CN108826488B - 一种自动寻源式的室内污染净化去除装置及方法 - Google Patents

一种自动寻源式的室内污染净化去除装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种针对空气传播污染物的自动寻源式室内污染净化去除装置及方法。装置包括污染物浓度传感器、控制单元、位置传感器、动力装置、移动机构、伸缩装置、污染物收集罩以及过滤净化装置。控制单元可根据污染物浓度传感器监测到的浓度数据，辨识出相关污染物的实际释放位置及逐时释放率，并可控制装置内污染物收集罩移动到空间指定位置，实现对污染释放位置处污染物的收集及去除。该装置不仅可基于少量传感器监测到的浓度数据，准确辨识出随时间动态变化的多种污染物的多个污染源信息，且实现对三维空间内任意位置、任意高度处释放的污染物的收集和去除，解决了现有装置无法对室内污染源同时进行探测、辨识、自动寻源、及收集去除的难题。

Description

一种自动寻源式的室内污染净化去除装置及方法
技术领域
本发明属于室内污染物辨识技术及空气净化领域，涉及一种自动寻源式的室内污染净化去除装置及方法。
背景技术
室内空气品质与人员的居住安全与健康息息相关，而控制污染物浓度是保证良好空气品质的关键。为实现对室内污染物浓度的主动控制，急需开发一种空气净化装置。该装置不仅能准确辨识室内污染物的散发源信息，而且可智能移动到污染释放位置对污染物进行收集净化。
现有的空气净化装置大多为摆放位置固定的装置或需要人为操控进行移动。如公开号为CN205860224U的实用新型专利设计了一种室内污染自动净化装置。该装置内部包含净化装置和检测箱，能够去除多种污染物，对室内空气进行自动净化；装置下部有四个滚轮以方便人为移动。但由于该装置只能完成摆放位置处空气的净化，因此不适用于较大空间的室内环境。
为解决上述问题，公开号为CN104633877A的发明专利发明了一种可智能移动的空气净化器。该净化器包括分离的空气检测装置和移动式净化装置。空气检测装置先对净化空间的空气质量进行检测分析，然后向移动净化装置发出行走指令，移动式净化装置按照指令移动并进行空气净化，从而实现对室内环境的充分检测和净化清理。然而该装置只能处理某固定高度处的污染源，且该专利仅笼统的指出了空气检测装置上设有控制单元可将空气污染信息进行分析，没有包含辨识污染源信息的过程。
为了辨识出污染源的准确位置，公开号为CN106650017A的发明专利提出了一种利用固定位置污染物探测器辨识城市空间多污染源的方法。该专利使用伴随方法结合概率分布函数实现了城市空间内多个污染源的辨识，然而该方法只能辨识释放强度恒定的污染源，故限制了其实际使用范围。且当空间存在多个污染源时，每确定一个污染源位置都需要重新模拟一次浓度场，不能同时辨识出多个污染源，因此在实际应用时需要传感器数据与计算机模拟结果数据的多次相互传递，会耗费大量时间。
为了同时辨识出散发强度随时间变化的多个污染源，“随时间变化的多个气态污染源的逆向辨识方法”(Wei Y.,Zhou H.,Zhang T.,Wang S.Inverse identification ofmultiple temporal sources releasing the same tracer gaseous pollutant[J].Building and Environment,2017,118:184-195.)文章提出了一种基于吉洪诺夫正则化操作进行多污染源辨识的方法。该方法首先建立包含潜在污染源位置信息的数据库，以构建出关联传感器浓度与污染源信息的响应矩阵；然后根据传感器实际监测到的浓度数据，使用吉洪诺夫正则化操作，逆向计算出所有潜在污染源的释放率，以此确定出实际污染源的个数、位置和逐时释放率。该方法仅需要少量传感器监测到的浓度数据，即可准确辨识出随时间动态变化的多个污染源位置及逐时释放率，且多个污染源的辨识无需进行多次浓度场的模拟。因此该方法可用于实际室内环境中多个污染源的高效辨识。
