CN115144548A - 有害气体成分实时监测系统及其监测方法 - Google Patents

有害气体成分实时监测系统及其监测方法 Download PDF

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CN115144548A CN202211050635.3A CN202211050635A CN115144548A CN 115144548 A CN115144548 A CN 115144548A CN 202211050635 A CN202211050635 A CN 202211050635A CN 115144548 A CN115144548 A CN 115144548A
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Abstract

本发明提出了有害气体成分实时监测系统及其监测方法，获取待监测区域内的多个监测点收集的监测数据，生成以待监测位置为中心的网格图；将监测数据映射到所述网格图上，通过对映射了监测数据后的网格图中的单元网格进行重新数据分配，来生成新的映射数据的网格图；提取和分类来自多个空气质量监测点的有害气体数据和来自多个气象监测点的天气数据，判定有害气体数据和天气数据的等级隶属度；根据数据处理单元判定的有害气体数据和天气数据的等级隶属度，为待监测区域内每个单元网格标注有害气体浓度等级值和天气气体扩散等级值，判定每个单元网格的综合危险等级，绘制待监测区域内的综合危险等值线。

Description

有害气体成分实时监测系统及其监测方法
技术领域
本发明涉及环境有害气体监测领域，具体涉及有害气体成分实时监测系统及其监测方法。
背景技术
数据融合技术正处于不断变化和发展过程中，其研究和应用还处于初级阶段，还有很多问题需要解决。首先，该技术还没有找到统一的融合理论和有效的广义融合模型及算法，其次，还没有解决融合系统中容错性和鲁棒性的问题，针对数据融合中数据关联二义性问题，目前还没有找到解决该问题的方法。但是，随着现代科技的发展及一些关键问题的解决，多传感器数据融合一定会成为未来复杂工业系统数据处理与智能检测的重要技术，其应用领域必将不断扩大。
传感器数据融合在信息领域的研究前景非常广阔。由于单一的数据融合算法具有一定的局限性，为进一步提高融合系统的性能，将2种或2种以上的数据融合算法有机结合起来进行优势集成将成为数据融合领域未来的研究热点。
多传感器数据融合技术的特点是它依靠某种准则对不同时间和空间的数据进行分析综合，获得比单一传感器更准确的类别或状态检测。由于该技术的精确度高，抗干扰能力强，多传感器数据融合技术在很多领域已经得到了广泛的应用。把融合技术应用到气体检测系统中，对于同类传感器来说，多传感器数据融合不仅可以获得更加准确全面的信息，还能克服因信息的冗余性造成输出结果不确定性的缺点，提高置信度。对于异质传感器而言，数据融合技术可以对不同传感器测得的数据进行互补，互补的信息不仅可以补偿单个传感器测量的不确定性并且还能解决测量范围局限性的问题，多传感器数据融合技术的应用对增加系统的可靠性也起到了很大的帮助，如当某个或某几个传感器出现故障或失效时，系统仍可正常工作。
现有技术中，例如专利文献CN111915069A，公开了一种基于深度学习的轻量级有毒有害气体分布的检测方法，通过对待测现场的地貌环境参数和有毒有害气体参数进行采集、关键特征构建、数据进行预处理、离线训练、模型量化训练、归一化指数回归及预测出污染现场地貌和有毒有害气体立体分布结果，从而确定危险等级，预测的结果发送至云服务器平台，将污染现场有毒有害气体立体分布情况和危险等级结果进行反馈。该技术方案是一种综合智能传感、物联网、深度学习技术的检测方法，对现场进行准确完善的危险态势评估，但是需要建立庞大的训练数据库，不能实时给出监测结果。
