CN107543900A - 基于三维移动传感器节点的气体泄漏监测系统与定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于三维移动传感器节点的气体泄漏监测系统，包括布置在三维待监测区域上方的网状导轨，在网状导轨上连接有带有控制器的多个运动装置，运动装置在控制器的控制下能够沿着网状导轨运动，在每个运动装置上设置有滑轮、绳索以及传感器节点，其中，滑轮固定在运动装置内，绳索一端固定在滑轮上，通过控制滑轮旋转调节绳索长度，绳索的另一端则连接传感器节点，每个传感器节点包括无线气体传感器模块和三维风矢量检测模块；每个传感器节点均可以实现三维运动并测量任意一点处的气体浓度和风矢量。本发明同时提供一种采用上述系统的气体泄漏源定位方法。

Description

基于三维移动传感器节点的气体泄漏监测系统与定位方法

技术领域

本发明涉及一种气体泄漏监测方法，特别是能完成三维复杂环境下的气体泄漏源定位。

背景技术

随着化学工业的快速发展，越来越多的有毒有害气体被生产、储存和运输。这些化学气体虽然服务于社会的发展并且方便着人们的生活，但同时也威胁着人们的健康、社会安全以及自然环境。历史上国内外发生过多次大型有毒有害气体泄漏事故，造成了重大的人员伤亡和财产损失。因此，一旦发生气体泄漏，快速发现并定位泄漏源的位置具有重要意义。但由于自然环境中存在的湍流，气体泄漏的监测尤其是源定位较为困难。

目前，关于非特定环境下的气体泄漏监测与源定位研究主要集中在二维环境中，涉及的方法以传感器网络与概率统计结合为主，如传感器网络与贝叶斯估计方法相结合{T.Zhao,and A.Nehorai.“Distributed Sequential Bayesian Estimation of aDiffusive Source in Wireless Sensor Networks”.IEEE Transactions on SignalProcessing,vol.55,no.4,pp.1511-1524,April.2007.}。然而，由于气体泄漏(扩散)本身是一个三维过程，且气体泄漏源可能处于半空中，因此此类二维环境下的研究实际意义较小。

此外，针对气体管道(特定环境)泄漏的监测与源定位也有大量研究。例如，Huseynov等设计了一种针对管道气体泄漏的超声波定位系统，通过检测高压气体泄漏时产生的超声波来完成泄漏源定位{J.Huseynov,S.Baliga,M.Dillencourt,et al.“Gas-leaklocalization using distributed ultrasonic sensors”.Proceedings of SPIE-TheInternational Society for Optical Engineering,7293:72930-Z-72930Z-18,2009.}。此方法只适用于特定环境下的高压气体，不能应用于大多数存在泄漏隐患的低压气体。专利CN105509979-A通过两个光栅压力传感器检测管道泄漏时流体产生的负压波，并根据负压波到达时差来完成泄漏源定位。同样此方法只能应用于特定环境下流速较快的流体，通用性差。

现实中，可能发生气体泄漏的多为仓库、监测站以及化工厂等复杂的环境，其中的障碍物对安装气体传感器或者其他监测装置带来了困难，因此监测气体泄漏的方案要充分考虑应用环境，保证监测与定位方法的实用性。

发明内容

本发明提出一种可用于三维环境中的气体泄漏监测与源定位方法，具有通用程度高、实用性强等特点。技术方案如下：

基于三维移动传感器节点的气体泄漏监测系统，包括布置在三维待监测区域上方的网状导轨，在网状导轨上连接有带有控制器的多个运动装置，运动装置在控制器的控制下能够沿着网状导轨运动，在每个运动装置上设置有滑轮、绳索以及传感器节点，其中，滑轮固定在运动装置内，绳索一端固定在滑轮上，通过控制滑轮旋转调节绳索长度，绳索的另一端则连接传感器节点，每个传感器节点包括无线气体传感器模块和三维风矢量检测模块；每个传感器节点均可以实现三维运动并测量任意一点处的气体浓度和风矢量。

本发明同时提供一种采用上述监测系统实现的气体泄漏监测与源定位方法，把三维待监测区域分割为若干个虚拟的小四面体区域，并且记录下每个四面体四个顶点的位置为气体泄漏源定位做准备，包括下列步骤：

