数据不完备情况下的大气放射性释放源项反演方法与流程

1.本发明涉及一种数据不完备情况下的大气放射性释放源项反演方法、系统、设备及介质，涉及核应用技术领域。


背景技术：

2.核事故或核素意外释放情况下，源项信息的准确度直接影响到放射性核素释放后果评估的结果，进而影响到应急决策。源项是指放射性核素释放率随时间的变化情况。源项反演是基于环境放射性监测数据，求解反问题以获取源项的方法。对于某一种类的源项而言，其释放率反演的基本原理是将监测点的测量值及其位置信息、气象数据(如温度、风速、风向和大气稳定度等)、地形数据等作为输入，利用大气扩散模型计算源项-站点响应矩阵，随后基于此响应矩阵推导出源项释放率。正则化方法常被用于此类病态反问题的推导过程，如tikhonov正则化方法等，这些正则化方法需要先验信息，通过最小化大气扩散模型的预测和真实测量之间的差异来进行。
3.但是在实际应用中，监测站点通常稀疏，能够提供的可用测量数据较少，且数据存在不确定性，导致有效数据的缺失和不完备，造成源项反演结果存在大量无意义的震荡。源项的先验信息难以获得，现有大气扩散模型的计算存在误差。数据不完备、模型存在误差等多种因素使得源项反演这一反问题的解与精确结果之间存在严重偏离。
4.观测数据的不完备给大气放射性释放源项的释放率估计造成了许多问题，如加剧释放率的时序变化震荡，给源项估计带来伪释放等。可以将释放率的部分特征作为先验合并到反演过程中，以填补环境监测数据的不足。但具有强约束性的先验条件需要根据堆芯盘存和事故现象、反应堆物理或综合信息的专家分析来获得，这使得合适的先验信息很难被构造。


