CN108322505A - 石化行业高防爆无线监控系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了石化行业高防爆无线监控系统，包括传感监测装置、通信网络和防爆监控终端，传感监测装置通过通信网络与防爆监控终端相连接；所述的传感监测装置包括传感器节点、数据处理节点、通信节点和汇聚节点，传感器节点用于对防爆监测区域进行监测，获取传感数据并将传感数据发送至其通信范围内的一个数据处理节点；数据处理节点对传感数据进行压缩处理后将压缩后的传感数据发送给其通信范围内的一个通信节点，通信节点用于收集多个数据处理节点的传感数据，并将收集的传感数据沿最优路由路径发送至汇聚节点，进而由汇聚节点汇聚传感数据并通过通信网络传送至防爆监控终端。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

石化行业高防爆无线监控系统
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无线监控系统。
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无线监控系统。
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无线监控系统，包括传感监测装置、通信网络和防爆监控终端，传感监测装置通过通信网络与防爆监控终端相连接；所述的传感监测装置包括传感器节点、数据处理节点、通信节点和汇聚节点，传感器节点用于对防爆监测区域进行监测，获取传感数据并将传感数据发送至其通信范围内的一个数据处理节点；数据处理节点对传感数据进行压缩处理后将压缩后的传感数据发送给其通信范围内的一个通信节点，通信节点用于收集多个数据处理节点的传感数据，并将收集的传感数据沿最优路由路径发送至汇聚节点，进而由汇聚节点汇聚传感数据并通过通信网络传送至防爆监控终端。
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，所述的防爆监控终端由数据库服务器、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传感监测装置将采集到的传感数据发送给防爆监控终端，实现了防爆的无线实时监控，通过对传感数据的分析，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结构连接框图；
图2是本发明一个实施例的防爆监控终端的结构连接框图。
附图标记：
传感监测装置1、通信网络2、防爆监控终端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无线监控系统，包括传感监测装置1、通信网络2和防爆监控终端3，传感监测装置1通过通信网络2与防爆监控终端3相连接。
所述的传感监测装置1包括传感器节点、数据处理节点、通信节点和汇聚节点，传感器节点用于对防爆监测区域进行监测，获取传感数据并将传感数据发送至其通信范围内的一个数据处理节点；数据处理节点对传感数据进行压缩处理后将压缩后的传感数据发送给其通信范围内的一个通信节点，通信节点用于收集多个数据处理节点的传感数据，并将收集的传感数据沿最优路由路径发送至汇聚节点，进而由汇聚节点汇聚传感数据并通过通信网络传送至防爆监控终端。
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，防爆监控终端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传感监测装置将采集到的传感数据发送给防爆监控终端，实现了防爆的无线实时监控，通过对传感数据的分析，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，传感器节点将采集的传感数据发送至其通信范围内的一个数据处理节点，具体包括：
(1)初始时，传感器节点与其通信范围内的各个数据处理节点进行信息交互，从而获取其通信范围内的各数据处理节点的信息；
(2)根据获取的信息计算其通信范围内各数据处理节点的优选值，设Yij表示位于传感器节点i通信范围内数据处理节点j的优选值，Yij的计算公式为：
式中，Li为传感器节点i的通信半径，S(i,j)为传感器节点i与该数据处理节点j之间的距离，Lij为该数据处理节点j的通信半径，K(Lij/2)为在数据处理节点j的Lij/2通信范围内具有的通信节点个数，Lik为传感器节点i通信范围内第k个数据处理节点的通信半径，K(Lik/2)为在该第k个数据处理节点的Lik/2通信范围内具有的通信节点个数，mi为传感器节点i通信范围内具有的数据处理节点的个数，e1、e2为人为设定的权重系数；
(3)对各数据处理节点按照优选值由大到小的顺序进行排序，生成邻居数据处理节点列表；
(4)在邻居数据处理节点列表选择在前的且满足基本能量要求的数据处理节点作为传感数据发送的目的节点，将采集的传感数据直接发送至该目的节点；
