CN108760580A - 一种动态环境监测的气体扩散推测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于泄漏气体监测技术领域，公开了一种动态环境监测的气体扩散推测系统及方法，该系统包括信息采集模块和远程监控中心，信息采集模块用于采集气体泄漏源在地理坐标系中的坐标，采集气体泄漏源的泄漏强度，采集气体泄漏源所在地理位置的平均风向及平均风速。信息采集模块将采集到的数据传输到远程监控中心，远程监控中心根据采集到的数据推测气体泄漏源区域内不同待测点的泄漏气体浓度，并根据不同待测点的泄漏气体浓度，确定泄漏气体的扩散范围，划分危险区域。本发明可广泛应用于各种危险事故的监测和善后处理工作，极大的提高了事故的应急响应能力。

Description

一种动态环境监测的气体扩散推测系统及方法

技术领域

本发明属于泄漏气体监测技术领域，具体涉及一种动态环境监测的气体扩散推测系统及方法。

背景技术

随着工业技术的不断进步，人们逐渐开发各种能源，在能源开发的环境中，容易出现各种安全问题，特别是有毒气体的泄漏问题。泄漏的有毒气体会在风力的作用下快速传播，导致大面积人员中毒、伤亡，甚至出现重大、特大事故。一旦有毒气体发生泄漏事故，需要迅速控制住气体泄漏源，同时需要迅速疏散泄漏源周围的居民，并进行相关人员救援，这些工作都需要建立在对气体扩散浓度的准确监测的基础上。因此，在有毒气体发生泄漏时，需要首先确定气体扩散范围及扩散浓度，从而确定人员隔离和疏散范围、安全区域，并进行救援资源分配等。

发明内容

为了解决现有技术存在的上述问题，本发明目的在于提供一种可以对泄漏气体扩散浓度进行推测的系统，还提供了一种对泄漏气体扩散浓度进行推测的方法。

本发明所采用的技术方案为：一种动态环境监测的气体扩散推测系统，包括信息采集模块和远程监控中心，所述信息采集模块用于采集气体泄漏源在地理坐标系中的坐标，采集气体泄漏源的泄漏强度，采集气体泄漏源所在地理位置的平均风向及平均风速。所述信息采集模块将采集到的数据传输到远程监控中心，远程监控中心根据采集到的数据推测气体泄漏源区域内不同待测点的泄漏气体浓度，并根据不同待测点的泄漏气体浓度，确定泄漏气体的扩散范围，划分危险区域。

作为优选方式，所述信息采集模块包括气体传感器模块、风速风向传感器模块、噪声传感器模块、温湿度传感器模块、PM2.5传感器模块、气压传感器模块、定位模块、储存模块和控制器，所述控制器分别与气体传感器模块、风速风向传感器模块、噪声传感器模块、温湿度传感器模块、PM2.5传感器模块、气压传感器模块、定位模块和储存模块电连接。

作为优选方式，所述信息采集模块还包括影像采集模块，所述影像采集模块用于采集气体泄漏源区域的影像信息，影像采集模块与控制器电连接。

作为优选方式，所述信息采集模块通过无线通信模块将采集到的数据传输到远程监控中心。

本发明采用的又一技术方案如下：一种动态环境监测的气体扩散推测方法，包括以下步骤：

1)获取气体泄漏源的泄漏强度，并获取气体泄漏源和待测点在地理坐标系中的坐标；

2)获取气体泄漏源所在地理位置的平均风向及平均风速；

3)根据气体泄漏源和待测点在地理坐标系中的坐标，确定气体泄漏源和待测点在目标坐标系中的坐标，其中，所述目标坐标系为以气体泄漏源向地面的铅直投影点为原点，以气体泄漏源所在地理位置的平均风向为x轴正向的坐标系；

