CN105758996B - 大空间区域内电子鼻的布局方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大空间区域内电子鼻的布局方法。首先根据具体地形条件，确定布局区域以及区域原点；然后确定电子鼻数目以及各电子鼻对气体源的响应时间；最后以电子鼻对气体源的最短响应时间为布设的优化指标，运用粒子群算法求得各电子鼻的优化位置。本方法可以实时检测并能定位气体泄露点，同时能快速跟踪气体，以便工作人员及时的准确的作出相应处理，防止事故的发生。

Description

大空间区域内电子鼻的布局方法

技术领域

本发明属于气体源检测领域，涉及一种大空间区域内电子鼻的布局优化算法，以电子鼻对气体源的最短响应时间为优化目标，从而使电子鼻快速检测气体源的方法。

背景技术

现代工业的快速发展使人们工作生活中可能接触到的有害气体种类、数量日益增多。有害气体一旦发生泄漏事故又不能得到快速检测、定位与处理的话，不但对周围环境和设备等造成巨大危害，也对人类的安全与健康构成严重威胁。因此,为了确保人们的生命安全和财产安全,气体泄漏的检测和跟踪问题具有重要的研究意义。

近年来，在新型传感器和人工智能分析技术的快速发展的情况下，基于人工嗅觉系统和人工味觉系统的电子鼻技术日益成熟。由于电子鼻具有响应时间短、检测速度快、测定评估范围广、能检测一些人鼻难以检测的气体等特点，使得电子鼻在安全监控和环境保护方面具有显著优势。

基于电子鼻的气体检测、定位和跟踪系统中，目前针对电子鼻的布局优化问题的研究较少，没有明确的布局方法，工程人员多以经验或凭借简单的量测、估算来配置，这便导致电子鼻对气体的检测时间不一致，因此电子鼻布局问题是实现实时快速检测气体的重要环节。它的目标是根据有风的情况下，气体一旦泄漏，电子鼻能实时检测并能定位气体泄露点，同时能快速跟踪气体，以便工作人员及时的准确的作出相应处理，防止事故的发生。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种布局优化算法，使得在监控区域内，电子鼻能够快速地检测到气体源。

大空间区域内电子鼻的布局结构图如图1所示，具体步骤如下：

步骤一：根据具体地形条件，确定布局区域，用集合R表示。设定气体源，并以气体源所在位置为原点；

步骤二：确定电子鼻数目；

步骤三：在离气体源固定距离处放置一电子鼻，并确定气体泄露后，在有风情况时，该电子鼻对气体的响应时间。而剩余电子鼻与固定电子鼻对气体的响应时间差，与风速成反比，与电子鼻与气体源之间的距离成正比；

步骤四：设计剩余电子鼻布设的优化指标。考虑所有电子鼻在空间中对气体的响应时间最小化。同时考虑布设位置受到区域边界影响，并且任意两个电子鼻之间的距离大于设定的阀值距离。

步骤五：用粒子群算法求解，如果能求到优化解，且存在电子鼻在区域边界附近则停止计算；如果没有电子鼻在区域边界附近，则增加电子鼻的数量，重新优化。如果不能求到优化解则减少电子鼻子数量，重新优化

本发明的有益技术效果为：本发明可以充分利用电子鼻发现目标快，检测范围广，工作时间长等优点，通过布局优化，使得电子鼻在完全覆盖目标区域的同时，并能快速检测气体源，有效地增强气体检测的快速性。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1：大空间区域内电子鼻的布局结构图

图2：大空间区域内电子鼻的布局模拟图

图3：大空间区域内电子鼻检测到气源的响应图；

图4：大空间区域内电子鼻布局的流程图

具体实施方式

图2为大空间区域内电子鼻的布局模拟图。图中将气体源的位置设定为坐标原点T(0,0)，取一距离气体源固定长度的电子鼻P₀(x₀,y₀)。剩余电子鼻必须分布在区域内，即若电子鼻在区域内的坐标为P_i(x_i,y_i)(i＝1,2,...,n-1)，则必须满足x_min≤x_i≤x_max,y_min≤y_i≤y_max的实际约束条件。

