CN116539231A - 一种化工危险气体的远程监测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种化工危险气体的远程监测方法及系统，涉及工业安全生产监视领域。该远程监测方法通过在化工厂区中按阵列布置n个第二传感器，在气体储罐上布置第一传感器。第一传感器获取第一逸散浓度；第二传感器获取第二逸散浓度，并根据气体扩散模型唤醒m个第二传感器进入工作状态，获取第二逸散浓度，基于气体扩散模型选定逸散源。本发明的远程监测方法的第二传感器在未发生泄露的情况下处于休眠状态，且通过气体逸散路径在发生气体泄露的情况下唤醒部分第二传感器，有效减轻监测网络的能耗，并能够根据气体扩散模型选定气体逸散源。

Description

一种化工危险气体的远程监测方法及系统

技术领域

本发明涉及工业安全生产监视领域，尤其涉及一种化工危险气体的远程监测方法及系统。

背景技术

危险气体具有易燃、易爆、有毒等化学性质，化工生产需要避免危险气体的泄露。现有技术中，公开号CN109374589B中提供了一种采用荧光示踪剂的危险气体监测装置，通过在危险气体中注入荧光示踪剂的方式对危险气体进行监测，实现了危险气体的可视化监测管理。但该技术方案需要在危险气体中注入其他成分，会导致气体纯度有所下降，在部分化工厂区并不适用。此外，公开号CN109632891B提供了一种利用阵列第二传感器监测气体种类以及浓度的方法，通过第二传感器电阻值的变化判断环境中检测气体的浓度大小，并基于神经网络预测检测气体的泄露情况、气体种类。这些技术手段难以解决危险气体逸散的溯源问题，对于大规模危险气体存储条件下，泄露源的判断往往需要人工参与。而人员进入存储区域寻找泄露源需要承担较大的安全风险，该行为的安全性较低。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种化工危险气体的远程监测方法，通过传感系统布置以及有效的监测实现危险气体的溯源，完成化工生产中危险气体泄漏源的精准判断。具体来说，通过在气体储罐上布置第一传感器，当第一传感器监测到周边危险气体浓度超过阈值的情况下，则根据逸散特征调用路径上的第二传感器，第二传感器检测危险气体浓度，确定气体逸散源。进一步的，本发明还提供了一种用于实现所述化工危险气体的远程监测方法的监测系统。

本申请的发明目的可通过以下技术手段实现：

一种化工危险气体的远程监测方法，包括以下步骤：

步骤1：化工厂区内设有多个气体储罐，在多个气体储罐布置第一传感器，在化工厂区按阵列布置多个第二传感器，第一传感器处于工作状态，第二传感器处于休眠状态；

步骤2：一个监测周期开始后，第一传感器i获取化工厂区的第一逸散浓度K₁，并上传第一逸散浓度K₁至协调器；

步骤3：若第一逸散浓度K₁＞W_k，进入步骤4，反之，返回至步骤2，W_k为第一逸散浓度的阈值；

步骤4：协调器将第一逸散浓度发送至主控单元，主控单元根据多个第一逸散浓度预测气体逸散路径，并确定位于该气体逸散路径的m个第二传感器；

步骤5：多个第一传感器广播组网信号唤醒第二传感器，第二传感器与第一传感器组成动态监测网，该动态监测网包括至少一个协调器、m个第二传感器以及与m个第二传感器通信的n个第一传感器；

