一種基于網(wǎng)絡病毒傳播模型的空氣污染溯源方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明設及基于觀測點數(shù)據(jù)的空氣污染溯源問題，提出了一種基于網(wǎng)絡病毒傳播 模型的空氣污染溯源方法。
【背景技術】
[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。該技術在天氣預測，大氣污染治理等領域具有非常重要 的研究及應用價值。
[0003] 隨著環(huán)境的日益惡化，污染治理成為當代一個重要的研究課題?？諝馕廴局卫硎?污染治理的一個重要環(huán)節(jié)，控制污染源是污染治理的關鍵。如何及時、準確地找到空氣污染 源是一個熱點問題;與此同時，發(fā)現(xiàn)一定區(qū)域內優(yōu)質空氣的擴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)質空 氣的溯源方法并未深入研究。與此同時，傳統(tǒng)的空氣污染溯源方法不能將時間、空間、強度 統(tǒng)一在溯源結果中，在區(qū)域范圍較大時計算復雜度過高，也不能很好地滿足時效性的要求。 因此，采用基于網(wǎng)絡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)明內容】

[000引針對現(xiàn)有空氣污染溯源方法的高復雜度及其溯源結果的局限性問題，本發(fā)明的目 的是提供一種基于網(wǎng)絡病毒傳播模型的空氣污染溯源方法，最大限度地優(yōu)化溯源結果，提 高溯源效率。
[0006] 為達到上述目的，本發(fā)明提出的基于網(wǎng)絡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.獲取相關子圖：
[0008] 將某地區(qū)各個觀測站W(wǎng)及它們之間的互相影響關系表示為一張有向圖，利用各個 觀測站之間的地理信息和天氣信息，將各觀測點的加權距離數(shù)值化，得到距離矩陣。對于目 標站點，使用距離闊值篩選出與其相關的站點，得到其相關子圖。
[0009] 步驟二.構造大氣污染轉移方程：
[0010] 根據(jù)步驟一中得到的相關子圖，構造各個觀測點之間的可達性矩陣，構造某個時 間區(qū)間內各個觀測站的污染物濃度矩陣。再選擇新的時間區(qū)間，構造新的時間區(qū)間內各個 觀測站的污染物濃度矩陣。由上述新舊兩個污染物濃度矩陣構造污染物濃度轉移方程，并 求解該矩陣，得到的解為各個觀測點之間的可達性矩陣。
[0011] 步驟單點溯源分析：
[0012] 根據(jù)步驟二得到的可達性矩陣，依次進行對數(shù)化和對角差異化預處理，并提取對 目標站點貢獻度絕對值最高的站點，分別尋找污染物和優(yōu)質空氣的來源，并記錄源的影響 強度。連續(xù)滑動時間區(qū)間，執(zhí)行若干次上述過程，根據(jù)每次執(zhí)行的結果繪制污染物和優(yōu)質空 氣的傳播路徑。
[0013] 所述的步驟一中描述的相關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系表示為一張有向圖，W觀測點之間 的地理距離為基礎，再加上風力影響，得到圖中各點的加權距離矩陣D，其中化1表示觀測點j 對目標站點i的影響距離。對于目標站點i，設置闊值Dm,遍歷D的第巧U，對< Dm,提取j 加入集合Bi中。Bi中所有元素構成的圖即為目標站點i的相關子圖。
[0015] 所述的步驟二中描述的大氣污染轉移方程構造的具體過程如下：
[0016] 1)設可達性矩陣A，其中元素 Au代表相關子圖中站點j對站點i的污染貢獻度。
[0017] 2)設It為t時刻相關子圖中各站點污染濃度列向量，即lt=[pi,t，P2,t，…，Pn,t]T，其 中Pi, t表示站點i在t時刻的污染濃度。
[0018] 3)設Pt為一定時間區(qū)間內相關子圖中各觀測點的污染濃度矩陣，即Pt= [It, It+l,…，It+s-l]，其中S為時間區(qū)間的長度。
[0019] 4)設Pt-r為Pt向前滑動r個時間單位后相關子圖中各觀測點的污染濃度矩陣，即 Pt-r= [ It-r , It-r+l , , It-r+s-l]，其中 S為時間區(qū)間的長度。