相关技术中，传感器节点通常是将当前剩余能量最大或者距离最近的数据处理节点作为传感数据发送的目的节点，从而均衡节点能耗或者减少传感数据传输的成本，然而这种方式不能够得到均衡节点能耗和减少传感数据传输的成本的最优化。
基于相关技术中不能够得到均衡节点能耗和减少传感数据传输的成本的最优化的缺陷，本实施例从数据处理节点与传感器节点间的距离、数据处理节点周边通信节点的聚集情况两个角度出发，制定了优选值的计算公式，通过优选值来选择下一跳节点。
由于距离较短则传感数据传输的通信成本越小，数据处理节点附近通信节点越多则压缩传感数据转发成功的概率越大，由优选值的计算公式可知，本实施例设定的优选值可以很好地衡量数据处理节点在承担传感数据接收和压缩任务方面的位置优势的优良。
本实施例首先通过优选值的计算确定邻居数据处理节点列表，然后从在邻居数据处理节点列表选择在前的且满足基本能量要求的数据处理节点作为传感数据发送的目的节点，使得传感器节点能够首先选择满足能量要求且当前位置优势最好的数据处理节点来承担传感数据接收和压缩任务，有益于使传感器节点到数据处理节点之间的传感数据传输的通信成本更小化，并尽可能地均衡节点能耗。
在一个实施例中，在邻居数据处理节点列表选择在前的且满足基本能量要求的数据处理节点作为传感数据发送的目的节点，具体为：判断邻居数据处理节点列表中第一个数据处理节点的当前剩余能量是否大于设定的最小能量值，若大于设定的最小能量值，则该数据处理节点作为传感数据发送的目的节点，若不大于设定的最小能量值，判断邻居数据处理节点列表中下一个数据处理节点的当前剩余能量是否大于设定的最小能量值，以此类推，直至确定传感数据发送的目的节点。
本实施例给出了在邻居数据处理节点列表选择在前的且满足基本能量要求的数据处理节点作为传感数据发送的目的节点的具体方式，该方式简单快捷。
在一个实施例中，传感器节点将采集的传感数据持续发送至目的节点，当该目的节点的当前剩余能量小于设定的最小能量值时，传感器节点重新在邻居数据处理节点列表中选择在前的且满足基本能量要求的数据处理节点作为传感数据发送的目的节点。本实施例考虑了当前的数据处理节点的能量损耗情况，能够保障传感数据从传感器节点传输到数据处理节点的稳定性。
在一个实施例中，数据处理节点将压缩后的传感数据发送给其通信范围内的一个通信节点，具体包括：
(1)初始化时，数据处理节点与其通信范围内的各个通信节点进行信息交互，从而获取其通信范围内的各通信节点的信息；
(2)根据获得的信息计算各通信节点的位置权值，设Gab表示数据处理节点a通信范围内的通信节点b的位置权值，Gab的计算公式为：
式中，S(a,b)为数据处理节点a与其通信范围内的通信节点b之间的距离，S(b,sink)为所述通信节点b到汇聚节点的距离，p1、p2为预设的权重系数；
(3)根据位置权值由大到小的顺序对各通信节点进行排序，根据排序选择前λ个通信节点作为待选通信节点，生成待选通信节点列表；
(4)在将传感数据进行压缩后，向待选通信节点列表中的通信节点发送请求转发数据的消息，满足转发条件的通信节点在收到该消息后返回响应消息，在返回响应消息的多个通信节点中选择当前剩余能量值最大的作为目的节点，与目的节点建立数据转发关系，将压缩后的传感数据发送到该目的节点。
其中，所述的转发条件为：当前剩余能量大于设定的最小能量值，且建立数据转发关系的数据处理节点个数小于设定的最大个数值。
现有技术中一般选择距离较近且当前剩余能量较大的通信节点来转发数据，这种方式使得距离较近且当前剩余能量较大的通信节点承担过多的数据转发任务，容易导致该通信节点失效。相对于现有技术，本实施例设定了数据处理节点到通信节点的路由协议，其中设定了位置权值的计算公式和转发条件，距离数据处理节点和汇聚节点越近的通信节点具有更大的位置权值，因此该位置权值可以很好地衡量通信节点在进行压缩传感数据转发方面的位置优势的优良。
本实施例通过选择位置权值较大的几个通信节点作为待选通信节点，并进一步以转发条件来限制已承担过多的数据转发任务的通信节点不再与数据处理节点建立数据转发关系，能够在保障通信节点不容易失效的前提下尽可能节省压缩传感数据转发通信成本和均衡能耗，有益于保障石化行业高防爆无线监控系统稳定运行，延长传感数据采集的工作周期。
在一个实施例中，通信节点的最优路由路径由汇聚节点进行设定，具体为：
(1)汇聚节点获取通信节点B到汇聚节点的多条路由路径及相关信息，其中相关信息包括路由路径经过的通信节点信息和链路状态信息；
(2)根据获得的多条路由路径及相关信息，用改进的粒子群算法对路由路径进行优化，最终得到最优路由路径；
(3)将路由路径回复信息沿最优路由路径发送给通信节点B，并更新通信节点B的路由表，其中路由路径回复信息包括最优路由路径的信息，从而通信节点B根据路由路径回复信息得到的最优路由路径发送传感数据。
其中，所述的改进的粒子群算法包括：
(1)将一条路由路径看成一个维数为n的粒子，其中n为该路由路径经过的通信节点总个数，用获取到的多条路由路径作为初始粒子群；
