CN110823465B - 利用移动传感器定位化学气体泄漏点的方法和设备 - Google Patents

利用移动传感器定位化学气体泄漏点的方法和设备 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种利用移动传感器定位化学气体泄漏点的方法和设备，应用伴随方法，快速计算气体扩散影响系数分布，为泄漏点定位提供定量依据；利用气体扩散影响系数分布信息，应用基于相关系数的最优拟合算法，对泄漏点进行定位计算；该方法和设备综合利用了化学气体浓度传感器和气象传感器的信息，应用了气体扩散的物理规律，巧妙运用伴随方法和相关系数拟合算法提高计算效率，整体上提升了泄漏点定位精度和定位速度；将传感器监测数据、气象数据、气体扩散规律相结合，提高气体泄漏点定位效率；通过定位算法缩小搜索范围，减少人员现场排查时间，降低安全风险。

Description

利用移动传感器定位化学气体泄漏点的方法和设备
技术领域
本发明属于化学工业安全技术领域，具体涉及一种利用移动传感器定位化学气体泄漏点 的方法和设备。
背景技术
化学气体泄漏定位是化学工业安全隐患排查和风险防范的一项重要技术。常用的泄漏定 位方法如LDAR方法，是利用监测仪器对化学储存设施或传输管线进行逐点巡查，寻找泄漏点， 该方法费时费力，对于大规模的化工园区，很难经常实施。另一种方法是安装气体传感器， 当检测到空气中的泄漏气体，便引发报警，提示安全人员进行现场排查。由于费用和技术工 艺等原因，传感器的分布密度不能够无限增大，而泄漏点与传感器往往并不重合，根据报警 信息进行泄漏定位依然费时费力，且随着排查耗时的增加，对现场人员的危险性也在增加。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种利用移动传感器定位化学气体泄漏点的方法和设备， 以提高泄漏点排查的自动化水平和精准定位的能力。
一种定位化学气体泄漏点的方法，包括如下步骤：
步骤1、在化工设施所在区域确定可能的泄漏点；采用化学气体浓度传感器和气象要素 传感器同时在区域内不断移动，每到达一个设定的采集点后，获取此时的气体浓度和气象数 据；当气体浓度超过设定值时，启动报警，同时控制化学气体浓度传感器和气象要素传感器 继续向其它采集点移动，每到达一个采集点后，采集该位置的气体浓度和气象数据，至少采 集8个采集点后，根据每个气体浓度采集点的位置pi、三轴风速(u,v,w)以及三轴方向的气体 扩散系数(Kx,Ky,Kz)，求解以下气体扩散伴随方程，得到扩散影响系数Φ：
Figure BDA0002221393660000011
其中，建立以化学气体区域内竖直向上为z轴，平行于水平面的两个任意互相垂直方向 为x轴和y轴的三维直角坐标系，三轴风速(u,v,w)即为x,y,z轴的风速；Φ为一个矩阵，其 中每个元素Φij表示采集点i和泄漏点j之间的扩散影响系数；
将获得的各个采集点的气体浓度数据形成一个向量：C＝(C1,C2,...,CN)，其中N为气体 浓度采集点数目；
利用扩散影响系数Φ，对于第j个可能的泄漏点，计算其在各个气体浓度采集点处所造 成的浓度值QΦij，则所有气体浓度采集点的浓度形成一个新的向量：
C′j＝(QΦ1j,QΦ2j,QΦ3j...QΦNj)；其中Q表示各可能泄漏点的源强，取值为1；
针对每个可能的泄漏点对应的向量C′j，获得其与向量C的相关系数；遍历所有可能的泄 漏点对应的向量，则最大相关系数对应的可能泄漏点即为概率最大的泄漏点。
一种定位化学气体泄漏点的设备，包括移动平台、移动传感模块和后台计算定位模块；
所述移动平台用于带动移动传感模块在化学气体区域中移动，并到达各设定的采集点；
所述移动传感模块包括化学气体浓度传感器、气象要素传感器和无线数据发送装置；气 象要素传感器用于实时获取气象数据；气体浓度传感器用于实时获取设定气体的浓度；当浓 度超过设定值，启动报警功能，并继续向其它采集点移动；每到达一个采集点，通过无线数 据发送装置向后台计算定位模块传输当前采集点的气体浓度和气象数据；
所述后台计算定位模块接收到至少8个采集点的气体浓度和气象数据后，开始进行泄漏 点定位的解算，具体为：
根据每个气体浓度采集点的位置pi、三轴风速(u,v,w)以及三轴方向的气体扩散系数 (Kx,Ky,Kz)，求解以下气体扩散伴随方程，得到气体扩散影响系数Φ：
