CN203533216U - 燃气管网泄漏源实时定位分析系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出一种燃气管网泄漏源实时定位分析系统，其特征在于，包括：多个集成探测模块组成分布式网络，待监控区域被划分网格分区，在实时定位分析阶段，多个集成探测模块用于采集泄漏气体的实际测量数据，传送到计算机监控终端；计算机监控终端包括：模拟泄漏计算模块，假想各个网格分区中具有假想泄漏源，模拟泄漏计算模块计算假想泄漏源连续泄漏预定时间后集成探测模块中的模拟探测数据，建立模拟泄漏数据库；反演定位模块将实际测量数据与模拟探测数据进行相似度计算，当相似度取得最大值时，模拟探测数据对应的假想泄漏源的位置、时间和持续泄漏时间，即为实际泄漏源的位置和持续泄漏时间。本实用新型可快速找到实际泄漏源的位置。

Description

燃气管网泄漏源实时定位分析系统

技术领域

本实用新型属于公共安全领域和传感技术领域，具体涉及一种燃气管网泄漏源实时定位分析系统。

背景技术

燃气广泛应用于城市运行的多个方面，并在各方面的使用比率日益增加，这使燃气在城市运行中的生命线作用日益明显。管道一旦破裂，泄漏出的燃气遇明火可能产生火灾、爆炸等事故，对周围的人员生命安全、建筑和环境造成严重危害。现有的城市燃气管道泄漏定位分析技术基本上沿用传统的打孔方式或采用燃气报警仪对地表上空气体进行检测，检测周期长，耗费大量的人力物力。为了及时发现燃气管网泄漏事故、实时监测事故影响范围并快速准确判断泄漏点的位置，以保障城市安全运行，实现对城市燃气管网的有效科学监控，是城市安全发展的重大和紧迫需求。

实用新型内容

本实用新型旨在至少在一定程度上解决上述技术问题之一或至少提供一种有用的商业选择。为此，本实用新型的目的在于提出一种燃气管网泄漏源实时定位分析系统，该系统可以快速找到实际泄漏源的位置，为事故应急响应决策提供依据。

根据本实用新型实施例的燃气管网泄漏源实时定位分析系统，其特征在于，包括：多个集成探测模块，所述多个集成探测模块分布于待监控区域内并组成分布式网络，在其中所述待监控区域被划分网格分区，在实时定位分析阶段，所述多个集成探测模块用于实时采集泄漏气体的实际测量数据，并传送到计算机监控终端；计算机监控终端，所述计算机监控终端进一步包括：模拟泄漏计算模块，在泄漏源模拟实验阶段，假想所述待监控区域内各个所述网格分区中具有假想泄漏源，所述模拟泄漏计算模块用于计算各个假想泄漏源连续泄漏预定时间后所述各个集成探测模块中的模拟探测数据，建立模拟泄漏数据库；反演定位模块，所述反演定位模块将所述实际测量数据与所述模拟泄漏数据库中的多组所述模拟探测数据进行相似度计算，当所述相似度取得最大值时，对应的所述模拟探测数据对应的假想泄漏源的位置、时间和持续泄漏时间，即为所述燃气管网的实际泄漏源的位置和持续泄漏时间。

在本实用新型的一个实施例中，所述模拟泄漏计算模块中，采用菲克扩散定律和高斯扩散模型进行泄漏源模拟实验。

在本实用新型的一个实施例中，所述集成探测模块进一步包括：气体浓度传感器，所述气体浓度传感器用于实时采集泄漏气体监测信息；无线数据传输模块，所述无线数据传输模块用于组成无线传感网络的收发，将所述实际测量数据通过无线网络传输传送到计算机监控终端。在本实用新型的一个实施例中，定义所述待监控区域具有N个集成探测模块且被划分为A×A个网格分区，记网格分区的行编号为i，列编号为j，则在第(i,j)个网格分区中的假想泄漏源连续泄漏t_s时间后的模拟探测数据记为

实际测量数据记为

则所述反演定位模块中相似度的计算公式为

其中N、A、i、j为正整数且i、j≤A。

在本实用新型的一个实施例中，还包括风速风向仪，所述风速风向仪检测所述待监控区域的风速风向，传输给所述计算机监控终端进行显示。

在本实用新型的一个实施例中，多个所述集成探测模块是通过人工手动固定布置或者通过小型无线遥控机器人移动布置在所述待监控区域的。

在本实用新型的一个实施例中，所述集成探测模块还包括：电源管理单元、数据存储单元。

根据本实用新型实施例的反演溯源方法通过菲克扩散定律和高斯扩散模型预先计算出假想泄漏源发生泄漏事故后各探测点处的浓度分布情况，一旦实际发生泄漏事故，就可以与模拟探测数据进行对比，快速找到实际泄漏源的位置，为事故应急响应决策提供依据。