再例如专利文献CN109118740A，公开了一种专用于消防部队灭火救援现场的有毒有害气体监测系统及数据传输处理方法，由位于消防移动通信指挥中心的LoRa现场基站、现场监测数据接收单元、数据分析决策单元、现场消防通信指挥系统、消防350M集群通信系统；位于消防部队灭火救援现场的多个有毒有害气体监测终端和现场LoRa无线局域网构成；通过有毒有害气体监测终端在灾害事故现场实时采集现场有毒有害气体数据，通过现场LoRa专用通信网络将数据传输到现场消防移动通信指挥中心。但是该技术方案中的传感器种类单一，获得的信息综合性较差。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提出了一种有害气体成分实时监测方法，包括如下步骤：
S1、获取待监测区域内的多个监测点收集的监测数据，所述监测数据包括有害气体数据和天气数据；
S2、生成以待监测位置为中心的网格图，
S3、将所述监测数据映射到所述网格图上，通过对网格图中的单元网格重新进行数据分配，来生成新的映射了数据的网格图；
S4、提取和分类来自多个空气质量监测点的有害气体数据和来自多个气象监测点的天气数据，判定有害气体数据和天气数据的等级隶属度；
S5、根据数据处理单元判定的有害气体数据和天气数据的等级隶属度，为待监测区域内每个单元网格标注有害气体浓度等级值和天气气体扩散等级值，判定每个单元网格的综合危险等级，绘制待监测区域内的综合危险等值线。
进一步地，所述步骤S3具体包括：
S31、确定网格图中覆盖有气象监测点或空气质量监测点的单元网格，定义不包含气象监测点或空气质量监测点的单元网格为空白单元网格；
S32、从位于单元网格内的气象监测点或空气质量监测点收集有害气体数据或天气数据；
S33、获取来自该空白单元网格周边多个单元网格的气象监测点或空气质量监测点的监测数据，使用权重插值法为所述空白单元网格赋予空缺的有害气体数据或天气数据。
进一步地，权重插值法的公式为：
Figure 236019DEST_PATH_IMAGE001
；
式中，Z(S0)为空白单元网格S0处的插值预测值；N为计算过程中要使用的空白单元网格周边多个单元网格的数量；
Figure 589378DEST_PATH_IMAGE002
为计算过程中使用的N个单元网格的权重；Z(Si)是在周边的单元网格Si处获得的监测数据；
确定权重的计算公式为：
Figure 837957DEST_PATH_IMAGE003
；
Figure 436428DEST_PATH_IMAGE004
；
式中，P为指数值；
Figure 188484DEST_PATH_IMAGE005
是空白单元网格S0与周边各单元网格Si之间的距离。
进一步地，所述步骤S4具体包括：
构造隶属度函数
Figure 214208DEST_PATH_IMAGE006
：
Figure 183039DEST_PATH_IMAGE007
；
其中，i=1,2,...,n；i为第i个空气质量监测点或第i个气象监测点；j=1，2……，m；j代表有害气体的等级或气体扩散等级；
Figure 585202DEST_PATH_IMAGE008
为第i个空气质量监测点或第i个气象监测点的监测数据；
Figure 457343DEST_PATH_IMAGE009
为等级为j的有害气体或气体扩散的标准特征参数；
Figure 653969DEST_PATH_IMAGE010
为等级为j的有害气体或气体扩散的标准特征参数的最大标准偏差；
假设
Figure 611561DEST_PATH_IMAGE011
为第i个空气质量监测点或第i个气象监测点的权重，
Figure 44511DEST_PATH_IMAGE012
；
则待监测区域的有害气体或气体扩散的模糊隶属度
Figure 771158DEST_PATH_IMAGE013
定义为：
Figure 404265DEST_PATH_IMAGE014
。
本发明还提出了一种有害气体成分实时监测系统，用于实现上述的有害气体成分实时监测方法，包括：
多个监测点、数据获取单元、网格构建单元、映射单元、数据处理单元和预警单元；
所述多个监测点包括多个空气质量监测点和气象监测点，
所述数据获取单元用于获取待监测区域内的多个监测点收集的监测数据，所述监测数据包括有害气体数据和天气数据；