图3为大空间区域内固定电子鼻P₀和某一电子鼻P_i(i＝1,2,…,n-1)检测到气源的响应图，由此得出，当到达时刻t₀、t_i(i＝1,2,…,n-1)时，电子鼻P₀和P_i开始检测到气源的存在。t_i越小，则检测到气源的速度越快。由此考虑，所有电子鼻是否都能到达某一位置，使得各个电子鼻都能在最短时间里检测到气体源。因此本发明提出的优化指标思路如下：

(1)选定电子鼻P₀(x₀,y₀)为基准，记录其检测到气体源的时间t₀；

(2)计算区域内剩余电子鼻对气体源的响应时间t_i(i＝1,2,…,n-1)与t₀的时间差Δt_i(i＝1,2,…,n-1)；

(3)若剩余n-1个电子鼻所处区域位置坐标满足条件(1)、(2)，

那么当满足优化目标(式子(3))时，此时剩余电子鼻的位置达到最优，即所有电子鼻能在最短时间里检测到气体源。

其中：

k：表示比例系数，可根据气体扩散模型计算而得；

v：表示气体扩散速度；

r：表示电子鼻之间的设定距离，防止各电子鼻集中在同一点；

图3为大空间区域内电子鼻布局的流程图，具体实现步骤如下：

(1)确定布局区域R，设定气体源，并以气体源位置为原点；

(2)确定电子鼻数目n，并取一电子鼻P₀放置在离气体源1m处的位置，记录其检测到气体的时间t₀；

(3)剩余电子鼻检测到气体的时间近似为

(4)运用粒子群算法确定剩余电子鼻的最优位置，其具体步骤如下:

1)初始化剩余n-1个电子鼻P_i在布局区域内的位置为(x_i,y_i),i＝1,2,...,n-1，初始速度为V_i＝(V_x,V_y),并设定迭代次数t；

2)将作为适应度函数，通过f(x)确定所经历的最佳位置d_i＝(d_i1,d_i2,…,d_it)，对于第t次迭代，电子鼻P_i的最佳位置表示为：

所有电子鼻的最佳位置记为d_g＝(d_g1(t),d_g2(t),…,d_gn(t))，则满足

d_g(t)＝min{f(d₁(t)),f(d₂(t)),…,f(d_n(t))} (5)

3)对于第t次迭代，电子鼻P_i在空间的运动速度变化为：

V_i(t+1)＝w×V_i(t)+c₁×rand(0,1)×(d_i(t)-x_i(t))+c₂×rand(0,1)×(d_g(t)-x_i(t)) (6)

其中，c₁和c₂为学习因子，w为惯性权重。

因此，电子鼻P_i的位置变化为：

x_i(t+1)＝x_i(t)+V_i(t+1) (7)

4)判断是否满足停止迭代条件(达到最大迭代次数或者适应度函数值满足条件)，满足则进行下一步，否则返回步骤2)继续；

5)判断求到的优化解中，若电子鼻的位置在区域边界附近则停止；若电子鼻的位置不都在区域边界附近，则增加电子鼻的数量，返回步骤2)；若不能求到优化解则减少电子鼻子数量，返回步骤2)；

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (2)

1.大空间区域内电子鼻的布局方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一：根据具体地形条件确定布局区域，用集合R表示，设定气体源并以气体源所在位置为原点；

步骤二：确定电子鼻数目；

步骤三：在离气体源固定距离处放置一电子鼻，并确定气体泄露后，在有风情况时该电子鼻对气体的响应时间，而剩余电子鼻与固定电子鼻对气体的响应时间差，与风速成反比，与电子鼻与气体源之间的距离成正比；

步骤四：设计剩余电子鼻布设的优化指标，考虑所有电子鼻在空间中对气体的响应时间最小化，同时考虑布设位置受到区域边界影响，并且任意两个电子鼻之间的距离大于设定的阈值距离；

步骤五：用粒子群算法求解电子鼻的最优位置，如果能求到优化解，若存在电子鼻在区域边界附近则停止计算；若没有电子鼻在区域边界附近，则增加电子鼻的数量，重新优化；如果不能求到优化解则减少电子鼻子数量，重新优化。

2.根据权利要求1所述大空间区域内电子鼻的布局方法，其特征在于：本方法的目标是在有风的情况下，气体一旦泄漏，电子鼻能实时检测并能定位气体泄露点，同时能快速跟踪气体。