综上所述，目前室内空气净化装置大多是固定的或需要人为操控，只能净化某一区域内的空气。而一些所谓的可智能移动的空气净化装置还不能辨识出污染源信息，因此不能进行污染源位置处污染物的精准去除。本发明设计了一种自动寻源式的室内污染净化去除装置，可通过污染物浓度传感器监测到的浓度数据，辨识出实际污染源位置及逐时释放率，填补了尚无空气净化装置可对室内任意位置、任意高度的污染物释放源进行精准定位与高效去除的空白。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供了一种自动寻源式的室内污染净化去除装置，该装置可实现对污染源的精准辨识，并将其去除，具有较强的实用性。
本发明的技术方案如下：
一种自动寻源式的室内污染净化去除装置，包括污染物浓度传感器、控制单元、位置传感器、动力装置、移动机构、伸缩装置、污染物收集罩以及过滤净化装置；所述污染物浓度传感器用于监测室内污染物浓度并将数据传递给控制单元；控制单元用于根据污染物浓度传感器监测到的浓度数据，辨识出相关污染物的实际污染源信息，并根据装置中位置传感器发出的当前位置信号，向动力装置发出移动指令；所述污染源信息包括污染物释放位置；所述动力装置用于通过控制移动机构和伸缩装置，将污染物收集罩移动到辨识出的污染源位置处；所述过滤净化装置通过风机将污染物收集罩收集到的污染物吸入过滤净化装置进行去除；所述动力装置内设有供电设备，为移动机构、伸缩装置和风机供电。
进一步地，上述的控制单元根据相关污染物的潜在污染源位置，结合污染物浓度传感器监测到的浓度数据，辨识出相关污染物的实际污染源信息；控制单元还可在装置移动或去除污染物的过程中继续根据污染物浓度传感器监测到的浓度数据进行污染源信息的动态更新，直到所有污染源位置处污染物浓度都低于相应污染物的浓度报警值；所述污染源信息还包括污染源逐时释放率。
进一步地，所述控制单元在辨识出污染源后，可在污染源信息显示屏上输出污染源位置及逐时释放率，并根据预先输入的室内几何布局信息安排装置的运动路径；所述的移动机构前部设有障碍物监测传感器，遇到障碍物时将信号返回给控制单元修正移动轨迹；所述的控制单元内还设有自动回位功能，在去除所有污染源后将装置按原路返回初始位置。
进一步地，所述根据预先输入的室内几何布局信息安排的装置运动路径为：当所有污染源均释放同种污染物时，控制单元按照各污染源的逐时释放率从大到小进行排序后安排路径，向动力装置发出移动指令；当各污染源存在多种污染物释放时，控制单元按照各污染源与装置间的距离进行排序，选择包含所有污染源的最短路径后向动力装置发出指令。
进一步地，上述的污染物浓度传感器包括但不仅限于VOC传感器、微生物传感器和颗粒物传感器，以对室内的气态污染物、微生物及颗粒物浓度进行实时监测。
进一步地，上述的控制单元内设有控制风机启停的模块，当污染物收集罩移动到污染源所在的释放位置后，风机开始运行；当所有污染物浓度传感器监测到的浓度都低于相应污染物的浓度报警值时，风机停止运行。
进一步地，上述的移动机构和动力装置内的供电设备相连，且可接收动力装置发出的运动指令。
进一步地，上述的伸缩装置包含固定底座、万向节和多节臂；伸缩装置通过固定底座固定于装置内；污染物收集罩通过万向节与多节臂相连，且与污染物收集罩距离最近的臂为可伸缩套管，可调节臂长以改变污染物收集罩的位置；各万向节都和动力装置内的供电设备相连，且可接收动力装置发出的移动指令。
