CN108259591A - 石化行业高防爆智能监控系统 - Google Patents

石化行业高防爆智能监控系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了石化行业高防爆智能监控系统，包括防爆监测装置、通信网络和防爆监控平台，防爆监测装置通过通信网络与防爆监控平台相连接；所述的防爆监测装置包括传感器节点和汇聚节点，传感器节点用于对防爆监测区域进行监测，获取爆炸危险指标传感数据并将爆炸危险指标传感数据发送至汇聚节点，进而由汇聚节点汇聚爆炸危险指标传感数据并通过通信网络将汇聚的爆炸危险指标传感数据传送至防爆监控平台。本发明采用无线传感器网络技术实现了石化行业高防爆监控。

Description

石化行业高防爆智能监控系统
技术领域
本发明涉及防爆监控技术领域，具体涉及石化行业高防爆智能监控系统。
背景技术
石油石化行业的生产线长、涉及面广，石化生产过程中使用的物料绝大多数属于易燃易爆或有毒物质，一旦泄露，容易形成爆炸性混合物而发生燃烧、爆炸事故，导致人员伤亡、物质损失、环境污染等；虽然目前石化行业对安全生产事故日益重视，并采取了一系列的措施，例如：安装储罐冷却水、安装流量计、控制阀、修建消防通道等，但现有的方案主要是1)基于摄像头的视频监控系统；2)基于传感器、总线或以太网的监测系统；3)基于传感器的无线监测、报警系统等；但是采油井一般分布较偏僻，范围广，且环境比较恶劣，上述的系统受到各种客观条件的限制，不能很好的满足油田的生产现状，主要表现为：成本高，投资大，供电不便，施工及维护困难等。
发明内容
针对上述问题，本发明提供石化行业高防爆智能监控系统。
本发明的目的采用以下技术方案来实现：
提供了石化行业高防爆智能监控系统，包括防爆监测装置、通信网络和防爆监控平台，防爆监测装置通过通信网络与防爆监控平台相连接；所述的防爆监测装置包括传感器节点和汇聚节点，传感器节点用于对防爆监测区域进行监测，获取爆炸危险指标传感数据并将爆炸危险指标传感数据发送至汇聚节点，进而由汇聚节点汇聚爆炸危险指标传感数据并通过通信网络将汇聚的爆炸危险指标传感数据传送至防爆监控平台。
优选地，传感器节点包括传感器模块、数据处理模块、射频模块、防爆模块、声光报警模块和电源模块；电源模块与传感器模块、数据处理模块、射频模块相连接并为其供电，数据处理模块通过I/O接口与传感器模块、射频模块、防爆模块和报警模块相连接。
可选地，所述的传感器模块为温度传感器、压力传感器和气敏传感器的其中一种或者一种以上的组合。
可选地，所述的报警模块用于在任一传感器采集的数据超过指定的阈值时，向工作人员发出预警。
可选地，所述的防爆监控平台由数据库服务器、应用服务器及客户端通过局域网连接构成。
可选地，所述的通信网络为卫星通信网、互联网或移动通信网。
可选地，所述的防爆模块包括前滤器、惰气压缩机、采用冷却水冷却的惰气冷却器、安全阀、后滤器、惰性气体压缩容器和电动阀门，前滤器与惰气压缩机相连，惰气压缩机与惰气冷却器相连，惰气冷却器有两个引出端，一个引出端与安全阀相连，另一个引出端与后滤器相连，后滤器与惰性压缩气体容器相连，电动阀门设置在惰性气体压缩容器的排气口上，电动阀门与外输管线相连。
本发明的有益效果为：通过无线传感器网络技术，能够及时检测出泄露情况并通过防爆监测装置将采集到的爆炸危险指标传感数据发送给防爆监控平台，实现了防爆的无线实时监控，通过对爆炸危险指标传感数据的分析，能够便于工作人员在危险情况时执行关闭阀门，释放惰性气体等一系列措施，防止由于泄露而引发大火、爆炸等事故的发生。
附图说明
利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。
图1本发明一个实施例的石化行业高防爆智能监控系统的结构连接框图；
图2是本发明一个实施例的防爆监控平台的结构连接框图。
附图标记：
防爆监测装置1、通信网络2、防爆监控平台3、数据库服务器10、应用服务器20、客户端30。
具体实施方式
结合以下实施例对本发明作进一步描述。