本实用新型的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。

附图说明

本实用新型的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是城市燃气管网泄漏扩散示意图；

图2是本实用新型实施例的燃气管网泄漏源实时定位分析方法的流程示意图；

图3是本实用新型的方法中步骤S1采用的计算坐标图；

图4是本实用新型实施例的燃气管网泄漏源实时定位分析系统的结构框图；

图5a是本实用新型实施例的燃气管网泄漏监测区域中集成探测模块分布和划分网格示例；

图5b是本实用新型实施例的燃气管网泄漏源实时定位分析系统的反演溯源结果示例。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

图1为城市燃气管网泄漏的扩散示意图。如图所示，燃气从深埋与多孔介质（例如泥土、沙砾等）之下的管道中泄漏后首先扩散至地表以菲克扩散定律逸出进入大气环境中，之后按照高斯模型在大气中扩散。

本实用新型提出了一种燃气管网泄漏源实时定位分析方法。如图2所示，根据本实用新型实施例的燃气管网泄漏源实时定位分析方法的流程图，包括以下步骤：

S1:在待监控区域内布置多个集成探测模块以组成分布式网络，然后对待监控区域划分网格分区。

具体地，如图3所示，某块待监控区域中，通过人工手动固定布置或者通过小型无线遥控机器人移动布置有N个集成探测模块，这N个集成探测模块具有无线通讯组成分布式网络。并且，对待监控区域进行划分为A×A个网格分区（例如，将区域划分为200*200的多个网格分区）。毋庸赘言的，在上述过程同时还建立坐标系，记录各个集成探测模块的位置，以及确定各个网格分区的位置坐标，例如，第(i,j)个网格分区的坐标记为(X_i,Y_j)。这些数据将用于后续处理。

S2:进行泄漏源模拟实验，分别假想待监控区域内各个网格分区中具有假想泄漏源，计算各个假想泄漏源连续泄漏预定时间后各个集成探测模块中的模拟探测数据，建立模拟泄漏数据库。

利用菲克扩散定律和高斯模型对该区域内每一个网格中的泄漏源计算泄漏发生后多个集成探测模块探测气体浓度变化。记录第i个网格中的假想泄漏源发生连续泄漏t_s后多个集成探测模块数据，记为

采用菲克扩散定律和高斯扩散模型进行泄漏源模拟实验。在本实用新型的实施例中，有如下假定：①泄漏气体的浓度呈高斯分布（正态分布）的；②泄漏源的源强是连续且均匀的，初始时刻云团内部的浓度、温度均匀分布；③扩散过程中不考虑云团内部温度的变化，忽略热传递、热对流及热辐射；④泄漏气体是理想气体，遵守理想气体状态方程；⑤在水平方向，大气扩散系数呈各项同性；⑥整个扩散过程中风向保持不变，不随时间、地点的变化而变化。如果涉及埋地燃气管线的泄漏问题，则同时还要如下假设：①属于各向同性的线弹性地质材料，即孔隙率和绝对渗透率保持不变；②气体为理想可压缩气体且在土壤中迁移遵循菲克定律，即流体在多孔介质中的速度小，其动能和惯性的影响可以忽略；③土壤颗粒不可压缩，气体可压缩；④气体的扩散迁移是等温的，且管道泄漏率是常数。

S3:实时定位分析阶段，多个集成探测模块实时采集泄漏气体的实际测量数据，记为

并传送到计算机监控终端。

S4:计算机监控终端根据反演溯源方法，将实际测量数据与模拟泄漏数据库中的多组模拟探测数据进行相似度计算，当相似度取得最大值时，对应的模拟探测数据对应的假想泄漏源的位置、时间和持续泄漏时间，即为燃气管网的实际泄漏源的位置、时间和持续泄漏时间。

通过模拟探测数据与实际测量数据进行比较，反演溯源以完成泄露点的定位。可以定义相似度g(θ)越大表示

与越相似，即第(i,j)个网格中假想泄漏源气体泄漏导致的模拟探测数据与实际测量数据越接近，说明泄漏源在第(i,j)个网格中的概率越大。当它取得最大值时，假想泄漏源所在位置即可视为最可能的实际泄漏源位置。该方法已经过实际场地实验验证其可行性。

