CN104280789A - 化学品泄漏源定位方法、定位装置、处理装置及系统 - Google Patents

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陈增强
郑小平
刘梦婷
程远
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Qinghua University
Beijing University of Chemical Technology
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Beijing University of Chemical Technology
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Abstract

本发明涉及事故源定位技术领域,尤其涉及化学品泄漏源定位方法、定位装置、处理装置及系统。该化学品泄漏源定位方法,包括:便携式化学品泄漏源定位装置在化学品泄漏现场确定有效监测点;便携式化学品泄漏源定位装置将在有效监测点获取的监测信息发送至化学品泄漏源定位处理装置,以使泄漏源定位处理装置根据监测信息反演定位泄漏源位置和泄漏源强度。本发明提供的该化学品泄漏源定位方法、定位装置、处理装置及系统,能够将化学品泄漏现场的监测数据及时发送到化学品泄漏源定位处理装置中进行处理,以及时获取泄漏源的位置和强度,满足危险化学品泄漏事故应急处理中及时定位泄漏源的需求。

Description

化学品泄漏源定位方法、定位装置、处理装置及系统
技术领域
本发明涉及事故源定位技术领域,具体而言,涉及化学品泄漏源定位方法、定位装置、处理装置及系统。
背景技术
危险化学品泄漏事故具有毒害性、扩散性、突发性及不确定性等特点。一旦事故发生,快速准确的定位事故源就显得尤为重要。
目前,危险化学品泄漏源的定位主要依赖于事故现场的浓度监测,具体方法为:在泄漏事故现场按照均匀网格或扇形网格布置传感器网络,通过传感器网络获取现场的浓度数据,将获取的浓度数据传输到计算平台以确定泄漏源。
上述危险化学品泄漏源定位方法主要基于多点观测数据对泄漏源定位,但在危险化学品泄漏事故的应急处置中,往往难以及时布控监测网点,难以满足危险化学品泄漏事故应急处理中及时定位泄漏源的需求。
发明内容
本发明的目的在于提供化学品泄漏源定位方法、定位装置、处理装置及系统,以解决上述的问题。
在本发明的实施例中提供了化学品泄漏源定位方法,包括:便携式化学品泄漏源定位装置在化学品泄漏现场确定有效监测点;所述便携式化学品泄漏源定位装置将在所述有效监测点获取的监测信息发送至化学品泄漏源定位处理装置,以使所述泄漏源定位处理装置根据所述监测信息反演定位泄漏源位置和泄漏源强度,其中所述监测信息包括:获取所述监测信息时所对应的位置、时间、风向、风速及化学品浓度。
优选地,所述便携式化学品泄漏源定位装置在化学品泄漏现场确定有效监测点,包括:以当前有效监测点的位置为圆心,确定移动区域;依据监测方位,在所述移动区域上确定多个信息采集点;在每个所述信息采集点上利用所述便携式化学品泄漏源定位装置采集化学品浓度;利用所述信息采集点的所述化学品浓度确定浓度梯度信息;根据所述浓度梯度信息及初始位置的化学品浓度确定下一个有效监测点。
优选地,该方法还包括:所述便携式化学品泄漏源定位装置在化学品泄漏现场随机采集化学品浓度;当所述化学品浓度大于设定的监测阈值时,所述便携式化学品泄漏源定位装置发出报警提示,并确定发出报警提示的位置为所述有效监测点的初始位置。
本发明实施例还提供了一种化学品泄漏源定位方法,包括:化学品泄漏源处理装置接收便携式化学品泄漏源定位装置发送的有效监测点处的监测信息,其中所述监测信息包括:获取所述监测信息时所对应的位置、时间、风向、风速及化学品浓度;所述化学品泄漏源处理装置利用建立的化学品事故源定位模型对所述监测信息进行反演处理,得到泄漏源位置和泄漏源强度。