1)气体泄漏发现阶段：根据传感器节点个数，把三维待监测区域被平均划分为几个子区域，每个子区域均有一个传感器节点在内部做三维随机运动，一旦某个子区域内的传感器节点检测到的气体浓度超过设定阈值，则认为该子区域内发生了气体泄漏，之后进入源定位阶段；

2)源定位阶段包括如下的步骤：

a.控制检测到泄漏的传感器节点进行逆风搜索，直到气体浓度不再增加为止，并认为此刻传感器节点所在四面体内的气体浓度为该子区域内最高；

b.设四面体内气体浓度大小与气体泄漏源存在的概率成正比，则以该四面体为中心向外球形扩展排序得到一个该子区域内的四面体序列，序列的顺序代表了存在泄漏源的概率大小；

c.按照该顺序，周围三个子区域内的传感器节点与该子区域内传感器节点协作完成源定位，也即：四个节点运动到每个四面体的顶点，测量顶点处的气体浓度和风矢量，并根据测量信息计算经过四面体表面的净质量通量来判断每个四面体内是否包含泄漏源,当序列内所有四面体均被判断完成后，源定位结束。

本发明的主要优点及特色体现在如下几个方面：

1、设计了一种三维环境下的移动传感器节点结构。该结构可以实现传感器节点的三维运动，可用于障碍物较多的三维复杂环境，实用性较强。

2、提出了一种基于上述结构的三维气体泄漏监测与源定位方法。通过划分虚拟四面体区域并应用质量通量判据判断每个四面体内是否包含泄漏源的形式，完成源定位。此种方法不会使源定位陷入局部最优。

3、本发明提出的方法适用于通用的三维环境，如仓库、监测站以及化工厂等。此外，本发明还可以通过调节传感器节点的数量来适用于不同大小的监测范围。

附图说明

图1为移动传感器节点结构示意图。

图2为仓库环境中气体泄漏监测(发现)示意图。

图3为仓库环境下气体泄漏源定位示意图。

图4为四个椭球核覆盖四面体表面的示意图。

图5为气体泄漏监测与源定位算法流程图。

具体实施方式

本发明的核心部件为移动传感器节点结构，涉及导轨、运动装置(含控制器)、滑轮、绳索以及传感器节点。该结构的设计初衷在于解决复杂环境中传感器节点安装困难的问题，此外，设计传感器节点为移动的形式可以减少传感器节点数量降低成本。传感器节点由一个无线气体传感器模块和一个三维风矢量检测模块组成，可以在控制器控制下到达三维空间中任意一点测量该点的气体浓度和风矢量。根据本发明的源定位算法，传感器节点的数目最少为四个。

本发明中监测与定位气体泄漏源的方法基于划分四面体的思想，即将待监测区域划分为若干个四面体，在由监测(发现)阶段进入定位阶段后，依次对每个四面体内是否包含泄漏源进行判断，当所有四面体完成判断后，源定位结束。此方法不会使源定位陷入局部最优，定位精度与划分四面体的大小有关，且定位精度与定位速度是相互制约的关系。本发明提出一种计算经过四面体表面净质量通量的方法来判断一个四面体内部是否包含泄漏源。完整的气体泄漏监测与源定位步骤如下：

[1]准备工作。在应用该方法前，将待监测区域划分为若干虚拟的四面体区域，记录下每个四面体的位置信息为之后源定位做准备。

[2]气体泄漏发现。在该阶段，监测区域被按传感器节点个数均分为几个子区域，每个传感器节点在对应子区域内随机运动，一旦检测到超过设定阈值的气体浓度则发现气体泄漏。

[3]获得待判断的四面体区域序列。进入定位阶段后，首先检测到气体泄漏的传感器节点在其对应子区域内逆风搜索，直到传感器检测到的气体浓度不再增大，确定当前所在的四面体区域，并按照距离该四面体的远近程度将子区域内的四面体进行排序，获得待判断的四面体序列。

[4]判断每一个四面体内是否包含气体泄漏源。疑似气体泄漏的子区域内的传感器节点与周围最近的三个传感器节点协作，依次遍历步骤[3]获得的四面体序列中的每一个四面体，检测多组四面体顶点处的气体浓度与风矢量。根据检测到的每组气体浓度和风矢量信息计算流经四面体表面的净质量通量，进而根据推导出的质量通量判据判断出四面体内是否包含泄漏源。

