基于数字孪生的餐饮污染源动态模拟与管控方法、系统及存储介质与流程

本发明涉及餐饮业厨房安全，尤其涉及一种基于数字孪生的餐饮污染源动态模拟与管控方法、系统及存储介质。本发明所称餐饮污染源，并非仅限于烹饪过程中直接产生的油烟颗粒物、挥发性有机物或异味气体排放源，还包括餐饮排烟管道及静电净化设备内部由油污沉积、热积累、阴燃、预击穿微放电及拉弧点火风险共同形成的复合型异常源。该复合型异常源既会影响油烟污染物的迁移、沉积和二次释放，又会诱发排烟系统内的火灾及电气安全风险，因此属于餐饮排烟系统运行过程中需要动态模拟与管控的污染源对象。

背景技术：

1、餐饮业厨房排烟系统长期处于高温、高湿、油烟颗粒物和挥发性有机物共存的复杂环境中，排烟管道内壁和静电净化器极板表面易形成油污沉积。随着运行时间增加，油污沉积层不仅是污染物持续附着和二次释放的物质载体，也可能在局部热积累、阴燃或电弧作用下形成污染释放增强点和火灾风险触发点，其构成餐饮排烟系统中的动态污染源。

2、当前餐饮业除油烟的主流设备是以8 kv至12 kv的电场电压运行的高压静电油烟净化器。当排烟气流中出现隐蔽热源时，气流温度升高，气体密度下降，依据帕邢定律，气体击穿电压随之降低。若静电净化器工作电压裕度不足，则可能发生预击穿局部放电乃至拉弧，产生点火源，引燃管道内可燃气体与油颗粒，形成从阴燃到连锁火灾的事故链。现有技术对此类事故链的防护存在以下三方面缺陷。

3、目前工业界针对排烟管道火灾风险的监测手段，主要依赖安装于管道内的固定阈值温度探测器。该类探测器通常设置60℃以上的报警阈值，仅能感知阴燃已充分发展至管道内整体温度显著升高的阶段，无法识别阴燃早期仅引起局部气流温度微弱上升的异常。对于静电净化器本体，其保护机制以事后被动响应为主，即监测输出回路的过流、过压或拉弧事件，在故障发生后执行跳闸断电。这类方案均未建立热力学异常与电气绝缘劣化之间的关联模型，属于单维度、开环监测架构。

4、为提升阴燃早期感知能力，工程实践中曾尝试降低温度报警阈值，或增设感烟、气体等多类传感器。降低温度阈值直接导致误报率急剧上升，因为环境温度波动、风机满负荷运行等正常工况变化均会触发报警，系统可用性无法保证。增设异类传感器虽能补充信息维度，但仅实现了多传感器数据的并行采集与独立报警，未在不同物理域之间建立因果关联机制，本质上仍是各通道的阈值比较，无法从根本上区分真实阴燃引发的跨域连锁反应与多个传感器同时发生的偶发扰动。此外，所有基于事后跳闸的净化器保护方案，均无法阻止首次击穿电弧的发生，而该首次电弧本身即可能成为点火源，使保护动作滞后于火灾发生。

5、在热力学检测层面，导致误报与漏报矛盾的根本原因是控制体积热平衡模型与真实物理系统的失配。现有方案均未对管道热平衡进行实时建模，无法区分“正常能量耗散引起的温升”与“额外热源引起的温升”，只能依赖单一温度阈值做粗粒度判断。对于特定排烟支管、特定测点布置以及一定风量范围内的工况，早期隐蔽热源可能仅引起较小幅度的局部温升，该温升虽不足以触发传统高温报警阈值，但可能改变局部气体状态并影响静电净化器绝缘裕度，因此需要结合热平衡模型和电气状态信息进行联合判断。在控制机制层面，导致事后保护失效的根本原因是开环控制架构。静电净化器工作电压依据额定工况固定设置，不随气体密度这一关键击穿电压决定变量的变化而动态调整。帕邢定律确立了气体密度与击穿电压之间单调且非线性的函数关系，开环控制意味着安全电压裕度完全依赖于初始设计预留，在温度持续上升、密度持续下降的工况下，裕度将被单向消耗直至为零，击穿成为必然。在跨域验证层面，缺少因果推断机制使单一传感器方案无法将真正的事故因果链与偶发性干扰进行区分，统计数据显示，仅依赖单一温度或电流阈值方案的误报率在工业现场环境下可达虚警级别，频繁误报将导致运维人员对警报脱敏，使系统最终丧失保护效能。

