CN107607671A - 一种气体泄漏源定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气体泄漏源定位方法，包括以下步骤：1)、监测厂区区域划分和传感器节点的部署；2)、三维空间坐标系的建立；3)、建立气体扩散模型；4)、确定泄漏位置判定方法；5)、搜索模型的建立；6)、泄漏源强和位置确定。本发明与现有技术相比，具有成本低、容易部署、对监控区域限制条件低、应用广泛、定位精度高、定位速度快等优点。

Description

一种气体泄漏源定位方法

技术领域

本发明涉及气体泄漏检测领域，特别涉及一种气体泄漏源定位方法。

背景技术

目前，治理大气污染、监测TVOC气体的泄漏与区域空气质量的问题日渐突出，化工、钢铁、涂装等行业存在的问题尤其突出。目前的泄漏源定位方法主要采用以下几种方法：

1、采用小型机器人搜索泄漏源定位，该方法机动性强，监控覆盖范围广，但是这种方法成本高，且不可能部署广泛机器人在监控区域；

2、采用无人机在待测泄漏区域搜索定位，这种方法精度高，但是所需成本高，通用性较差，实现比较困难；

3、采用高分辨率传感器,将监控数据回传监控中心进行分析处理，该方法虽然能够及时获取数据，但是存在传感器成本高、体积大、监测定位精度不高的问题。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的上述不足和缺陷，提供一种气体泄漏源定位方法，以解决上述问题。

本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：

一种气体泄漏源定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)、监测厂区区域划分和传感器节点的部署：对厂区划分成大小相似的若干个矩形区域，对于任意的划分区域，采用网格化部署传感器，以保证不同的下风向都有对应的传感器存在；

2)、三维空间坐标系的建立：基于厂区的各个划分矩形区域的顶点和泄漏源的位置，分别建立右手笛卡尔坐标系A和B，其中坐标系A建立以矩形区域的两边分别为x轴和y轴，垂直于平面xoy的为z轴，坐标系B建立是以泄漏垂直于海平面的交点为顶点，风向为x1轴，垂直于海平面的轴为z1轴；当以三维空间坐标系A为标准,记泄漏源的位置Q坐标(x₀,y₀,z₀)，风向与x轴的坐标系夹角为θ，传感器的位置P坐标为(x,y,h)；当以泄漏源的位置建立的坐标系B为标准，此时的传感器位置P坐标(s,t,h)，存在如式(1)和式(2)的换算关系：

s＝(x-x₀)cosθ+(y-y₀)sinθ (1)

t＝-(x-x₀)sinθ+(y-y₀)cosθ (2)

3)、建立气体扩散模型：基于环境数据和传感器数据，利用帕斯奎尔分类方法，获得大气稳定度，得到相关扩散系数，通过菲克扩散定律和质量守恒定律，建立的气体扩散模型为：

其中参数：C:扩散到(x,y,z)处的浓度，单位kg/m³

Q：泄漏源强度，单位kg/s，

μ：水平风速，单位是m/s，

H：有效源高度，单位是m，

σ_y：水平方向含参数x扩散系数，单位是m，

σ_z：垂直方向含参数x扩散系数，单位是m，

x：传感器距泄漏源下风向距离，单位是m，

y：传感器距羽流中心线侧风向距离，单位是m，

z：传感器位置高度，单位是m；

4)、确定泄漏位置判定方法：基于步骤3)建立的气体扩散模型，泄漏源的位置是依据传感器检测的浓度与扩散模型的浓度接近程度作为判定标准，即通过求解目标函数如式(4)所示的最大值，其中σ_i为误差参数，

5)、搜索模型的建立:基于厂区的网格划分，以每个划分的矩形区域分别建立智能搜索模型，模型的步骤如下：

a)适应度函数的选取：搜索的方法采用遗传算法，适应度函数的选取如式(4)所示，

b)初始化种群：依据划分矩形区域的边界和区域内的泄漏源个数，通过对其二进制编码和解码，确定初始群体，

c)选择：遗传算法中的染色体的选择采用如式(5)所示的轮盘赌选择法，选择适应度高的个体，

d)交叉和变异：遗传算法中的交叉算子采用一点交叉，变异算子采用单点变异的方法；

6)、泄漏源强和位置确定：基于遗传算法得到的划分矩形区域内的最优可行解，通过泄漏源位置、传感器部署的先验信息和划分区域内传感数据交互验证，确定出泄漏源的位置和源强。