在本实用新型一个实施例中，还利用风速风向仪检测待监控区域的风速风向，并传输给所述计算机监控终端进行显示。

本实施例提出了基于实时监测数据和高斯扩散模型相结合的燃气泄漏源快速定位方法。对于埋地燃气管网泄漏后在土壤环境中的运移问题，根据菲克扩散定律，结合质量守恒定律，构建了三维稳态连续泄漏扩散方程，得到了埋地燃气泄漏扩散浓度分布表达式，即：

$c(r,t)=\frac{q_m}{{4\mathrm{\πD}}_{s}r}\mathrm{erfc}\left[\frac{r}{2\sqrt{D_{s}t}}\right]---\left(1\right)$

其中，c(r,t)——距离燃气泄漏源r处t时间后的浓度，mol/m³；

q_m——单位时间燃气的泄漏量，kg/s；

D_s——燃气在土壤中的有效扩散系数，m²/s；

r——燃气泄漏扩散半径，m；

t——泄漏时间，s。

如图1所示，泄漏气体在土壤中迁移扩散，在地面形成面积为S的泄漏源在大气环境中的泄漏扩散。此时则采用高斯面源扩散模式计算燃气在大气环境中的迁移扩散过程。

根据本实用新型实施例的反演溯源方法通过高斯扩散模型预先计算出假想泄漏源发生泄漏事故后各探测点处的浓度分布情况，一旦实际发生泄漏事故，就可以与模拟探测数据进行对比，快速找到实际泄漏源的位置，为事故应急响应决策提供依据。

本实用新型另一方面提出了一种燃气管网泄漏源实时定位分析系统。如图4所示，根据本实用新型实施例的燃气管网泄漏源实时定位分析系统的结构图，包括：多个集成探测模块100，计算机监控终端200，以及风速风向仪300。具体地：

每个集成探测模块100主要包括：气体浓度传感器110、无线数据传输模块120，其中，优选地，无线数据传输模块120是基于zigbee技术的。此外，每个集成探测模块100还可以包括电源管理单元130和数据存储单元140。多个集成探测模块100分布于待监控区域内并组成分布式网络，在其中待监控区域被划分网格分区。毋庸赘言的，多个集成探测模块的位置和网格分区的位置是被记录下来的已知数据，可以据此进行后续相关的计算。。

在本实用新型的一个实施例中，这些集成探测模块100是通过人工手动固定布置或者通过小型无线遥控机器人移动布置在所述待监控区域的。

多个集成探测模块100主要用于实时采集泄漏气体的实际测量数据，并传送到计算机监控终端200。即实际泄漏事故发生后，多个集成探测模块100的气体浓度传感器110实时采集泄漏气体监测信息，记为

多个集成探测模块100的无线数据传输模块120基于zigbee技术，用于组成无线传感网络的收发，将实际测量数据通过无线网络传输传送到计算机监控终端200。电源管理单元130实现多个集成探测模块100电源的自供给，多个集成探测模块100中包括的气体浓度传感器110采集的实际测量数据存储于数据存储单元140中，通过无线数据传输模块120将数据发送至计算机监控终端200中。

计算机监控终端200包括：模拟泄漏计算模块210和反演定位模块220。

其中，模拟泄漏计算模块210主要用于在泄漏源模拟实验阶段，假想待监控区域内各个网格分区中具有假想泄漏源，模拟泄漏计算模块210用于计算各个假想泄漏源连续泄漏预定时间后各个集成探测模块100中的模拟探测数据，建立模拟泄漏数据库。

模拟泄漏计算模块210主要依据菲克扩散定律和高斯扩散模型进行模拟计算，具体算法在上文中有关本实用新型的方法中有相关介绍。

具体地，（1）如图1所示，如果燃气管道泄漏发生在地下深度h，则利用菲克扩散定律计算土壤中泄漏燃气的迁移扩散过程，可以得到一个面积为S的泄漏源在大气环境中的泄漏扩散，此时则采用高斯面源扩散模式计算燃气在大气环境中的迁移扩散过程；（2）如果燃气管道仅仅是大气环境中泄漏扩散，则直接采用高斯点源扩散模型计算燃气的扩散迁移过程。

利用高斯模型对该区域内每一个网格中的泄漏源计算泄漏发生后多个集成探测模块100探测气体浓度变化。记录第(i,j)个网格中的假想泄漏源发生连续泄漏t_s后多个集成探测模块100数据，记为

