(jié)果最為穩(wěn)定,建議在源強(qiáng)反算研究中優(yōu)先選用.

2.3.2 位置反算結(jié)果分析 圖3b-e給出了坐標(biāo)及距離反算的均值及標(biāo)準(zhǔn)偏差結(jié)果,圖4給出了不同算法坐標(biāo)反演及距離計(jì)算誤差的結(jié)果.從反演源與真實(shí)源之間的距離考慮,如圖4a,在大氣擴(kuò)散不穩(wěn)定(US1、US2、US3)和中性(NS1、NS2、NS3)條件下,從算法反演準(zhǔn)確性角度看,PSO-NM算法反演結(jié)果的平均誤差(4.97m)最小,GA-PSO(8.41m)次之, GA-NM(8.49m)最大,表明PSO-NM 算法的反演源與真實(shí)源的距離最小,更加接近真實(shí)源排放位置,在距離反算中優(yōu)先選用PSO-NM算法.而在穩(wěn)定條件(S1、S2、S3)下,GA-NM算法的平均誤差(7.69m)最小,GA-PSO(8.15m)次之,PSO-NM算法(10.98m)最差,因此應(yīng)優(yōu)先考慮使用GA-NM算法在穩(wěn)定條件下的距離反演.圖4c~d的結(jié)果表明,從對0和0坐標(biāo)的反演結(jié)果來看,結(jié)果與0相似.9次實(shí)驗(yàn)中, PSO-NM算法反算的平均誤差(1.21m)普遍小于其他兩種算法(4.54、4.7m),表明在3種大氣擴(kuò)散條件下,PSO-NM算法對0和0反演時(shí)的準(zhǔn)確度普遍較高,此時(shí)優(yōu)先使用PSO-NM算法.圖4a顯示,從0坐標(biāo)反演的準(zhǔn)確性角度考慮,不穩(wěn)定條件下,PSO-NM算法的反算的平均誤差(2.98m)小于其他兩種算法(5.29、5.15m),證明當(dāng)大氣處于不穩(wěn)定擴(kuò)散條件下時(shí), PSO-NM算法的準(zhǔn)確性最高,應(yīng)優(yōu)先使用PSO-NM算法開展源反算研究;而在大氣擴(kuò)散條件為中性和穩(wěn)定時(shí),GA-PSO算法反演結(jié)果的平均誤差(4.93m)與GA-NM算法(4.99m)接近,且明顯低于PSO-NM算法(8.45m),此時(shí)應(yīng)優(yōu)先考慮選用GA-PSO算法或者GA-NM算法.

從圖3b~e中可以看出,9次實(shí)驗(yàn)中,在對不同位置參數(shù)(0、0、0、0)進(jìn)行反算時(shí),PSO-NM算法的標(biāo)準(zhǔn)偏差均最小.反演結(jié)果中,PSO-NM算法對位置反演的標(biāo)準(zhǔn)偏差范圍及平均標(biāo)準(zhǔn)偏差均最低,分別為0.11~0.54m、0.29m;GA-NM算法(2.93~4.75m、3.20m)與GA-PSO算法(2.95~4.33m、3.03m)則相差不大.因此,從算法的穩(wěn)定性角度考慮,3種大氣擴(kuò)散條件下,PSO-NM算法對位置參數(shù)反演最為穩(wěn)定,與只考慮源強(qiáng)反算時(shí)的結(jié)果保持一致.

圖4 不同算法坐標(biāo)反演及距離計(jì)算誤差結(jié)果

2.3.3 反算時(shí)間結(jié)果分析 圖3f給出了反算時(shí)間結(jié)果,整體上來看,PSO-NM算法的平均反算時(shí)間(1.65s)與GA-NM算法(1.57s)接近,且明顯快于GA-PSO算法(12.46s),這可能與算法本身固有的結(jié)構(gòu)有關(guān).圖3f顯示,在PSO-NM算法與GA-NM算法在不同大氣擴(kuò)散條件下的時(shí)間變化趨勢大致相同,GA-NM算法略快于PSO-NM,且兩者的反演時(shí)間不超過7s,且在大氣擴(kuò)散中性和穩(wěn)定條件下,兩種算法反演時(shí)間在1s左右.而GA-PSO算法的反算時(shí)間范圍為10s~17s,且只有在穩(wěn)定條件下對源參數(shù)進(jìn)行反算時(shí),3種算法的反演時(shí)間變化不大.綜上所述,在反演時(shí)間方面,GA-NM的用時(shí)最短,效率最高,可應(yīng)用于快速應(yīng)急處置.