优选地,所述化学品泄漏源处理装置利用建立的化学品事故源定位模型对所述监测信息进行反演处理,得到泄漏源位置和泄漏源强度,包括:所述化学品泄漏源处理装置利用化学品事故定位模型对所述监测信息进行处理,输出泄漏源位置和泄漏源强度;其中,(X,Q)中X为泄漏源位置,Q泄漏源强度;n为有效监测点的个数;C(Xi,ti)为Xi位置在ti时刻的监测浓度;C计算(Xi,ti)|(X,Q)为Xi位置在ti时刻的计算浓度,所述计算浓度利用高斯烟羽函数模型或高斯烟团函数模型确定。
优选地,该方法还包括:通过混合遗传算法从输出的所述泄漏源位置和泄漏源强度中确定最优泄漏源位置和泄漏源强度。
优选地,所述通过混合遗传算法从输出的所述泄漏源位置和泄漏源强度中确定最优泄漏源位置和泄漏源强度,包括:按预设规则生成所述泄漏源位置和泄漏源强度(X,Q)的初始种群;利用公式计算所述初始种群中各个(X,Q)的适应度值;将所述初始种群中各个(X,Q)按照所述适应度值排序,并进行遗传运算;根据所述遗传运算的结果,每隔预设的遗传代数,执行子算法的混合,并对所述初始种群中的最优的几个解进行局部优化并将优化结果加入到所述初始种群中,得到新种群;如果所述新种群中的(X,Q)收敛,则输出泄漏源位置和泄漏源强度。
本发明实施例还提供了一种化学品泄漏源定位装置,所述化学品泄漏源定位装置为便携式定位装置,包括:有效监测点确定模块,用于在化学品泄漏现场确定有效监测点;发送模块,用于将在所述有效监测点获取的监测信息发送至化学品泄漏源定位处理装置,以使所述泄漏源定位处理装置根据所述监测信息反演定位泄漏源位置和泄漏源强度,其中所述监测信息包括:获取所述监测信息时所对应的位置、时间、风向、风速及化学品浓度。
本发明实施例进一步提供了一种化学品泄漏源定位处理装置,包括:接收模块,用于接收便携式化学品泄漏源定位装置发送的有效监测点处的监测信息,其中所述监测信息包括:获取所述监测信息时所对应的位置、时间、风向、风速及化学品浓度;定位模块,用于利用建立的化学品事故源定位模型对所述监测信息进行反演处理,得到泄漏源位置和泄漏源强度。
本发明实施例提供了一种化学品泄漏源定位系统,包括:上述化学品泄漏源定位装置及上述化学品泄漏源定位处理装置;所述化学品泄漏源定位装置与所述化学品泄漏源定位处理装置无线连接。
本发明实施例提供的化学品泄漏源定位方法、定位装置、处理装置及系统中,通过便携式化学品泄漏源定位装置在化学品泄漏现场获取多个有效监测点的监测数据,并以无线方式将获取的监测数据发送至化学品泄漏源定位处理装置中反演处理得到泄漏源位置和泄漏源强度。本发明中利用便携式的化学品泄漏源定位装置能够灵活获取化学品泄漏现场的监测数据,能够将化学品泄漏现场的监测数据及时发送到化学品泄漏源定位处理装置中进行处理,以及时获取泄漏源的位置和强度,满足危险化学品泄漏事故应急处理中及时定位泄漏源的需求。
附图说明
图1示出了本发明实施例中化学品泄漏源定位方法的一种流程图;
图2示出了本发明实施例在移动区域中确定采集点的示意图;
图3示出了本发明实施例中化学品泄漏源定位方法的另一种流程图;
图4示出了本发明实施例中化学品泄漏源定位装置的结构示意图;
图5示出了本发明实施例中化学品泄漏源定位处理装置的结构示意图;
图6示出了本发明的便携式化学品泄漏源定位系统结构示意图;
图7示出了本发明便携式化学品泄漏源定位装置监测过程流程图;
图8示出了本发明化学品泄漏源定位流程图;
图9示出了本发明化学品泄漏源定位算法流程图。
具体实施方式
下面通过具体的实施例子并结合附图对本发明做进一步的详细描述。
在本发明的实施例中提供了化学品泄漏源定位方法,该方法主要应用在便携式化学品泄漏源定位装置侧,如图1所示,具体步骤包括:
步骤S11:便携式化学品泄漏源定位装置在化学品泄漏现场确定有效监测点;
步骤S12:便携式化学品泄漏源定位装置将在有效监测点获取的监测信息发送至化学品泄漏源定位处理装置,以使泄漏源定位处理装置根据监测信息反演定位泄漏源位置和泄漏源强度,其中监测信息包括:获取监测信息时所对应的位置、时间、风向、风速及化学品浓度。
利用该方法能够在化学品泄漏现场及时在有效监测点获取监测信息,化学品泄漏源定位处理装置根据监测信息及时准确确定泄漏源的位置及强度。
该方法中便携式化学品泄漏源定位装置在化学品泄漏现场确定有效监测点,包括:以当前有效监测点的位置为圆心,确定移动区域;依据监测方位,在移动区域上确定多个信息采集点;在每个信息采集点上利用便携式化学品泄漏源定位装置采集化学品浓度;利用信息采集点的化学品浓度确定浓度梯度信息;根据浓度梯度信息及初始位置的化学品浓度确定下一个有效监测点。利用该方法能够在化学品泄漏现场确定多个有效监测点。
该方法中,以当前有效监测点的位置为圆心,确定移动区域的方法为:以当前有效监测点的位置为圆心,确定半径为dj的移动区域,其中当监测的空间为三维空间时,该移动区域为球形。
确定移动区域后,在移动区域的圆周或球面上按照监测方位的不同确定多个采集点,例如,如图2所示,当确定的移动区域为圆周面时,在圆周面的圆周上按照8个方位确定8个采集点。
在每个采集点上利用便携式化学品泄漏源定位装置采集化学品浓度,利用采集的各个采集点的浓度建立浓度梯度信息,具体方法为:按照公式建立浓度梯度向量,其中C(Xj)为当前有效监测点的化学品浓度,ei表示采集方向的位置偏移量,如图2上所示的8个方向的位置偏移量;dj为移动区域的半径;C(Xj+eidj)为在移动区域确定的各个采集点上采集的化学品浓度。
利用上述的浓度梯度向量可以得到浓度单位向量
则便携式化学品泄漏源定位装置下一步移动到新的位置Xj+1可以表示为:Xj+1=Xj+dj+1Ej
其中,δ为步长因子。
对于确定出的新的位置Xj+1,若C(Xj+1)<C(Xj)时,说明新确定的位置为泄漏源的概率接近于零,为非有效监测点,此时可以将便携式化学品泄漏源定位装置向当前有效监测点Xj的逆风向运动确定新的有效监测点;若C(Xj+1)>C(Xj),则Xj+1为下一个有效监测点。
当确定出新的有效监测点或确定出下一个有效监测点后,采集新的有效监测点或下一个有效监测点的监测信息后,按照上述方法将新的有效监测点或下一个有效监测点作为新的当前有效监测点继续确定下一个有效监测点。
上述方法中,将便携式化学品泄漏源定位装置向当前有效监测点Xj的逆风向运动确定新的有效监测点的方法可以为:便携式化学品泄漏源定位装置在向当前有效监测点Xj的逆风向运动的过程中随机采集化学品浓度;当化学品浓度大于设定的监测阈值时,便携式化学品泄漏源定位装置发出报警提示,并确定发出报警提示的位置为新的有效监测点。
本发明实施例的化学品泄漏源定位方法中,还包括确定有效监测点的初始位置,实现方法可以为:便携式化学品泄漏源定位装置在化学品泄漏现场随机采集化学品浓度;当化学品浓度大于设定的监测阈值时,便携式化学品泄漏源定位装置发出报警提示,并确定发出报警提示的位置为有效监测点的初始位置。
本发明实施例还提供了一种化学品泄漏源定位方法,如图3所示,该方法主要应用在化学品泄漏源定位处理装置侧,主要步骤包括:
步骤S21:化学品泄漏源处理装置接收便携式化学品泄漏源定位装置发送的有效监测点处的监测信息,其中监测信息包括:获取监测信息时所对应的位置、时间、风向、风速及化学品浓度;
步骤S22:化学品泄漏源处理装置利用建立的化学品事故源定位模型对监测信息进行反演处理,得到泄漏源位置和泄漏源强度。
上述步骤S22中,化学品泄漏源处理装置利用建立的化学品事故源定位模型对监测信息进行反演处理,得到泄漏源位置和泄漏源强度,包括:利用化学品事故定位模型