在本发明的一个优选实施例中，所述传感器的数据通过无线通信模块传输。

由于采用了如上的技术方案，本发明与现有技术相比，具有成本低、容易部署、对监控区域限制条件低、应用广泛、定位精度高、定位速度快等优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一种实施例的坐标系的平面图。

图2是本发明一种实施例的流程图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面进一步阐述本发明。

参见图1和图2所示的一种气体泄漏源定位方法，包括以下步骤：

1)、监测厂区区域划分和传感器节点的部署：对厂区划分成大小相似的若干个矩形区域，对于任意的划分区域，采用网格化部署传感器，以保证不同的下风向都有对应的传感器存在；

2)、三维空间坐标系的建立：基于厂区的各个划分矩形区域的顶点和泄漏源的位置，分别建立右手笛卡尔坐标系A和B，其中坐标系A建立以矩形区域的两边分别为x轴和y轴，垂直于平面xoy的为z轴，坐标系B建立是以泄漏源垂直于海平面的交点为顶点，风向为x1轴，垂直于海平面的轴为z1轴；当以三维空间坐标系A为标准,记泄漏源的位置Q坐标(x₀,y₀,z₀)，风向与x轴的坐标系夹角为θ，传感器的位置P坐标为(x,y,h)；当以泄漏源的位置建立的坐标系B为标准，此时的传感器位置P坐标(s,t,h)，存在如式(1)和式(2)的换算关系：

s＝(x-x₀)cosθ+(y-y₀)sinθ (1)

t＝-(x-x₀)sinθ+(y-y₀)cosθ (2)

3)、建立气体扩散模型：基于环境数据和传感器数据，利用帕斯奎尔分类方法，获得大气稳定度，得到相关扩散系数，通过菲克扩散定律和质量守恒定律，建立的气体扩散模型为：

其中参数：C:扩散到(x,y,z)处的浓度，单位kg/m³,

Q：泄漏源强度，单位kg/s，

μ：水平风速，单位是m/s，

H：有效源高度，单位是m，

σ_y：水平方向含参数x扩散系数，单位是m，

σ_z：垂直方向含参数x扩散系数，单位是m，

x：传感器距泄漏源下风向距离，单位是m，

y：传感器距羽流中心线侧风向距离，单位是m，

z：传感器位置高度，单位是m；

4)、确定泄漏位置判定方法：基于步骤3)建立的气体扩散模型，泄漏源的位置是依据传感器检测的浓度与扩散模型的浓度接近程度作为判定标准，即通过求解目标函数如式(4)所示的最大值，其中σ_i为误差参数，

5)、搜索模型的建立:基于厂区的网格划分，以每个划分的矩形区域分别建立智能搜索模型，模型的步骤如下：

a)适应度函数的选取：搜索的方法采用遗传算法，适应度函数的选取如式(4)所示，

b)初始化种群：依据划分矩形区域的边界和区域内的泄漏源个数，通过对其二进制编码和解码，确定初始群体，

c)选择：遗传算法中的染色体的选择采用如式(5)所示的轮盘赌选择法，选择适应度高的个体，

d)交叉和变异：遗传算法中的交叉算子采用一点交叉，变异算子采用单点变异的方法；

6)、泄漏源强和位置确定：基于遗传算法得到的划分矩形区域内的最优可行解，通过泄漏源位置、传感器部署的先验信息和划分区域内传感数据交互验证，确定出泄漏源的位置和源强。

本发明与现有技术相比，具有成本低、容易部署、对监控区域限制条件低、应用广泛、定位精度高、定位速度快等优点。

另外，本发明的传感器的数据通过无线通信模块传输，可以实现远程控制，无需工作人员到现场对气体泄漏进行监测，避免了检测人员长时间近距离接触有毒、有害液体，从而给健康带来危害的问题。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (2)

1.一种气体泄漏源定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)、监测厂区区域划分和传感器节点的部署：对厂区划分成大小相似的若干个矩形区域，对于任意的划分区域，采用网格化部署传感器，以保证不同的下风向都有对应的传感器存在；