所述网格构建单元用于生成以待监测位置为中心的网格图，
所述映射单元，用于将气象监测点监测的天气数据和空气质量监测点监测的有害气体数据映射到网格图上，对网格图中的单元网格重新进行数据分配，来生成新的映射了数据的网格图；
所述数据处理单元，用于提取和分类来自多个空气质量监测点的有害气体数据和来自多个气象监测点的天气数据，判定有害气体数据和天气数据的等级隶属度；
所述预警单元，根据数据处理单元判定的有害气体数据和天气数据的等级隶属度，为待监测区域内每个单元网格标注有害气体浓度等级值和天气气体扩散等级值，判定每个单元网格的综合危险等级，绘制待监测区域内的综合危险等值线。
相比于现有技术，本发明具有如下有益技术效果：
以待监测位置为中心构建网格图；将监测数据映射到网格图上，通过对映射了监测数据后的网格图中的单元网格进行重新数据分配，来生成新的映射数据的网格图；使用插值方法将有害气体数据和天气数据分配给空白单元网格，实现了数据分析的均匀和便捷性。提取和分类来自多个空气质量监测点的有害气体数据和来自多个气象监测点的天气数据，判定有害气体数据和天气数据的等级隶属度；将隶属度值作为基本可信任分配函数值，把基本可信任分配函数值作为一个数据体，根据数据合成公式将不同的数据体融合为一个新的数据体。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
附图1为本发明的有害气体成分实时监测系统的结构示意图；
附图2为本发明的网格图中每个单元网格所覆盖的监测点情况；
附图3为本发明的有害气体成分实时监测方法的流程图；
附图4为对单元网格进行重新数据分配的流程图。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
在本发明的具体实施例附图中，为了更好、更清楚的描述系统中的各元件的工作原理，表现所述装置中各部分的连接关系，只是明显区分了各元件之间的相对位置关系，并不能构成对元件或结构内的信号传输方向、连接顺序及各部分结构大小、尺寸、形状的限定。
如图1所示，为本发明的有害气体成分实时监测系统的结构示意图，该监测系统包括：多个监测点、数据获取单元、网格构建单元、映射单元、数据处理单元和预警单元；多个监测点包括多个空气质量监测点和气象监测点。
数据获取单元用于获取待监测区域内的多个监测点收集的监测数据，所述监测数据在预定时间段内收集，其中所述监测数据包括所述待监测区域的有害气体数据和天气数据。
网格构建单元用于生成以待监测位置为中心的网格图。
映射单元，用于将气象监测点监测的天气数据和空气质量监测点监测的有害气体数据映射到网格图上，对网格图中的单元网格重新进行数据分配，来生成新的映射了数据的网格图。
确定新的映射了数据的网格图中覆盖有气象监测点或空气质量监测点的单元网格。
对于覆盖有气象监测点或空气质量监测点的单元网格，从位于单元网格内的气象监测点或空气质量监测点收集天气数据或有害气体数据。需要强调的是，并不是每个单元网格内都覆盖有气象监测点或空气质量监测点，定义不包含气象监测点或空气质量监测点的单元网格为空白单元网格，为了数据分析的均匀和便捷性，本发明使用插值方法将有害气体数据和天气数据分配给空白单元网格，如图2所示，为采用插值方法前的网格图中每个单元网格所覆盖的监测点情况，覆盖有空气质量监测点的标记1，覆盖有气象监测点的标记2。
对于不包含气象监测点或不包含空气质量监测点的空白单元网格，获取来自该空白单元网格周边多个单元网格的气象监测点或空气质量监测点的监测数据。采用权重插值法，根据周边多个单元网格的气象监测点的监测数据，估计空白单元网格的气象数据以及根据周边多个单元网格的空气质量监测点的监测数据，估计空白单元网格的有害气体数据。
权重插值法是基于相似相近的原理，即：2个区域离得越近，它们的性质就越相似，反之，2个区域离得越远，相似性越小。权重插值法以插值点与样本点间的距离为权重进行加权平均，离插值点越近的样本点赋予的权重越大，离插值点越远的样本点赋予的权重越小。
权重插值法的公式为：
Figure 849153DEST_PATH_IMAGE001
；