对监测信息进行处理,输出泄漏源位置和泄漏源强度;其中,(X,Q)中X为泄漏源位置,Q为泄漏源强度;n为有效监测点的个数;C(Xi,ti)为Xi位置在ti时刻的监测浓度;C计算(Xi,ti)|(X,Q)为Xi位置在ti时刻的计算浓度,计算浓度利用高斯烟羽函数模型或高斯烟团函数模型确定。
在确定泄漏源的具体实施步骤中,该方法还包括:通过混合遗传算法从输出的泄漏源位置和泄漏源强度中确定最优泄漏源位置和泄漏源强度。
本发明实施例通过混合遗传算法从输出的泄漏源位置和泄漏源强度中确定最优泄漏源位置和泄漏源强度,包括:按预设规则生成泄漏源位置和泄漏源强度(X,Q)的初始种群;利用公式计算初始种群中各个(X,Q)的适应度值;将初始种群中各个(X,Q)按照适应度值排序,并进行遗传运算;根据遗传运算的结果,每隔预设的遗传代数,执行子算法的混合,并对初始种群中的最优的几个解进行局部优化并将优化结果加入到初始种群中,得到新种群;如果新种群中的(X,Q)收敛,则输出泄漏源位置和泄漏源强度。
本发明实施例还提供了一种化学品泄漏源定位装置,如图4所示,该化学品泄漏源定位装置为便携式定位装置,如图3所示,主要结构包括:有效监测点确定模块31,用于在化学品泄漏现场确定有效监测点;发送模块32,用于将在有效监测点获取的监测信息发送至化学品泄漏源定位处理装置,以使泄漏源定位处理装置根据监测信息反演定位泄漏源位置和泄漏源强度,其中监测信息包括:获取监测信息时所对应的位置、时间、风向、风速及化学品浓度。
本发明实施例还提供了一种化学品泄漏源定位处理装置,如图5所示,包括:接收模块41,用于接收便携式化学品泄漏源定位装置发送的有效监测点处的监测信息,其中监测信息包括:获取监测信息时所对应的位置、时间、风向、风速及化学品浓度;定位模块42,用于利用建立的化学品事故源定位模型对监测信息进行反演处理,得到泄漏源位置和泄漏源强度。
本发明实施例还提供了一种化学品泄漏源定位系统,包括:上述化学品泄漏源定位装置及上述化学品泄漏源定位处理装置;化学品泄漏源定位装置与化学品泄漏源定位处理装置无线连接。
基于上述化学品泄漏源定位的思想,本发明进一步提供了化学泄漏源定位的具体实施方式。
如图6所示,本发明的便携式化学品泄漏源定位装置,包括无线浓度传感器1、GPS设备2、气象监测设备3、高速处理模块4(即化学品泄漏源定位处理装置);无线浓度传感器1、GPS设备2、气象监测设备3与高速处理模块4通过无线信号连接。其中,无线浓度传感器1用于实时采集事故现场的化学品浓度,并通过无线传输到高速处理模块4。GPS设备2用于定位浓度监测点所在的位置,并将位置信息通过无线传输到高速处理模块4。气象监测设备3用于监测事故现场的风速、风向,并将结果通过无线传输到高速处理模块4。
高速处理模块4用于接收无线浓度传感器1的化学品浓度、GPS设备2的位置信息以及气象监测设备3的风速、风向信息,建立事故源定位模型,反演定位泄漏源位置和泄漏强度信息。
具体地,无线浓度传感器1的数量为一个;无线浓度传感器1在第一个有效监测前处于常开状态,直到发生有效监测报警后,记录监测数据并传输到高速处理模块4。
GPS设备2可以是任何可定位当前位置的设备,在获取有效浓度监测后,记录当前监测点的位置信息,并通过无线传输到高速处理模块4。
气象监测设备3可以是任何的风速风向仪。记录每一有效监测点的风速、风向信息,并通过无线传输到高速处理模块4。
高速处理模块4可以是任何现有的计算设备,如个人电脑、服务器等。
本发明采用单个无线浓度传感器1进行浓度监测,无线浓度传感器1能够根据不同的危险化学品事故现场进行灵活部署,获取事故现场的有效监测。
基于上述便携式化学品泄漏源定位装置,本发明提供了一种确定化学品泄漏源的具体实施方法,如图7所示,该方法包括:
步骤S1:无线浓度传感器发生报警,获取有效监测;
假设在某个位置Xj=(xj,yj,zj)发生报警,无线浓度传感器1监测到有效数据,记录当前时刻tj,当前有效浓度为C(Xj,tj);利用气象监测设备3监测当前时刻风向θj、风速vj;将位置Xj=(xj,yj,zj)、当前时刻tj、浓度C(Xj,tj)、风向θj以及风速vj传输到高速处理模块4。
步骤S2:选取下一目标监测点Xj+1
假设当前位置为Xj,所测浓度为C(Xj),在不考虑风向信息时,对当前位置的周围dj为半径的圆周上(三维空间中则对应为球面)各点进行探测,比较各点的浓度值C(Xj+eidj),其中ei代表如图2所示八个方向的位置偏移量。因此,得到浓度梯度向量为:
G j = &Sigma; i = 1 N [ C ( X j + e i d j ) - C ( X j ) ] &CenterDot; e i d j
记单位向量: E j = G j | | G j | |
则下一步移动到新的位置Xj+1,即Xj+1=Xj+dj+1Ej
其中
δ为步长因子。
对于新的位置Xj+1,若监测到浓度C(Xj+1)<C(Xj)时,则移动监测设备将向原位置Xj的逆风向运动,再对新的位置利用梯度信息进行新的监测位置的选取。
步骤S3:判断是否能够获得有效监测,如果是则进行下一步,否则继续选取新的目标监测点。
步骤S4:记录新的有效监测点的位置Xj+1、监测时间tj+1、浓度C(Xj+1,tj+1)、风速vj+1及风向θj+1,将信息传输到高速处理模块4。
步骤S5:重复步骤S2-S4,进行新一轮的危险化学品事故信息监测。
图8为本发明的化学品泄漏源定位流程图。
如图8所示,高速处理模块4建立化学品事故源定位模型,反演定位泄漏源位置和泄漏强度信息,其具体过程为:
步骤S6:获取有效监测信息,将有效监测信息作为信息输入;
其中有效监测信息包括当前有效监测点的位置Xj=(xj,yj,zj)、当前时刻tj、浓度C(Xj,tj)、风向θj以及风速vj,获取的事故信息作为模型输入数据。
步骤S7:建立化学品事故源的反演定位模型。利用下式计算事故源的位置和强度:
式中,(X,Q)为泄漏源位置和强度,n为有效观测数据数,C计算(Xi,ti)|(X,Q)为Xi位置在ti时刻的计算浓度,使得计算浓度与监测浓度的误差最小的(X,Q)即为危险化学品事故源的位置和强度。计算浓度C计算(Xi,ti)|(X,Q)可通过高斯烟羽或高斯烟团模型来近似得到。
上述问题可通过混合遗传算法求得最优的泄漏源位置和强度(X,Q)。
步骤S8:输出泄漏源位置和泄漏强度(X,Q)。
图9为本发明的事故源定位算法流程图。具体的定位算法过程为:
步骤SS9:确定变量(X,Q),定义适应度函数为:
步骤SS10:生成初始种群。
步骤SS11:计算种群各个个体的适应度值。
步骤SS12:对种群进行适应度排序,并进行选择、交叉、变异等遗传操作。
步骤SS13:每隔一定代数,执行子算法的混合,对种群中最优的几个解进行局部优化,并将结果加入到种群中。
步骤SS14:判断结果是否收敛,若收敛则算法终止,输出泄漏源位置和泄漏强度(X,Q);若不收敛,则继续进行遗传进化过程。
步骤SS15:输出泄漏源位置和泄漏强度(X,Q)。
以上仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.化学品泄漏源定位方法,其特征在于,包括:
便携式化学品泄漏源定位装置在化学品泄漏现场确定有效监测点;
所述便携式化学品泄漏源定位装置将在所述有效监测点获取的监测信息发送至化学品泄漏源定位处理装置,以使所述泄漏源定位处理装置根据所述监测信息反演定位泄漏源位置和泄漏源强度,其中所述监测信息包括:获取所述监测信息时所对应的位置、时间、风向、风速及化学品浓度。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述便携式化学品泄漏源定位装置在化学品泄漏现场确定有效监测点,包括:
以当前有效监测点的位置为圆心,确定移动区域;
依据监测方位,在所述移动区域上确定多个信息采集点;
在每个所述信息采集点上利用所述便携式化学品泄漏源定位装置采集化学品浓度;
利用所述信息采集点的所述化学品浓度确定浓度梯度信息;
根据所述浓度梯度信息及初始位置的化学品浓度确定下一个有效监测点。
3.根据权利要求2所述的方法,其特征在于,该方法还包括:所述便携式化学品泄漏源定位装置在化学品泄漏现场随机采集化学品浓度;
当所述化学品浓度大于设定的监测阈值时,所述便携式化学品泄漏源定位装置发出报警提示,并确定发出报警提示的位置为所述有效监测点的初始位置。
4.化学品泄漏源定位方法,其特征在于,包括:
化学品泄漏源处理装置接收便携式化学品泄漏源定位装置发送的有效监测点处的监测信息,其中所述监测信息包括:获取所述监测信息时所对应的位置、时间、风向、风速及化学品浓度;
所述化学品泄漏源处理装置利用建立的化学品事故源定位模型对所述监测信息进行反演处理,得到泄漏源位置和泄漏源强度。
5.根据权利要求4所述的化学品泄漏源定位方法,其特征在于,所述化学品泄漏源处理装置利用建立的化学品事故源定位模型对所述监测信息进行反演处理,得到泄漏源位置和泄漏源强度,包括:
所述化学品泄漏源处理装置利用化学品事故定位模型对所述监测信息进行处理,输出泄漏源位置和泄漏源强度;
其中,(X,Q)中X为泄漏源位置,Q泄漏源强度;n为有效监测点的个数;C(Xi,ti)为Xi位置在ti时刻的监测浓度;C计算(Xi,ti)|(X,Q)为Xi位置在ti时刻的计算浓度,所述计算浓度利用高斯烟羽函数模型或高斯烟团函数模型确定。
6.根据权利要求5所述的化学品泄漏源定位方法,其特征在于,该方法还包括:通过混合遗传算法从输出的所述泄漏源位置和泄漏源强度中确定最优泄漏源位置和泄漏源强度。
7.根据权利要求6所述的化学品泄漏源定位方法,其特征在于,所述通过混合遗传算法从输出的所述泄漏源位置和泄漏源强度中确定最优泄漏源位置和泄漏源强度,包括:
按预设规则生成所述泄漏源位置和泄漏源强度(X,Q)的初始种群;
利用公式计算所述初始种群中各个(X,Q)的适应度值;
将所述初始种群中各个(X,Q)按照所述适应度值排序,并进行遗传运算;
根据所述遗传运算的结果,每隔预设的遗传代数,执行子算法的混合,并对所述初始种群中的最优的几个解进行局部优化并将优化结果加入到所述初始种群中,得到新种群;
如果所述新种群中的(X,Q)收敛,则输出泄漏源位置和泄漏源强度。
8.化学品泄漏源定位装置,其特征在于,所述化学品泄漏源定位装置为便携式定位装置,包括:
有效监测点确定模块,用于在化学品泄漏现场确定有效监测点;
发送模块,用于将在所述有效监测点获取的监测信息发送至化学品泄漏源定位处理装置,以使所述泄漏源定位处理装置根据所述监测信息反演定位泄漏源位置和泄漏源强度,其中所述监测信息包括:获取所述监测信息时所对应的位置、时间、风向、风速及化学品浓度。
9.化学品泄漏源定位处理装置,其特征在于,包括:
接收模块,用于接收便携式化学品泄漏源定位装置发送的有效监测点处的监测信息,其中所述监测信息包括:获取所述监测信息时所对应的位置、时间、风向、风速及化学品浓度;
定位模块,用于利用建立的化学品事故源定位模型对所述监测信息进行反演处理,得到泄漏源位置和泄漏源强度。
10.化学品泄漏源定位系统,其特征在于,包括:如权利要求8所述的化学品泄漏源定位装置及如权利要求9所述的化学品泄漏源定位处理装置;所述化学品泄漏源定位装置与所述化学品泄漏源定位处理装置无线连接。
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