CN111024313A - 一种主动搜索定位化学气体泄漏点的方法和设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种主动搜索定位化学气体泄漏点的方法和设备，考虑化学气体的扩散效应，利用化学气体泄漏形成烟羽的浓度分布规律确定搜索方向，驱动移动平台携带传感器向泄漏源逼近，对气体泄漏点进行定位，运用梯度搜索算法提高计算效率，整体上提升了泄漏点排查自动化水平和精准定位能力。该方法可以处理复杂厂区环境和泄漏点不止一处的情形下的定位搜索。通过定位算法和主动式搜索，缩小搜索范围，减少人员现场排查时间，降低安全风险。当厂区空间较大，或其中存在物理隔离带，单台设备难以遍历整个厂区，为了提高定位的效率，可使用两套以上设备分区进行监测定位。
Description
技术领域
本发明属于化学工业安全技术领域，具体涉及一种主动搜索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。本发明针对这一困难，发展了一种主动搜索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。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种主动搜索定位化学气体泄漏点的方法和设备，可以提高泄漏点定位效率，提升泄漏点排查自动化水平和精准定位能力。
一种主动搜索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设置移动平台，移动平台上搭载气体浓度传感器；气体浓度传感器实时检测气体浓度，当浓度超过设定限值，开始执行步骤2；
步骤2、移动平台向上风方向移动一个设定距离，并继续监测气体浓度，与上一个位置的监测浓度进行比较：如果浓度增大，移动平台继续沿同方向运动；如果浓度减小，则停止运动，执行步骤3；
步骤3、在化工设施所在区域平面内任意设定一个二维平面直角坐标系，两个互相垂直的轴为X轴和Y轴；设移动平台当前位置为(x,y)；
步骤4、移动平台从当前位置分别沿X坐标轴和Y坐标轴正反方向各移动一个设定距离，分别到达位置：(x+Δx,y)，(x-Δx,y)，(x,y+Δy)和(x,y-Δy)；并测量这4个位置的气体浓度C(x+Δx)、C(x-Δx)、C(x,y+Δy)和C(x,y-Δy)，然后回到位置(x,y)；
步骤5、计算浓度的空间导数：
步骤6、确定浓度的梯度向量g：
步骤7、控制移动平台从当前位置(x,y)出发，沿着梯度向量g的方向移动，并持续不断监测气体浓度；
步骤8、判断气体浓度是否持续增加：如果是，则继续沿同方向移动；如果气体浓度下降，则返回执行步骤4；
其中，如果当前位置的X坐标轴和Y坐标轴正反方向的设定距离处的浓度相对差值小于设定值时，停止搜索，移动平台到达泄漏位置附近。
较佳的，当移动平台遇到运动方向前方有障碍物，控制移动平台减速运动或者停车。
较佳的，监控室人员根据移动平台的当前位置，判断其前方障碍物是否疑似泄漏点所在的化工设施：如是，则遥控移动平台在附近监测，逼近泄漏点；如果判断不是，则遥控移动平台离开障碍物，重新启动搜索流程。
较佳的，如判断存在多处泄漏点可能性，则遥控移动平台沿风向的垂直方向移动，重新启动搜索流程。
一种主动搜索定位化学气体泄漏点的设备，包括传感搜索定位模块和移动平台；
所述传感搜索定位模块包括气体浓度传感器、气象要素传感器、搜索策略计算单元；
气体浓度传感器用于实时获取化学气体的浓度；所述气象要素传感器用于实时获取风向和风速；
搜索策略计算单元用于控制移动平台移动，搜索泄漏点，具体步骤为：
步骤1、当气体浓度传感器实时检测的气体浓度超过设定限值，开始执行步骤2；
步骤2、控制移动平台向上风方向移动一个设定距离，并继续监测气体浓度，与上一个位置的监测浓度进行比较：如果浓度增大，移动平台继续沿同方向运动；如果浓度减小，则停止运动，执行步骤3；
步骤3、在化工设施所在区域平面内任意设定一个二维平面直角坐标系，两个互相垂直的轴为X轴和Y轴；设移动平台当前位置为(x,y)；
