CN110118580A - 具有环境因子补偿的激光探测系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有环境因子补偿的激光探测系统，包括分布设置在地下管廊内的若干个激光探测装置、设置在监控中心内的BIM运维服务器；激光探测装置包括激光发射单元、激光接收单元、处理单元、环境因子采集单元、通讯单元；处理单元结合所属区域内的环境湿度h、环境温度t、颗粒浓度d，根据一预设的计算规则以计算所属管廊区域内的环境因子系数ω，对计算得出的所属管廊区域内的总危险指数进行补偿。本发明能够具有环境因子补偿的激光探测系统，采用激光探测方法以监测地下管廊内的多种危险源气体的实际浓度，同时，考虑到环境湿度对激光束的影响，按照一预设的处理策略对最终的气体浓度进行补偿计算，以获得当前时刻地下管廊内的总危险指数。

Description

具有环境因子补偿的激光探测系统

技术领域

本发明涉及激光器领域，属于一种具有环境因子补偿的激光探测系统。

背景技术

智慧管廊是在城市低下建造一个隧道空间，将电力、通讯、燃气、供热、给排水等各种工程管线集于一体，统一规划、统一设计、同意建设和管理，是保障城市运行的重要基础设施和“生命线”。

然而，现有管网安全在全国各省市缺乏有效的管理，地下管网内环境潮湿、相对封闭，废水、排污分解大量的易燃易爆、有毒有害气体，集聚在密闭的管网空间内，如不能及时抽排处置，一旦浓度超标，就有可能造成爆炸或人员中毒事故。

因为地下管廊内环境潮湿、恶劣，常规的气体探测装置很难长时间保持正常工作状态，在现有技术中，在某些特殊情况下会采用激光探测的方法来探测各种危险源气体的浓度，但激光探测方法同样也会受到环境因子的影响，典型的如温度、湿度、颗粒浓度等，均会对激光探测的结果有所影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有环境因子补偿的激光探测系统，采用激光探测方法以监测地下管廊内的多种危险源气体的实际浓度，同时，考虑到环境因子对激光束的影响，按照一预设的计算规则对气体浓度进行补偿计算，以获得当前时刻地下管廊内的总危险指数。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种具有环境因子补偿的激光探测系统，适于对地下管廊内的多种危险源气体进行实时监测，并且将监测结果反馈至一监控中心内，为每种危险源气体定义一编号i，其中，i＝{1,2…,n}，所述激光探测系统包括分布设置在地下管廊内的若干个激光探测装置、设置在监控中心内的BIM运维服务器；

每个所述激光探测装置与一管廊区域对应，用以探测所属管廊区域内的各种危险源气体的实际浓度；

所述激光探测装置包括n个激光发射单元、n个激光接收单元、处理单元、环境因子采集单元、通讯单元；

所述激光发射单元与激光接收单元一一对应设置，激光发射单元位于所属管廊区域的一端，激光接收单元位于所属管廊区域的另一端，每组激光发射单元和激光接收单元用以探测所属管廊区域内的其中一种危险源气体的浓度f_i，其中：