步骤6：第二传感器确定第一传感器的信号强度P以及环境中第二逸散浓度K₂，第二传感器经协调器将信号强度P与第二逸散浓度K₂发送至主控单元；

步骤7：主控单元根据多个第二逸散浓度K₂确定气体扩散模型，并根据多个信号强度P确定n个第一传感器的坐标；

步骤8：主控单元根据气体扩散模型预测位于逸散源的第一传感器j，该第一传感器j进入报警状态，m个第二传感器进入休眠状态。

在本发明中，步骤1中，将化工厂区划分为多个网格，在网格交叉点布置第二传感器，任意一第二传感器存储有一位置编码。

在本发明中，第一逸散浓度K₁为气体逸散后被第一传感器监测到的浓度值。

在本发明中，步骤4中，将气体逸散路径进行线性化处理，确定该气体逸散路径经过的m个第二传感器。

在本发明中，组网信号包含气体逸散路径上m个第二传感器的编号与关键帧， m个第二传感器接收组网信号后提取关键帧，并进入工作状态。

在本发明中，第二逸散浓度K₂为气体逸散至临界状态下，第二传感器能够采集到的浓度值。

在本发明中，气体扩散模型为：，其中，D为扩散系数，/>是拉普拉斯算子，t为时间。

在本发明中，根据任意第二传感器接收到的信号强度P确定该第二传感器与第一传感器的距离，根据至少三个第二传感器的坐标预测该第一传感器的坐标。

在本发明中，还包括步骤9，若i≠j，调整至少一个第一传感器的灵敏度。

一种实现所述化工危险气体的远程监测方法的远程监测系统，包括多个第一传感器、多个第二传感器、协调器以及主控单元，

第一传感器布置在气体储罐上，第一传感器具有工作状态和报警状态；

第二传感器按阵列布置在化工厂区，第二传感器具有工作状态和休眠状态；

协调器被配置为接收第一传感器的第一逸散浓度和第二传感器的第二逸散浓度；

主控单元被配置为将处于逸散源的第一传感器调整为报警状态，其中，

主控单元计算n个第一传感器的坐标，并根据气体扩散模型预测位于逸散源的第一传感器。

实施本发明的一种化工危险气体的远程监测方法及系统，其有益效果在于：本发明能够及时监测危险气体泄露，并且根据危险气体的逸散特征确定危险气体泄露源，避免人员检测危险气体泄露溯源，提升了危险气体仓储管理整体的安全性与可控性。此外，第二传感器在非必要时间段下能够处于休眠状态，从而有效减少长期仓储过程中频繁对第二传感器的维护与更换操作，减少安全浓度时第二传感器的频繁报警，相对而言更加符合实际应用场景，经济性、实用性更强。

附图说明

图1为本发明的化工危险气体的远程监测方法的流程图；

图2为本发明的化工厂区中第一传感器和第二传感器布置的示意图；

图3为本发明的带有第一传感器的气体储罐的示意图；

图4为具体环境中第二逸散浓度浓度随时间变化的曲线图；

图5为本发明的气体扩散范围覆盖第一传感器、第二传感器的示意图；

图6为本发明用于实现所述化工危险气体的远程监测方法的远程监测系统的硬件框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

本实施例所涉及的化工厂区为室内空间，根据气体扩散模型，该化工厂区为无风的环境，气体的逸散是均匀且有序的。危险气体为易燃、易爆或对人体存在健康危害的气体，例如是乙烷。乙烷作为常见的一类化工用品，属于易燃、易爆品类别，且工业需求量较大，大部分化工企业的生产都需要进行乙烷的仓储管理。为了判断危险气体在化工厂区仓储环境下的状态，通过布置第二传感器的方式进行危险气体泄露的监测。气体泄露后，化工厂区的危险气体逸散是均匀的，故这一状态可以被认为满足气体扩散模型，相关现有技术都可用于生成或计算某类气体的逸散特征。应当理解，本实施例中涉及的危险气体存储在气体储罐中，所述气体储罐为密闭且工作状态下不会同时出现多个气体泄露源。

实施例一

本实施例详述的一种化工危险气体的远程监测方法，参照图1，该远程监测方法包括以下步骤：

步骤1：化工厂区内设有多个气体储罐，在多个气体储罐布置第一传感器，在化工厂区按阵列布置多个第二传感器，第一传感器处于工作状态，第二传感器处于休眠状态。如图2，所述阵列布置通过将室内区域平均划分为多个网格，在网格线交叉点上布置第二传感器。任意一第二传感器存储有一位置编码，位置编码根据第二传感器的位置生成，用于提供计算气体扩散模型的数据。

步骤2：一个监测周期开始后，第一传感器i获取化工厂区的第一逸散浓度K₁，并上传第一逸散浓度K₁至协调器。在本实施例中，第一逸散浓度K₁为危险气体逸散后最先被监测到的浓度值，用于确定危险气体存在的区域范围，其为危险气体在空气中的有效成分浓度，例如170ppM。