步骤4、控制移动平台从当前位置分别沿X坐标轴和Y坐标轴正反方向各移动一个设定距离，分别到达位置：(x+Δx,y)，(x-Δx,y)，(x,y+Δy)和(x,y-Δy)；并测量这4个位置的气体浓度C(x+Δx)、C(x-Δx)、C(x,y+Δy)和C(x,y-Δy)，然后回到位置(x,y)；
步骤5、计算浓度的空间导数：
步骤6、确定浓度的梯度向量g：
步骤7、控制移动平台从当前位置(x,y)出发，沿着梯度向量g的方向移动，并持续不断监测气体浓度；
步骤8、判断气体浓度是否持续增加：如果是，则继续沿同方向移动；如果气体浓度下降，则返回执行步骤4；
其中，如果当前位置的X坐标轴和Y坐标轴正反方向的设定距离处的浓度相对差值小于设定值时，停止搜索，移动平台到达泄漏位置附近。
进一步的，所述移动平台上安装感应雷达，当感应到前进方向有障碍物，搜索策略计算单元控制移动平台减速或者停车。
进一步的，搜索策略计算单元带有地图数据，该地图数据包括厂区建筑物和化工设施的布局和几何尺寸和储存化学物质信息等，记录移动平台运动轨迹和对应位置的传感器监测浓度数据，并以无线通信方式持续向监控平台发位置坐标和对应时间、监测气体浓度数据和气象数据信息，在监控平台地图上实时显示。
进一步的，还包括搜索疑难反馈单元；当搜索过程遇到疑难，则搜索疑难反馈单元向监控平台发送相应的信息，请求人工干预搜索过程。
本发明具有如下有益效果：
本发明的一种主动搜索定位化学气体泄漏点的方法和设备，考虑化学气体的扩散效应，利用化学气体泄漏形成烟羽的浓度分布规律确定搜索方向，驱动移动平台携带传感器向泄漏源逼近，对气体泄漏点进行定位，运用梯度搜索算法提高计算效率，整体上提升了泄漏点排查自动化水平和精准定位能力。该方法可以处理复杂厂区环境和泄漏点不止一处的情形下的定位搜索。通过定位算法和主动式搜索，缩小搜索范围，减少人员现场排查时间，降低安全风险。当厂区空间较大，或其中存在物理隔离带，单台设备难以遍历整个厂区，为了提高定位的效率，可使用两套以上设备分区进行监测定位。
附图说明
图1为本发明的方法原理图；
图2为本发明的移动平台在X坐标轴和Y坐标轴正反方向各移动一个短距离的示意图；
图3为本发明的设备组成框图。
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。
本发明的一种主动搜索定位化学气体泄漏点的方法，搜索定位算法原理如下：
化学气体从泄漏点出来，并在空气中扩散，在泄漏点周围形成烟羽状浓度分布，如附图2所示。其主要特征如下：
1、在泄漏点附近浓度高，周边浓度逐次下降；
2、不同方向浓度下降速度不同，向下风方向下降较慢，顺风向形成一条浓度轴线；向侧风方向下降较快；向上风方向下降最快。
利用以上规律，设计如下搜索算法。
步骤1、在化工设施所在区域设置移动平台，移动平台上搭载气体浓度传感器；当传感器接收到泄漏气体，其浓度超过一定限值，即启动报警功能，并启动移动平台在周边主动搜索泄漏点；
步骤2、移动平台根据气象传感器获取的风向信息进行初步搜索，向上风方向移动一个短距离ΔL，并继续监测气体浓度，与上一个位置的监测浓度进行比较。如果浓度增大了，说明泄漏点在其上风方向，则继续沿同方向运动；如果浓度减小了，说明排放源在其下风方向，则停止运动，利用浓度的空间梯度作进一步搜索。短距离ΔL的选取根据实际需求确定，需要快速搜索泄漏点时，短距离ΔL设置的值可以较大，反之可以设置小值。
步骤3、在化工设施所在区域平面内任意设定一个二维平面直角坐标系，两个互相垂直的轴为X轴和Y轴；设移动平台当前位置为(x,y)；
步骤4、移动平台从当前位置分别沿X坐标轴和Y坐标轴正反方向各移动一个短距离(短距离越小，搜索精度越高，搜索速度越慢，反之亦然)，分别到达位置：(x+Δx,y)，(x-Δx,y)，(x,y+Δy)和(x,y-Δy)；并测量这4个点的浓度C(x+Δx)、C(x-Δx)、C(x,y+Δy)和C(x,y-Δy)，然后回到位置(x,y)，如附图3所示。
步骤5、计算浓度的空间导数：
