[发明专利]基于三维移动传感器节点的气体泄漏监测系统与定位方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种气体泄漏监测方法，特别是能完成三维复杂环境下的气体泄漏源定位。

背景技术

随着化学工业的快速发展，越来越多的有毒有害气体被生产、储存和运输。这些化学气体虽然服务于社会的发展并且方便着人们的生活，但同时也威胁着人们的健康、社会安全以及自然环境。历史上国内外发生过多次大型有毒有害气体泄漏事故，造成了重大的人员伤亡和财产损失。因此，一旦发生气体泄漏，快速发现并定位泄漏源的位置具有重要意义。但由于自然环境中存在的湍流，气体泄漏的监测尤其是源定位较为困难。

目前，关于非特定环境下的气体泄漏监测与源定位研究主要集中在二维环境中，涉及的方法以传感器网络与概率统计结合为主，如传感器网络与贝叶斯估计方法相结合{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，由于气体泄漏(扩散)本身是一个三维过程，且气体泄漏源可能处于半空中，因此此类二维环境下的研究实际意义较小。

此外，针对气体管道(特定环境)泄漏的监测与源定位也有大量研究。例如，Huseynov等设计了一种针对管道气体泄漏的超声波定位系统，通过检测高压气体泄漏时产生的超声波来完成泄漏源定位{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.}。此方法只适用于特定环境下的高压气体，不能应用于大多数存在泄漏隐患的低压气体。专利CN105509979-A通过两个光栅压力传感器检测管道泄漏时流体产生的负压波，并根据负压波到达时差来完成泄漏源定位。同样此方法只能应用于特定环境下流速较快的流体，通用性差。

现实中，可能发生气体泄漏的多为仓库、监测站以及化工厂等复杂的环境，其中的障碍物对安装气体传感器或者其他监测装置带来了困难，因此监测气体泄漏的方案要充分考虑应用环境，保证监测与定位方法的实用性。

发明内容

本发明提出一种可用于三维环境中的气体泄漏监测与源定位方法，具有通用程度高、实用性强等特点。技术方案如下：

基于三维移动传感器节点的气体泄漏监测系统，包括布置在三维待监测区域上方的网状导轨，在网状导轨上连接有带有控制器的多个运动装置，运动装置在控制器的控制下能够沿着网状导轨运动，在每个运动装置上设置有滑轮、绳索以及传感器节点，其中，滑轮固定在运动装置内，绳索一端固定在滑轮上，通过控制滑轮旋转调节绳索长度，绳索的另一端则连接传感器节点，每个传感器节点包括无线气体传感器模块和三维风矢量检测模块；每个传感器节点均可以实现三维运动并测量任意一点处的气体浓度和风矢量。

本发明同时提供一种采用上述监测系统实现的气体泄漏监测与源定位方法，把三维待监测区域分割为若干个虚拟的小四面体区域，并且记录下每个四面体四个顶点的位置为气体泄漏源定位做准备，包括下列步骤：

1)气体泄漏发现阶段：根据传感器节点个数，把三维待监测区域被平均划分为几个子区域，每个子区域均有一个传感器节点在内部做三维随机运动，一旦某个子区域内的传感器节点检测到的气体浓度超过设定阈值，则认为该子区域内发生了气体泄漏，之后进入源定位阶段；

2)源定位阶段包括如下的步骤：

a.控制检测到泄漏的传感器节点进行逆风搜索，直到气体浓度不再增加为止，并认为此刻传感器节点所在四面体内的气体浓度为该子区域内最高；

b.设四面体内气体浓度大小与气体泄漏源存在的概率成正比，则以该四面体为中心向外球形扩展排序得到一个该子区域内的四面体序列，序列的顺序代表了存在泄漏源的概率大小；