煤氣泄漏無線監(jiān)測預警系統(tǒng)及源點定位仿真研究

金美玉 湯亞玲 張學鋒

(安徽工業(yè)大學 安徽 馬鞍山 243002)

0 引 言

隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，對工業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)生的煤氣進行安全防患預警成為重中之重。一旦煤氣在生產(chǎn)及儲存過程中發(fā)生泄露，空氣中的煤氣濃度超過閾值必會引發(fā)火災，甚至爆炸事故。近幾年的調查報告如下：2016年2月14日，秦皇島濱瑞工程有限公司的鍍鋅廠內發(fā)生煤氣泄漏，造成1人死亡，直接經(jīng)濟損失達130萬元[1]。2018年2月5日，廣東省韶關市的韶鋼松山有限公司發(fā)生煤氣泄漏中毒較大事故，造成8人死亡、4人重傷、6人輕傷[2]。為了盡量減少這樣事故的發(fā)生，應該對可能發(fā)生煤氣泄露的區(qū)域進行煤氣濃度實時監(jiān)測，一旦煤氣發(fā)生泄露，需要盡快找出煤氣泄漏源的位置，阻止進一步擴大災害的發(fā)生范圍。因此工業(yè)煤氣泄漏監(jiān)測預警技術成為近些年來的研究熱點。

無線傳感技術的快速發(fā)展使得其應用領域更加廣泛，如環(huán)境監(jiān)測、信息采集、目標點定位等。近年來，國內外采用無線傳感技術對污染氣體進行實時監(jiān)測及報警的越來越多，但是，目前的監(jiān)測技術主要是針對基本的氣體濃度檢測以及超限報警，并不具備在消防應急救援工作中起關鍵作用的定位功能。位置信息對于監(jiān)測活動至關重要，目標事件發(fā)生的位置或者終端設備的位置信息是煤氣監(jiān)測系統(tǒng)的重要組成部分。鑒于此，本文將對煤氣泄漏事故進行深入研究，利用LoRa無線通信技術研究一種集定位、濃度監(jiān)測于一體的工業(yè)煤氣泄漏無線監(jiān)測預警系統(tǒng)，以期為安監(jiān)和救援提供有效信息，及時進行應對處理，減少人員及財產(chǎn)損失。

1 相關技術

1.1 LoRa通信技術

LoRa技術具有低功耗、低成本、多節(jié)點、遠距離的特點，是一種基于擴頻技術的遠距離無線傳輸方案，此方案由美國Semtech公司提出并推廣[3]。LoRa通信網(wǎng)絡具有建設簡單和部署容易的特性，已成為當前最為廣泛應用的物聯(lián)網(wǎng)專用網(wǎng)絡通信技術[4]。系統(tǒng)的LoRa通信設計采用服務器-網(wǎng)關-終端設備的連接方法，采集的信息通過終端設備進行反饋。終端設備主要功能是完成煤氣濃度和GPS定位信息的采集及數(shù)據(jù)的傳輸。在LoRa通信過程中需要建立LoRa通信協(xié)議，實現(xiàn)傳輸信息過程所需的數(shù)據(jù)傳輸方式，將獲取的信息傳輸出去[5]。終端設備硬件如圖1所示。

圖1 終端設備集成模塊

1.2 地圖應用開發(fā)技術

通過高德地圖API接口來加載地圖界面，實現(xiàn)地圖控件、覆蓋物、滾動縮放、地圖類型轉換等功能。系統(tǒng)引用高德地圖JS API應用接口，將實時接收的終端設備地理信息通過經(jīng)緯度定位的方式顯示到加載的地圖界面中，同時將實時接收的煤氣濃度及設備信息展示到對應終端設備的屬性窗口以達到遠程監(jiān)控終端設備的效果。通過數(shù)據(jù)的實時更新實現(xiàn)物體實時運動的軌跡顯示[6]。系統(tǒng)結合第三方類庫(CWebPage類)及高德地圖API應用接口，實現(xiàn)Microsoft Web Browser控件與高德地圖的結合以及C++語言與JavaScript腳本語言的交互，進而實現(xiàn)巡檢人員在地圖上的動態(tài)軌跡顯示及終端設備工作狀況的實時監(jiān)控。