步骤3：若第一逸散浓度K₁＞W_k，进入步骤4，反之，返回至步骤2，W_k为第一逸散浓度的阈值。在本实施例中，第一逸散浓度超过阈值，说明当前存在危险气体泄露的问题。阈值W_k根据危险气体种类确定，当危险气体是乙烷时， 阈值可以是125ppM，当危险气体是一氧化碳时，阈值可以是50ppM。

参照图3，当气体储罐A1出现泄露之后，其周边的气体储罐A2与气体储罐A3也会收集到第一逸散浓度，但在同一时间内，气体储罐A1获取的第一逸散浓度更高，速度更快。当气体储罐上的第一传感器监测到第一逸散浓度后，会上报一时间帧至主控单元，主控单元获取到任意一时间帧后，后续接收的时间帧标记为监测，并认为最先上报时间帧的气体储罐A1上的第一传感器为监测有效。

步骤4：协调器将第一逸散浓度发送至主控单元，主控单元根据多个第一逸散浓度预测气体逸散路径，并确定位于该气体逸散路径的m个第二传感器。逸散特征中包括气体逸散方向、沉降特征，基于逸散特征确定气体逸散路径，线性化处理所述气体逸散路径，确定该气体逸散路径经过的m个第二传感器。

步骤5：多个第一传感器广播组网信号唤醒第二传感器，第二传感器与第一传感器组成动态监测网，该动态监测网包括至少一个协调器、m个第二传感器以及与m个第二传感器通信的n个第一传感器。第一传感器与第二传感器，可以被理解为是无线传感器网络中的节点，兼顾有通信功能与监测功能。在本实施例中，组网信号包含气体逸散路径上m个第二传感器的编号与关键帧，组网信号广播发出后，m个第二传感器接收组网信号，提取关键帧，并进入工作状态，其他第二传感器忽略组网信号，保持休眠状态。第二传感器被唤醒后与周围的n个第一传感器通信，该n个第一传感器与被唤醒的m个第二传感器组成动态监测网。需要说明的是，化工厂区的第一传感器总数N≥n，与被唤醒的第二传感器距离较远的N-n个第一传感器远离气体逸散路径，无须测量该N-n个第一传感器的坐标。

步骤6：第二传感器确定第一传感器的信号强度P以及环境中第二逸散浓度K₂，第二传感器经协调器将信号强度P与第二逸散浓度K₂发送至主控单元。其中，第二逸散浓度K₂为危险气体逸散至临界状态下，m个第二传感器能够采集到的浓度值。为了提高测量的准确性，第二传感器可以具有更高的灵敏度和更低的响应值下限。参照图4，在一个采样周期内，任意一第二传感器均监测到第二逸散浓度降低的情况，且所述降低的情况变化幅度小于上一个采样周期内的变化幅度，则认为危险气体逸散进入至临界状态，所述临界状态为变化幅度小于上一个采样周期内的变化幅度的时间点。

可选的，在m个第二传感器监测到第二逸散浓度值达到峰值的情况下，主控单元选定m个第二传感器的边缘节点的邻居节点，发送一组网信号至所述邻居节点，邻居节点进入工作状态，在时刻t₀到时刻t₁，获取第二逸散浓度变化值△K，发送所述第二逸散浓度变化值△K到主控单元，当△K＞0时，则认为t₀时刻为临界状态的起始时刻。

步骤7：主控单元根据多个第二逸散浓度K₂确定气体扩散模型，并根据多个信号强度P确定n个第一传感器的坐标。气体扩散模型的边界所包含的区域内存在多个第二传感器与至少一个的第一传感器。因使用、搬运等原因，气体储罐的坐标可能发生变化，需要确定在当前监测周期内，可能被确定为逸散源的气体储罐的坐标。在本实施例中，根据任意第二传感器接收到的信号强度P确定该第二传感器与第一传感器的距离。根据三角定位法，根据至少三个第二传感器的坐标可以预测第一传感器的坐标。