Figure BDA0002221393660000021
其中，建立以化学气体区域内竖直向上为z轴，平行于水平面的两个任意互相垂直方向 为x轴和y轴的三维直角坐标系，三轴风速(u,v,w)即为x,y,z轴的风速；Φ为一个矩阵，其 中每个元素Φij表示采集点i和泄漏点j之间的扩散影响系数；
将获得的各个采集点的气体浓度数据形成一个向量：C＝(C1,C2,...,CN)，其中N为气体 浓度采集点数目；
利用扩散影响系数Φ，对于第j个可能的泄漏点，计算其在各个气体浓度采集点处所造 成的浓度值QΦij，则所有气体浓度采集点的浓度形成一个新的向量：
C′j＝(QΦ1j,QΦ2j,QΦ3j...QΦNj)；其中Q表示各可能泄漏点的源强，取值为1；
针对每个可能的泄漏点对应的向量C′j，获得其与向量C的相关系数；遍历所有可能的泄 漏点对应的向量，则最大相关系数对应的可能泄漏点即为概率最大的泄漏点。
较佳的，所述移动平台为围绕化学气体区域的闭合的轨道。
较佳的，所述轨道为环形或者方形。
较佳的，所述移动平台为沿气体管道设置的线性轨道。
较佳的，所述移动传感模块在所述线性轨道上做往复运动。
进一步的，还包括地图显示系统，用于显示区域中泄漏点的位置。
本发明具有如下有益效果：
本发明的利用移动传感器定位化学气体泄漏点的方法，应用伴随方法，快速计算气体扩 散影响系数分布，为泄漏点定位提供定量依据；利用气体扩散影响系数分布信息，应用基于 相关系数的最优拟合算法，对泄漏点进行定位计算；该方法和设备综合利用了化学气体浓度 传感器和气象传感器的信息，应用了气体扩散的物理规律，巧妙运用伴随方法和相关系数拟 合算法提高计算效率，整体上提升了泄漏点定位精度和定位速度；将传感器监测数据、气象 数据、气体扩散规律相结合，提高气体泄漏点定位效率；通过定位算法缩小搜索范围，减少 人员现场排查时间，降低安全风险。
本发明的利用移动传感器定位化学气体泄漏点的设备，分为移动传感模块、轨道移动平 台和后台计算定位模块，利用传感器获取的化学气体浓度数据和气象数据，考虑化学气体的 扩散效应，利用传感器位于不同位置获取的数据信息差异，对气体泄漏点进行定位并在地图 上显示，设备简单，易于实现。
本发明的方法和设备综合利用了化学气体浓度传感器和气象传感器移动到不同位置获取 的信息差异，应用了气体扩散的物理规律，巧妙运用伴随方法和相关系数拟合算法提高计算 效率，整体上提升了泄漏点定位精度和定位速度。
附图说明
图1为本发明的设备的框图；
图2为本发明实施例采用的环形轨道的示意图；
图3为本发明实施例采用的线性轨道的示意图。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明的设备操控移动传感模块、移动平台和后台计算定位模块，如附图1所示。移动 传感模块包括化学气体浓度传感器、气象要素传感器和无线数据发送装置，气体浓度传感器 可实时获取特定气体的浓度，气象要素传感器可实时获取风向、风速、温度等气象数据。当 浓度超过一定限值，传感器将启动报警功能，并通过无线数据发送装置向后台计算定位模块 传输浓度、气象数据以及移动平台位置和时间信息。移动传感设备安置在轨道移动平台上， 与移动平台同步运动。根据实际监测定位需求，轨道可设计为环形，如附图2，此种情形下 移动平台带动传感模块绕着化工储存设施作周期运动。轨道也可设计为线形往复型，如附图 3，此种情况下移动平台沿着线形轨道作往复运动。为了确保安全，且保证传感器获取的数据 稳定，移动平台的运动速度不超过0.3m/s，且安装感应雷达，当感应到前进方向有障碍物， 即自动减速停车。移动平台也可由人工控制停车并进行定点监测。后台计算定位模块包括无 线数据接收装置、计算定位系统和地图显示系统。无线数据接收装置接收移动传感模块发送 的化学气体浓度数据、气象数据、移动平台位置和时间信息。计算定位系统利用接收的数据， 启动伴随方法计算气体扩散影响系数分布，启动最优拟合算法对泄漏点进行定位，并利用地 图显示系统进行显示，为化学泄漏风险排查和事故应急提供决策支持工具。
(一)扩散影响系数计算原理
1、气体扩散方程
Figure BDA0002221393660000041
其中C为气体浓度，(u,v,w)为三维风速，(Kx,Ky,Kz)为气体扩散系数，S为源项。
其中，以化学气体区域内以竖直向上为z轴，平行于水平面的两个任意互相垂直方向为 x轴和y轴的三维直角坐标系，三轴风速(u,v,w)即为x,y,z轴的风速；
