CN108827722A - 一种用于估算工业区pm高架直排源强的无人机系统及方法 - Google Patents

一种用于估算工业区pm高架直排源强的无人机系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于工业区PM高架直排估算的无人机系统和方法，属于大气污染治理领域。包括载体无人机、PM检测装置、定位装置、通信装置、可移动式气象站、地面站、任务规划模块、传感器校准模块和数据分析模块。无人机作业时，传感器校准模块对PM传感器校准，任务规划模块规划飞行方式；无人机执行飞行计划，采集PM数据、无人机位置信息和气象数据，共同汇入数据处理系统，通过数据分析模块计算PM高架直排源强。该系统可对工业区PM高架直排的源强进行估算，具有自动化程度和精确度高、操作简便等优点，可为大气污染物源解析、排放清单制作、环境执法、环境监测等工作提供重要数据支撑和参考依据。

Description

一种用于估算工业区PM高架直排源强的无人机系统及方法
技术领域
本发明涉及大气污染治理技术领域，尤其涉及一种用于工业区PM高架直排源强估算的无人机系统。
背景技术
随着经济的高速发展和人们生产生活水平的不断提高，我国的空气质量问题越来越严重。区域性大规模重污染事件时有发生，严重威胁到人们的身体健康，引起公众和媒体的广泛关注。目前，国家已出台一系列政策改善空气质量。
然而我国许多城市工业排放复杂、排放源清单难以明晰，给污染成因的揭示制造了障碍。因此，厘清排放源清单是解决空气质量问题的重要工作之一。工业区作为企业的聚集地，是空气污染的源头和重灾区，监管企业大气污染物排情况至关重要。然而目前情况下无法对所有企业进行污染排放在线监控，传统的大气污染监测设备需工作人员使用手持仪器去现场检测，获取大气污染物浓度，而后根据公式核算企业排放情况。此法耗费大量人力物力，且效率低下、分辨率不高。尤其对于高架源，人工手持仪器的现场检测更是困难重重。
近几年，无人机在民用方面的应用越来越多，各国在无人机的民用方面逐渐开放。无人机已经广泛应用于公共安全、应急搜救、农林、交通、通信、影视航拍等多个领域。
专利ZL201720184451.4公开了一种基于无人机的区域环境检测系统，通过在无人机上搭载PM2.5传感器，在待检测区域各部分设置载体无人机，对各位置点的环境参数进行实时检测；专利CN201710792249.4公开了一种基于无人机的工程周边环境大气质量监测系统，能够快速对工程周边环境大气质量进行全面的数据采集和监测，并将数据实时上传，监测人员可在任意地点同步观测工程周边环境大气质量；专利CN201610144724.2公开了一种多旋翼无人机大气污染探测系统及方法，使用多旋翼无人机系统对监测区域进行垂直飞行，同步采集影像数据、PM2.5数据和温度、湿度、气压，地面站通过远程无线传输方式接收数据，通过对探测数据的订正和拟合处理，获得不同高度的PM2.5浓度分布曲线、大气能见度垂直分布曲线。
但是上述专利的技术方案只是能够通过记录测试的数据直观得出数据，而无法针对数据进行全面分析，找到工业区PM高架直排源，为根本解决工业区污染问题提供专业数据支撑。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于估算工业区PM高架直排源强的无人机系统，从而解决现有技术中存在的前述问题。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种用于估算工业区PM高架直排源强的无人机系统，所述无人机系统主要包括无人机载体、PM检测装置、定位装置、通信装置、可移动式气象站、地面站、数据处理系统，所述PM检测装置和所述定位装置安装在无人机载体上，通过所述通信装置与所述地面站进行无线连接，所述地面站、所述可移动式气象站与所述数据处理系统连接。
优选地，所述PM监测装置包括PM传感器，进气干燥组件、抽气泵和气体采样罐，所述PM传感器用于检测采集到的空气；所述进气干燥组件除去采集气体中的水汽，避免水汽对所述PM传感器的干扰；所述抽气泵为所述气体采样罐提供动力；所述气体采样罐用于采集待测空气。
优选地，所述的干燥组件采用的干燥剂为比表面积大于700m2/g的细孔硅胶；所述的抽气泵输入电压6～12V、功率0.5～1.2W、峰值流量1～3L/min、重量小于100g；所述的气体采样罐为聚乙烯材质、罐体容积1～1.5L。
优选地，所述数据处理系统包括任务规划模块、传感器校准模块和数据分析模块，当无人机系统作业时，所述传感器校准模块对所述PM传感器校准，所述任务规划模块规划所述无人机飞行路线，飞行结束后将所有数据共同汇入所述数据处理系统，通过所述数据分析模块进行分析计算。