式中，Z(S0)为空白单元网格S0处的插值预测值；N为计算过程中要使用的空白单元网格周边多个单元网格的数量；
Figure 327538DEST_PATH_IMAGE002
为计算过程中使用的N个单元网格的权重；Z(Si)是在周边的单元网格Si处获得的真实值。
确定权重的计算公式为：
Figure 174272DEST_PATH_IMAGE003
；
Figure 211236DEST_PATH_IMAGE004
；
式中，P为指数值；
Figure 143420DEST_PATH_IMAGE005
是空白单元网格S0与周边各单元网格Si之间的距离。利用权重法进行插值时，周边多个单元网格应尽可能均匀分布，且布满整个插值区域。
数据处理单元用于提取和分类来自多个空气质量监测点的有害气体数据和来自多个气象监测点的天气数据。
提取和分类来自多个空气质量监测点的有害气体数据的具体方法如下：
首先，确定待监测位置的周围区域，确定该周围区域覆盖的网格图。
其次，提取数据。对待监测位置的周围区域覆盖的网格图内的多个空气质量监测点的多组有害气体数据进行预处理，每个空气质量监测点提供一组有害气体数据。
然后，对预处理后的数据进行分类。确认该多组数据的隶属度值m1,m2,…，m3，将隶属度值作为基本可信任分配函数值，把基本可信任分配函数值作为一个数据体，根据数据合成公式将不同的数据体融合为一个新的数据体。
本实施例选择了8种有害气体等级作为隶属度函数判断标准，相应的空气质量监测数据的数目为n。
为了确定各空气质量监测点所监测的有害气体数据相对于有害气体级别的隶属度函数形式，首先构造隶属度函数。
定义隶属度函数为：
Figure 425496DEST_PATH_IMAGE006
；
其中，i=1，2，...，n；n为空气质量监测点的数目；j=1，2……，8；j代表有害气体的等级。
使用高斯型的隶属度函数来计算有害气体中不同等级对应的隶属度值，隶属度函数的表达式为：
Figure 126736DEST_PATH_IMAGE015
；
式中，
Figure 101645DEST_PATH_IMAGE008
为第i个空气质量监测点的测量参数；
Figure 754081DEST_PATH_IMAGE009
为第j级有害气体的标准特征参数；
Figure 839849DEST_PATH_IMAGE010
为第j级有害气体的标准特征参数的最大标准偏差。
利用上述公式计算空气质量监测点的测量参数的隶属度函数。计算空气质量监测点的监测数据对应各种有害气体类别的隶属度值之后，假设
Figure 395595DEST_PATH_IMAGE011
为第i个空气质量监测点的权重，
Figure 806985DEST_PATH_IMAGE012
，则待监测区域的模糊隶属度
Figure 448182DEST_PATH_IMAGE013
可定义为：
Figure 72061DEST_PATH_IMAGE014
。
Figure 246428DEST_PATH_IMAGE013
表示待监测区域所有空气质量监测点i测得的有害气体综合评定为某一类有害气体发生的可能性。
气象监测点的监测数据主要为监测的风速和风向。把大气对有害气体的气体扩散用A,B,C,D,E,F六个等级表示。
本实施例选择待监测区域的多个气象监测数据作为融合输入，监测数据数目为N。
提取和分类多个气象监测数据，仍然采用隶属度函数形式，构造隶属度函数，测量气象监测数据的隶属度函数，计算气象监测数据对应各种气体扩散等级的隶属度值之后，计算待监测区域的气体扩散等级模糊隶属度，综合评定待监测区域的气体扩散为某一等级气体扩散的可能性，具体计算过程与前面的有害气体中不同类别的隶属度计算方法基本相同，不同的只是气体扩散等级为6，而有害气体等级为8，因此，隶属度函数的表达式为：
Figure 563140DEST_PATH_IMAGE016
；
假设
Figure 691633DEST_PATH_IMAGE011
为第i个气象监测点的权重，
Figure 119204DEST_PATH_IMAGE012
，则待监测区域气体扩散的模糊隶属度