步骤6、确定浓度的梯度向量g，它是由浓度的空间导数所组成：
步骤7、根据泄漏气体形成烟羽的分布规律，浓度越大的区域离泄漏点越近，移动平台从当前位置(x,y)出发，沿着梯度向量g的方向移动，因为梯度方向是浓度升高最快的方向，沿该方向可以尽快地接近泄漏点。移动过程中不断监测气体浓度，如附图2中所示；
步骤8、判断浓度是否持续增加：如果是，则继续沿同方向移动；如果传感器监测的气体浓度下降，则回到第4步，从当前位置重新确定搜索方向；
步骤9、如果当前位置附近的4个点监测浓度非常接近，其相对差值小于一个给定的正数，|Ci-C|/C<ε,i＝1,2,3,4，则判断已经达到泄漏位置附近，搜索停止。
(二)疑难反馈机制
当搜索过程遇到上述算法所没有包括的情况，则启动搜索疑难反馈单元，向监控室的工作人员反馈，在工作人员指令下进行调整，以开始新的搜索工作。疑难反馈模块记录了移动平台的轨迹及传感模块在对应位置的监测浓度，发送到监控室平台并显示在地图上。
主要可能遇到的情况如下：
1、遇到运动方向前方有障碍物，为了安全原因而减速停车。此时监控室人员通过监控视频、移动平台定位信息和厂区地图，根据移动平台的当前位置，判断其前方障碍物是否疑似泄漏点所在的化工设施：如是，则遥控移动平台在附近监测，逼近泄漏点。如果判断不是，则遥控移动平台离开障碍物，重新启动搜索流程。
2、根据浓度梯度信息找到浓度高值区，通过地图比对，该处却不存在可能泄漏的化工设施。可能原因是因为泄漏点不止一处，两片烟羽在此处叠加，因而形成局部的浓度高值区。此时监控室人员通过监控视频、移动平台定位信息和厂区地图，分析移动平台的轨迹及传感模块在不同位置的监测浓度分布，判断是否可能有多处泄漏点：如判断存在多处泄漏点可能性，则遥控移动平台沿风向的垂直方向移动，重新启动搜索流程。
本发明的一种主动搜索定位化学气体泄漏点的设备，由传感搜索定位模块和移动平台组成，如附图1所示。传感搜索定位模块包括气体浓度传感器、气象要素传感器、搜索策略计算单元、搜索疑难反馈单元。气体浓度传感器可实时获取特定化学气体的浓度，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，并启动主动式搜索，定位泄漏点。传感搜索定位模块安置在移动平台上，与移动平台同步运动。移动平台装置了万向轮，可以在设定区域水平面内灵活向各个方向运动，并配备运动检测和位置检测仪器，能够实时确定自身的位置和运动方向。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，在移动平台上安装感应雷达，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。搜索策略计算单元带有地图数据，该地图数据包括厂区建筑物和化工设施的布局和几何尺寸和储存化学物质信息等，记录移动平台运动轨迹和对应位置的传感器监测浓度数据，并以无线通信方式持续向监控平台发位置坐标和对应时间、监测气体浓度数据和气象数据信息，在监控平台地图上实时显示。搜索策略计算单元启动搜索算法，利用气体泄漏烟羽分布规律，结合风向和浓度梯度确定搜索方向，驱动移动平台向泄漏点方向移动，对泄漏点进行定位。当搜索过程遇到疑难，则启动搜索疑难反馈单元，向监控平台发送相应的信息，请求人工干预搜索过程。该方法为设备可为化学泄漏风险排查和事故应急提供决策支持工具。
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 (8)
1.一种主动搜索定位化学气体泄漏点的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、在化工设施所在区域设置移动平台，移动平台上搭载气体浓度传感器；气体浓度传感器实时检测气体浓度，当浓度超过设定限值，开始执行步骤2；
步骤2、移动平台向上风方向移动一个设定距离，并继续监测气体浓度，与上一个位置的监测浓度进行比较：如果浓度增大，移动平台继续沿同方向运动；如果浓度减小，则停止运动，执行步骤3；