所述激光发射单元与处理单元电连接，根据处理单元的控制指令，在设定时间间隔内发送一束具有设定功率、设定波长范围的激光束至与其对应的激光接收单元；

所述激光接收单元与处理单元电连接，其包括一光电传感器，激光接收单元接收激光发射单元发送的激光束，将之转换成一电信号发送至处理单元；

所述处理单元结合激光束的初始设定功率和电信号，通过计算前述激光束的衰减量以计算得出所属管廊区域内的危险源气体i的预估浓度f_i；

所述处理单元与通讯单元电连接，通过通讯单元与BIM运维服务器建立数据通讯链路；

所述环境因子采集单元包括一湿度传感器、温度传感器、颗粒浓度探测器；

所述湿度传感器与处理单元电连接，用以实时探测所属管廊区域的环境湿度h，并将探测结果反馈至处理单元；

所述温度传感器与处理单元电连接，用以实时探测所属管廊区域的环境温度t，并将探测结果反馈至处理单元；

所述颗粒浓度探测器与处理单元电连接，用以实时探测所属管廊区域的颗粒浓度d，并将探测结果反馈至处理单元；

所述处理单元结合所属区域内的环境湿度h、环境温度t、颗粒浓度d，根据一预设的计算规则以计算所属管廊区域内的环境因子系数ω；

所述处理单元根据公式以计算当前时刻所属管廊区域内危险源气体的总危险指数S，并将计算结果发送至BIM运维服务器，其中，k_i为危险源气体i的危险系数；

所述n为大于等于零的正整数。

进一步的实施例中，所述预设的计算规则是指，

将环境湿度h根据一预设的规则由高到低分为环境湿度高、环境湿度中、环境湿度低三种湿度等级，并且为三种湿度等级各自分配一相应的计算系数a{a₁，a₂，a₃}，其中，a₁对应环境湿度高的湿度等级，a₂对应环境湿度中的湿度等级，a₃对应环境湿度低的湿度等级；

将环境温度t根据一预设的规则由高到低分为环境温度高、环境温度中、环境温度低三种温度等级，并且为三种温度等级各自分配一相应的计算系数b{b₁，b₂，b₃}，其中，b₁对应环境温度高的温度等级，b₂对应环境温度中的温度等级，b₃对应环境温度低的温度等级；

将颗粒浓度d根据一预设的规则由高到低分为颗粒浓度高、颗粒浓度中、颗粒浓度低三种颗粒浓度等级，并且为三种颗粒浓度等级各自分配一相应的计算系数c{c₁，c₂，c₃}，其中，c₁对应颗粒浓度高的颗粒浓度等级，c₂对应颗粒浓度中的颗粒浓度等级，c₃对应颗粒浓度低的颗粒浓度等级；

根据公式ω＝aω₁+bω₂+cω₃以计算环境因子系数ω，其中ω₁为环境湿度权重因子，ω₂为环境温度权重因子，ω₃为颗粒浓度权重因子，并且ω₁+ω₂+ω₃＝1。

进一步的实施例中，所述预设的计算规则是指，

根据下述公式以计算以计算环境因子系数ω，

其中，h₀为一湿度等级判定系数，t₀为一温度等级判定系数，d₀为一颗粒浓度等级判定系数，h₀、t₀、d₀均大于零；

ω₁为环境湿度权重因子，ω₂为环境温度权重因子，ω₃为颗粒浓度权重因子，并且ω₁+ω₂+ω₃＝1。

进一步的实施例中，所述处理单元被设置成：

1)响应于当前时刻总危险指数S大于等于第一设定阈值，小于第二设定阈值，发送一预警信号至BIM运维服务器，同时将激光发射单元的激光束发射频率调高至第一监测频率；

2)响应于当前时刻总危险指数S大于等于第二设定阈值，发送一报警信号至BIM运维服务器，同时将激光发射单元的激光束发射频率调高至第二监测频率；

所述第一监测频率小于第二监测频率。

进一步的实施例中，所述处理单元具有一设定部，该设定部用于设定第一设定阈值、第二设定阈值、第一监测频率、第二监测频率。

进一步的实施例中，所述激光发射单元采用可调谐激光器。

进一步的实施例中，所述危险源气体至少包括甲烷、硫化氢。

进一步的实施例中，所述设定时间间隔为10min。

进一步的实施例中，所述激光探测系统具有一警报单元，警报单元安装在监控中心内，被设置成响应于报警信号，发出警报。

进一步的实施例中，所述管廊区域为相邻两个窨井之间的区域。

本发明的有益效果在于：

采用激光探测方法以监测地下管廊内的多种危险源气体的实际浓度，同时，考虑到环境因子对激光束的影响，按照一预设的计算规则对气体浓度进行补偿计算，以获得当前时刻地下管廊内的总危险指数。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1为本发明的具有环境因子补偿的激光探测系统的结构图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