[0020] 5)構造大氣污染轉移方程Pt = APt-T,求解A，得到相關子圖的可達性矩陣，行數(shù)記 為n。
[0021 ]所述的步驟=中描述的單點溯源分析的具體過程如下：
[002引1)對可達性矩陣A進行對數(shù)化處理，構造矩陣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)對矩陣進行對角差異化處理，構造矩陣A"使得，對任意且i辛j，A"ij 細足:A"：ij=A' dJ-A' ji。
[0024] 3)對于目標站點i，在預處理后的矩陣A"中，記A" iw=max {A" ii，A" i2，…，A" in}，取正 闊值A+:若A" iw〉A%則W作為站點i的污染物源頭，并把A" IW作為污染源的影響強度；否則，認 為該時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站點，重復若干次上述溯源過程，直到時間區(qū)間 滑動到起始時刻，找到起始時刻的污染源頭，繪制出該時間段內污染物的傳播路徑并標記 每次傳播的強度。
[0026] 5)對于目標站點i，在預處理后的矩陣A"中，記A" iq=min {A" ii，A" i2，…，A" in}，取負 闊值A^:若A" iq<A^，則q作為站點i的優(yōu)質空氣源頭，并把A" iq作為污染源的影響強度;否則， 認為該時間段優(yōu)質空氣傳播不顯著，q = i，即i為自身的源頭。
[0027] 6)將q重新作為優(yōu)質空氣溯源的目標站點，重復若干次上述溯源過程，直到時間區(qū) 間滑動到起始時刻，找到起始時刻的優(yōu)質空氣源頭，繪制出該時間段內優(yōu)質空氣的傳播路 徑并標記每次傳播的強度。
[0028] 本發(fā)明的優(yōu)點在于：
[0029] (1)基于網(wǎng)絡病毒傳播模型的空氣污染溯源方法，能夠準確地按照時間要求尋找 源頭的空間位置，并且能得到源頭的影響強度；
[0030] (2)該方法利用一定時空的污染物數(shù)據(jù)篩選出范圍更小的相關區(qū)域，并且能夠高 效地得到溯源結果，時效性較強。
【附圖說明】
[0031] 圖1為本發(fā)明一種基于網(wǎng)絡病毒傳播模型的空氣污染溯源方法的步驟流程圖。
[0032] 圖2為相關子圖獲取的步驟流程圖。
[0033] 圖3為大氣污染轉移方程構造的步驟流程圖。
[0034] 圖4為單點溯源分析的步驟流程圖。
【具體實施方式】
[0035] 下面將結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的詳細說明。
[0036] 本發(fā)明的一種基于網(wǎng)絡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:利用加權距離獲取相關子圖；
[0038] 步驟S2:構造與求解大氣污染轉移方程；
[0039] 步驟S3:可達性矩陣預處理及單點連續(xù)溯源。
[0040] 下面將對每個步驟進行具體的說明：
[0041] 步驟Sl實現(xiàn)相關子圖的獲取，利用計算的加權距離來約束目標站點的相關點，從 全局圖中獲取相關子圖。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)和風力數(shù)據(jù)計算任意兩觀測點之間的加權距離，得到加權距離矩 陣D。
[004引 2)采用闊值Dm約束對目標站點的影響范圍，即遍歷D的第i列，對V% < An，提取j 加入集合Bi中。
[0044] 3)Bi中所有元素構成的圖即為目標站點i的相關子圖。
[004引步驟S2實現(xiàn)大氣污染轉移方程的構造，定義可達性矩陣來表示站點間的相互影響 關系，利用不同時間區(qū)間內各觀測點污染濃度的變化，構造濃度轉移方程并求解。圖3給出 了該方法的具體流程如下：
[0046] 1)結合目標站點i的相關子圖，獲取各觀測點污染物濃度在一定時間區(qū)間的分布 矩陣。
[0047] 2)在污染物濃度時空分布矩陣中提取相關子矩陣，得到不同時間區(qū)間下污染物濃 度分布矩陣，具體為：
[0048] a)利用相關子圖，在全局時空分布矩陣中提取相關站點集Bi的時空分布子矩陣。
[0049] b)構造 Pt為一定時間區(qū)間內相