进一步地，上述的过滤净化装置内可设有初效过滤网、高效过滤网、紫外灯、活性炭和出风口，以对多种污染物进行净化，并将净化后的空气通过出风口排出。
进一步地，上述的控制单元内的污染源辨识过程原理如下：
假设空间存在n个同种类的潜在污染源(n≥1)，当某一污染源单独释放时，污染源的逐时释放率与空间的污染物浓度分布满足组分传输方程：
其中，ρ代表空气密度，c是空间的污染物浓度，t是时间，u是速度矢量，Γ是有效扩散系数，q是污染源的逐时释放率。在流场固定的情况下，传感器监测到的浓度与位置固定的污染源的逐时释放率呈线性关系。为进行污染源的辨识，以“随时间变化的多个气态污染源的逆向辨识方法”(Wei Y.,Zhou H.,Zhang T.,Wang S.Inverse identification ofmultiple temporal sources releasing the same tracer gaseous pollutant[J].Building and Environment,2017,118:184-195.)文章提出的方法为例，将公式(1)整理为：
ci＝Aiqi (2)
其中，qi是第i个污染源的逐时释放率(i＝1,...,n)，ci是由qi单独作用时产生的浓度向量，Ai是描述第i个污染源与该污染源单独释放时传感器监测位置浓度之间关系的响应矩阵，该矩阵形式如下：
其中，是浓度响应因子，即在第i个污染源位置以脉冲形式释放污染物时，传感器在t＝kΔT(ΔT为传感器能监测到的浓度最小时间分度)时刻监测到的浓度响应，m为传感器的完整监测时间相对于ΔT的倍数。
当空间存在多个同时释放的污染源时，传感器监测到的浓度数据是各污染源在监测位置释放量的和，因此：
其中，c是传感器实际监测到的浓度。由于需要确定出所有潜在污染源的逐时释放率qi(i＝1,...,n)，因此需要n个传感器的浓度数据使得方程个数与未知量个数相等，即形成如下矩阵：
其中，上述公式中各变量的上角标代表不同位置的污染物浓度传感器监测到的浓度数据，cj是第j个传感器(j＝1,...,n)监测到的污染物浓度，公式(5)可进一步整理为：
C＝ΑQ (6)
其中，C＝[c1,…,cj,…,cn]T，由各传感器监测到的浓度数据组成；Q＝[q1,…,qi,…,qn]T，包含了n个潜在污染源的逐时释放率；A为公式(5)等号右侧第一项。
公式(6)中C和A已知，为了确定Q，需要对矩阵A求逆，但由于传感器监测到的浓度数据相对于污染源的释放存在滞后，导致A为病态矩阵，因此引入吉洪诺夫正则化操作，采用如下公式辨识出所有潜在的同类污染源的逐时释放率：
Q＝(ATA+λ2LTL)-1(ATC) (7)
其中，λ是正则化参数，可采用L-Curve法(周鸿彪.气态固定污染源的逆向辨识[D].大连理工大学.2014.)确定，取正则化项||LQ||2随解的误差项||AQ-C||2的变化曲线的拐点为λ值。L为正则化矩阵，表达式如下：
根据计算出的逐时释放率Q得到q1,...,qn，排除释放率为0的潜在污染源位置，即可确定出实际污染源的位置和逐时释放率。
基于上述计算原理，该污染源辨识方法的具体步骤如下：
(1)预先向控制单元输入室内几何布局信息和室内所有潜在污染源(可能会释放某种污染物的污染源)的位置信息；
(2)针对各类污染物的潜在污染源个数n(n≥1)，在房间内任意不同位置布置(n-1)个监测同种类污染物浓度的传感器，将各传感器监测到的浓度实时数据和传感器安装位置返回到控制单元；