4)确定实际扩散系数；

5)根据实际扩散系数，求得气体泄漏源区域内不同待测点的泄漏气体浓度；

6)根据不同待测点的泄漏气体浓度，确定泄漏气体的扩散范围，划分危险区域，并将需要疏散和警戒的范围标注在目标坐标系中。

作为优选方式，确定实际扩散系数包括：

根据太阳辐射等级和气体泄漏源所在地理位置的平均风速，确定大气稳定度；

根据大气稳定度、待测点在目标坐标系中的坐标、基础扩散系数计算函数，确定待测点的基础扩散系数；

根据大气稳定度、气体泄漏源所在地理位置上所有位置点在目标坐标系中的坐标、修正系数计算函数，确定修正系数；

根据修正系数、待测点的基础扩散系数、实际扩散系数计算函数，得到待测点的实际扩散系数。

作为优选方式，确定实际扩散系数具体为：

σ_x0＝σ_y0

其中，σ_x0、σ_y0、σ_z0表示待测点分别在目标坐标系中x轴、y轴和z轴的基础扩散系数；A、B、C、D、E、F表示大气稳定度；x表示待测点在目标坐标系中的x轴坐标值。

所述修正系数计算函数包括：

f_y＝1+a₀dif_max

其中，f_y表示修正系数；dif_max表示地理区域上的所有位置点在目标坐标系中的z轴坐标与所有位置点在目标坐标系中的z轴坐标的平均值之间的差值中的最大值；a₀表示预定系数，并且a₀与大气稳定度相对应。

所述实际扩散系数计算函数包括：

σ_x＝σ_x0

σ_y＝σ_y0·f_y

σ_z＝σ_z0·f_y

其中，σ_x、σ_y、σ_z表示待测点的实际扩散系数。

作为优选方式，假设气体泄漏源的泄漏速度恒定或者变化不大，泄漏气体物质的性质稳定，不易分解或者被吸收，气体泄漏源所在地理位置的平均风向及平均风速相对恒定，气体泄漏源地形以平原无高建筑物为主，选用高斯烟羽模型，计算待测点的泄漏气体浓度，求得气体泄漏源区域内待测点的泄漏气体浓度具体为：

其中，c(x，y，z)表示待测点的泄漏气体浓度，Q表示气体泄漏源的泄漏强度，H表示气体泄漏源的有效高度，u表示气体泄漏源所在地理位置的平均风速，y表示待测点在目标坐标系中的y轴的坐标值，z表示待测点在目标坐标系中的z轴的坐标值，σ_y表示待测点在目标坐标系中y轴的实际扩散系数，σ_z表示待测点在目标坐标系中z轴的实际扩散系数。

本发明的有益效果为：

1、本发明的一种动态环境监测的气体扩散推测系统，通过信息采集模块采集现场的数据，并传输到远程监控中心，远程监控中心根据采集到的数据推测气体泄漏源区域内待测点的泄漏气体浓度，并根据不同待测点的泄漏气体浓度，确定泄漏气体的扩散范围，划分危险区域。本发明可广泛应用于各种危险事故的监测和善后处理工作，极大的提高了事故的应急响应能力。本发明的信息采集模块还包括影像采集模块，影像采集模块用于采集气体泄漏源区域的影像信息，通过影像采集模块用户可以了解气体泄漏源区域内的具体情况，方便用户制定应急处理方案。

2、本发明的一种动态环境监测的气体扩散推测方法，在进行泄漏气体浓度的推测时，通过将气体泄漏源和待测点在地理坐标系中的坐标标记在目标坐标系中，并根据实际扩散系数，求得气体泄漏源区域内不同待测点的泄漏气体浓度，并将需要疏散和警戒的范围标注在目标坐标系中。在有毒有害气体发生泄漏后，用户能够根据泄漏气体浓度分布的情况，及时划分危险区域，进而可以为气体泄漏之后的人群疏散、救援等工作赢得宝贵的时间。

附图说明

图1是本发明动态环境监测的气体扩散推测方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步阐述。

本实施例提供一种动态环境监测的气体扩散推测系统，包括信息采集模块和远程监控中心，所述信息采集模块用于采集气体泄漏源在地理坐标系中的坐标，采集气体泄漏源的泄漏强度，采集气体泄漏源所在地理位置的平均风向及平均风速。所述信息采集模块将采集到的数据传输到远程监控中心，远程监控中心根据采集到的数据推测气体泄漏源区域内待测点的泄漏气体浓度，并根据不同待测点的泄漏气体浓度，确定泄漏气体的扩散范围，划分危险区域。