[5]得到泄漏源所在的四面体。当四面体序列中的所有四面体均被判断后，则包含泄漏源的四面体会被得到，定位随即完成。

下面结合实施例及其附图详细叙述本发明。实施例是以本发明所述技术方案为前提进行的具体实施，给出了详细的实施方式和过程。但本申请的权利要求保护范围不受限于下述实施例的描述。

本发明设计的移动传感器节点结构由网状导轨1、六个运动装置2、六个滑轮3、六根绳索4以及六个传感器节点5组成(如附图1所示)。其中运动装置包含控制器，可以控制滑轮旋转带动绳索调节传感器节点的高度，同时还可以控制运动装置沿导轨运动，从而实现传感器节点的三维运动。运动装置之间可以进行无线通讯，以保证传感器节点之间的协作顺畅。传感器节点包含一个无线气体传感器模块(气体传感器型号：mics-5521，可根据具体检测的气体进行更换)和一个小型三维风速仪(Young 81000)，可以检测传感器节点位置处的气体浓度和风矢量。

根据上述移动传感器节点结构对气体泄漏监测与源定位的具体实现如下：

[1]准备工作。

根据源定位算法的要求，在开始气体泄漏源监测之前，首先要将待监测区域V划分为n个虚拟的四面体区域TT_i(i＝1,...,n)，其中四面体区域可以为正四面体也可以为不规则四面体，后者的存在主要是为了方便复杂环境(有障碍物)下的四面体划分。四面体的大小是定位精度与定位时间的折中，如果四面体较小则定位精度高定位时间长，四面体较大则相反。

[2]气体泄漏发现。

在该阶段，监测区域V被均分均分为六个子区域v_j(j＝1,...,6)，每个传感器节点nd_j在对应子区域内随机运动，一旦检测到超过设定阈值的气体浓度则发现气体泄漏。仓库环境中气体泄漏监测(发现)如附图2所示。

[3]获得待判断的四面体区域序列L_TT。

进入定位阶段后，首先检测到气体泄漏的传感器节点在其对应子区域内逆风搜索，直到传感器检测到的气体浓度不再增大，确定当前所在的四面体区域为TT_max，并认为该四面体内的气体浓度为子区域内最高。假设四面体内气体浓度的大小与该四面体内包含气体泄漏源的概率成正比，则可以对该子区域内所有四面体按照包含泄漏源概率由大到小排序，获得待判断的四面体区域序列。也即按照距离四面体TT_max的远近程度将子区域内的四面体进行排序，获得待判断的四面体序列：L_TT＝{TT_max,TT₁,TT₂,TT₃,...}。

[4]判断每一个四面体内是否包含气体泄漏源。

在此过程中，检测到气体泄漏的传感器节点与附近的三个传感器节点协作，依次遍历L_TT中的每一个四面体(如附图3所示)，也即四个传感器节点在每个四面体的四个顶点采集100组气体浓度与风矢量(采样频率20Hz)。为了应用采集到的信息判断每个四面体内是否包含泄漏源，本发明推导出了质量通量判据，并提出了一种方法根据采集到的一组信息估算经过四面体表面的净质量通量，进而依据质量通量判据对每一个四面体内是否包含气体泄漏源进行判断。

质量通量判据是根据散度的定义和高斯定理推导得到：从散度的定义可知，散度代表了一点周围单位体积内的源强度。对应于和该源强度可以描述为“正源”、“负源”和“无源”。根据高斯定理可知经过一个闭合曲面的净通量与该曲面内部散度的体积分相等，进而结合散度的定义可得出结论：经过闭合曲面的净通量的正负与内部的源情况有关。因此，可以得到本发明的质量通量判据如下：经过四面体表面的气体的净质量通量可用来判断四面体内部是否包含气体泄漏源，也即质量通量大于0时内部含有泄漏源，质量通量等于0时四面体内部不含泄漏源。

根据采集到的一组信息估算经过四面体表面的净质量通量的步骤如下：

①四面体表面网格化。采用Delaunay三角网格划分算法将四面体表面进行网格划分，计算经过每个三角形网格区域的质量通量，然后对所有网格求和即可得到经过四面体表面的净质量通量。