(3)控制单元内部根据预先输入的室内几何布局信息，使用数值模拟通过求解纳维-斯托克斯方程组获得室内的流场，并在此流场基础上针对各类污染物使用数值模拟求解组分传输方程获得所有潜在污染源在所有传感器位置的单位脉冲响应F(即在污染源位置以单位脉冲函数形式释放污染物时，传感器监测到的浓度数据)；
(4)使用公式(3)和公式(5)建立只与流场、传感器位置和潜在污染源位置相关的响应矩阵A；
(5)使用公式(7)和公式(8)计算出Q，从而得到各潜在污染源的逐时释放率q1,...,qn，排除释放率为0的潜在污染源位置，确定出实际污染源的位置和逐时释放率。
本发明提供了一种自动寻源式的室内污染净化去除装置，与传统室内净化装置相比，具有以下有益效果：
1.该装置中的污染源辨识过程仅需要少量传感器监测到的浓度数据，即可准确辨识出随时间动态变化的多种污染物的多个污染源位置和逐时释放率；
2.该装置具有自动寻源功能，可对辨识出的污染源位置处污染物进行精准去除，移动机构结合伸缩装置可进行三维空间任意位置处污染源的收集，然后通过风机吸入过滤净化装置进行污染物去除，解决了现有装置无法对室内污染物同时进行辨识、寻源和去除的难题。
附图说明
图1是一种自动寻源式的室内污染净化去除装置示意图：(a)外部；(b)-(d)不同角度内部侧视图。
图中：1污染物收集罩；2污染物浓度传感器；3污染源信息显示屏；4移动机构；5万向节；6动力装置；7固定底座；8控制单元；9可伸缩变向软管；10紫外灯；11活性炭滤网；12离心式风机；13位置传感器；14可伸缩套管；15多节臂；16初效过滤网；17高效过滤网；18出风口。
图2是装置中控制单元内辨识散发同一种类污染物的所有污染源的位置及释放率的流程图。其中，C由各传感器监测到的浓度数据组成，即C＝[c1,…,cj,…,cn]T；A是描述污染源和传感器监测浓度之间关系的响应矩阵，由所有潜在污染源在所有传感器位置的单位脉冲响应构成；λ是正则化参数；L为正则化矩阵。
图3是室内污染源智能定位去除装置收集较低位置污染源处污染物的内部示意图。
图4是室内污染源智能定位去除装置收集较高位置污染源处污染物的内部示意图。
具体实施方式
以下将结合附图和技术方案，详细说明本发明提供的污染源智能定位去除装置。图1是该装置的示意图，包括监测室内污染物浓度的传感器2、控制单元3、8，位置传感器13，动力装置6，移动机构4，伸缩装置：万向节5、固定底座7、可伸缩套管14及多节臂15，污染物收集罩1，以及过滤净化装置：紫外灯10、活性炭滤网11、离心式风机12、初效过滤网16、高效过滤网17、出风口18。该自动寻源式的室内污染净化去除装置的具体操作步骤如下：
步骤1，根据装置所在室内环境，预先向控制单元输入室内几何布局信息和室内所有潜在污染源的位置信息。
步骤2，假定房间存在x种(x≥1)不同种类的潜在污染源，每类污染源的数量为np(np≥1；下角标p代表第p类污染源，p＝1,...,x)，向控制单元输入设定的各类污染物的浓度报警值Op，并在房间任意不同位置布置每类无线浓度传感器(np-1)个，共个污染物浓度传感器监测各类污染物浓度，将各传感器监测到的浓度实时数据和传感器安装位置返回到控制单元。
步骤3，控制单元内部根据预先输入的室内几何布局信息，使用数值模拟通过求解纳维-斯托克斯方程组获得室内的流场，并在此流场基础上针对各类污染物，使用数值模拟求解组分传输方程获得所有潜在污染源在所有传感器(包括房间内布置的(np-1)个传感器和装置中有1个传感器，共np个)位置的单位脉冲响应(k＝1,...,mp；mp为传感器的完整监测时间相对于ΔT的倍数)，即在第i个(i＝1,...,np)污染源位置以脉冲形式释放污染物时，第j个(j＝1,...,np)传感器在t＝kΔT(ΔT为传感器能监测到的浓度最小时间间隔)时刻监测到的浓度；