技术实现要素：

5.针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够补偿由于监测数据不足导致的信息丢失，且能够降低估计源项时序震荡的数据不完备情况下的大气放射性释放源项反演方法、系统、设备及介质。
6.为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
7.第一方面，本发明提供一种数据不完备情况下的大气放射性释放源项反演方法，包括：
8.s1、输入并归一化输运矩阵hm×n和观测向量y
obsm
，m代表完整模拟时段中测点提供的数据量大小，n代表模拟的时间步长；
9.s2、初始化源项释放率向量σn；
10.s3、求解全变分正则化参数λ；
11.s4、获得代价函数表达式和其梯度表达式；
12.s5、设置解的约束边界；
13.s6、更新源项释放率σn；
14.s7、判断是否达到收敛条件，如果是进入s9，否则进入s8；
15.s8、判断迭代次数是否达到n
max
，如果是进入s9，否则返回s6；
16.s9、对求解得到的释放率σn进行反归一化，得到基于不完备观测数据的源项反演结果。
17.所述的大气放射性释放源项反演方法，进一步地，所述s1中归一化处理包括：
18.输运矩阵的归一化表示为hm×n/coef；
19.观测向量的归一化表示为y
obsm
/coef；
20.其中，归一化因子coef取观测向量y
obsm
绝对值中的最大元素。
21.所述的大气放射性释放源项反演方法，进一步地，求解全变分正则化参数λ采用gcv广义交叉验证方法。
22.所述的大气放射性释放源项反演方法，进一步地，代价函数表达式为：
[0023][0024]
代价函数梯度表达式为：
[0025][0026]
所述的大气放射性释放源项反演方法，进一步地，采用高l-bfgs-b算法求解代价函数及其梯度更新源项释放率σn。
[0027]
所述的大气放射性释放源项反演方法，进一步地，收敛条件判断过程为：判断投影梯度分量||gcost(k)||
∞
是否达到收敛条件pgtol，pgtol设置为1e-5。
[0028]
所述的大气放射性释放源项反演方法，进一步地，释放率σn进行反归一化过程为：σn乘以归一化因子coef。
[0029]
第二方面，本发明还提供一种数据不完备情况下的大气放射性释放源项反演系统，该系统包括：
[0030]
参数设置单元，用于输入并归一化输运矩阵和观测向量以及初始化源项释放率向量；
[0031]
参数求解单元，用于求解全变分正则化参数λ；
[0032]
源项释放率更新单元，用于获得代价函数表达式和其梯度表达式，设置解的约束边界，并更新源项释放率σn；
[0033]
收敛条件判断单元，用于判断是否达到收敛条件；
[0034]
释放率反演单元，用于对求解得到的释放率σn进行反归一化，得到基于不完备观测数据的源项反演结果。
[0035]
第三方面，本发明还提供一种处理设备，所述处理设备至少包括处理器和存储器，所述存储器上存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器运行所述计算机程序时执行以实现所述的数据不完备情况下的大气放射性释放源项反演方法。
[0036]
第四方面，本发明还提供一种计算机存储介质，其上存储有计算机可读指令，所述计算机可读指令可被处理器执行以实现所述的数据不完备情况下的大气放射性释放源项反演方法。
[0037]
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
[0038]
1、本发明由于使用了全变分正则化项，正则化参数的求解基于gcv广义交叉验证算法，代价函数的求解基于l-bfgs-b局部极小化算法，可以补偿由于监测数据不足导致的信息丢失，并降低了估计源项的时序震荡；
[0039]
2、本发明能够通过不完备的观测数据得到大气放射性释放源项释放率的估计结果，利用了欧洲示踪实验场景进行了验证，所得的释放率的时序震荡得到明显降低，对于初始释放时间的估计也较为准确；
[0040]
综上，本发明能够由不完备的监测数据直接进行较理想的大气放射性释放源项的反演，可以广泛应用于大气放射性释放源项反演中。
附图说明
[0041]
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。在附图中：
[0042]
图1是本发明实施例的大气放射性释放源项反演方法流程图。
具体实施方式
[0043]
下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施方式。虽然附图中显示了本发明的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
[0044]
应理解的是，文中使用的术语仅出于描述特定示例实施方式的目的，而无意于进行限制。除非上下文另外明确地指出，否则如文中使用的单数形式“一”、“一个”以及“所述”也可以表示包括复数形式。术语“包括”、“包含”、“含有”以及“具有”是包含性的，并且因此指明所陈述的特征、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但并不排除存在或者添加一个或多个其它特征、步骤、操作、元件、部件、和/或它们的组合。文中描述的方法步骤、过程、以及操作不解释为必须要求它们以所描述或说明的特定顺序执行，除非明确指出执行顺序。还应当理解，可以使用另外或者替代的步骤。
[0045]
为了便于描述，可以在文中使用空间相对关系术语来描述如图中示出的一个元件或者特征相对于另一元件或者特征的关系，这些相对关系术语例如为“内部”、“外部”、“内侧”、“外侧”、“下面”、“上面”等。这种空间相对关系术语意于包括除图中描绘的方位之外的在使用或者操作中装置的不同方位。
[0046]
本发明提供的数据不完备情况下的大气放射性释放源项反演方法、系统、设备及存储介质，包括：s1、输入并归一化输运矩阵hm×n和观测向量y
obsm
，m代表完整模拟时段中测点提供的数据量大小，n代表模拟的时间步长；s2、初始化源项释放率向量σn；s3、求解全变分正则化参数λ；s4、获得代价函数表达式和其梯度表达式；s5、设置解的约束边界；s6、更新源项释放率σn；s7、判断是否达到收敛条件，如果是进入s9，否则进入s8；s8、判断迭代次数是否达到n
max
，如果是进入s9，否则返回s6；s9、对求解得到的释放率σn进行反归一化，得到基于不完备观测数据的源项反演结果。可以补偿由于监测数据不足导致的信息丢失，并降
低了估计源项的时序震荡；本发明能够通过不完备的观测数据得到大气放射性释放源项释放率的估计结果。
