不确定性条件下的区域大气污染模拟与优化控制耦合系统研究

Disconnection of pollutant-transport simulation and system planning has significantly influenced the effect of air quality control; moreover, the existence of the uncertainties associated with different system components has exacerbated such a problem. Based on the investigation of the current theories and techniques in the air pollution control field, we aims to develop a coupled simulation-optimization control technology for regional air quality control under uncertainty. The detailed contents include: (1) apply a series of uncertainty analysis approaches for recognizing and identifying the uncertain sources associated with the parameters in the simulation and optimization models of the air pollution control; (2) develop a dual-response surface method to establish the relationship between the intensity of the emission sources and the ambient pollutant concentrations and embed the relation into the optimization model; (3) use genetic algorithm to solve the optimization models, where the linkage between the intensity of pollution sources and the ambient air quality will be addressed by the simulation model; (4) apply the proposed methodology into air quality management of Ping gu district, and provide a showcase for other areas in China.

污染模拟与控制脱节影响大气污染控制效果，不确定性存在导致问题的加剧。本研究在调研和分析国内外大气污染控制的理论和实践基础上，拟开发一套模拟-优化控制联动技术，构建不确定性条件下区域大气污染模拟与优化控制耦合系统，以解决区域大气污染控制面临的困难与挑战。研究内容包括：(1) 采用一系列不确定性分析方法，对大气污染模拟和控制优化模型中的关键参数的不确定性来源进行识别和表征；(2) 利用双响应曲面方法建立污染源强和污染物浓度的响应关系，并与优化模型相结合，构建外部连接形式的不确定性模拟与优化控制耦合系统；(3) 以不确定性智能算法为基础，通过污染源强和污染物浓度在模拟和优化模型中输入、输出变量的角色转换，实现二者的联系和互动，构建内部集成形式的不确定性模拟优化控制耦合系统；(4) 该系统在北京市平谷区的成功应用，为平谷区空气质量管理提供决策依据。研究成果将为其它类似区域开展空气质量管理提供借鉴。

本项目最初设计的研究重点是放在如何构建外部耦合和内部集成的模拟与优化综合集成模型，但是，在项目开展过程中，随着对研究问题的深入理解和认识，研究团队逐渐意识到，作为集成模型的重要组成部分，不确定性优化方法在方法类型和结构方面仍然存在很多问题。因此，研究内容从原有的集成模型开发拓展到新型不确定性优化模型的构建和集成模型的开发两个部分，优化方法的应用领域也从原有的空气质量管理领域扩展到固体废弃物管理、动力配煤规划等多个领域。本项目的研究内容和主要结论是：（1）构建以经济总成本和污染物总排放量的比值为目标函数的不确定性分式规划模型，同时考虑经济成本和污染物排放量为系统的主要目标，实现了社会经济增长和污染控制的协调发展；（2）建立以成本期望值、成本偏差值和约束违反的惩罚为综合目标函数的不确定性优化模型，克服了期望值最小化却无法实现每个情景值最小化的缺陷，综合考虑系统经济性和可靠性之间的平衡；（3）以CALPUFF模拟软件为基础，以MATLAB为主要计算手段，运用支持向量机方法建立污染源排放量与区域污染物浓度的定量关系，代替传统的高斯模式，构建外部耦合的模拟与优化综合集成模型；（4）构建内部集成的模拟与优化综合模型，直接调用模拟模型的污染物扩散模拟结果作为优化模型污染物控制约束的左边输入项，并将其用于平谷地区的动力配煤规划和大气污染控制问题，生成的决策方案有助于提升当地的空气质量。该研究成果有效地丰富了不确定性优化理论，同时也为模拟与优化的组合理论和实践方面的探索提供一定的借鉴作用和指导意义。依托研究内容，共发表带项目标注的论文6篇，其中，项目负责人作为第一作者的SCI文章3篇，通讯作者的SCI文章2篇，通讯作者的中文文章1篇，处于审稿阶段的SCI文章4篇；成果产出基本实现了当初的目标。经费支出严格遵照相关规定和预算安排，略有出入部分也已说明。