参见图1，本实施例提供了石化行业高防爆智能监控系统，包括防爆监测装置1、通信网络2和防爆监控平台3，防爆监测装置1通过通信网络2与防爆监控平台3相连接。
所述的防爆监测装置1包括传感器节点和汇聚节点，传感器节点用于对防爆监测区域进行监测，获取爆炸危险指标传感数据并将爆炸危险指标传感数据发送至汇聚节点，进而由汇聚节点汇聚爆炸危险指标传感数据并通过通信网络将汇聚的爆炸危险指标传感数据传送至防爆监控平台。
其中，传感器节点或汇聚节点包括传感器模块、数据处理模块、射频模块、防爆模块、声光报警模块和电源模块；电源模块与传感器模块、数据处理模块、射频模块相连接并为其供电，数据处理模块通过I/O接口与传感器模块、射频模块、防爆模块和报警模块相连接。
其中，所述的传感器模块为温度传感器、压力传感器和气敏传感器的其中一种或者一种以上的组合。
在一个实施例中，所述的报警模块用于在任一传感器采集的数据超过指定的阈值时，向工作人员发出预警。
在一个实施例中，如图2所示，防爆监控平台3由数据库服务器10、应用服务器20及客户端30通过局域网连接构成。
在一个实施例中，所述的通信网络2为卫星通信网、互联网或移动通信网。
在一个实施例中，所述的防爆模块为能够释放惰性气体的装置。可选地，防爆模块包括前滤器、惰气压缩机、采用冷却水冷却的惰气冷却器、安全阀、后滤器、惰性气体压缩容器和电动阀门，前滤器与惰气压缩机相连，惰气压缩机与惰气冷却器相连，惰气冷却器有两个引出端，一个引出端与安全阀相连，另一个引出端与后滤器相连，后滤器与惰性压缩气体容器相连，电动阀门设置在惰性气体压缩容器的排气口上，电动阀门与外输管线相连。本实施例对防爆模块的具体构造不作限定。
本发明上述实施例，通过无线传感器网络技术，能够及时检测出泄露情况并通过防爆监测装置将采集到的爆炸危险指标传感数据发送给防爆监控平台，实现了防爆的无线实时监控，通过对爆炸危险指标传感数据的分析，能够便于工作人员在危险情况时执行关闭阀门，释放惰性气体等一系列措施，防止由于泄露而引发大火、爆炸等事故的发生。
在一个实施例中，所述的传感器节点分为簇头节点和簇成员节点，簇成员节点用于采集爆炸危险指标传感数据并将爆炸危险指标传感数据发送至所属簇的簇头节点；簇头节点用于接收并处理簇成员发送的爆炸危险指标传感数据，还用于将处理后的爆炸危险指标传感数据发送至汇聚节点。
在一个实施例中，簇头节点将处理后的爆炸危险指标传感数据发送至汇聚节点，具体包括：
(1)初始阶段，设始发爆炸危险指标传感数据的簇头节点为源节点，源节点向汇聚节点发送多个路径请求消息，并接收汇聚节点根据路径请求消息生成并发送的路径反馈信息，其中，每个路径反馈信息包括一条从源节点到汇聚节点的路由路径信息；
(2)源节点处理各路径反馈信息，获取多条从其到汇聚节点的路由路径，归入路径集合Q；
(3)当源节点的单次发送的爆炸危险指标传感数据量低于设定的数据量阈值时，源节点从路径集合Q中随机选择一条路由路径进行传输，当源节点的单次发送的爆炸危险指标传感数据量高于设定的数据量阈值时，源节点对要发送的爆炸危险指标传感数据进行分割后分配给各路由路径进行传输，其中，路由路径i被分到的爆炸危险指标传感数据量为：
式中，Wi为路由路径i被分到的爆炸危险指标传感数据量，W为需要传输到汇聚节点的总爆炸危险指标传感数据量，Pi-1为路由路径i中源节点的下一跳簇头节点的当前剩余能量，Pj-1为路径集合Q内的第j个路由路径中源节点的下一跳簇头节点的当前剩余能量，Pi-0为路由路径i中源节点的下一跳簇头节点的初始能量，Pj-0为路径集合Q内的第j个路由路径中源节点的下一跳簇头节点的当前剩余能量，Di为路由路径i的路径长度，Dj为路径集合Q内的第j个路由路径的路径长度。
其中，源节点向汇聚节点发送路径请求消息，此时路径请求消息携带有该源节点的身份标识(ID)、当前剩余能量和带宽需求，收到路径请求消息的簇头节点将自身的ID、当前剩余能量以及与上一跳簇头节点间的单跳链路信息加入到接收到的路径请求消息中，再将路径请求消息发送至下一跳簇头节点，直至路径请求消息到达汇聚节点。
当数据量很大的情况下，单路由路径无法满足网络爆炸危险指标传感数据通信的性能要求。