步骤4，当监测某一种类污染物的浓度传感器监测到的浓度数据大于所设定的浓度报警值Op时，将所有监测该类污染物的浓度传感器监测到的浓度数据传递给控制单元。控制单元内部形成浓度向量(由各同类污染物传感器监测到的浓度数据组成)，并建立响应矩阵A，形式如下：
其中，每个子矩阵(i＝1,...,np，表示第i个污染源；j＝1,...,np，表示第j个传感器；传感器j的顺序与构建浓度向量C的顺序一致)通过公式(2)获取：
然后控制单元内部采用公式(3)辨识出所有同类的潜在污染源的逐时释放率：
Q＝(ATA+λ2LTL)-1(ATC) (3)
其中，包含了np个潜在污染源的逐时释放率；λ是正则化参数，取正则化项||LQ||2随解的误差项||AQ-C||2的变化曲线的拐点为λ值；L为正则化矩阵，表达式如下：
最后控制单元内部根据计算出的逐时释放率Q得到排除释放率为0的潜在污染源位置，确定出实际污染源的位置及逐时释放率。该污染源辨识过程如图2所示。该方法适用于如下特定的情境：
(1)当流场发生变化时，需使用数值模拟重新求解纳维-斯托克斯方程组以获得室内的流场，并重新构建响应矩阵A；
(2)所述的污染源辨识方法一次计算只可辨识出释放同一种污染物的多个污染源，若室内同时存在多种类的污染源，每辨识出一种污染源需重复计算一次公式(3)；
(3)所述的污染源辨识方法可辨识出的污染源为点源，或可近似成点源的部分实际线源、面源、或体源。
步骤5，控制单元在辨识出污染源信息后，在污染源信息显示屏上输出污染源位置及逐时释放率，并根据预先输入的室内几何布局信息、位置传感器发出的位置信息及实际确定的污染源位置，设定装置的本次运动轨迹：当所有污染源均释放同种污染物时，控制单元按照各污染源的逐时释放率从大到小进行排序后安排路径；当各污染源存在多种污染物释放时，控制单元按照各污染源与装置间的距离进行排序，选择包含所有污染源的最短路径。
步骤6，控制单元根据运动轨迹向动力装置6发出指令，动力装置6接收指令后控制移动机构4按照预定轨迹运动、并控制万向节5，使污染物收集罩1移动到第一个污染源位置，控制单元在装置移动过程中继续根据污染物浓度传感器监测到的浓度数据进行污染源信息的动态更新，并在污染源信息发生改变时重复步骤5；污染物收集罩可收集室内任意位置处污染物，图3为污染物收集罩1收集较低位置污染源处污染物的示意图，图4为污染物收集罩1收集较高位置污染源处污染物的示意图。
步骤7，在污染物收集罩移动到指定位置后，动力装置6停止工作，风机12开始运行，将污染源位置处的污染物吸入装置内，先后通过初效过滤网16(去除较大颗粒物)、高效过滤网17(去除PM2.5)、紫外灯10(去除微生物)、活性炭滤网11(去除VOCs)后，通过出风口18将处理后的控制通过出风口送回室内，控制单元在去除污染物的过程中继续根据污染物浓度传感器监测到的浓度数据进行污染源信息的动态更新，并在污染源信息发生改变时重复步骤5、6。
步骤8，当装置内所有监测该类污染物浓度的传感器监测到的浓度都低于设定的浓度报警值Op时，风机12停止运行，动力装置6开始运行，装置重复步骤6-7按照设定的轨迹使污染物收集罩1运动到下一个辨识出的污染源位置进行污染物收集及去除。
步骤9，当所有污染物浓度传感器监测到的浓度都低于报警值时，风机12停止运行，动力装置6开始运行，沿原路线返回到初始位置，完成一次室内污染净化去除。

Claims (6)