6、因此，需要一种能够将油污沉积、隐蔽热源、气体放电状态和污染物二次释放风险作为复合型污染源进行统一建模的方法，实现对餐饮排烟系统污染源演化过程的动态模拟、早期识别和分级管控。

技术实现思路

1、为实现上述发明目的，本发明提供了一种基于数字孪生的餐饮污染源动态模拟与管控方法、系统及存储介质，旨在将餐饮排烟系统中的油污沉积、隐蔽热源、预击穿微放电及拉弧点火风险作为复合型污染源进行统一建模和管控，解决或至少减轻传统固定阈值温度探测器无法感知阴燃极早期的微小温升，有效报警时间严重滞后的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于数字孪生的餐饮污染源动态模拟与管控方法，所述餐饮污染源包括餐饮排烟系统中由油污沉积、隐蔽热源、预击穿微放电及拉弧点火风险共同形成的复合型污染源，包括：

3、构建排烟管道的数字孪生体，其包含集总参数热平衡模型和依据帕邢定律建立的气体放电模型；

4、采集入口气流温度、出口气流温度、环境温度、气流速度、风机电流及净化器回路电流波形，驱动所述集总参数热平衡模型计算宏观热功率残差，并根据实时温度修正气体状态参数，输入所述气体放电模型解算动态击穿电压阈值；

5、基于所述动态击穿电压阈值，前馈调节静电净化器高压电源的脉宽调制占空比；

6、提取预击穿局部放电事件并统计放电频率；

7、在滑动时间窗内，对宏观热功率残差与放电频率进行统计关联分析，并根据分析结果触发预警、降额保护或隔离控制。

8、为了进一步实现本发明，可优先选用以下技术方案：

9、优选地，所述计算宏观热功率残差包括：依据实时温度和预设或实测压力，利用等压近似下的理想气体状态方程计算当前气流密度，并根据所述当前气流密度、管道截面积和气流速度获取质量流量；

10、以所述质量流量、进出口温度差、空气定压比热容的乘积为基础热功率，从中扣除由风机电流折算的风机热注入功率，并加上通过卡尔曼滤波在线自适应估计管壁综合传热系数以推算出的管壁散热功率，所得计算结果即为宏观热功率残差。

11、优选地，所述解算动态击穿电压阈值包括：

12、根据实时温度对气体状态参数进行修正，得到等效气体数密度参数，并将所述等效气体数密度参数与净化器极板间距代入帕邢定律表达式；或者，根据实时温度和净化器极板间距得到等效压力-间距乘积参数，并将所述等效压力-间距乘积参数代入帕邢定律表达式；再结合非均匀电场几何安全裕度系数，得到当前气体状态下的动态击穿电压阈值；

13、其中，所述气体放电模型在初始化时通过确认初始工作点对应的等效压力-间距乘积大于帕邢曲线最小值对应的乘积，使系统工作点位于帕邢曲线最小值右侧区域，以保证在温度升高导致等效压力-间距乘积减小时，所述动态击穿电压阈值呈降低趋势。

14、优选地，所述非均匀电场几何安全裕度系数的值随净化器电极积油程度的加剧而自动递减，以修正因油污附着导致的等效绝缘距离缩短对击穿电压阈值的影响。

15、优选地，所述提取预击穿局部放电事件包括：

16、将电流尖峰幅值超过第一阈值、脉冲宽度落入预设区间且前沿上升率超过第二阈值的暂态事件识别为候选放电事件；

17、对所述候选放电事件，验证其在连续多个开关周期内出现时刻相对于开关管导通与关断时刻的相位角是否稳定，并主动排除落在开关管固有动作相位排除窗内的候选事件，将通过验证的候选事件计数为一次有效预击穿局部放电事件。