结合图1，本发明提及一种具有环境因子补偿的激光探测系统，适于对地下管廊内的多种危险源气体进行实时监测，并且将监测结果反馈至一监控中心内。

地下管廊内的的危险源气体种类很多，例如甲烷、硫化氢等等。每种危险源气体的危害程度不一，有些危险源气体为有毒气体，有些危险源气体为易爆气体，另外，还存在这样一种情形，在布设有煤气管网的地下管廊区域，当煤气管网发生泄漏时，空气中的甲烷含量将会明显增加等等。

在实际应用中，通常会根据不同的监测需求，以选择不同的危险源气体监测种类。

在本发明中，我们为每种需要监测的危险源气体定义一编号i，其中，i＝{1,2…,n}，所述n为大于等于零的正整数。

所述激光探测系统包括分布设置在地下管廊内的若干个激光探测装置、设置在监控中心内的BIM运维服务器。

每个所述激光探测装置与一管廊区域对应，用以探测所属管廊区域内的各种危险源气体的浓度。

优选的，所述管廊区域为相邻两个窨井之间的区域，更加优选的，为每一个激光探测装置设置一独立编号，该独立编号与窨井段的编号对应。

这样的设计可以让监控中心内的工作人员快速掌握到每个窨井段的危险源气体的总危险指数，根据不同的总危险指数以作出不同的处理措施。

所述激光探测装置包括n个激光发射单元、n个激光接收单元、处理单元、环境因子采集单元、通讯单元。

所述激光发射单元与激光接收单元一一对应设置，激光发射单元位于所属管廊区域的一端，激光接收单元位于所属管廊区域的另一端。

如前所述，如果一个管廊区域为相邻两个窨井之间的区域，那么，我们可以将激光发射单元布设在其中一个窨井内，激光接收单元布设在另一个窨井中，这种结构设计也有助于工作人员对激光探测装置进行日常维护和检修。

每组激光发射单元和激光接收单元用以探测所属管廊区域内的其中一种危险源气体的浓度f_i，具体的探测原理如下：

所述激光发射单元与处理单元电连接，根据处理单元的控制指令，在设定时间间隔内发送一束具有设定功率、设定波长范围的激光束至与其对应的激光接收单元。

此处的设定时间间隔可以由工作人员根据实际需求自行设计，应当理解，如果设定时间间隔较短，安全监测等级高，整个系统的功耗大，如果设定时间间隔较长，整个系统的功耗减小，但安全监测等级较低。

优选的，将该设定时间间隔设置成10min，换言之，激光发射单元的激光束发射频率为6次/小时，即，初始监测频率为6次/小时。

所述激光接收单元与处理单元电连接，其包括一光电传感器，激光接收单元接收激光发射单元发送的激光束，将之转换成一电信号发送至处理单元。

所述处理单元结合激光束的初始设定功率和电信号，通过计算前述激光束的衰减量以计算所属管廊区域内的危险源气体i的实际浓度f_i。

不同的危险源气体对不同波长范围的激光束吸收系数是不一样的，在此我们可以采用三种方式：

第一种方式，为每种危险源气体分配一组激光发射单元和激光接收单元，与每种危险源气体对应的激光发射单元发出的激光束的波长范围为该危险源气体吸收系数最高的波段范围，处理单元通过分析该激光束的光强度衰减量以获取该管道区域内此种危险源气体的实际浓度。

第二种方式，为多种危险源气体分配一组激光发射单元和激光接收单元，该激光发射单元发出的激光束的波长范围较宽，激光接收单元接收经过衰减后的激光束，处理单元通过分析此时激光束中各频谱段的光强度衰减量以同时获取多种危险源气体的实际浓度。