所述信息采集模块包括气体传感器模块、风速风向传感器模块、噪声传感器模块、温湿度传感器模块、PM2.5传感器模块、气压传感器模块、定位模块、储存模块和控制器，所述控制器分别与气体传感器模块、风速风向传感器模块、噪声传感器模块、温湿度传感器模块、PM2.5传感器模块、气压传感器模块、定位模块和储存模块电连接。气体传感器模块、风速风向传感器模块、噪声传感器模块、温湿度传感器模块、PM2.5传感器模块、气压传感器模块和定位模块的数据均储存在储存模块中，控制器将储存模块中的数据传输到远程监控中心，用户能够了解气体泄漏源所在地理位置的环境参数值。

气体传感器模块设置有多个传感器，可以检测CO、H₂S、SO₂、NO、NO₂、Cl₂、VOC、HCN、NH₃、PH₃的浓度。风速风向传感器模块可以采用WSD202-EX型号的产品，检测气体泄漏源所在地理位置的平均风向及平均风速。噪声传感器模块可以采用FKT-ZY型号的产品，温湿度传感器模块可以采用AM2120型号的产品，PM2.5传感器模块可以采用DS8001-232型号的产品，气压传感器模块可以采用MS5540C型号的产品，定位模块采用HOE-BDGPSH型北斗GPS双模定位模块，工作电压范围5～12V，工作电流37mA，定位精度：2.5米CEP。存储模块采用25LC256型的EEPROM存储器芯片作为存储器，控制器采用型号为STM32L151VDT6的单片机。

所述信息采集模块还包括影像采集模块，所述影像采集模块用于采集气体泄漏源区域的影像信息，影像采集模块与控制器电连接。影像采集模块一般采用高清摄像机，采集气体泄漏源区域的图像并传输给远程监控中心，用户可以了解气体泄漏源区域内的具体情况，便于用户制定应急处理方案。

所述信息采集模块通过无线通信模块将采集到的数据传输到远程监控中心，无线通信模块采用E32-TTL-1W型无线模块，工作频段410～441MHz，工作电压范围3.3～5.2V，最大发射功率约1W，理论传输距离8km，发射电流610mA，最大接收电流20mA，支持休眠和无线唤醒。信息采集模块掉线时，远程监控中心会发出提示。

本发明通过信息采集模块采集现场的数据，并传输到远程监控中心，远程监控中心根据采集到的数据推测气体泄漏源区域内待测点的泄漏气体浓度，并根据不同待测点的泄漏气体浓度，确定泄漏气体的扩散范围，划分危险区域。可广泛应用于军事防化、工业安全、消防救援、应急事故、环境污染等领域，进行各种危险事故的监测和善后处理工作。

如图1所示，在另一个实施例中，提供了一种动态环境监测的气体扩散推测方法，包括以下步骤：

1)获取气体泄漏源的泄漏强度，并获取气体泄漏源和待测点在地理坐标系中的坐标；

2)获取气体泄漏源所在地理位置的平均风向及平均风速；

3)根据气体泄漏源和待测点在地理坐标系中的坐标，确定气体泄漏源和待测点在目标坐标系中的坐标，其中，所述目标坐标系为以气体泄漏源向地面的铅直投影点为原点，以气体泄漏源所在地理位置的平均风向为x轴正向的坐标系；

4)确定实际扩散系数；

5)根据实际扩散系数，求得气体泄漏源区域内不同待测点的泄漏气体浓度；

6)根据不同待测点的泄漏气体浓度，确定泄漏气体的扩散范围，划分危险区域，并将需要疏散和警戒的范围标注在目标坐标系中。

采用上述动态环境监测的气体扩散推测方法进行泄漏气体浓度推测时，待测点有多个，使用户可以清楚的了解不同待测点的泄漏气体浓度，便于划分危险区域。根据待测点的泄漏气体浓度，可以划分三层不同等级的危险区域，根据危险区域的边界及时疏散人群，将人群撤离至安全区域内。