2)、三维空间坐标系的建立：基于厂区的各个划分矩形区域的顶点和泄漏源的位置，分别建立右手笛卡尔坐标系A和B，其中坐标系A建立以矩形区域的两边分别为x轴和y轴，垂直于平面xoy的为z轴，坐标系B建立是以泄漏源垂直于海平面的交点为顶点，风向为x1轴，垂直于海平面的轴为z1轴；当以三维空间坐标系A为标准,记泄漏源的位置Q坐标(x₀,y₀,z₀)，风向与x轴的坐标系夹角为θ，传感器的位置P坐标为(x,y,h)；当以泄漏源的位置建立的坐标系B为标准，此时的传感器位置P坐标(s,t,h)，存在如式(1)和式(2)的换算关系：

s＝(x-x₀)cosθ+(y-y₀)sinθ (1)

t＝-(x-x₀)sinθ+(y-y₀)cosθ (2)

3)、建立气体扩散模型：基于环境数据和传感器数据，利用帕斯奎尔分类方法，获得大气稳定度，得到相关扩散系数，通过菲克扩散定律和质量守恒定律，建立的气体扩散模型为：

<mrow> <mi>C</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mi>Q</mi> <mrow> <mn>2</mn> <msub> <mi>&amp;pi;&amp;mu;&amp;sigma;</mi> <mi>x</mi> </msub> <msub> <mi>&amp;sigma;</mi> <mi>y</mi> </msub> </mrow> </mfrac> <mi>exp</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mo>-</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mn>2</mn> </mfrac> <mfrac> <msup> <mi>y</mi> <mn>2</mn> </msup> <msubsup> <mi>&amp;sigma;</mi> <mi>y</mi> <mn>2</mn> </msubsup> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mrow> <mo>(</mo> <mi>exp</mi> <mo>(</mo> <mrow> <mo>-</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mn>2</mn> </mfrac> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <mrow> <mi>z</mi> <mo>-</mo> <mi>H</mi> </mrow> <msub> <mi>&amp;sigma;</mi> <mi>z</mi> </msub> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> </mrow> <mo>)</mo> <mo>+</mo> <mi>exp</mi> <mo>(</mo> <mrow> <mo>-</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mn>2</mn> </mfrac> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <mrow> <mi>z</mi> <mo>+</mo> <mi>H</mi> </mrow> <msub> <mi>&amp;sigma;</mi> <mi>z</mi> </msub> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> </mrow> <mo>)</mo> <mo>)</mo> </mrow> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>3</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

其中参数：C:扩散到(x,y,z)处的浓度，单位kg/m³,

Q：泄漏源强度，单位kg/s，

μ：水平风速，单位是m/s，

H：有效源高度，单位是m，

σ_y：水平方向含参数x扩散系数，单位是m，

σ_z：垂直方向含参数x扩散系数，单位是m，

x：传感器距泄漏源下风向距离，单位是m，

y：传感器距羽流中心线侧风向距离，单位是m，

z：传感器位置高度，单位是m；

4)、确定泄漏位置判定方法：基于步骤3)建立的气体扩散模型，泄漏源的位置是依据传感器检测的浓度与扩散模型的浓度接近程度作为判定标准，即通过求解目标函数如式(4)所示的最大值，其中σ_i为误差参数，

5)、搜索模型的建立:基于厂区的网格划分，以每个划分的矩形区域分别建立智能搜索模型，模型的步骤如下：

a)适应度函数的选取：搜索的方法采用遗传算法，适应度函数的选取如式(4)所示，

b)初始化种群：依据划分矩形区域的边界和区域内的泄漏源个数，通过对其二进制编码和解码，确定初始群体，

c)选择：遗传算法中的染色体的选择采用如式(5)所示的轮盘赌选择法，选择适应度高的个体，

<mrow> <mi>p</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>i</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mi>J</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>i</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <mrow> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>n</mi> </munderover> <mi>J</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>i</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mfrac> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>5</mn> <mo>)</mo> </mrow> <mo>,</mo> </mrow>

d)交叉和变异：遗传算法中的交叉算子采用一点交叉，变异算子采用单点变异的方法；

6)、泄漏源强和位置确定：基于遗传算法得到的划分矩形区域内的最优可行解，通过泄漏源位置、传感器部署的先验信息和划分区域内传感数据交互验证，确定出泄漏源的位置和源强。

2.如权利要求1所述的一种气体泄漏源定位方法，其特征在于，所述传感器的数据通过无线通信模块传输。