本实施例中，簇头节点在爆炸危险指标传感数据量大的情况下将爆炸危险指标传感数据分流到多条路由路径中进行传输，能够有效提高爆炸危险指标传感数据传输效率。
本实施例进一步基于能量和距离因素设定了权重值的计算公式，本实施例在爆炸危险指标传感数据量较大时根据权重值比例对爆炸危险指标传感数据进行分割后分配给各路由路径进行传输，能够平衡各路由路径上源节点的下一跳簇头节点的能耗，并尽可能将较多的爆炸危险指标传感数据沿这较短的路由路径传输至汇聚节点，有益于节省爆炸危险指标传感数据转发的能耗，在整体上节省了石化行业高防爆智能监控系统的能量成本，实现了节能型的高防爆无线监控。
在一个实施例中，汇聚节点根据路径请求消息生成并向源节点发送路径反馈信息，包括：
(1)在接收阶段，汇聚节点在第一次接收到源节点发送的路径请求消息时开始计时，在设定时间段内继续接收从各源节点始发的多个路径请求消息，并对接收的路径请求消息进行存储，超时后不再接收路径请求消息；
(2)在处理阶段，汇聚节点对路径请求消息进行处理，得到多条从源节点A到汇聚节点的路由路径，并归入初始路径集合QA，A＝1,…,n，n为源节点个数；
(3)对于初始路径集合QA，汇聚节点将多条满足网络服务质量条件的从源节点A到汇聚节点的路由路径作为初始粒子群，采用改进的多种群粒子群优化算法对初始粒子群进行优化，得到多条从源节点A到汇聚节点的优选路由路径，并沿每条优选路由路径将对应的优选路由路径信息发送给源节点A。
本实施例由汇聚节点来确定各源节点到汇聚节点的路由路径，减少了源节点在确定到汇聚节点的路由方面的负担。
相关技术中采用多种群粒子群优化算法对路由路径进行优化时，通常是将簇头节点到汇聚节点的所有路由路径作为初始粒子群，当路由路径数量较多的情况下无疑增加了粒子搜索的复杂性。本实施例剔除了不满足网络服务质量条件的路由路径，进一步有益于降低粒子搜索的复杂度，提高路由路径优化的速度。
其中，网络服务质量条件为：
ΨA(λ)为第λ条从源节点A到汇聚节点的路由路径的总链路开销；UA(λ)为第λ条从源节点A到汇聚节点的路由路径的带宽，由路径中的最小带宽决定；GA(λ)为第λ条从源节点A到汇聚节点的路由路径的总延时；Ψmin、Umin、GmaZ分别是为满足网络服务质量要求而设定的链路开销上限、带宽下限、延时上限，Ω为设定的网络服务质量阈值。
本实施例在确定用于路径优化的初始粒子群时，基于链路开销、带宽和延时要求设置了网络服务质量条件，创造性地预先将不满足网络服务质量条件的路由路径进行剔除，将剩余的路由路径作为初始粒子群，使得作为粒子的路由路径都能够满足传输爆炸危险指标传感数据的基本服务质量需求。
在一个实施例中，改进的多种群粒子群优化算法具体包括：
(1)计算初始粒子群中每个粒子的适应度，适应度函数为：
式中，Qi表示粒子i的适应度值，Pi-min为粒子i中当前剩余能量最小的簇头节点的剩余能量，Pi-min-0为粒子i中当前剩余能量最小的簇头节点的初始能量，Di-min为粒子i中当前剩余能量最小的簇头节点与其下一跳簇头节点间的距离，P1lec为射频传输系数，4amp为放大器功放能耗系数；
(2)根据源节点的带宽需求估计需要的路由路径数K，对初始粒子群进行K均值聚类，根据聚类结果将粒子分成K个种群；
(3)各种群找出自己的全局最优位置；
(4)各种群粒子按照下列改进的速度公式求出飞行速度：
式中，Vi(t+1)表示粒子i在t+1时刻的速度，Vi(t)表示粒子i在t时刻的速度，Zi(t)为粒子i在t时刻的位置，Qibest为粒子i自身所经历的历史最优位置，Qgb1st表示粒子i所在种群的全局最优位置，Qgb1st(j)表示第j个种群的全局最优位置，其中j＝1,…,K，α1、α2、α3皆为加速常数，β1、β2、β3皆为在区间[0,1]内均匀分布的随机数，w为惯性权重；
(5)各种群粒子按照下列位置公式改变自身位置：
Zi(t+1)＝Zi(t)+Vi(t+1)
式中，Zi(t+1)表示粒子i在t+1时刻的位置；