在一个实施方式中，确定实际扩散系数包括：

根据太阳辐射等级和气体泄漏源所在地理位置的平均风速，确定大气稳定度；

根据大气稳定度、待测点在目标坐标系中的坐标、基础扩散系数计算函数，确定待测点的基础扩散系数；

根据大气稳定度、气体泄漏源所在地理位置上所有位置点在目标坐标系中的坐标、修正系数计算函数，确定修正系数；

根据修正系数、待测点的基础扩散系数、实际扩散系数计算函数，得到待测点的实际扩散系数。

在一个实施方式中，确定实际扩散系数具体为：

σ_x0＝σ_y0 (1)

其中，σ_x0、σ_y0、σ_z0表示待测点分别在目标坐标系中x轴、y轴和z轴的基础扩散系数；A、B、C、D、E、F表示大气稳定度；x表示待测点在目标坐标系中的x轴坐标值。根据式(1)、式(2)和式(3)得到待测点在x轴、y轴和z轴的基础扩散系数。

所述修正系数计算函数包括：

f_y＝1+a₀dif_max (4)

其中，f_y表示修正系数；dif_max表示地理区域上的所有位置点在目标坐标系中的z轴坐标与所有位置点在目标坐标系中的z轴坐标的平均值之间的差值中的最大值，dif_max>0；a₀表示预定系数，并且a₀与大气稳定度相对应。

其中，z_ij表示地理区域上的任一位置点在目标坐标系中的z轴坐标，z表示地理区域上的所有位置点在目标坐标系中的z轴坐标的平均值。

所述实际扩散系数计算函数包括：

σ_x＝σ_x0 (8)

σ_y＝σ_y0·f_y (9)

σ_z＝σ_z0·f_y (10)

其中，σ_x、σ_y、σ_z表示待测点的实际扩散系数。

在一个实施方式中，假设气体泄漏源的泄漏速度恒定或者变化不大，泄漏气体物质的性质稳定，不易分解或者被吸收，气体泄漏源所在地理位置的平均风向及平均风速相对恒定，气体泄漏源地形以平原无高建筑物为主，选用高斯烟羽模型，计算待测点的泄漏气体浓度，求得气体泄漏源区域内待测点的泄漏气体浓度具体为：

其中，c(x，y，z)表示待测点的泄漏气体浓度，单位为mg/m³；Q表示气体泄漏源的泄漏强度，单位为mg/s；H表示气体泄漏源的有效高度，单位为m；u表示气体泄漏源所在地理位置的平均风速，单位为m/s；y表示待测点在目标坐标系中的y轴的坐标值，z表示待测点在目标坐标系中的z轴的坐标值；σ_y表示待测点在目标坐标系中y轴的实际扩散系数，单位为m；σ_z表示待测点在目标坐标系中z轴的实际扩散系数，单位为m。根据式(11)计算待测点在目标坐标系中的泄漏气体浓度。

通过上述技术方案，求得气体泄漏源区域内不同待测点的泄漏气体浓度，在有毒有害气体发生泄漏后，能够根据泄漏气体浓度分布的情况，及时划分危险区域，进而可以为气体泄漏之后的人群疏散、救援等工作赢得宝贵的时间。

本发明不局限于上述可选的实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品。上述具体实施方式不应理解成对本发明的保护范围的限制，本发明的保护范围应当以权利要求书中界定的为准，并且说明书可以用于解释权利要求书。

Claims (8)

1.一种动态环境监测的气体扩散推测系统，其特征在于，包括信息采集模块和远程监控中心，所述信息采集模块用于采集气体泄漏源在地理坐标系中的坐标，采集气体泄漏源的泄漏强度，采集气体泄漏源所在地理位置的平均风向及平均风速；所述信息采集模块将采集到的数据传输到远程监控中心，远程监控中心根据采集到的数据推测气体泄漏源区域内不同待测点的泄漏气体浓度，并根据不同待测点的泄漏气体浓度，确定泄漏气体的扩散范围，划分危险区域。

