基于数值模拟的洁净空调机组运行参数优化方法及系统与流程

本发明涉及空调控制，尤其涉及一种基于数值模拟的洁净空调机组运行参数优化方法及系统。

背景技术：

1、在现代医疗环境中，尤其是手术室，对空气质量和气流分布的要求极为严格。传统的洁净空气调节系统通常依靠固定的气流设计和手动调节来维持手术室内的洁净度。然而，随着手术室内部环境的复杂性和对手术安全性的更高要求，传统方法在以下几个方面存在明显的不足：第一，传统系统往往基于静态设计原则，无法灵活应对手术室内动态变化的环境条件，如手术过程中产生的污染物质的瞬时增加；第二，缺乏实时监测与反馈功能，无法及时发现并处理污染物浓度超标的情况，第三，在空调运行控制过程中通常依赖经验和简单的手动调整，缺乏科学的优化算法支持，难以实现全局最优的气流分布和净化效果。

技术实现思路

1、为了解决上述提出的至少一个技术问题，本发明提供一种基于数值模拟的洁净空调机组运行参数优化方法及系统。

2、第一方面，本发明提供了一种基于数值模拟的洁净空调机组运行参数优化方法，所述方法包括：

3、建立洁净空调机组所在手术室的三维模型，对三维模型进行网格划分得到多个网格节点，根据手术台位置和医护人员的活动轨迹确定关键区域，将位于关键区域的网格节点作为采样点；

4、定义边界条件，利用数值模拟分析手术室在边界条件约束下的气流分布，得到所有网格节点的气流参数，所述气流参数包括速度场、压力场和温度场；

5、检测采样点的污染物浓度，根据采样点的污染物浓度和所有网格节点的气流参数，预测所有网格节点的污染物浓度分布；

6、根据污染物浓度分布的预测结果，判断是否存在某一网格节点的污染物浓度大于预设阈值；

7、若是，触发报警提示并生成空气净化指令；

8、若否，根据每个网格节点的污染物浓度分布和气流参数，以最小化污染物浓度为目标建立目标函数，利用梯度下降法对目标函数进行求解，根据求解结果优化洁净空调机组的进风口方向和速度、出风口方向和速度。

9、优选地，所述以最小化污染物浓度为目标建立目标函数，包括：

10、定义目标函数：假设ci为第i个网格节点的污染物浓度，则目标函数j为：

11、

12、式中，n是网格节点的总数量，wi是每个网格节点的权重因子；

13、确定优化变量：设有m个进气口和n个排气口，每个进气口和排气口有三个方向，构成坐标(x，y，z)和一个速度值u；确定优化变量x为：

14、x＝[x1，y1，z1，u1，...xm，ym，zm，um，xm+1，ym+1，zm+1，um+1，...xm+n，ym+n，zm+n，um+n]

15、式中，(xm，ym，zm)、um表示第m个进气口的坐标和速度值，(xm+1，ym+1，zm+1)表示第1个排气口的坐标，(xm+n，ym+n，zm+n)表示第n个排气口的坐标，um+1、um+n表示第1个、第n个排气口的速度值；

16、建立约束条件：

17、l0≤xi≤u0

18、l1≤yi≤u1

19、l2≤zi≤u2

20、vmin≤ui≤vmax

21、式中，l0、l1、l2分别为xi，yi，zi对应的下限，u0、u1、u2分别为xi，yi，zi对应的上限，vmin、vmax分别为最小速度值和最大速度值。

22、优选地，所述利用梯度下降法对目标函数进行求解，包括：

23、初始化优化变量，假设随机生成x为：

24、x＝[x1，y1，z1，u1，x2，y2，z2，u2，x3，y3，z3，u3]

