[發明專利]基于三維移動傳感器節點的氣體泄漏監測系統與定位方法

有效

• 申請號: 201710575105.3
• 申請日: 2017-07-14
• 公開（公告）號: CN107543900B
• 公開（公告）日: 2019-09-10
• 發明（設計）人: 孟慶浩;佟遠;羅冰
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G01N33/00
• 分類號: G01N33/00;G01P5/00;G01P13/02;H04W84/18
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 程毓英

技術領域

本發明涉及一種氣體泄漏監測方法，特別是能完成三維復雜環境下的氣體泄漏源定位。

背景技術

隨著化學工業的快速發展，越來越多的有毒有害氣體被生產、儲存和運輸。這些化學氣體雖然服務于社會的發展并且方便著人們的生活，但同時也威脅著人們的健康、社會安全以及自然環境。歷史上國內外發生過多次大型有毒有害氣體泄漏事故，造成了重大的人員傷亡和財產損失。因此，一旦發生氣體泄漏，快速發現并定位泄漏源的位置具有重要意義。但由于自然環境中存在的湍流，氣體泄漏的監測尤其是源定位較為困難。

目前，關于非特定環境下的氣體泄漏監測與源定位研究主要集中在二維環境中，涉及的方法以傳感器網絡與概率統計結合為主，如傳感器網絡與貝葉斯估計方法相結合{T.Zhao,and A.Nehorai.“Distributed Sequential Bayesian Estimation of a Diffusive Source in Wireless Sensor Networks”.IEEE Transactions on Signal Processing,vol.55,no.4,pp.1511-1524,April.2007.}。然而，由于氣體泄漏(擴散)本身是一個三維過程，且氣體泄漏源可能處于半空中，因此此類二維環境下的研究實際意義較小。

此外，針對氣體管道(特定環境)泄漏的監測與源定位也有大量研究。例如，Huseynov等設計了一種針對管道氣體泄漏的超聲波定位系統，通過檢測高壓氣體泄漏時產生的超聲波來完成泄漏源定位{J.Huseynov,S.Baliga,M.Dillencourt,et al.“Gas-leak localization using distributed ultrasonic sensors”.Proceedings of SPIE-The International Society for Optical Engineering,7293:72930-Z-72930Z-18,2009.}。此方法只適用于特定環境下的高壓氣體，不能應用于大多數存在泄漏隱患的低壓氣體。專利CN105509979-A通過兩個光柵壓力傳感器檢測管道泄漏時流體產生的負壓波，并根據負壓波到達時差來完成泄漏源定位。同樣此方法只能應用于特定環境下流速較快的流體，通用性差。

現實中，可能發生氣體泄漏的多為倉庫、監測站以及化工廠等復雜的環境，其中的障礙物對安裝氣體傳感器或者其他監測裝置帶來了困難，因此監測氣體泄漏的方案要充分考慮應用環境，保證監測與定位方法的實用性。

發明內容

本發明提出一種可用于三維環境中的氣體泄漏監測與源定位方法，具有通用程度高、實用性強等特點。技術方案如下：

基于三維移動傳感器節點的氣體泄漏監測系統，包括布置在三維待監測區域上方的網狀導軌，在網狀導軌上連接有帶有控制器的多個運動裝置，運動裝置在控制器的控制下能夠沿著網狀導軌運動，在每個運動裝置上設置有滑輪、繩索以及傳感器節點，其中，滑輪固定在運動裝置內，繩索一端固定在滑輪上，通過控制滑輪旋轉調節繩索長度，繩索的另一端則連接傳感器節點，每個傳感器節點包括無線氣體傳感器模塊和三維風矢量檢測模塊；每個傳感器節點均可以實現三維運動并測量任意一點處的氣體濃度和風矢量。

本發明同時提供一種采用上述監測系統實現的氣體泄漏監測與源定位方法，把三維待監測區域分割為若干個虛擬的小四面體區域，并且記錄下每個四面體四個頂點的位置為氣體泄漏源定位做準備，包括下列步驟：

1)氣體泄漏發現階段：根據傳感器節點個數，把三維待監測區域被平均劃分為幾個子區域，每個子區域均有一個傳感器節點在內部做三維隨機運動，一旦某個子區域內的傳感器節點檢測到的氣體濃度超過設定閾值，則認為該子區域內發生了氣體泄漏，之后進入源定位階段；

2)源定位階段包括如下的步驟：

a.控制檢測到泄漏的傳感器節點進行逆風搜索，直到氣體濃度不再增加為止，并認為此刻傳感器節點所在四面體內的氣體濃度為該子區域內最高；

b.設四面體內氣體濃度大小與氣體泄漏源存在的概率成正比，則以該四面體為中心向外球形擴展排序得到一個該子區域內的四面體序列，序列的順序代表了存在泄漏源的概率大小；