第三种方式，激光发射单元采用可调谐激光器，以根据处理单元的控制指令，在一定范围内连续改变激光输出波长。

例如，通过某些元件(如光栅等)改变谐振腔低损耗区所对应的波长来改变激光的波长，或者通过改变某些外界参数(如磁场、温度等)使激光跃迁的能级移动，甚至利用非线性效应实现波长的变换和调谐(如非线性光学、受激喇曼散射、光二倍频、光参量振荡等)。

本发明中能够采用的可调谐激光器包括染料激光器、金绿宝石激光器、色心激光器、可调谐高压气体激光器和可调谐准分子激光器等等。

在不考虑环境因子影响的情况下，在获取所有需要监测的危险源气体的实际浓度后，所述处理单元根据公式以计算当前时刻所属管廊区域内危险源气体的总危险指数S，其中，k_i为危险源气体i的危险系数。

如前所述，针对不同的监测需求，不同危险源气体的危险系数不一，例如，对于防爆监控需求来说，甲烷的危险系数较高，而二氧化碳的危险系数则较低等等。因此，可以理解，k_i这一参数并非是一固定值，对于不同的监测需求，同一种危险源气体的危险系数k_i有可能不一样。

而在实际应用中，地下管廊内监测环境恶劣，湿度高、颗粒浓度高、温度不稳定，激光束在传播过程中受到极大的干扰，一部分激光束的衰减并非由危险源气体造成的，因此，本发明提出一种环境因子补偿方法，对计算得出的总危险指数S进行补偿计算。

具体的，所述环境因子采集单元包括一湿度传感器、温度传感器、颗粒浓度探测器。

所述湿度传感器与处理单元电连接，用以实时探测所属管廊区域的环境湿度h，并将探测结果反馈至处理单元。

所述温度传感器与处理单元电连接，用以实时探测所属管廊区域的环境温度t，并将探测结果反馈至处理单元。

所述颗粒浓度探测器与处理单元电连接，用以实时探测所属管廊区域的颗粒浓度d，并将探测结果反馈至处理单元。

所述处理单元结合所属区域内的环境湿度h、环境温度t、颗粒浓度d，根据一预设的计算规则以计算所属管廊区域内的环境因子系数ω。

所述处理单元根据公式以计算当前时刻所属管廊区域内危险源气体的总危险指数S，并将计算结果发送至BIM运维服务器，其中，k_i为危险源气体i的危险系数。

环境因子系数ω的计算规则有多种，在本发明中仅介绍其中两种。

第一种计算规则

将环境湿度h根据一预设的规则由高到低分为环境湿度高、环境湿度中、环境湿度低三种湿度等级，并且为三种湿度等级各自分配一相应的计算系数a{a₁，a₂，a₃}，其中，a₁对应环境湿度高的湿度等级，a₂对应环境湿度中的湿度等级，a₃对应环境湿度低的湿度等级。

将环境温度t根据一预设的规则由高到低分为环境温度高、环境温度中、环境温度低三种温度等级，并且为三种温度等级各自分配一相应的计算系数b{b₁，b₂，b₃}，其中，b₁对应环境温度高的温度等级，b₂对应环境温度中的温度等级，b₃对应环境温度低的温度等级。

将颗粒浓度d根据一预设的规则由高到低分为颗粒浓度高、颗粒浓度中、颗粒浓度低三种颗粒浓度等级，并且为三种颗粒浓度等级各自分配一相应的计算系数c{c₁，c₂，c₃}，其中，c₁对应颗粒浓度高的颗粒浓度等级，c₂对应颗粒浓度中的颗粒浓度等级，c₃对应颗粒浓度低的颗粒浓度等级。

根据公式ω＝aω₁+bω₂+cω₃以计算环境因子系数ω，其中ω₁为环境湿度权重因子，ω₂为环境温度权重因子，ω₃为颗粒浓度权重因子，并且ω₁+ω₂+ω₃＝1。

在本例子中，我们将三种环境因子均分为三个等级，实际上，可以根据需求减少和/或增多划分等级，划分的等级越多，最终得到的环境因子系数ω精度越高。

第二种计算规则

根据下述公式以计算以计算环境因子系数ω，

其中，h₀为一湿度等级判定系数，t₀为一温度等级判定系数，d₀为一颗粒浓度等级判定系数，h₀、t₀、d₀均大于零，h₀、t₀、d₀的作用主要是用来判定当前环境参数所处的等级区域。