(2)按照下列适应度函数计算每个粒子的适应值，根据粒子适应值确定个体极值和全局极值：
式中，Wd表示初始粒子群中第d条路由路径，Q(Wd)表示路由路径Wd的适应值，V(Wd)为路由路径Wd中能量最小的通信节点的当前剩余能量，V(Wu)为路由路径Wu中能量最小的通信节点的当前剩余能量，z为初始粒子群中的路由路径总条数，cost(Wd)表示路由路径Wd的链路开销，r1、r2为预设的权重系数，分别表示能量、链路开销影响的权重；
(3)设置全局极值对应的路由路径为全局最优路径，找到当前路由路径与全局最优路径相交的通信节点，用集合J表示，若J为空，即当前路由路径与全局最优路径无相交的通信节点时，则在当前路由路径随机两个相间隔的通信节点的共同邻居中找到属于全局最优路径的通信节点，替换当前的该随机两个通信节点的中间通信节点，若没有找到更优的通信节点，则不进行替换操作；
(4)当J不为空时，J中的通信节点将当前路由路径与全局最优路径分成了若干个路径段，将当前路由路径与全局最优路径进行对比，当当前路由路径中存在一个路径段与全局最优路径对应的路径段不同时，用全局最优路径中的路径段代替当前路由路径的对应的路径段；
(5)更新个体极值和全局极值，直至迭代更新次数大于设定的更新次数阈值。
现有技术中的粒子群算法具有易于描述、便于实现、参数少、群体规模小、收敛需要评估函数的次数少、收敛速度快等优点。然而，现有技术中的粒子群算法不能直接用来确定最优路由路径，一是因为本实施例中的每个粒子具有不同的维数，不适用粒子群算法中粒子维数相同的条件，二是因为现有的粒子群算法对粒子速度和位置的更新是根据运动方程中的加减法运算实现的，本实施例中由通信节点集组成的路由路径无法实现加减法的运算。
基于上述问题，本实施例对现有的粒子群算法进行改进，提出了一种改进的粒子群算法，并利用改进的粒子群算法解决了本实施例寻找最优路由路径的问题。
另外，本实施例基于能量和链路开销两个因素制定了适应值的计算公式，能够保证能耗均衡，由汇聚节点通过本实施例的方式来确定最优路由路径，可有效地减少通信节点的负担和链路状态信息获取的能量成本，在整体上节省了石化行业高防爆无线监控系统的能量成本，实现了节能型的高防爆无线监控。
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.石化行业高防爆无线监控系统，其特征是，包括传感监测装置、通信网络和防爆监控终端，传感监测装置通过通信网络与防爆监控终端相连接；所述的传感监测装置包括传感器节点、数据处理节点、通信节点和汇聚节点，传感器节点用于对防爆监测区域进行监测，获取传感数据并将传感数据发送至其通信范围内的一个数据处理节点；数据处理节点对传感数据进行压缩处理后将压缩后的传感数据发送给其通信范围内的一个通信节点，通信节点用于收集多个数据处理节点的传感数据，并将收集的传感数据沿最优路由路径发送至汇聚节点，进而由汇聚节点汇聚传感数据并通过通信网络传送至防爆监控终端。
2.根据权利要求1所述的石化行业高防爆无线监控系统，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无线监控系统，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无线监控系统，其特征是，所述的防爆监控终端由数据库服务器、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无线监控系统，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无线监控系统，其特征是，数据处理节点将压缩后的传感数据发送给其通信范围内的一个通信节点，具体包括：
(1)初始化时，数据处理节点与其通信范围内的各个通信节点进行信息交互，从而获取其通信范围内的各通信节点的信息；
(2)根据获得的信息计算各通信节点的位置权值，设Gab表示数据处理节点a通信范围内的通信节点b的位置权值，Gab的计算公式为：
式中，S(a,b)为数据处理节点a与其通信范围内的通信节点b之间的距离，S(b,sink)为所述通信节点b到汇聚节点的距离，p1、p2为预设的权重系数；
(3)根据位置权值由大到小的顺序对各通信节点进行排序，根据排序选择前λ个通信节点作为待选通信节点，生成待选通信节点列表；
(4)在将传感数据进行压缩后，向待选通信节点列表中的通信节点发送请求转发数据的消息，满足转发条件的通信节点在收到该消息后返回响应消息，在返回响应消息的多个通信节点中选择当前剩余能量值最大的作为目的节点，与目的节点建立数据转发关系，将压缩后的传感数据发送到该目的节点。
7.根据权利要求6所述的石化行业高防爆无线监控系统，其特征是，所述的转发条件为：当前剩余能量大于设定的最小能量值，且建立数据转发关系的数据处理节点个数小于设定的最大个数值。
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