优选地，所述的所有数据包括PM数据、无人机位置信息和气象数据，所述无人机位置信息包括飞行高度和飞行位置经纬度，所述气象数据由所述可移动式气象站测得，包括风速、风向、湿度、温度、大气压力，其中所述风速、风向分辨率需高于1min。
优选地，所述任务规划模块基于拉格朗日P－G扩散曲线，能科学地计算无人机飞行区域以及扫描方式；所述传感器校准模块基于和标准PM检测仪的比较，能对所述PM传感器进行标准曲线的定点标定；所述数据分析模块的算法程序是基于修正后的高斯扩散模型开发而成。
优选地，所述的定位装置基于全球定位系统和北斗卫星导航系统，能准确获取无人机飞行状态信息。
优选地，所述的载体无人机为多旋翼中型无人机，续航时间40～50min。
本发明的另一目的在于使用上述无人机系统用于估算工业区PM高架直排源强的方法，主要包括以下步骤：
S1无人机启动预热，无人机对航电和飞控模块等进行自校，基于标准的PM检测仪，传感器校准模块对PM传感器进行标准曲线定点标定，全部正常后，无人机待飞；
S2无人机执行飞行计划，PM传感器采集PM浓度数据，定位装置采集无人机位置信息，可移动式气象站同步获取气象参数；
S3将采集到的所有数据汇入数据分析模块，数据分析模块对数据进行筛选、提取和算法分析，计算PM高架排放源强；
S4数据分析模块对计算结果进行评估，若是最佳结果，无人机结束飞行任务，返航；若否，数据分析模块将信息反馈给任务规划模块，对无人机的飞行区域和扫描方式进行调整，无人机继续执行飞行计划，直至数据分析模块计算的PM高架排放源强为最优结果。
优选地，步骤S1和S2之间还包括任务规划模块将风向、风速、温度、压力、大气稳定度、PM高架排放源高度等作为输入参数，对无人机的飞行区域和扫描方式进行合理规划，规划完成后进入S2。
本发明的有益效果是：
本发明提供的一种用于估算工业区PM高架直排源强的无人机系统，在无人机载体上安装的PM检测装置含有干燥组件，可除去空气中的水汽、避免水汽对PM传感器的干扰，提高PM监测准确度；含有传感器校准模块，可以对无人机搭载的PM传感器检测标准曲线定点标定，大幅降低PM传感器的误差；系统含有的任务规划模块，可规划无人机飞行作业的最佳区域和扫描方式，大幅提高对高架直排源强估算的准确度；数据分析模块基于修正的高斯扩散模型算法程序，估算工业区PM高架直排源强，系统可自动化运行、准确度和分辨率高、操作简便、省时省力。
附图说明
图1是一种用于估算工业区PM高架直排源强的无人机系统图；
图2是一种估算工业区PM高架直排源强的无人机系统的方法流程图；
图3是一种用于工业区PM高架直排源强估算的无人机系统中的PM检测装置示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本实施例提供了一种用于估算工业区PM高架直排源强估算的无人机系统，包括：无人机载体、PM检测装置、定位装置、通信装置、可移动式气象站、地面站、数据处理系统，所述数据处理系统包括任务规划模块、传感器校准模块和数据分析模块。PM检测装置和定位装置设置于载体无人机上，通过通信装置与地面站进行无线连接，地面站、可移动式气象站与数据处理系统连接。
所述的无人机载体为多旋翼中型无人机，续航时间40～50min，定位装置是基于全球定位系统(GPS)和北斗卫星导航系统(BDS)；
如图3所示，所述PM监测装置包括PM传感器5，进气干燥组件、抽气泵6和气体采样罐4，所述PM传感器5用于检测采集到的空气；所述进气干燥组件除去采集气体中的水汽，避免水汽对所述PM传感器的干扰，干燥组件包括进气管路1、干燥管2和干燥剂3，采用的干燥剂3为比表面积大于700m2/g的细孔硅胶，此本实施例中选用比表面积为750m2/g细孔硅胶；所述抽气泵为所述气体采样罐提供动力，一般来说参数为：输入电压6～12V、功率0.5～1.2W、峰值流量1～3L/min、重量小于100g，本实施例采用的抽气泵参数为输入电压8V、功率1.0W、峰值流量2/min、重量80g；所述气体采样罐用于采集待测空气，采用的材质是聚乙烯材质，罐体容积为1～1.5L，本实施例中气体采样罐的罐体容积为1.2L。
实施例2
本实施例提供一种估算工业区PM高架直排源强的方法，工作流程如图2所示，包括以下步骤：
S1无人机启动预热，无人机对航电、飞控等模块等进行自校，基于标准的PM检测仪，传感器校准模块对PM传感器进行标准曲线定点标定，全部正常后，无人机待飞；
任务规划模块将风向、风速、温度、压力、大气稳定度、PM高架排放源高度等作为输入参数，对无人机的飞行区域和扫描方式进行合理规划。
S2无人机执行飞行计划，PM传感器采集PM浓度数据，定位装置采集无人机高度、经纬度等信息，可移动式气象站同步获取风速、风向、湿度、温度、大气压力等气象参数；