步骤8：主控单元根据气体扩散模型预测位于逸散源的第一传感器j，该第一传感器j进入报警状态，m个第二传感器进入休眠状态。该第一传感器j对应的气体储罐可能发生泄漏。

步骤9：若i≠j，调整至少一个第一传感器的灵敏度。在理论上，首先测出危险气体的第一传感器i通常是逸散源。在实际使用环境中，因遮挡、缺电等原因，i≠j。作为进一步改进，若i≠j，调整第一传感器j的灵敏度，或者检查第一传感器j是否缺电或损坏。

实施例二

将化工厂区转换为二维平面，在该二维平面中第二传感器部署在有危险气体泄露的环境中，第二传感器获取环境中第二逸散浓度后发送至主控单元，主控单元根据多个第二逸散浓度K₂确定气体扩散模型。如图5所示，危险气体在密闭区域内扩散后，部分第一传感器和第二传感器在气体扩散范围内。其气体扩散模型在理想条件下描述为：，其中，/>是拉普拉斯算子，D为扩散系数，t为时间。不同危险气体的扩散系数不相同，本实施例进一步公开了采用迭代逼近算法计算扩散系数的方法。

步骤21：模型定义：生成气源参数，气源参数包括气源位置(x,y)、气源强度Q，气源参数表示为X=(Q,x,y)。生成一检验函数，检验函数的解集为f(X，D)=0时自变量的集合｛X，D｝。/>为第二逸散浓度预测值的生成函数。

步骤22：初始化：基于步骤21中设定的检验函数，代入初始扩散系数D₁、最大抽样次数M，生成初始目标函数f₁(X)。生成气源强度、气源位置构成气源参数，初始目标函数具有第一解集A。

步骤23：差值计算：执行一次随机抽样，为气源参数X赋一随机扰动项，得到第二解集B。基于第二解集B计算目标函数f₂(X)，比较目标函数的增量△f= f₂(X)-f₁(X)。若exp(-△f/T)＜g，保存第二解集B，否则保存第一解集A。T为迭代精度。g为迭代幅值，g取值在[0,1]之间。

步骤24：迭代：若抽样次数小于M，重复步骤23，否则将最终解集的扩散系数作为扩散系数的最终估计值。

应当理解，本实施例所述的估计方法并未构建危险气体的三维空间模型，若需要提高溯源的精度，可考虑采用例如贝叶斯滤波与卡尔曼滤波的算法进行计算。当其他解决方案可适用的情况下，等效适用于本发明。

实施例三

本实施例进一步公开了基于逸散特征确定气体逸散路径的方法。逸散特征在密闭无风区域内可以用高斯烟羽模型进行描述，高斯烟羽模型是描述气体传输和扩散的数学模型，通常用于预测大气中气体的浓度分布。该模型假设气体在水平方向的扩散服从高斯分布，垂直方向的扩散服从指数分布。

与实施例二不同，本实施例采用了更一般的空间坐标系。基于高斯烟羽模型生成的逸散特征满足：。其中，c(x,y,z)为位置(x,y,z)的气体浓度，/>为方向x上的扩散参数，/>为方向y上的扩散参数，/>为方向z上的扩散参数，t为时间。Q为气源强度，H为气源高度。u为气压影响系数。气源高度可以简化表示为化工厂区的海拔，低空环境下的气压影响系数可以设为0.8至1。

由此，根据气源强度、气源高度以及气压影响系数，可以预测任意时刻危险气体经过的空间坐标（x,y,z），从而绘制气体逸散路径，唤醒位于气体逸散路径的第二传感器。

实施例四

参照图6，本实施例详述一种化工危险气体的远程监测方法的远程监测系统。该远程监测系统包括多个第一传感器、多个第二传感器、协调器以及主控单元。第一传感器布置在气体储罐上，第一传感器具有工作状态和报警状态。第二传感器按阵列布置在化工厂区，第二传感器具有工作状态和休眠状态。协调器被配置为接收第一传感器的第一逸散浓度和第二传感器的第二逸散浓度。主控单元被配置为将处于逸散源的第一传感器调整为报警状态。主控单元确定气体扩散模型和n个第一传感器的坐标，根据气体扩散模型预测位于逸散源的第一传感器。本发明能够及时监测危险气体泄露，并且根据危险气体的逸散特征确定危险气体泄露源，避免人员检测危险气体泄露溯源。