ω₁为环境湿度权重因子，ω₂为环境温度权重因子，ω₃为颗粒浓度权重因子，并且ω₁+ω₂+ω₃＝1。

第二种计算规则相对于第一种计算规则来说，计算得出的环境因子系数ω精度更高，但计算量也更大，具体采用哪种方式，由用户根据自身需求来决定。

所述处理单元与通讯单元电连接，通过通讯单元与BIM运维服务器建立数据通讯链路。

工作人员可以通过BIM运维服务器对处理单元中的计算规则、各种参数进行设定，处理单元也可以通过通讯单元将计算结果、工作状态、探测结果等发送至BIM运维服务器。

所述处理单元被设置成：

1)响应于当前时刻总危险指数S大于等于第一设定阈值，小于第二设定阈值，发送一预警信号至BIM运维服务器，同时将激光发射单元的激光束发射频率调高至第一监测频率。

2)响应于当前时刻总危险指数S大于等于第二设定阈值，发送一报警信号至BIM运维服务器，同时将激光发射单元的激光束发射频率调高至第二监测频率。

优选的，第一监测频率大于初始监测频率，第二监测频率大于第一监测频率。

此种设计是为了满足以下工作要求：

当总危险指数上升时，逐渐调高激光束的发射频率，以加快检测频率，便于工作人员及时了解地下管廊内的实际情况。

而当危险指数下降时，再逐渐降低激光束的发射频率，以节约功耗。

在另一些例子中，所述激光探测系统具有一警报单元，警报单元安装在监控中心内，被设置成响应于报警信号，发出警报，以提醒监控中心内的工作人员及时注意到险情。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种具有环境因子补偿的激光探测系统，适于对地下管廊内的多种危险源气体进行实时监测，并且将监测结果反馈至一监控中心内，为每种危险源气体定义一编号i，其中，i＝{1,2…,n}，其特征在于，所述激光探测系统包括分布设置在地下管廊内的若干个激光探测装置、设置在监控中心内的BIM运维服务器；

每个所述激光探测装置与一管廊区域对应，用以探测所属管廊区域内的各种危险源气体的实际浓度；

所述激光探测装置包括n个激光发射单元、n个激光接收单元、处理单元、环境因子采集单元、通讯单元；

所述激光发射单元与激光接收单元一一对应设置，激光发射单元位于所属管廊区域的一端，激光接收单元位于所属管廊区域的另一端，每组激光发射单元和激光接收单元用以探测所属管廊区域内的其中一种危险源气体的浓度f_i，其中：