其中，反演定位模块220用于将模拟探测数据与实际测量数据进行比较，反演溯源以完成泄露点的定位。具体地，将实际测量数据与模拟泄漏数据库中的多组模拟探测数据进行相似度计算，当相似度取得最大值时，对应的模拟探测数据对应的假想泄漏源的位置、时间和持续泄漏时间，即为燃气管网的实际泄漏源的位置、时间和持续泄漏时间。

在本实用新型的一个实施例中，定义相似度g(θ)越大表示

与

越相似，即第(i,j)个网格中假想泄漏源气体泄漏导致的模拟探测数据与实际测量数据越接近，说明泄漏源在第(i,j)个网格中的概率越大。当它取得最大值时，假想泄漏源所在位置即可视为最可能的实际泄漏源位置。该方法已经过实际场地实验验证其可行性。

风速风向仪300用于检测待监控区域的风速风向，并传输给所述计算机监控终端200进行显示。

为使本领域技术人员更好地理解本实用新型，申请人还通过图5a和图5b进行辅助说明。

如图5a所示，是根据本实用新型实施例的城市燃气管网泄漏实时分析软件原型系统对实验平台的实时监控显示，包括现场的多个集成探测模块100的布置、增减以及地图显示区域的缩放等等。一旦发生燃气泄漏，多个集成探测模块100就会实时采集泄漏气体信息，如：浓度、时间、位置等，通过无线数据网络的收发，经无线数据传输模块120传到计算机监控终端200，实时显示气体扩散范围、浓度分布等信息，为事故的应急救援决策提供实时参考依据。如图5b所示，该套系统布置在城市燃气管网所在区域，可通过无线传感器网络，实现对城市燃气管网实时监控。一旦发生泄漏，即可实时采集泄漏气体信息的实际测量数据，并无线传输到计算机控制终端200，快速进行泄漏源的反演定位，为泄漏事故的应急救援决策提供实时依据。

本实施例提出了基于实时监测数据和高斯扩散模型相结合的燃气泄漏源快速定位方法。对于埋地燃气管网泄漏后在土壤环境中的运移问题，泄漏气体在土壤中迁移扩散，利用菲克扩散定律计算土壤中泄漏燃气的迁移扩散过程；在地面形成面积为S的泄漏源在大气环境中的扩散，可以采用高斯面源扩散模型计算燃气的迁移扩散过程，如图1所示。

根据本实用新型实施例的反演溯源方法通过高斯扩散模型预先计算出假想泄漏源发生泄漏事故后各探测点处的浓度分布情况，一旦实际发生泄漏事故，就可以与模拟探测数据进行对比，快速找到实际泄漏源的位置，为事故应急响应决策提供依据。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本实用新型的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本实用新型的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本实用新型的原理和宗旨的情况下在本实用新型的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (5)

1.一种燃气管网泄漏源实时定位分析系统，其特征在于，包括： 

分布于待监控区域内并组成分布式网络的、用于实时采集泄漏气体的实际测量数据的多个集成探测模块； 

用于接收所述实际测量数据的计算机监控终端，所述计算机监控终端与所述多个集成探测模块相连，所述计算机监控终端进一步包括： 

用于建立模拟泄漏数据库的模拟泄漏计算模块； 

用于将所述实际测量数据与所述模拟泄漏数据库进行相似度计算的反演定位模块，所述反演定位模块与所述模拟泄漏计算模块相连。 

2.如权利要求1所述的燃气管网泄漏源实时定位分析系统，其特征在于，所述集成探测模块进一步包括： 

气体浓度传感器，所述气体浓度传感器用于实时采集泄漏气体监测信息； 

无线数据传输模块，所述无线数据传输模块用于组成无线传感网络的收发，将所述实际测量数据通过无线网络传输传送到计算机监控终端。 

3.如权利要求1所述的燃气管网泄漏源实时定位分析系统，其特征在于，还包括：风速风向仪，所述风速风向仪检测所述待监控区域的风速风向，传输给所述计算机监控终端进行显示。 

4.如权利要求1所述的燃气管网泄漏源实时定位分析系统，其特征在于，所述集成探测模块还包括：电源管理单元、数据存储单元。 

5.如权利要求1所述的燃气管网泄漏源实时定位分析系统，其特征在于，所述集成探测模块中的所述无线数据传输模块是基于zigbee技术的。 

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