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专利号: 2022104658861
申请人: 浙江工业大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2026-08-19
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种扬尘颗粒物飘移轨迹模型的建模方法,其特征在于,包括如下步骤:

1)数据预处理阶段:预处理数据;

所述数据预处理阶段包括如下步骤:

1.1)数据查重阶段:通过连表查询,筛除站点设备重复上传的扬尘数据;

1.2)风速处理阶段:根据扬尘数据中的风速和风向参数,计算风速的横向分量和纵向分量,具体执行步骤如下:

1.2.1)根据风向计算其与大地平面坐标轴夹角θ;

1.2.2)计算风速V:

u=V cos(θ),v=V sin(θ);

其中u表示横向分量,v表示纵向分量;

1.3)地理坐标高斯投影阶段:通过高斯投影计算把站点经纬度坐标(L,B)坐标转化为高斯坐标(x,y),其中L为大地经度、B为大地纬度;具体执行步骤如下:

1.3.1)根据经纬度计算中央子午经度、带号以及经度差,模型选用3°带中央子午线,步骤如下:

1.3.1.1)计算3°带带号n3:n3=int(L/3+0.5);

1.3.1.2)计算3°带带号n3的中央子午线L0:L0=3n3;

1.3.1.3)计算经度差l:l=L‑L0;

1.3.2)根据椭球的选择计算子午弧长X;模型选取克拉索夫斯基椭球进行计算:X=111134.861B‑16036.480sin2B+16.828sin4B‑0.022sin6B;

1.3.3)计算高斯坐标正算公式中各个参数的值,其中,B为大地纬度,t为大地维度正切值,e为椭圆偏心率,N为卯西圈曲率半径,a为椭球长半径参数:

1.3.4)利用高斯坐标正算公式求解高斯坐标系下的坐标(x,y):

2 3 2 2 2 4

x=X+N sin B cos Bl+N sin B cos B(5‑t‑9ecosB)l

3 2 2 2 3 5 2 4 5

y=N cos Bl+N cos B(1‑t+e cos B)l+N cos B(5‑18t+t)l;

2)网络处理阶段:根据站点设备的地理位置划分网格;

所述网格处理阶段包括如下步骤:

2.1)聚类分析阶段:在划分网格前根据站点设备的理位置进行DBScan聚类分析,得到高斯坐标下站点设备聚类簇;

2.2)网格划分阶段:步骤2.1)阶段得到效果较好的聚类簇后,根据聚类簇内站点设备的地理位置划分均匀正方形网格;

2.3)数据插值阶段:根据设备站点间距离和扬尘数据值进行线性插值,最终将扬尘数据以速度场、浓度场、温度场、压强场、湿度场的形式保存在网格内;

3)模型预训练阶段:通过模拟数据和传统物理方法进行模型预训练;

所述模型预训练阶段包括如下步骤:

3.1)模拟数据阶段:在划分好的网格中模拟生成T0时刻的扬尘模拟数据,其中包括扬尘的速度场、浓度场、温度场、压强场和湿度场;

3.2)传统物理方法的前向计算阶段:在模拟数据的基础上,根据传统物理方法,即依据N‑S纳维‑斯托克斯方程更新体积力项f、对流项和扩散项的计算并进行前向预测,得到后续时间节点T1,T2,T3,…,Tn,Tn+1的扬尘物理场数据集 具体执行步骤如下:

3.2.1)体积力项f计算:f=ρg,其中g为重力加速度,ρ为流体密度;

3.2.2)对流项计算:给定一个网格点位置为(x,y),该点的物理量场值为 网格点上粒子对应的速度场横向分量为u,纵向分量为v,求解1个时间步长Δt后网格点物理量场值相关步骤为:

3.2.2.1)后向追踪1个时间步长得到粒子的网格位置(x‑uΔt,y‑vΔt);

3.2.2.2)根据物理场网格构建Catmull‑Rom样条插值函数计算得到粒子物理量场的变化均值

3.2.2.3)最终 的计算公式为:

3.2.3)扩散项计算:该步骤主要目的是求解流体的粘度项 其中av为粒子在流体粘性力作用下的加速度,μ为流体的粘度系数;假设第n+1时刻,网格坐标(x,y)处物理量 已知,现需要求解第n时刻的物理量 其具体计算步骤为:

3.2.3.1)建立后向欧拉方程 其中Δt为时间步长;

3.2.3.2)采用中心差分法计算拉普拉斯算子:其中 为 网格四周的物理量,Δx为网格宽

度,Δy为网格高度;

3.2.3.3)令 将常数项提出得到:

3.2.3.4)将其转化矩阵形式,并采用共轭梯度法求解大规模正定稀疏矩阵:

3.3)生成数据集阶段:根据体积力项,对流项,扩散项更新计算得到后续时间节点T1,T2,…,Tn,Tn+1时刻的扬尘物理场数据 进而由数据集进行预训练;

3.4)预训练阶段:将步骤3.3)中通过传统物理方法计算得到的T1,T2,T3,…,Tn,Tn+1时间节点的扬尘物理信息 作为数据集进行神经网络模型U预训练:

3.4.1)模型选取:选取U‑Net作为训练网络;

3.4.2)训练细节:输入通道大小为32×32×6×2,其中32×32为网格大小,6×2代表6个物理场数据2个相邻的时间场,6个物理场数据分别为速度场横向分量,速度场纵向分量,浓度场,温度场,压强场,湿度场;输出通道为32×32×3×1,其中32×32为网格大小,3×1代表预测生成的3个物理场和1个时间场,3个物理场分别为速度场横向分量,速度场纵向分量和浓度场;

4)迁移学习微调阶段:使用训练好的模型预测真实的扬尘颗粒物飘移轨迹;

所述迁移学习微调阶段包括如下步骤:

4.1)模型迁移阶段:保留步骤3.4)中完成预训练的U‑Net模型中的所有参数,将其作为真实数据集的训练模型;

4.2)数据训练阶段:输入通道大小为32×32×4×2,其中32×32为网格大小,4×2代表

4个真实物理场数据和2个相邻的时间场,4个真实物理场数据分别为浓度场,温度场,压强场,湿度场;输出通道为32×32×3×1,其中32×32为网格大小,3×1代表预测生成的3个物理场和1个时间场,3个物理场分别为速度场横向分量,速度场纵向分量和浓度场;

4.3)模型微调阶段:调整参数epoch的值为240,训练批次参数batchsize的值设定为8,设定L2为损失函数,并最终得到预测结果;其中,损失函数L2采用最小化平方误差LSE函数,使用LSE的目的是最小化真实值yi和训练结果f(xi)之间差值的平方和DL2,其函数公式为