1.一种自动寻源式的室内污染净化去除装置，其特征在于，包括污染物浓度传感器、控制单元、位置传感器、动力装置、移动机构、伸缩装置、污染物收集罩以及过滤净化装置；所述污染物浓度传感器用于监测室内污染物浓度并将数据传递给控制单元；控制单元用于根据污染物浓度传感器监测到的浓度数据，辨识出相关污染物的实际污染源信息，并根据装置中位置传感器发出的当前位置信号，向动力装置发出移动指令；所述污染源信息包括污染物释放位置；所述动力装置用于通过控制移动机构和伸缩装置，将污染物收集罩移动到辨识出的污染源位置处；所述过滤净化装置通过风机将污染物收集罩收集到的污染物吸入过滤净化装置进行去除；所述动力装置内设有供电设备，为移动机构、伸缩装置和风机供电；所述控制单元根据相关污染物的潜在污染源位置，结合污染物浓度传感器监测到的浓度数据，辨识出相关污染物的实际污染源信息；控制单元还可在装置移动或去除污染物的过程中继续根据污染物浓度传感器监测到的浓度数据进行污染源信息的动态更新，直到所有污染源位置处污染物浓度都低于相应污染物的浓度报警值；所述污染源信息还包括污染源逐时释放率；所述控制单元在辨识出污染源后，根据预先输入的室内几何布局信息安排装置的运动路径；所述的移动机构前部设有障碍物监测传感器，遇到障碍物时将信号返回给控制单元修正移动轨迹；所述的控制单元内还设有自动回位功能，在去除所有污染源后将装置按原路返回初始位置；所述根据预先输入的室内几何布局信息安排的装置运动路径为：当所有污染源均释放同种污染物时，控制单元按照各污染源的逐时释放率从大到小进行排序后安排路径，向动力装置发出移动指令；当各污染源存在多种污染物释放时，控制单元按照各污染源与装置间的距离进行排序，选择包含所有污染源的最短路径后向动力装置发出指令；该装置的污染源辨识过程如下：
(1)预先向控制单元输入室内几何布局信息和室内所有潜在污染源的位置信息；
(2)针对各类污染物的潜在污染源个数n，n≥1，在房间内任意不同位置布置n-1个监测同种类污染物浓度的传感器，将各传感器监测到的实时浓度数据和传感器安装位置返回到控制单元；
(3)控制单元内部根据预先输入的室内几何布局信息，使用数值模拟通过求解纳维-斯托克斯方程组获得室内的流场，并在此流场基础上针对各类污染物使用数值模拟求解组分传输方程获得所有潜在污染源在所有传感器位置的单位脉冲响应F，以辨识出各类污染物的实际污染源位置及逐时释放率。
2.根据权利要求1所述的一种自动寻源式的室内污染净化去除装置，其特征在于，所述的污染物浓度传感器包括但不仅限于VOC传感器、微生物传感器和颗粒物传感器，以对室内的气态污染物、微生物及颗粒物等污染物浓度进行实时监测。
3.根据权利要求1或2所述的一种自动寻源式的室内污染净化去除装置，其特征在于，所述的控制单元内设有控制风机启停的模块，当污染物收集罩移动到污染源所在的释放位置后，风机开始运行；当所有污染物浓度传感器监测到的浓度都低于相应污染物的浓度报警值时，风机停止运行。
4.根据权利要求1或2所述的一种自动寻源式的室内污染净化去除装置，其特征在于，所述的移动机构和动力装置内的供电设备相连，且可接收动力装置发出的移动指令。
5.根据权利要求1或2所述的一种自动寻源式的室内污染净化去除装置，其特征在于，所述的伸缩装置包含固定底座、万向节和多节臂；伸缩装置通过固定底座固定于装置内；污染物收集罩通过万向节与多节臂相连，且与污染物收集罩距离最近的臂为可伸缩套管，可调节臂长以改变污染物收集罩的位置；各万向节都和动力装置内的供电设备相连，且可接收动力装置发出的运动指令。
6.根据权利要求1或2所述的一种自动寻源式的室内污染净化去除装置，其特征在于，所述的过滤净化装置内可依次设有初效过滤网、高效过滤网、紫外灯、活性炭和出风口，以对多种污染物进行净化，并将净化后的空气通过出风口排出。
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