2.根据权利要求1所述的一种动态环境监测的气体扩散推测系统，其特征在于，所述信息采集模块包括气体传感器模块、风速风向传感器模块、噪声传感器模块、温湿度传感器模块、PM2.5传感器模块、气压传感器模块、定位模块、储存模块和控制器，所述控制器分别与气体传感器模块、风速风向传感器模块、噪声传感器模块、温湿度传感器模块、PM2.5传感器模块、气压传感器模块、定位模块和储存模块电连接。

3.根据权利要求2所述的一种动态环境监测的气体扩散推测系统，其特征在于，所述信息采集模块还包括影像采集模块，所述影像采集模块用于采集气体泄漏源区域的影像信息，影像采集模块与控制器电连接。

4.根据权利要求1所述的一种动态环境监测的气体扩散推测系统，其特征在于，所述信息采集模块通过无线通信模块将采集到的数据传输到远程监控中心。

5.一种动态环境监测的气体扩散推测方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)获取气体泄漏源的泄漏强度，并获取气体泄漏源和待测点在地理坐标系中的坐标；

2)获取气体泄漏源所在地理位置的平均风向及平均风速；

3)根据气体泄漏源和待测点在地理坐标系中的坐标，确定气体泄漏源和待测点在目标坐标系中的坐标，其中，所述目标坐标系为以气体泄漏源向地面的铅直投影点为原点，以气体泄漏源所在地理位置的平均风向为x轴正向的坐标系；

4)确定实际扩散系数；

5)根据实际扩散系数，求得气体泄漏源区域内不同待测点的泄漏气体浓度；

6)根据不同待测点的泄漏气体浓度，确定泄漏气体的扩散范围，划分危险区域，并将需要疏散和警戒的范围标注在目标坐标系中。

6.根据权利要求5所述的一种动态环境监测的气体扩散推测方法，其特征在于，确定实际扩散系数包括：

根据太阳辐射等级和气体泄漏源所在地理位置的平均风速，确定大气稳定度；

根据大气稳定度、待测点在目标坐标系中的坐标、基础扩散系数计算函数，确定待测点的基础扩散系数；

根据大气稳定度、气体泄漏源所在地理位置上所有位置点在目标坐标系中的坐标、修正系数计算函数，确定修正系数；

根据修正系数、待测点的基础扩散系数、实际扩散系数计算函数，得到待测点的实际扩散系数。

7.根据权利要求6所述的一种动态环境监测的气体扩散推测方法，其特征在于，确定实际扩散系数具体为：

σ_x0＝σ_y0

其中，σ_x0、σ_y0、σ_z0分别表示待测点在目标坐标系中x轴、y轴和z轴的基础扩散系数；A、B、C、D、E、F表示大气稳定度；x表示待测点在目标坐标系中的x轴坐标值；

所述修正系数计算函数包括：

f_y＝1+a₀dif_max

其中，f_y表示修正系数；dif_max表示地理区域上的所有位置点在目标坐标系中的z轴坐标与所有位置点在目标坐标系中的z轴坐标的平均值之间的差值中的最大值；a₀表示预定系数，并且a₀与大气稳定度相对应；

所述实际扩散系数计算函数包括：

σ_x＝σ_x0

σ_y＝σ_y0·f_y

σ_z＝σ_z0·f_y

其中，σ_x、σ_y、σ_z表示待测点的实际扩散系数。

8.根据权利要求7所述的一种动态环境监测的气体扩散推测方法，其特征在于，假设气体泄漏源的泄漏速度恒定或者变化不大，泄漏气体物质的性质稳定，不易分解或者被吸收，气体泄漏源所在地理位置的平均风向及平均风速相对恒定，气体泄漏源地形以平原无高建筑物为主，选用高斯烟羽模型，计算待测点的泄漏气体浓度，求得气体泄漏源区域内待测点的泄漏气体浓度具体为：

其中，c(x，y，z)表示待测点的泄漏气体浓度，Q表示气体泄漏源的泄漏强度，H表示气体泄漏源的有效高度，u表示气体泄漏源所在地理位置的平均风速，y表示待测点在目标坐标系中的y轴的坐标值，z表示待测点在目标坐标系中的z轴的坐标值，σ_y表示待测点在目标坐标系中y轴的实际扩散系数，σ_z表示待测点在目标坐标系中z轴的实际扩散系数。