2.3.4 算法結(jié)構(gòu)分析 首先圖3a~d顯示,整體上PSO-NM算法對源參數(shù)(0、0、0、0)反演的準(zhǔn)確性要高于其他算法,與算法本身結(jié)構(gòu)有直接關(guān)系.標(biāo)準(zhǔn)GA和PSO算法局部收斂性能較差,更有利于全局收斂.同時(shí)GA算法采用二進(jìn)制編碼,并以概率的方式進(jìn)行3種基本遺傳操作(選擇、交叉、變異),導(dǎo)致準(zhǔn)確度較差.相反PSO算法,以既定的規(guī)則尋求最優(yōu)解,并賦予記憶功能,使得尋優(yōu)過程中范圍不斷縮小,從而逼近最優(yōu)解,因此其準(zhǔn)確性高于GA算法.不同的是,NM算法收斂速度快,穩(wěn)定性強(qiáng),多次尋優(yōu)不會出現(xiàn)很大的偏差,其最大的局限性是受局部最優(yōu)值數(shù)量的影響較大,容易導(dǎo)致局部收斂,準(zhǔn)確度難以保證.圖3f中GA-NM和PSO-NM算法的運(yùn)行時(shí)間明顯快于GA-PSO算法,這是由于GA和PSO算法均不能快速局部收斂,故需要消耗更多的時(shí)間尋優(yōu).其次,從反算的穩(wěn)定性角度來看,PSO-NM算法的穩(wěn)定性最高.這可能是因?yàn)橄鄬τ谝愿怕史绞綄?yōu)的GA算法,以既定規(guī)則尋優(yōu)的PSO算法在進(jìn)行多次反算時(shí),穩(wěn)定性要高于GA算法.因此,PSO-NM耦合算法的穩(wěn)定性能優(yōu)于其他兩種耦合算法.

從初值產(chǎn)生方式看,PSO-NM算法加入了單純形算法,對初值做了優(yōu)化,而GA-NM和GA-PSO算法以隨機(jī)的方式產(chǎn)生初值,具有很大的不確定性.從內(nèi)部耦合結(jié)構(gòu)看,PSO-NM算法是先利用PSO算法進(jìn)行尋優(yōu),到一定的迭代數(shù)后,采用單純形法加速收斂,既能節(jié)省時(shí)間又可提高準(zhǔn)確率.GA-NM算法采用群體分類的方式進(jìn)行耦合,運(yùn)行過程中最優(yōu)群體中的個(gè)體不易與其他群體中的個(gè)體發(fā)生重組,導(dǎo)致局部收斂.GA-PSO算是在PSO算法中引入了基本遺傳操作,計(jì)算量增大,耗時(shí)長且不易于局部收斂.從算法本質(zhì)出發(fā),綜合準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性及運(yùn)行時(shí)間因素,PSO-NM算法對源項(xiàng)參數(shù)反演效果整體上優(yōu)于其他兩種算法的結(jié)果是科學(xué)、合理的.

2.3.5 大氣擴(kuò)散條件分析 圖3a中,GA-NM算法和GA-PSO算法對源位置反演時(shí),不同穩(wěn)定度下反演誤差整體上變化不是很明顯,因此2種算法在對位置反演時(shí)受穩(wěn)定度影響不大.以PSO-NM算法對源強(qiáng)0反演為例,不穩(wěn)定條件下的誤差最小(8.2%),中性條件下次之(10.9%)、不穩(wěn)定條件下誤差最大(15.0%).在不穩(wěn)定條件下,從表1中可以看出,有效監(jiān)測點(diǎn)位數(shù)量最多,平均160個(gè)左右,這可能是由于實(shí)驗(yàn)在白天開展時(shí)受到太陽輻射的影響,風(fēng)向風(fēng)速變化較為明顯,導(dǎo)致污染物擴(kuò)散煙羽的覆蓋范圍變大[26],而在穩(wěn)定條件下時(shí),有效監(jiān)測點(diǎn)位數(shù)量明顯變少,平均76個(gè)左右,這可能是由于實(shí)驗(yàn)在夜間開展,風(fēng)向風(fēng)速較為穩(wěn)定,污染物擴(kuò)散煙羽的覆蓋范圍較小.因此按照2.2節(jié)中的條件篩選用于反算的監(jiān)測點(diǎn)時(shí),雖然數(shù)據(jù)量相差不大,但選取的監(jiān)測點(diǎn)范圍卻存在差異,不穩(wěn)定條件選取的監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)覆蓋范圍最大、中性條件次之、穩(wěn)定條件最小.因此,PSO-NM算法在對源強(qiáng)反算時(shí)也可能受到不同大氣擴(kuò)散條件的影響.圖3a中顯示, PSO-NM算法在不穩(wěn)定條件、中性條件和穩(wěn)定條件下的標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為0.3,1.4,0.6g/s; GA-NM算法為17.9,12.0,10.1g/s;GA-PSO算法為28.8,25.3,25.7g/s. PSO-NM 和GA-PSO算法的標(biāo)準(zhǔn)偏差變化不大,最大相差3.5g/s.因此PSO-NM和GA-PSO算法受不同大氣擴(kuò)散條件影響不明顯.隨著大氣擴(kuò)散條件越穩(wěn)定, GA-NM算法的標(biāo)準(zhǔn)偏差越小,表明GA-NM算法反算的穩(wěn)定性受到不同大氣擴(kuò)散條件的影響.從時(shí)間方面看, PSO-NM算法在不穩(wěn)定條件、中性條件和穩(wěn)定條件下為2.65,1.21, 1.09s;GA-NM算法為3.02,0.84,0.83s;GA-PSO算法為13.29,13.18,10.9s.結(jié)果表明大氣擴(kuò)散條件越穩(wěn)定,算法的反算時(shí)間越短.