Figure 383963DEST_PATH_IMAGE013
可定义为：
Figure 375970DEST_PATH_IMAGE014
。
预警模块，根据所述数据处理单元计算的隶属度，判定的每个单元网格的有害气体数据和天气数据的等级隶属度，为待监测区域内每个单元网格标注有害气体浓度等级值和天气气体扩散等级值；根据所述数据处理单元计算的模糊隶属度，判定待监测区域的综合危险等级，绘制待监测区域内的综合危险等值线。
在另一优选实施例中，预警模块根据数据处理单元给出的每个单元网格的有害气体浓度等级分布结果，为待监测区域内每个单元网格标注有害气体浓度等级值，按照不同有害气体浓度等级值为每个单元网格填充颜色，从深色到浅色分别代表有害气体浓度等级值从高到低；根据数据处理单元给出的每个单元网格的气体扩散等级分布结果，为每个单元网格标注扩散危险等级，按照不同扩散危险等级值为每个单元网格填充颜色，从深色到浅色分别代表有害气体浓度等级值从高到低；寻找颜色重叠区域，并根据重叠区域的颜色的深浅给出该单元网格的综合危险等级，同时未被颜色覆盖的区域则为安全区域，按照重叠颜色从深到浅，标注逃离路线。
本发明还提出了一种有害气体成分实时监测方法，如图3所示，为本发明的有害气体成分实时监测方法的流程图，包括如下步骤：
S1、获取待监测区域内的多个监测点收集的监测数据，所述监测数据包括有害气体数据和天气数据；
S2、生成以待监测位置为中心的网格图，
S3、将所述监测数据映射到所述网格图上，通过对网格图中的单元网格重新进行数据分配，来生成新的映射了数据的网格图；如图4所示，为步骤S3的具体步骤，包括：
S31、确定网格图中覆盖有气象监测点或空气质量监测点的单元网格，定义不包含气象监测点或空气质量监测点的单元网格为空白单元网格；
S32、从位于单元网格内的气象监测点或空气质量监测点收集有害气体数据或天气数据；
S33、获取来自该空白单元网格周边多个单元网格的气象监测点或空气质量监测点的监测数据，使用权重插值法为所述空白单元网格赋予空缺的有害气体数据或天气数据。
S4、提取和分类来自多个空气质量监测点的有害气体数据和来自多个气象监测点的天气数据，判定有害气体数据和天气数据的等级隶属度；
S5、根据数据处理单元判定的有害气体数据和天气数据的等级隶属度，为待监测区域内每个单元网格标注有害气体浓度等级值和天气气体扩散等级值，判定每个单元网格的综合危险等级，绘制待监测区域内的综合危险等值线。
在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用软件实现时，可以全部或部分地以计算机程序产品的形式实现。所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载和执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本申请实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者通过所述计算机可读存储介质进行传输。所述计算机可读存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，DVD)、或者半导体介质(例如，固态硬盘(solid state disk，SSD))等。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种有害气体成分实时监测方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、获取待监测区域内的多个监测点收集的监测数据，所述监测数据包括有害气体数据和天气数据；
S2、生成以待监测位置为中心的网格图，
S3、将所述监测数据映射到所述网格图上，通过对网格图中的单元网格重新进行数据分配，来生成新的映射了数据的网格图；
S4、提取和分类来自多个空气质量监测点的有害气体数据和来自多个气象监测点的天气数据，判定有害气体数据和天气数据的等级隶属度；