②估计每个网格中心处的气体浓度c。本发明根据在四面体四个顶点检测到的气体浓度和三维风矢量对每个网格中心处的气体浓度进行估计。假设无风环境下气体扩散符合球形的三维高斯分布，在有风环境下球形则被调整为椭球形，椭球的长轴方向与风向一致。因此，以四个顶点为中心可以外推出四个椭球核(如附图4所示)，椭球核中心处的概率密度对应该顶点的气体浓度。最终，每个网格中心处的气体浓度可以根据四个椭球核估计得到。

③估计每个网格中心处的风矢量v。已知四面体四个顶点处的风矢量，可以根据网格中心点距四个顶点的远近程度进行反距离加权，加权和即为该网格中心处的风矢量。

④计算每个网格的单位外法线向量n。四面体有四个大的三角形表面，每个三角形表面所有网格的单位外法线向量均相同，因此只需要求解四个单位外法线向量即可。根据叉积的定义可以完成各个n的求解：设一个三角形表面两条边所对应的矢量分别为a₁和b₁，则对应于该三角形表面的单位外法线向量为

(1)

其中θ表示两条边对应矢量的夹角，此外a₁和b₁的叉乘顺序要保证所得单位外法线向量指向四面体的外部。

⑤完成四面体表面净质量通量的计算。经过一个网格的质量通量可通过如下公式计算得到

(2)m＝(cv)·nds

其中ds代表每个网格的面积。将四面体表面所有网格计算得到的质量通量求和得到经过四面体表面的净质量通量，进而依据质量通量判据可以判断出该四面体内部是否包含气体泄漏源。

上述判断过程基于一组测量数据，由于气体烟羽的不连续性，采集到的数据可能是不理想的，因此仅凭借一组数据去判断四面体内部的源情况是不合理的。本发明判断一个四面体内部是否有泄漏源的方法如下：如果100组测量数据计算得到的100个净质量通量绝大多数大于0，则四面体内有泄漏源；反之则四面体内部没有泄漏源。

[5]得到泄漏源所在的四面体。

当四面体序列L_TT中的所有四面体均被判断完成后，则包含泄漏源的四面体会被得到，定位阶段随即结束。此种源定位方法可以定位多个气体泄漏源。定位精度与步骤[1]中划分的四面体大小有关。

气体泄漏监测与源定位算法流程图如附图5所示。

Claims (2)

1.基于三维移动传感器节点的气体泄漏监测系统，包括布置在三维待监测区域上方的网状导轨，在网状导轨上连接有带有控制器的多个运动装置，运动装置在控制器的控制下能够沿着网状导轨运动，在每个运动装置上设置有滑轮、绳索以及传感器节点，其中，滑轮固定在运动装置内，绳索一端固定在滑轮上，通过控制滑轮旋转调节绳索长度，绳索的另一端则连接传感器节点，每个传感器节点包括无线气体传感器模块和三维风矢量检测模块；每个传感器节点均可以实现三维运动并测量任意一点处的气体浓度和风矢量。

2.一种采用上述监测系统实现的气体泄漏监测与源定位方法，把三维待监测区域分割为若干个虚拟的小四面体区域，并且记录下每个四面体四个顶点的位置为气体泄漏源定位做准备。包括下列步骤：

1)气体泄漏发现阶段：根据传感器节点个数，把三维待监测区域被平均划分为几个子区域，每个子区域均有一个传感器节点在内部做三维随机运动，一旦某个子区域内的传感器节点检测到的气体浓度超过设定阈值，则认为该子区域内发生了气体泄漏，之后进入源定位阶段；

2)源定位阶段包括如下的步骤：

a.控制检测到泄漏的传感器节点进行逆风搜索，直到气体浓度不再增加为止，并认为此刻传感器节点所在四面体内的气体浓度为该子区域内最高；

b.设四面体内气体浓度大小与气体泄漏源存在的概率成正比，则以该四面体为中心向外球形扩展排序得到一个该子区域内的四面体序列，序列的顺序代表了存在泄漏源的概率大小；

c.按照该顺序，周围三个子区域内的传感器节点与该子区域内传感器节点协作完成源定位，也即：四个节点运动到每个四面体的顶点，测量顶点处的气体浓度和风矢量，并根据测量信息计算经过四面体表面的净质量通量来判断每个四面体内是否包含泄漏源,当序列内所有四面体均被判断完成后，源定位结束。