所述激光发射单元与处理单元电连接，根据处理单元的控制指令，在设定时间间隔内发送一束具有设定功率、设定波长范围的激光束至与其对应的激光接收单元；

所述激光接收单元与处理单元电连接，其包括一光电传感器，激光接收单元接收激光发射单元发送的激光束，将之转换成一电信号发送至处理单元；

所述处理单元结合激光束的初始设定功率和电信号，通过计算前述激光束的衰减量以计算得出所属管廊区域内的危险源气体i的预估浓度f_i；

所述处理单元与通讯单元电连接，通过通讯单元与BIM运维服务器建立数据通讯链路；

所述环境因子采集单元包括一湿度传感器、温度传感器、颗粒浓度探测器；

所述湿度传感器与处理单元电连接，用以实时探测所属管廊区域的环境湿度h，并将探测结果反馈至处理单元；

所述温度传感器与处理单元电连接，用以实时探测所属管廊区域的环境温度t，并将探测结果反馈至处理单元；

所述颗粒浓度探测器与处理单元电连接，用以实时探测所属管廊区域的颗粒浓度d，并将探测结果反馈至处理单元；

所述处理单元结合所属区域内的环境湿度h、环境温度t、颗粒浓度d，根据一预设的计算规则以计算所属管廊区域内的环境因子系数ω；

所述处理单元根据公式以计算当前时刻所属管廊区域内危险源气体的总危险指数S，并将计算结果发送至BIM运维服务器，其中，k_i为危险源气体i的危险系数；

所述n为大于等于零的正整数。

2.根据权利要求1所述的具有环境因子补偿的激光探测系统，其特征在于，所述预设的计算规则是指，

将环境湿度h根据一预设的规则由高到低分为环境湿度高、环境湿度中、环境湿度低三种湿度等级，并且为三种湿度等级各自分配一相应的计算系数a{a₁，a₂，a₃}，其中，a₁对应环境湿度高的湿度等级，a₂对应环境湿度中的湿度等级，a₃对应环境湿度低的湿度等级；

将环境温度t根据一预设的规则由高到低分为环境温度高、环境温度中、环境温度低三种温度等级，并且为三种温度等级各自分配一相应的计算系数b{b₁，b₂，b₃}，其中，b₁对应环境温度高的温度等级，b₂对应环境温度中的温度等级，b₃对应环境温度低的温度等级；

将颗粒浓度d根据一预设的规则由高到低分为颗粒浓度高、颗粒浓度中、颗粒浓度低三种颗粒浓度等级，并且为三种颗粒浓度等级各自分配一相应的计算系数c{c₁，c₂，c₃}，其中，c₁对应颗粒浓度高的颗粒浓度等级，c₂对应颗粒浓度中的颗粒浓度等级，c₃对应颗粒浓度低的颗粒浓度等级；

根据公式ω＝aω₁+bω₂+cω₃以计算环境因子系数ω，其中ω₁为环境湿度权重因子，ω₂为环境温度权重因子，ω₃为颗粒浓度权重因子，并且ω₁+ω₂+ω₃＝1。

3.根据权利要求1所述的具有环境因子补偿的激光探测系统，其特征在于，所述预设的计算规则是指，

根据下述公式以计算以计算环境因子系数ω，

其中，h₀为一湿度等级判定系数，t₀为一温度等级判定系数，d₀为一颗粒浓度等级判定系数，h₀、t₀、d₀均大于零；

ω₁为环境湿度权重因子，ω₂为环境温度权重因子，ω₃为颗粒浓度权重因子，并且ω₁+ω₂+ω₃＝1。

4.根据权利要求1所述的具有环境因子补偿的激光探测系统，其特征在于，所述处理单元被设置成：

1)响应于当前时刻总危险指数S大于等于第一设定阈值，小于第二设定阈值，发送一预警信号至BIM运维服务器，同时将激光发射单元的激光束发射频率调高至第一监测频率；

2)响应于当前时刻总危险指数S大于等于第二设定阈值，发送一报警信号至BIM运维服务器，同时将激光发射单元的激光束发射频率调高至第二监测频率；

所述第一监测频率小于第二监测频率。

5.根据权利要求4所述的具有环境因子补偿的激光探测系统，其特征在于，所述处理单元具有一设定部，该设定部用于设定第一设定阈值、第二设定阈值、第一监测频率、第二监测频率。

6.根据权利要求1所述的具有环境因子补偿的激光探测系统，其特征在于，所述激光发射单元采用可调谐激光器。

7.根据权利要求1所述的具有环境因子补偿的激光探测系统，其特征在于，所述危险源气体至少包括甲烷、硫化氢。

8.根据权利要求1所述的具有环境因子补偿的激光探测系统，其特征在于，所述设定时间间隔为10min。

9.根据权利要求4所述的具有环境因子补偿的激光探测系统，其特征在于，所述激光探测系统具有一警报单元，警报单元安装在监控中心内，被设置成响应于报警信号，发出警报。

10.根据权利要求1所述的具有环境因子补偿的激光探测系统，其特征在于，所述管廊区域为相邻两个窨井之间的区域。