步骤3、在化工设施所在区域平面内任意设定一个二维平面直角坐标系，两个互相垂直的轴为X轴和Y轴；设移动平台当前位置为(x,y)；
步骤4、移动平台从当前位置分别沿X坐标轴和Y坐标轴正反方向各移动一个设定距离，设分别到达位置：(x+Δx,y)，(x-Δx,y)，(x,y+Δy)和(x,y-Δy)；并测量这4个位置的气体浓度C(x+Δx)、C(x-Δx)、C(x,y+Δy)和C(x,y-Δy)，然后回到位置(x,y)；
步骤5、计算浓度的空间导数：
步骤6、确定浓度的梯度向量g：
步骤7、控制移动平台从当前位置(x,y)出发，沿着梯度向量g的方向移动，并持续不断监测气体浓度；
步骤8、判断气体浓度是否持续增加：如果是，则继续沿同方向移动；如果气体浓度下降，则返回执行步骤4；
其中，如果当前位置的X坐标轴和Y坐标轴正反方向的设定距离处的浓度相对差值小于设定值时，停止搜索，移动平台到达泄漏位置附近。
2.如权利要求1所述的一种主动搜索定位化学气体泄漏点的方法，其特征在于，当移动平台遇到运动方向前方有障碍物，控制移动平台减速运动或者停车。
3.如权利要求2所述的一种主动搜索定位化学气体泄漏点的方法，其特征在于，监控室人员根据移动平台的当前位置，判断其前方障碍物是否疑似泄漏点所在的化工设施：如是，则遥控移动平台在附近监测，逼近泄漏点；如果判断不是，则遥控移动平台离开障碍物，重新启动搜索流程。
4.如权利要求1所述的一种主动搜索定位化学气体泄漏点的方法，其特征在于，如判断存在多处泄漏点可能性，则遥控移动平台沿风向的垂直方向移动，重新启动搜索流程。
5.一种主动搜索定位化学气体泄漏点的设备，其特征在于，包括传感搜索定位模块和移动平台；
所述传感搜索定位模块包括气体浓度传感器、气象要素传感器、搜索策略计算单元；
气体浓度传感器用于实时获取化学气体的浓度；所述气象要素传感器用于实时获取风向和风速；
搜索策略计算单元用于控制移动平台移动，搜索泄漏点，具体步骤为：
步骤1、当气体浓度传感器实时检测的气体浓度超过设定限值，开始执行步骤2；
步骤2、控制移动平台向上风方向移动一个设定距离，并继续监测气体浓度，与上一个位置的监测浓度进行比较：如果浓度增大，移动平台继续沿同方向运动；如果浓度减小，则停止运动，执行步骤3；
步骤3、在化工设施所在区域平面内任意设定一个二维平面直角坐标系，两个互相垂直的轴为X轴和Y轴；设移动平台当前位置为(x,y)；
步骤4、控制移动平台从当前位置分别沿X坐标轴和Y坐标轴正反方向各移动一个设定距离，分别到达位置：(x+Δx,y)，(x-Δx,y)，(x,y+Δy)和(x,y-Δy)；并测量这4个位置的气体浓度C(x+Δx)、C(x-Δx)、C(x,y+Δy)和C(x,y-Δy)，然后回到位置(x,y)；
步骤5、计算浓度的空间导数：
步骤6、确定浓度的梯度向量g：
步骤7、控制移动平台从当前位置(x,y)出发，沿着梯度向量g的方向移动，并持续不断监测气体浓度；
步骤8、判断气体浓度是否持续增加：如果是，则继续沿同方向移动；如果气体浓度下降，则返回执行步骤4；
其中，如果当前位置的X坐标轴和Y坐标轴正反方向的设定距离处的浓度相对差值小于设定值时，停止搜索，移动平台到达泄漏位置附近。
6.如权利要求5所述的一种主动搜索定位化学气体泄漏点的设备，其特征在于，所述移动平台上安装感应雷达，当感应到前进方向有障碍物，搜索策略计算单元控制移动平台减速或者停车。
7.如权利要求5所述的一种主动搜索定位化学气体泄漏点的设备，其特征在于，搜索策略计算单元带有地图数据，该地图数据包括厂区建筑物和化工设施的布局和几何尺寸和储存化学物质信息等，记录移动平台运动轨迹和对应位置的传感器监测浓度数据，并以无线通信方式持续向监控平台发位置坐标和对应时间、监测气体浓度数据和气象数据信息，在监控平台地图上实时显示。
8.如权利要求5所述的一种主动搜索定位化学气体泄漏点的设备，其特征在于，还包括搜索疑难反馈单元；当搜索过程遇到疑难，则搜索疑难反馈单元向监控平台发送相应的信息，请求人工干预搜索过程。
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