其中，气体扩散系数(Kx,Ky,Kz)中水平扩散系数Kx,Ky采用如下公式来计算：
Figure BDA0002221393660000042
其中u,v是x,y方向的平均风速分量，单位：m/s，Δx,Δy是数值求解扩散方程时的网 格尺寸，单位是米；Δt是时间步长，单位是秒。
由于厂区地面平坦，较小范围内平均风速差别很小，因此以上公式中的空间导数项常常 可以忽略，则公式简化为：
Figure BDA0002221393660000043
垂直扩散系数Kz与垂直坐标z有关，用以下公式来计算：
Figure BDA0002221393660000051
其中z是离地面高度坐标。
该方程(1)常用于预测化学气体泄漏后的浓度分布，即在一定的空气运动流场、边界条件 和初始条件下求解该方程，可以计算得到气体扩散浓度的空间分布和随时间的变化情况。但 是我们这里是想利用气体扩散的特点，通过传感器监测的气体浓度来定位泄漏源。因此，我 们利用该方程计算泄漏源和传感器之间的气体传输关系，即扩散影响系数。具体计算是假定 泄漏为点源，源强为1，计算传感器位置处的浓度即为扩散影响系数。由于可能的泄漏点数 量很大，例如，对于一个大型的化学气体储罐，其表面、管路、阀门等可能泄漏的点位可达 数百个甚至更多。如果直接利用扩散方程(1)来计算扩散影响系数，就需要对每一个可能的 泄漏点位进行单独求解，将扩散方程求解数百次，这个计算量很大，难以满足实时快速定位 的需求。
2、伴随方法
本发明中应用扩散方程的伴随方程以减小计算量。
Figure BDA0002221393660000052
伴随方程(2)形式上与扩散方程相似，但是其物理意义不同，伴随方程描述了扩散影响系 数Φ的分布规律，其源项p是传感器的位置。伴随方程可以针对每个传感器的位置，直接得 到扩散影响系数的分布，由于传感器的数目有限，对于一个储罐，周围的传感器一般不超过 10个，因此只需要将伴随方程求解不超过10次即可得到扩散影响系数的分布。具体的，对 于任意传感器i和可能的泄漏点位置j，Φij表示传感器i和泄漏点j之间的扩散影响系数。
根据上述原理可知，伴随方程原理计算的扩散影响系数，与通过扩散方程(2)来计算的 扩散影响系数结果是一致的。由于传感器的数目远远小于可能泄漏点的数目，因此伴随方法 计算量只是传统方法的几十分之一甚至百分之一以下。计算效率提高了几十倍到上百倍，可 显著加快对泄漏点定位的速度。
(二)最优拟合算法原理
化学气体储存设施、传输设施一旦发生泄漏，气体在空气中扩散，它可以被若干个传感 器接收到，由于传感器的方位和远近的差异，其接收到的气体浓度和变化趋势都不相同，最 优拟合算法的原理就是利用这些传感器数据的差异，计算出最可能的泄漏点位置。
设所有传感器接收到的数据形成一个向量，C＝(C1,C2,...,CN)
对于第j个可能的泄漏点，根据扩散影响系数，计算其在传感器处于不同位置所造成的 浓度值形成一个新的向量：C′j＝(QΦ1j,QΦ2j,QΦ3j...QΦNj)；
其中Q为泄漏点的源强，由于事先往往不知道这个数值，可直接取为Q＝1，在后面的相 关系数计算中，Q的具体数值并不影响计算结果，也不影响泄漏点定位的结果。
针对每个可能的泄漏点j，计算向量C和C′j的相关系数r；
Figure BDA0002221393660000061
遍历所有的可能泄漏点后，找到相关系数最大的可能泄漏点，即为概率最大的泄漏点。 对于每个可能泄漏点，只需要计算一次相关系数，计算量小，在当前个人计算机的条件下， 对于1000个可能的泄漏点，可在10秒钟内完成全部比对计算。
化学气体泄漏定位流程如下：
1、化学传感器接收到特定气体浓度超过限值，启动报警，一边沿轨道移动，一边监测， 并将传感器获得数据Ci传输到后台定位计算模块，形成向量C，启动泄漏源定位计算；
2、气象要素传感器一边沿轨道移动，一边将采集到的气象数据传输到后台定位计算模块， 输入到伴随计算系统，计算扩散影响系数Φij；
3、对于第j个可能的泄漏点，根据扩散影响系数，计算其在传感器处于不同位置造成的 浓度值，形成向量C’，计算向量C和C’的相关系数；
4、对每个可能的泄漏点，重复步骤3；
5、比较每个可能泄漏点的相关系数，越接近于1则是泄漏点的概率越大；