远程监测系统的第一传感器总数N≥n，第二传感器总数M≥m。本发明根据m个第二传感器的有效通信半径确定n个第一传感器，逸散源是该n个第一传感器中的一个。处于有效通信半径外的N-n个第一传感器远离泄漏区域。虽然，N-n个第一传感器处于工作状态，但是由于远离泄漏区域，不参与动态监测网的组建。第二传感器在非必要时间段下能够处于休眠状态，从而有效减少长期仓储过程中频繁对第二传感器的维护与更换操作，减少安全浓度时第二传感器的频繁报警，相对而言更加符合实际应用场景。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改，等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种化工危险气体的远程监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：化工厂区内设有多个气体储罐，在多个气体储罐布置第一传感器，在化工厂区按阵列布置多个第二传感器，第一传感器处于工作状态，第二传感器处于休眠状态；

步骤2：一个监测周期开始后，第一传感器i获取化工厂区的第一逸散浓度K₁，并上传第一逸散浓度K₁至协调器；

步骤3：若第一逸散浓度K₁＞W_k，进入步骤4，反之，返回至步骤2，W_k为第一逸散浓度的阈值；

步骤4：协调器将第一逸散浓度发送至主控单元，主控单元根据多个第一逸散浓度预测气体逸散路径，并确定位于该气体逸散路径的m个第二传感器；

步骤5：多个第一传感器广播组网信号唤醒第二传感器，第二传感器与第一传感器组成动态监测网，该动态监测网包括至少一个协调器、m个第二传感器以及与m个第二传感器通信的n个第一传感器；

步骤6：第二传感器确定第一传感器的信号强度P以及环境中第二逸散浓度K₂，第二传感器经协调器将信号强度P与第二逸散浓度K₂发送至主控单元；

步骤7：主控单元根据多个第二逸散浓度K₂确定气体扩散模型，并根据多个信号强度P确定n个第一传感器的坐标；

步骤8：主控单元根据气体扩散模型预测位于逸散源的第一传感器j，该第一传感器j进入报警状态，m个第二传感器进入休眠状态。

2.根据权利要求1所述的化工危险气体的远程监测方法，其特征在于，步骤1中，将化工厂区划分为多个网格，在网格交叉点布置第二传感器，任意一第二传感器存储有一位置编码。

3.根据权利要求1所述的化工危险气体的远程监测方法，其特征在于，第一逸散浓度K₁为气体逸散后被第一传感器监测到的浓度值。

4.根据权利要求1所述的化工危险气体的远程监测方法，其特征在于，步骤4中，将气体逸散路径进行线性化处理，确定该气体逸散路径经过的m个第二传感器。

5. 根据权利要求1所述的化工危险气体的远程监测方法，其特征在于，组网信号包含气体逸散路径上m个第二传感器的编号与关键帧， m个第二传感器接收组网信号后提取关键帧，并进入工作状态。

6.根据权利要求1所述的化工危险气体的远程监测方法，其特征在于，第二逸散浓度K₂为气体逸散至临界状态下，第二传感器能够采集到的浓度值。

7.根据权利要求1所述的化工危险气体的远程监测方法，其特征在于，气体扩散模型为：，其中，D为扩散系数，/>是拉普拉斯算子，t为时间。

8.根据权利要求1所述的化工危险气体的远程监测方法，其特征在于，根据任意第二传感器接收到的信号强度P确定该第二传感器与第一传感器的距离，根据至少三个第二传感器的坐标预测该第一传感器的坐标。

9.根据权利要求1所述的化工危险气体的远程监测方法，其特征在于，还包括步骤9，若i≠j，调整至少一个第一传感器的灵敏度。

10.一种用于实现根据权利要求1所述的化工危险气体的远程监测方法的远程监测系统，其特征在于，包括多个第一传感器、多个第二传感器、协调器以及主控单元，

第一传感器布置在气体储罐上，第一传感器具有工作状态和报警状态；

第二传感器按阵列布置在化工厂区，第二传感器具有工作状态和休眠状态；

协调器被配置为接收第一传感器的第一逸散浓度和第二传感器的第二逸散浓度；

主控单元被配置为将处于逸散源的第一传感器调整为报警状态，其中，

主控单元计算n个第一传感器的坐标，并根据气体扩散模型预测位于逸散源的第一传感器。