(6)达到优化目标，输出每个种群的路由路径Qgbest(j)，即多条从源节点A到汇聚节点的路由路径，结束，否则回到(1)。
本实施例提出了改进的多种群粒子群优化算法，考虑了各种群全局最优位置的交集，改进了粒子的速度公式，使不同种群的粒子能够向不同的方向飞行，避免相互交叉，从而减少种群粒子交叉的概率，保证任意两条路由路径之间不存在共同的传感器节点。
本实施例考虑到路由路径的生命期受到最小能量的簇头节点的剩余能量和该簇头节点与邻近簇头节点之间的距离的影响，最小能量的簇头节点剩余能量越大、节点间通信距离越短，则路由路径的生命期越大，从而在设计适应度函数时考虑到能量和节点间距两个因素，能够使得优化出的路由路径稳定性更高，链路更强壮，从而能够更可靠地将爆炸危险指标传感数据转发至汇聚节点，使得石化行业高防爆智能监控系统能够长期稳定运行。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (7)

1.石化行业高防爆智能监控系统，其特征是，包括防爆监测装置、通信网络和防爆监控平台，防爆监测装置通过通信网络与防爆监控平台相连接；所述的防爆监测装置包括传感器节点和汇聚节点，传感器节点用于对防爆监测区域进行监测，获取爆炸危险指标传感数据并将爆炸危险指标传感数据发送至汇聚节点，进而由汇聚节点汇聚爆炸危险指标传感数据并通过通信网络将汇聚的爆炸危险指标传感数据传送至防爆监控平台。
2.根据权利要求1所述的石化行业高防爆智能监控系统，其特征是，传感器节点包括传感器模块、数据处理模块、射频模块、防爆模块、声光报警模块和电源模块；电源模块与传感器模块、数据处理模块、射频模块相连接并为其供电，数据处理模块通过I/O接口与传感器模块、射频模块、防爆模块和报警模块相连接。
3.根据权利要求2所述的石化行业高防爆智能监控系统，其特征是，所述的传感器模块为温度传感器、压力传感器和气敏传感器的其中一种或者一种以上的组合。
4.根据权利要求1-3任一项所述的石化行业高防爆智能监控系统，其特征是，所述的防爆监控平台由数据库服务器、应用服务器及客户端通过局域网连接构成。
5.根据权利要求1-3任一项所述的石化行业高防爆智能监控系统，其特征是，所述的通信网络为卫星通信网、互联网或移动通信网。
6.根据权利要求1所述的石化行业高防爆智能监控系统，其特征是，所述的传感器节点分为簇头节点和簇成员节点，簇成员节点用于采集爆炸危险指标传感数据并将爆炸危险指标传感数据发送至所属簇的簇头节点；簇头节点用于接收并处理簇成员发送的爆炸危险指标传感数据，还用于将处理后的爆炸危险指标传感数据发送至汇聚节点。
7.根据权利要求6所述的石化行业高防爆智能监控系统，其特征是，簇头节点将处理后的爆炸危险指标传感数据发送至汇聚节点，具体包括：
(1)初始阶段，设始发爆炸危险指标传感数据的簇头节点为源节点，源节点向汇聚节点发送多个路径请求消息，并接收汇聚节点根据路径请求消息生成并发送的路径反馈信息，其中，每个路径反馈信息包括一条从源节点到汇聚节点的路由路径信息；
(2)源节点处理各路径反馈信息，获取多条从其到汇聚节点的路由路径，归入路径集合Q；
(3)当源节点的单次发送的爆炸危险指标传感数据量低于设定的数据量阈值时，源节点从路径集合Q中随机选择一条路由路径进行传输，当源节点的单次发送的爆炸危险指标传感数据量高于设定的数据量阈值时，源节点对要发送的爆炸危险指标传感数据进行分割后分配给各路由路径进行传输，其中，路由路径i被分到的爆炸危险指标传感数据量为：
式中，Wi为路由路径i被分到的爆炸危险指标传感数据量，W为需要传输到汇聚节点的总爆炸危险指标传感数据量，Pi-1为路由路径i中源节点的下一跳簇头节点的当前剩余能量，Pj-1为路径集合Q内的第j个路由路径中源节点的下一跳簇头节点的当前剩余能量，Pi-0为路由路径i中源节点的下一跳簇头节点的初始能量，Pj-0为路径集合Q内的第j个路由路径中源节点的下一跳簇头节点的当前剩余能量，Di为路由路径i的路径长度，Dj为路径集合Q内的第j个路由路径的路径长度。
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