本文主要從源參數(shù)反演的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性和反演時(shí)間角度,對比分析了不同耦合優(yōu)化算法的適用性,以為突發(fā)大氣污染事故的快速應(yīng)急提供技術(shù)參考.算法的優(yōu)劣直接影響源強(qiáng)反算效果,在未來的研究中可通過優(yōu)化算法內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù),提升其在源項(xiàng)反演中的性能,并基于真實(shí)突發(fā)大氣污染事故案例對其驗(yàn)證.除優(yōu)化算法外,監(jiān)測結(jié)果與模型模擬的準(zhǔn)確性對反演結(jié)果也有較大影響.雖然本研究中高斯模型模擬效果是可接受的,但模擬值與監(jiān)測值仍存在一定的誤差,隨著科技的發(fā)展,通過先進(jìn)的監(jiān)測手段可減小監(jiān)測誤差,提高監(jiān)測結(jié)果的準(zhǔn)確性.同時(shí)可進(jìn)一步優(yōu)化模型擴(kuò)散參數(shù),提升模型模擬性能,進(jìn)而改善源參數(shù)反演準(zhǔn)確性.

3 結(jié)論

3.1 從準(zhǔn)確性角度來看,PSO-NM算法對0,0,0的反演效果(誤差為11.3%,1.21m)最好,GA-NM和GA-PSO算法對0坐標(biāo)反演效果普遍較好.這可能與不同的算法結(jié)構(gòu)及大氣擴(kuò)散條件有關(guān).

3.2 從穩(wěn)定性角度來看,PSO-NM算法對源參數(shù)(0,0,0,0)反演的穩(wěn)定性(標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.7g/s,0.29m)最好;GA-NM算法源強(qiáng)反演的穩(wěn)定性優(yōu)于GA-PSO算法,但GA-PSO對位置反演時(shí)穩(wěn)定性與GA-NM算法相近.

3.3 從反演時(shí)間方面來看,PSO-NM算法(1.65s)與GA-NM算法(1.57s)在源參數(shù)反演過程中用時(shí)短,效率高.同時(shí)大氣擴(kuò)散條件越穩(wěn)定,算法的反演時(shí)間越快.

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Comparative and study on the application of typical hybrid algorithms in source parameter inversions.

SHEN Ze-ya, LANG Jian-lei, CHENG Shui-yuan*, MAO Shu-shuai, CUI Ji-xian

(Key Laboratory of Beijing on Regional Air Pollution Control, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China)., 2019,39(8)：3207~3214

Rapid and accurate estimation of source items was the basis for environment emergency disposal on sudden air pollution accidents. In order to search for effective methods for inversing source parameters, we conducted a comparison study on the performances of three hybrid algorithms (e.g., GA-PSO, GA-NM, PSO-NM) for estimating source parameters (strength and location). Three inversion models were developed by combining GA-PSO, GA-NM, PSO-NM with Gaussian dispersion model, respectively. The study was carried out based upon SO2leakage tests selected from 1956 Prairie Grass emission experiment. The impacts of algorithm structure and atmospheric diffusion conditions on source term inversion were analyzed. Results showed that for source strength, the PSO-NM algorithm performed more accurate and robust, the mean error and mean standard deviation were 11.3% and 0.7g/s, respectively, which were much lower than those of GA-NM (i.e., 16.4%, 13.3g/s) and GA-PSO (i.e., 29.0%, 26.6g/s). As for source location, the performance of PSO-NM was more robust, with average standard deviation of 0.29m, which was also much lower than that of GA-NM (3.20m) and GA-PSO (3.03m). Under the unstable and neutral atmospheric diffusion conditions, the accuracy of PSO-NM algorithm for estimating position parameter was the best, with an error of 4.97m; However, GA-NM method had the minimum error (7.69m) under the stable condition. As for computational efficiency, PSO-NM and GA-PSO spent less time in source item inversion, which were more suitable for inversing source parameters for sudden air pollution.

hybrid algorithm；4-D source parameters；Gauss point source plume diffusion model；source parameter inversion；sudden air pollution accidents

X511

A

1000-6923(2019)08-3207-08

沈澤亞(1994-),男,河北唐山人,北京工業(yè)大學(xué)碩士研究生,主要從事突發(fā)大氣污染事故源強(qiáng)估算研究.

2019-01-06

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題(2017YFC0209901,2017YFC0209905);總理基金項(xiàng)目(DQGG0501,DQGG0509,DQGG0201-02)

* 責(zé)任作者, 教授, chengsy@bjut.edu.cn