25、计算目标函数j关于优化变量x的梯度，得到梯度向量为：

26、

27、设迭代次数为t，步长为α，更新优化变量：

28、

29、迭代更新，直到目标函数收敛或达到最大迭代次数，生成最优解。

30、优选地，所述根据采样点的污染物浓度和所有网格节点的气流参数，预测所有网格节点的污染物浓度分布，包括：

31、构建污染物浓度变化模型：

32、

33、式中，ci+1、ci表示第i+1个、第i个网格节点的污染物浓度，为污染物浓度的梯度，表示空气在第i个网格节点处的速度矢量；cj表示与i相邻网格节点j的污染物浓度，δd表示网格节点i与j之间的距离；

34、设置初始值cj(0)＝ci，迭代次数为k次，代入污染物浓度变化模型得到：

35、

36、式中，cj(k+1)、cj(k)分别为迭代第k+1次、第k次的cj值，

37、迭代求解污染物浓度变化模型，直到模型收敛得到网格节点的污染物浓度分布。

38、优选地，所述定义边界条件，利用数值模拟分析手术室在边界条件约束下的气流分布，包括：

39、定义边界条件，包括定义进气口位于手术室房顶的中心位置，定义进气口的尺寸大小和进风速度；定义排气口位于手术室房间底部四个角落，定义排气口的尺寸大小和出风速度；

40、确定空气密度和空气动力粘度的大小，将边界条件、空气密度和空气动力粘度的大小输入至cfd软件，采用有限体积法作为求解器进行气流分布模拟。

41、第二方面，本发明还提供一种基于数值模拟的洁净空调机组运行参数优化系统，所述系统包括：

42、网格划分单元，用于建立洁净空调机组所在手术室的三维模型，对三维模型进行网格划分得到多个网格节点，根据手术台位置和医护人员的活动轨迹确定关键区域，将位于关键区域的网格节点作为采样点；

43、参数获取单元，用于定义边界条件，利用数值模拟分析手术室在边界条件约束下的气流分布，得到所有网格节点的气流参数，所述气流参数包括速度场、压力场和温度场；

44、污染物预测单元，用于检测采样点的污染物浓度，根据采样点的污染物浓度和所有网格节点的气流参数，预测所有网格节点的污染物浓度分布；

45、判断单元，用于根据污染物浓度分布的预测结果，判断是否存在某一网格节点的污染物浓度大于预设阈值；

46、净化指令生成单元，用于当存在某一网格节点的污染物浓度大于预设阈值时，触发报警提示并生成空气净化指令；

47、运行参数优化单元，用于当不存在某一网格节点的污染物浓度大于预设阈值时，根据每个网格节点的污染物浓度分布和气流参数，以最小化污染物浓度为目标建立目标函数，利用梯度下降法对目标函数进行求解，根据求解结果优化洁净空调机组的进风口方向和速度、出风口方向和速度。

48、第三方面，本发明还提供了一种电子设备，包括处理器和存储器，所述存储器用于存储计算机程序代码，所述计算机程序代码包括计算机指令，当所述处理器执行所述计算机指令时，所述电子设备执行如上述第一方面及其任意一种可能实现的方式的方法。

49、第四方面，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，所述程序指令当被电子设备的处理器执行时，使所述处理器执行如上述第一方面及其任意一种可能实现的方式的方法。

50、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

51、1)本发明通过建立手术室的三维模型并对模型进行网格划分，能够实时检测关键区域内的污染物浓度，并根据检测结果动态调整气流分布。通过实时监测和动态调整机制显著提高了系统的响应速度，能够在污染物浓度升高时迅速采取措施，有效保障手术室内的空气质量和手术安全。

52、2)本发明利用数值模拟技术分析气流分布，并结合梯度下降法等优化算法，能够自动调整进风口和出风口的方向及速度，确保气流分布达到最优状态，如此能够灵活适应手术室内各种复杂环境，显著提升了手术室的空气质量和安全性，降低了感染风险。

53、3)本发明在进行污染物检测时，通过关键区域的网格节点确定采样点，只需要监测局部的污染物浓度，结合气流分布快速准确地预测出其他区域的污染物浓度，相比于在每个网格节点处都配置监测设备来说，无需对每个节点的浓度直接监测，如此能够大大降低监测成本。

54、应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，而非限制本公开。