(19)中华 人民共和国 国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202111441776.3 (22)申请日 2021.11.30 (71)申请人 东南大学 地址 211135 江苏省南京市麒 麟科创园智 识路26号启迪城立 业园04幢 (72)发明人 吴浩　高庆燕　叶智锐　王超　 唐豪　冯嘉校　 (74)专利代理 机构 南京经纬专利商标代理有限 公司 32200 代理人 姜慧勤 (51)Int.Cl. G06F 30/15(2020.01) G06F 30/27(2020.01) G06F 30/28(2020.01) G06F 119/14(2020.01)G06F 113/08(2020.01) (54)发明名称 一种基于优化理论的在航船舶尾气反算方 法 (57)摘要 本发明公开了一种基于优化理论的在航船 舶尾气反算方法， 利用FLUENT软件对船舶尾气 扩 散稀释过程进行仿真， 在高斯点源扩散模型、 高 斯烟团模型和高斯线源扩散模型的基础上， 提出 基于研究尾气 扩散条件的优化高斯模 型， 并建立 基于优化理论的源强反算模型。 通过船舶AIS系 统及其他监测设备获取船舶动静态信息、 气候天 气信息及船舶尾气监测 信息， 利用基于高斯模式 的智能优化反算方法， 求得驶经桥梁的船舶尾气 排放源强。 本发 明方法保证了由远程监测设备反 推船舶尾气排放浓度的求解效率和求解精度， 大 大提高了海事部门对船舶尾气进行密切监管的 执法能力和执法效率， 加强了船舶尾气排放超 标 船只的监督控制范围， 具有极强的工程实际意 义。 权利要求书2页 说明书8页 附图3页 CN 114239136 A 2022.03.25 CN 114239136 A 1.一种基于优化理论的在航船舶尾气反算方法， 其特 征在于， 包括如下步骤： 步骤1， 通过FLUENT仿真软件建立以桥梁为基础的船舶尾气排放模型， 利用船舶尾气排 放模型分析 船舶尾气扩散的影响因素； 步骤2， 根据船舶尾气扩散的影响因素， 结合高斯烟团模型， 建立优化的高斯尾气扩散 模型； 步骤3， 根据优化的高斯尾气扩散模型， 建立基于优化理论的在航船舶尾气反算模型， 并对上述在航船舶尾气反算模型进行求 解， 实现由船舶尾气监测浓度求 解船舶尾气源强。 2.根据权利要求1所述的基于优化理论的在航船舶尾气反算方法， 其特征在于， 所述步 骤1的具体过程如下： 步骤11， 结合桥梁结构参数， 建立船舶运行流场计算模型， 其中， 模型长1232m， 宽 1600m， 高120m， 桥梁高32m， 船舶总长 66.70m， 总宽12.45m， 吃水2.6 0m， 烟囱高0.8m； 步骤12， 确定模型计算条件， 具体为： (1)船舶尾气排放选择使用湍流方程， 使用k ‑εepsilon模型， 选择组分为二氧化硫， 打 开组分输运模型， 对二氧化硫的输运进行模拟； (2)采用压力出口边界条件， 外 界气流来流方向设置为速度入口条件， 速度大小为10m/ s， 船舶表 面船头位置设置一个区域为二氧化硫的释放口， 尾气排放速度设置为 1.1kg/s， 船 体航行速度为3.75m/s； (3)设置整个流场域 为流体， 全局初始化， 并选用二阶差分格式； (4)船舶在航状态下， 尾气扩散传播为非稳态过程， 采用非稳态进行迭代， 设置计算时 间步长为0.1s； 步骤13， 在计算域内的水平及竖直方向分别棋盘式铺设20和16个监测点， 分析船舶尾 气在空间中的分布特征， 监测点具体设置如下： 令垂 直于桥梁方向为行， 平行于桥梁方向为 列， 则水平方向铺设的监测点为4行5列， 水平方向的监测点与排放源在同一水平线， 在平行 于桥梁方向， 相邻两个监测点间隔40m， 在垂直于桥梁方向， 相邻两个监测点间隔50m， 且其 中4个监测点设置在桥梁上， 其余监测点设置于同一水平高度， 并向船舶行驶方向延伸； 垂 直方向铺设的监测点位于桥 纵平面， 垂直方向铺设的监测点为4行4列， 其中有4个监测点设 置于桥面下方10 m处， 有4个监测点设置于桥面上， 其余监测点设置于桥面上方， 且在平行于 桥面方向相 邻两个监测点间隔40 m， 在垂直于桥面方向， 桥面下方的监测点与桥面上监测点 间隔10m， 其 余监测点间隔40m； 步骤14， 船舶尾气扩散的影响因素包括船舶尾气排放 时间、 风速、 船速以及船舶尾气扩 散周边气候 地理条件。 3.根据权利要求1所述的基于优化理论的在航船舶尾气反算方法， 其特征在于， 所述步 骤2中， 以船舶尾气烟囱排放口为坐标原点， 下风向方向为x轴正向， 在水平面垂直x轴的方 向为y轴， x轴正向左侧为y轴正向， 垂直向上 方向为z轴正向建立 直角坐标系； 船舶行至tn时刻， 对桥梁上监测点的浓度贡献值为船舶在各个时刻累积浓度贡献值之 和， 即：权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 114239136 A 2其中， C(x， y， z， tn)表示船舶行驶至tn时刻， 船舶对桥梁上监测点的总浓度贡献值； cj (x， y， z， tn)表示船舶行驶至tj时刻时排放的尾气扩散到下风向监测点(x， y， z)在tn时的浓 度； Qj表示tj时刻船舶尾气排放强度， 单位kg/s； 分别为tj时刻x、 y、 z轴上的大气 扩散系数， 大气扩散系数由Pasquill ‑Gifford模型计算得出； u为合 成环境风速， 单位m/s； H 为污染源高度， 单位 为m； xj、 yj、 zj分别为tj时刻监测点在x、 y、 z轴方向的坐标值。 4.根据权利要求1所述的基于优化理论的在航船舶尾气反算方法， 其特征在于， 所述步 骤3中， 以船舶尾气浓度监测值和优化的高斯尾气扩散模型计算值之间的误差限制为 目标 函数， 将船舶尾气源强求解的过程转换为最优化求解问题， 利用智能优化算法对源强信息 进行搜索， 求得目标函数值 最小的解即为源强信息； 在船舶尾气扩散下风向处棋盘式布置m个尾气监测器， 用于监测下风向在航船舶的二 氧化硫浓度， 用符号 表示第i个尾气监测器得到 的监测浓度， 表示第i个尾气监 测器位置得到的计算浓度值， 目标函数f(Q)设为监测浓度值和 计算浓度值的误差平方和， 则源强信息反算问题归结为无约束最小值优化问题， 目标函数f(Q)为： 利用遗传算法或者粒子群算法求解以上无约束最小值优化问题， 实现由船舶尾气监测 浓度求解船舶尾气源强Q。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 114239136 A 3