S3将采集到的所有数据汇入数据分析模块，数据分析模块对数据进行筛选、提取和算法分析，计算PM高架排放源强；
S4数据分析模块对计算结果进行评估，若是最佳结果，无人机结束飞行任务，返航；若否，数据分析模块将信息反馈给任务规划模块，对无人机的飞行区域和扫描方式进行调整，无人机继续执行飞行计划，直至数据分析模块计算的PM高架排放源强为最优结果。
通过采用本发明公开的上述技术方案，得到了如下有益的效果：
本发明提供的一种用于估算工业区PM高架直排源强的无人机系统，在无人机载体上安装的PM检测装置含有干燥组件，可除去空气中的水汽、避免水汽对PM传感器的干扰，提高PM监测准确度；含有传感器校准模块，可以对无人机搭载的PM传感器检测标准曲线定点标定，大幅降低PM传感器的误差；系统含有的任务规划模块，可规划无人机飞行作业的最佳区域和扫描方式，大幅提高对高架直排源强估算的准确度；数据分析模块基于修正的高斯扩散模型算法程序，估算工业区PM高架直排源强，系统可自动化运行、准确度和分辨率高、操作简便、省时省力。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于估算工业区PM高架直排源强的无人机系统，其特征在于，所述无人机系统主要包括无人机载体、PM检测装置、定位装置、通信装置、可移动式气象站、地面站、数据处理系统，所述PM检测装置和所述定位装置安装在无人机载体上，通过所述通信装置与所述地面站进行无线连接，所述地面站、所述可移动式气象站与所述数据处理系统连接。
2.根据权利要求1所述的无人机系统，其特征在于，所述PM监测装置包括PM传感器，进气干燥组件、抽气泵和气体采样罐，所述PM传感器用于检测采集到的空气；所述进气干燥组件除去采集气体中的水汽，避免水汽对所述PM传感器的干扰；所述抽气泵为所述气体采样罐提供动力；所述气体采样罐用于采集待测空气。
3.根据权利要求2所述的无人机系统，其特征在于，所述的干燥组件采用的干燥剂为比表面积大于700m2/g的细孔硅胶；所述的抽气泵输入电压6～12V、功率0.5～1.2W、峰值流量1～3L/min、重量小于100g；所述的气体采样罐为聚乙烯材质、罐体容积1～1.5L。
4.根据权利要求1所述的无人机系统，其特征在于，所述数据处理系统包括任务规划模块、传感器校准模块和数据分析模块，当无人机系统作业时，所述传感器校准模块对所述PM传感器校准，所述任务规划模块规划所述无人机飞行路线，飞行结束后将所有数据共同汇入所述数据处理系统，通过所述数据分析模块进行分析计算。
5.根据权利要求4所述的无人机系统，其特征在于，所述的所有数据包括PM数据、无人机位置信息和气象数据，所述无人机位置信息包括飞行高度和飞行位置经纬度，所述气象数据由所述可移动式气象站测得，包括风速、风向、湿度、温度、大气压力，其中所述风速、风向分辨率需高于1min。
6.根据权利要求4所述的无人机系统，其特征在于，所述任务规划模块基于拉格朗日P－G扩散曲线，能科学地计算无人机飞行区域以及扫描方式；所述传感器校准模块基于和标准PM检测仪的比较，能对所述PM传感器进行标准曲线的定点标定；所述数据分析模块的算法程序是基于修正后的高斯扩散模型开发而成。
7.根据权利要求1所述的无人机系统，其特征在于，所述的定位装置基于全球定位系统和北斗卫星导航系统，能准确获取无人机飞行状态信息。
8.根据权利要求1所述的无人机系统，其特征在于，所述的载体无人机为多旋翼中型无人机，续航时间40～50min。
9.使用权利要求1-6任一所述的无人机用于估算工业区PM高架直排源强的方法，其特征在于，主要包括以下步骤：
S1无人机启动预热，无人机进行自校，基于标准的PM检测仪，传感器校准模块对PM传感器进行标准曲线定点标定，全部正常后，无人机待飞；
S2无人机执行飞行计划，PM传感器采集PM浓度数据，定位装置采集无人机位置信息，可移动式气象站同步获取气象参数；
S3将采集到的所有数据汇入数据分析模块，数据分析模块对数据进行筛选、提取和算法分析，计算PM高架排放源强；
S4数据分析模块对计算结果进行评估，若是最佳结果，无人机结束飞行任务，返航；若否，数据分析模块将信息反馈给任务规划模块，对无人机的飞行区域和扫描方式进行调整，无人机继续执行飞行计划，直至数据分析模块计算的PM高架排放源强为最优结果。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，步骤S1和S2之间还包括任务规划模块将风向、风速、温度、压力、大气稳定度、PM高架排放源高度等作为输入参数，对无人机的飞行区域和扫描方式进行合理规划，规划完成后进入S2。
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