6、在地图上显示对泄漏点定位的结果。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在 本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护 范围之内。

Claims (7)

1.一种定位化学气体泄漏点的方法，其特征在于，包括如下步骤：
在化工设施所在区域确定可能的泄漏点；采用化学气体浓度传感器和气象要素传感器同时在区域内不断移动，每到达一个设定的采集点后，获取此时的气体浓度和气象数据；当气体浓度超过设定值时，启动报警，同时控制化学气体浓度传感器和气象要素传感器继续向其它采集点移动，每到达一个采集点后，采集该位置的气体浓度和气象数据，至少采集8个采集点后，根据每个气体浓度采集点的位置pi、三轴风速(u,v,w)以及三轴方向的气体扩散系数(Kx,Ky,Kz)，求解以下气体扩散伴随方程，得到扩散影响系数Φ：
Figure FDA0002908968990000011
其中，建立以化学气体区域内竖直向上为z轴，平行于水平面的两个任意互相垂直方向为x轴和y轴的三维直角坐标系，三轴风速(u,v,w)即为x,y,z轴的风速；Φ为一个矩阵，其中每个元素Φij表示采集点i和泄漏点j之间的扩散影响系数；
将获得的各个采集点的气体浓度数据形成一个向量：C＝(C1,C2,...,CN)，其中N为气体浓度采集点数目；
利用扩散影响系数Φ，对于第j个可能的泄漏点，计算其在各个气体浓度采集点处所造成的浓度值QΦij，则所有气体浓度采集点的浓度形成一个新的向量：C′j＝(QΦ1j,QΦ2j,QΦ3j...QΦNj)；其中Q表示各可能泄漏点的源强，取值为1；
针对每个可能的泄漏点对应的向量C′j，获得其与向量C的相关系数；遍历所有可能的泄漏点对应的向量，则最大相关系数对应的可能泄漏点即为概率最大的泄漏点。
2.一种定位化学气体泄漏点的设备，其特征在于，包括移动平台、移动传感模块和后台计算定位模块；
所述移动平台用于带动移动传感模块在化学气体区域中移动，并到达各设定的采集点；
所述移动传感模块包括化学气体浓度传感器、气象要素传感器和无线数据发送装置；气象要素传感器用于实时获取气象数据；气体浓度传感器用于实时获取设定气体的浓度；当浓度超过设定值，启动报警功能，并继续向其它采集点移动；每到达一个采集点，通过无线数据发送装置向后台计算定位模块传输当前采集点的气体浓度和气象数据；
所述后台计算定位模块接收到至少8个采集点的气体浓度和气象数据后，开始进行泄漏点定位的解算，具体为：
根据每个气体浓度采集点的位置pi、三轴风速(u,v,w)以及三轴方向的气体扩散系数(Kx,Ky,Kz)，求解以下气体扩散伴随方程，得到气体扩散影响系数Φ：
Figure FDA0002908968990000021
其中，建立以化学气体区域内竖直向上为z轴，平行于水平面的两个任意互相垂直方向为x轴和y轴的三维直角坐标系，三轴风速(u,v,w)即为x,y,z轴的风速；Φ为一个矩阵，其中每个元素Φij表示采集点i和泄漏点j之间的扩散影响系数；
将获得的各个采集点的气体浓度数据形成一个向量：C＝(C1,C2,...,CN)，其中N为气体浓度采集点数目；
利用扩散影响系数Φ，对于第j个可能的泄漏点，计算其在各个气体浓度采集点处所造成的浓度值QΦij，则所有气体浓度采集点的浓度形成一个新的向量：C′j＝(QΦ1j,QΦ2j,QΦ3j...QΦNj)；其中Q表示各可能泄漏点的源强，取值为1；
针对每个可能的泄漏点对应的向量C′j，获得其与向量C的相关系数；遍历所有可能的泄漏点对应的向量，则最大相关系数对应的可能泄漏点即为概率最大的泄漏点。
3.如权利要求2所述的一种定位化学气体泄漏点的设备，其特征在于，所述移动平台为围绕化学气体区域的闭合的轨道。
4.如权利要求3所述的一种定位化学气体泄漏点的设备，其特征在于，所述轨道为环形或者方形。
5.如权利要求2所述的一种定位化学气体泄漏点的设备，其特征在于，所述移动平台为沿气体管道设置的线性轨道。
6.如权利要求5所述的一种定位化学气体泄漏点的设备，其特征在于，所述移动传感模块在所述线性轨道上做往复运动。
7.如权利要求2所述的一种定位化学气体泄漏点的设备，其特征在于，还包括地图显示系统，用于显示区域中泄漏点的位置。
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