[0047]
实施例一
[0048]
如图1所示，本实施例提供的数据不完备情况下的大气放射性释放源项反演方法，包括内容为：
[0049]
s1、输入并归一化输运矩阵hm×n和观测向量y
obsm
；
[0050]
具体地，输运矩阵hm×n由大气扩散模型制作而成，其中，m代表完整模拟时段中测点提供的数据量大小，n代表模拟的时间步长。若测点数为num，任一测点在完整模拟时段中的测量次数为f，则m＝num*f。
[0051]
观测向量y
obsm
由真实环境监测数据组成，观测向量中监测数据排列顺序应与输运矩阵任一列的数据排列顺序一致。
[0052]
归一化处理，输运矩阵的归一化可以表示为hm×n/coef，观测向量的归一化可以表示为y
obsm
/coef，其中，归一化因子coef取观测向量y
obsm
绝对值中的最大元素。
[0053]
s2、初始化源项释放率向量σn；
[0054]
具体地，源项释放率向量σn由n个时刻的源项释放率组成，代表了在n个时间步长跨度中的源项时序释放情况。具体地，初始化源项释放率向量σn，即可以将向量中所有元素设置为0。
[0055]
s3、采用gcv广义交叉验证方法求解全变分正则化参数λ；
[0056]
具体地，全变分正则化参数λ用于保持迭代求解中的源项释放率向量σn的良好性质，既不过拟合也不欠拟合。利用gcv广义交叉验证方法求得全变分正则化参数λ的最优解，即求解下式：
[0057][0058]
其中，a(λ)＝h(h
t
h mλi)-1ht
；m与s1中数值一致，i为m
×
m的单位阵，tr()运算符为求矩阵的迹。
[0059]
s4、获得代价函数表达式和其梯度表达式；
[0060]
代价函数所描述的数学问题，便是需要求解的源项反演问题。代价函数梯度最小值方向为问题解的逼近方向。
[0061]
具体地，代价函数表达式为：
[0062][0063]
代价函数梯度表达式为：
[0064][0065]
s5、设置解的约束边界；
[0066]
具体地，输入迭代次数n
max
及收敛条件；
[0067]
最大迭代次数n
max
可以设置为5000，以此为例，不限于此
[0068]
投影梯度分量阈值pgtol设置为1e-5，可由下式表示，即用于限制第k步迭代得到的代价函数梯度的无穷范数值：
[0069]
pgtol＝||gcost
(k)
||
∞
[0070]
上述约束边界参数可以根据需要进行自行设定，以此为例，不限于此。
[0071]
s6、利用l-bfgs-b局部最小化算法更新源项释放率σn；
[0072]
具体地，利用l-bfgs-b算法求解上述代价函数及其梯度更新源项释放率σn，l-bfgs-b算法是对拟牛顿算法的一种改进，其基本思想为：只保存并利用最近若干次迭代的曲率信息来构造海森伯格矩阵的近似矩阵，从而更新问题的解。这使得算法的开销变得更小，本实施例使用了l-bfgs-b集成包进行计算。
[0073]
s7、判断投影梯度分量||gcost(k)||
∞
是否达到收敛条件pgtol，如果是进入s9，否则进入s8；
[0074]
s8、判断迭代次数是否达到n
max
，如果是进入s9，否则返回s6；
[0075]
s9、对求解得到的释放率σn进行反归一化，即给σn乘上步骤s1中的归一化因子(σn·
coef)，得到基于不完备观测数据的源项反演结果。此源项反演结果可用于获取大气放射性泄漏源的时序释放率变化情况，评估大气放射性释放后果，支持核应急决策。
[0076]
实施例二
[0077]
上述实施例一提供了一种数据不完备情况下的大气放射性释放源项反演方法，与之相对应地，本实施例提供基于不完备数据情况的源项反演系统。本实施例提供的源项释放率反演系统可以实施实施例一的基于全变分正则化过程的数据不完备情况下的大气放射性释放源项反演，该系统可以通过软件、硬件或软硬结合的方式来实现。例如，该系统可以包括集成的或分开的功能模块或功能单元来执行实施例一各方法中的对应步骤。由于本实施例的源项释放率反演系统基本相似于方法实施例，所以本实施例描述过程比较简单，相关之处可以参见实施例一的部分说明即可，本实施例的源项释放率反演系统仅仅是示意性的。
[0078]
具体地，本实施例提供的一种数据不完备情况下的大气放射性释放源项反演系统，该系统包括：
[0079]
参数设置单元，用于输入并归一化输运矩阵和观测向量以及初始化源项释放率向量；
[0080]
参数求解单元，用于求解全变分正则化参数λ；
[0081]
源项释放率更新单元，用于获得代价函数表达式和其梯度表达式，设置解的约束边界，并更新源项释放率σn；
[0082]
收敛条件判断单元，用于判断是否达到收敛条件；
[0083]
释放率反演单元，用于对求解得到的释放率σn进行反归一化，得到基于不完备观测数据的源项反演结果
[0084]
实施例三
[0085]
本实施例提供一种实现本实施例一所提供的数据不完备情况下的大气放射性释放源项反演方法的处理设备，处理设备可以是用于客户端的处理设备，例如手机、笔记本电脑、平板电脑、台式机电脑等，以执行实施例一的源项释放率反演方法。
[0086]
所述处理设备包括处理器、存储器、通信接口和总线，处理器、存储器和通信接口
通过总线连接，以完成相互间的通信。存储器中存储有可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器运行所述计算机程序时执行本实施例一所提供的一种数据不完备情况下的大气放射性释放源项反演方法。
[0087]
优选地，存储器可以是高速随机存取存储器(ram：random access memory)，也可能还包括非不稳定的存储器(non-volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。
[0088]
优选地，处理器可以为中央处理器(cpu)、数字信号处理器(dsp)等各种类型通用处理器，在此不做限定。
[0089]
实施例四
[0090]
本实施例一的一种数据不完备情况下的大气放射性释放源项反演方法被具体实现为一种计算机程序产品，计算机程序产品可以包括计算机可读存储介质，其上载有用于执行本实施例一所述的一种数据不完备情况下的大气放射性释放源项反演方法的计算机可读程序指令。
[0091]
计算机可读存储介质可以是保持和存储由指令执行设备使用的指令的有形设备。计算机可读存储介质例如可以是但不限于电存储设备、磁存储设备、光存储设备、电磁存储设备、半导体存储设备或者上述的任意组合。
[0092]
最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。