S5、根据判定的有害气体数据和天气数据的等级隶属度，为待监测区域内每个单元网格标注有害气体浓度等级值和天气气体扩散等级值，判定每个单元网格的综合危险等级，绘制待监测区域内的综合危险等值线。
2.根据权利要求1所述的有害气体成分实时监测方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括：
S31、确定网格图中覆盖有气象监测点或空气质量监测点的单元网格，定义不包含气象监测点或空气质量监测点的单元网格为空白单元网格；
S32、从位于单元网格内的气象监测点或空气质量监测点收集有害气体数据或天气数据；
S33、获取来自所述空白单元网格周边多个单元网格的气象监测点或空气质量监测点的监测数据，使用权重插值法为所述空白单元网格赋予空缺的有害气体数据或天气数据。
3.根据权利要求2所述的有害气体成分实时监测方法，其特征在于，权重插值法的公式为：
Figure 496182DEST_PATH_IMAGE001
；
式中，Z(S0)为空白单元网格S0处的插值预测值；N为计算过程中要使用的空白单元网格周边多个单元网格的数量；
Figure 578102DEST_PATH_IMAGE002
为计算过程中使用的N个单元网格的权重；Z(Si)是在周边的单元网格Si处获得的监测数据；
确定权重的计算公式为：
Figure 295522DEST_PATH_IMAGE003
；
Figure 628414DEST_PATH_IMAGE004
；
式中，P为指数值；
Figure 177207DEST_PATH_IMAGE005
是空白单元网格S0与周边各单元网格Si之间的距离。
4.根据权利要求1所述的有害气体成分实时监测方法，其特征在于，所述步骤S4具体包括：
构造隶属度函数
Figure 937353DEST_PATH_IMAGE006
：
Figure 640605DEST_PATH_IMAGE007
；
其中，i=1,2,...,n；i为第i个空气质量监测点或第i个气象监测点；j=1，2……，m；j代表有害气体的等级或气体扩散等级；
Figure 777188DEST_PATH_IMAGE008
为第i个空气质量监测点或第i个气象监测点的监测数据；
Figure 118170DEST_PATH_IMAGE009
为等级为j的有害气体或气体扩散的标准特征参数；
Figure 845955DEST_PATH_IMAGE010
为等级为j的有害气体或气体扩散的标准特征参数的最大标准偏差；
假设
Figure 770923DEST_PATH_IMAGE011
为第i个空气质量监测点或第i个气象监测点的权重，
Figure 445618DEST_PATH_IMAGE012
；
则待监测区域的有害气体或气体扩散的模糊隶属度
Figure 703424DEST_PATH_IMAGE013
定义为：
Figure 805373DEST_PATH_IMAGE014
。
5.有害气体成分实时监测系统，用于实现如权利要求1-4任意一项所述的有害气体成分实时监测方法，其特征在于，包括：
多个监测点、数据获取单元、网格构建单元、映射单元、数据处理单元和预警单元；
所述多个监测点包括多个空气质量监测点和气象监测点，
所述数据获取单元用于获取待监测区域内的多个监测点收集的监测数据，所述监测数据包括有害气体数据和天气数据；
所述网格构建单元用于生成以待监测位置为中心的网格图，
所述映射单元，用于将气象监测点监测的天气数据和空气质量监测点监测的有害气体数据映射到网格图上，对网格图中的单元网格重新进行数据分配，来生成新的映射了数据的网格图；
所述数据处理单元，用于提取和分类来自多个空气质量监测点的有害气体数据和来自多个气象监测点的天气数据，判定有害气体数据和天气数据的等级隶属度；
所述预警单元，根据数据处理单元判定的有害气体数据和天气数据的等级隶属度，为待监测区域内每个单元网格标注有害气体浓度等级值和天气气体扩散等级值，判定每个单元网格的综合危险等级，绘制待监测区域内的综合危险等值线。
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