18、优选地，所述统计关联分析包括：

19、建立深度为n的双向循环队列，每个控制周期将宏观热功率残差与放电频率数据分别压入各自队列；

20、当热功率异常与微放电异常标志位同时有效时，提取气流平均流速与传感器物理间距，根据二者计算热传递物理滞后时间，并结合控制周期或采样周期将所述热传递物理滞后时间换算为候选滞后阶数范围；在所述候选滞后阶数范围内，以由气流平均流速与传感器物理间距确定的物理滞后阶数作为约束中心，针对各候选滞后阶数分别建立用于定阶比较的时序回归模型，并依据赤池信息准则、贝叶斯信息准则及残差白噪声检验中的至少一种进行模型筛选，确定最优滞后阶数；其中，所述最优滞后阶数仅从所述候选滞后阶数范围内选取，使其同时满足物理传递时间约束和模型诊断要求；基于所述最优滞后阶数建立格兰杰因果检验的受限模型与非受限模型，并通过回归项联合显著性检验判断宏观热功率残差是否为放电频率的格兰杰原因；在确认存在格兰杰因果关系后，再按照所述最优滞后阶数对应的时间偏移量对时序数据进行平移对齐，并计算斯皮尔曼秩相关系数。

21、优选地，所述根据分析结果触发预警、降额保护或隔离控制包括：

22、当仅热功率残差异常，或所述斯皮尔曼秩相关系数低于第一阈值时，输出预警信号；

23、当所述斯皮尔曼秩相关系数介于第一阈值与第二阈值之间并持续第一时长时，激活降额保护，并将工作电压限制于所述动态击穿电压阈值的预设百分比；

24、当所述斯皮尔曼秩相关系数超过第二阈值并持续第二时长，或瞬时超过第三阈值时，输出隔离控制信号，所述隔离控制信号用于关断静电净化器高压电源，并向消防联动控制单元发送风机、防火阀或灭火装置的联动请求。

25、优选地，在计算所述宏观热功率残差之后，还包括：

26、在无异常稳态工况的时间窗内提取所述宏观热功率残差数据的本底波动标准差，据此动态配置自适应噪声基底阈值；仅当实时计算的宏观热功率残差的绝对值在连续多个采样周期内均大于所述自适应噪声基底阈值，或实时计算的宏观热功率残差的正向值在连续多个采样周期内均高于所述自适应噪声基底阈值时，确认为热功率异常，并触发后续的前馈调节与统计关联分析流程。

27、一种基于数字孪生的餐饮污染源动态模拟与管控系统，用于执行上述方法，所述系统用于对餐饮排烟系统中由油污沉积、隐蔽热源、预击穿微放电及拉弧点火风险共同形成的复合型污染源进行动态模拟与管控，包括：

28、数字孪生模型构建模块，用于建立包含集总参数热平衡模型与帕邢气体放电模型的受控管道数字孪生体；

29、数据采集模块，用于获取入口气流温度、出口气流温度、环境温度、气流速度、风机电流及净化器回路电流波形；

30、热动力学状态估计单元，用于根据采集数据驱动所述集总参数热平衡模型，输出宏观热功率残差；

31、气体放电安全裕度管理单元，用于根据温度修正气体状态参数，并由所述帕邢气体放电模型解算动态击穿电压阈值，进而前馈调节净化器高压电源占空比；

32、电磁暂态监测单元，用于从所述净化器回路电流波形中提取并统计预击穿局部放电事件频率；

33、宏-微跨域时序因果推断单元，用于在滑动时间窗内对热功率残差与放电频率执行格兰杰因果检验并计算斯皮尔曼秩相关系数，并依据分级逻辑输出控制指令。

34、一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述方法。

35、本发明的有益效果是：

36、通过在线自适应的集总参数热平衡模型，将污染源异常感知的物理基础由单一温度阈值扩展为基于能量平衡的宏观热功率残差检测，能够在管道整体温度尚未显著上升的早期阶段，对油污沉积层热积累或阴燃形成的隐蔽热源进行识别，从而提高对复合型污染源早期热异常演化过程的感知能力。

37、将静电净化器保护由事后被动跳闸扩展为基于帕邢气体放电模型的前馈降额控制，使击穿电压安全边界能够随气体状态变化进行动态调整；当温度升高导致气体密度下降、绝缘裕度收缩时，系统可提前限制静电净化器高压电源输出，从而降低因绝缘裕度不足导致的预击穿微放电、拉弧点火、油污燃烧及污染物二次释放风险。