2 系統(tǒng)分析與設計

2.1 系統(tǒng)功能結構

本系統(tǒng)主要由七個模塊組成:(1) 開啟終端設備連接模塊；(2) 數(shù)據(jù)采集模塊；(3) 數(shù)據(jù)存儲模塊；(4) 數(shù)據(jù)分析模塊；(5) 超限預警模塊；(6) 數(shù)據(jù)庫操作模塊；(7) 界面數(shù)據(jù)更新模塊。煤氣泄漏無線監(jiān)測預警系統(tǒng)功能模塊如圖2所示。

圖2 煤氣泄漏無線監(jiān)測預警系統(tǒng)功能模塊

每個模塊的功能概括如下：

(1) 開啟終端設備連接模塊：該模塊負責開啟上位機監(jiān)控中心與終端設備的連接。開啟終端設備連接模塊時，初始化界面信息，加載地圖場景，接收終端設備采集的信息，更新到相應的終端設備屬性窗口。

(2) 數(shù)據(jù)采集模塊：該模塊負責實時采集終端設備狀態(tài)信息，并將信息發(fā)送到存儲模塊進行長期保存。本系統(tǒng)采用NEO-6M衛(wèi)星定位及CO傳感器采集數(shù)據(jù)。

(3) 數(shù)據(jù)存儲模塊：該模塊用于存儲數(shù)據(jù)采集模塊所采集的數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)設計將根據(jù)業(yè)務需求，采用關系數(shù)據(jù)庫Access,對終端設備信息進行實時更新。Access主要用于存儲終端設備信息、巡檢員信息、終端設備實時采集信息等基本數(shù)據(jù)。

(4) 數(shù)據(jù)分析模塊：該模塊對數(shù)據(jù)存儲模塊的實時數(shù)據(jù)進行GPS經(jīng)緯度及煤氣濃度值的異常判定。分析的結果主要用于表明終端設備的當前狀態(tài)，并為煤氣是否泄漏提供依據(jù)。過程如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)分析過程

(5) 超限預警模塊:該模塊負責對采集的數(shù)據(jù)進行實時異常檢測，并對煤氣泄漏進行實時報警，避免煤氣長時間泄漏而無人知曉，減少人民生命及財產(chǎn)安全的損失。該模塊架構如圖4所示。

圖4 超限預警模塊架構

(6) 數(shù)據(jù)庫操作模塊:該模塊負責管理配置系統(tǒng)基本信息，同時可查看煤氣濃度曲線圖、巡檢員的歷史軌跡、不同終端設備的報警記錄等。

(7) 界面數(shù)據(jù)更新模塊：該模塊負責在地圖中實時顯示終端設備的當前位置,并將煤氣濃度值及其是否超過閾值等信息更新到相應的終端設備屬性窗口。通過實時更新界面中各個終端設備屬性值使得監(jiān)控中心能實時掌握不同巡檢員的狀態(tài)。

2.2 數(shù)據(jù)庫構建

為實現(xiàn)對終端設備采集數(shù)據(jù)的分析、查看及管理，將終端設備的相關參數(shù)及所采集的數(shù)據(jù)通過建立數(shù)據(jù)庫進行分類存儲。不同編號的終端設備所采集的信息存儲在各自的一張表格中(如一號設備詳細數(shù)據(jù)表)，字段包括煤氣濃度、GPS經(jīng)度、GPS緯度、信息采集的時間。系統(tǒng)涉及的其他數(shù)據(jù)則存儲在另外四張表格中(終端設備數(shù)據(jù)表、設備報警記錄表、巡檢員信息表、分配設備數(shù)據(jù)表)，其中管理員將不同設備分配給相應巡檢員的記錄存儲在分配設備數(shù)據(jù)表中，系統(tǒng)運行時產(chǎn)生的警報數(shù)據(jù)存儲在設備報警記錄表中。煤氣泄漏無線監(jiān)測預警系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫基本框架結構如圖5所示。

圖5 煤氣泄漏無線監(jiān)測預警系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫基本框架

3 系統(tǒng)測試

煤氣泄漏無線監(jiān)測預警系統(tǒng)主要由兩部分組成，分別是開啟終端設備連接和數(shù)據(jù)庫操作。以VC為系統(tǒng)開發(fā)工具，調用第三方類庫(CWebPage類)及高德地圖API應用接口。下面以某鋼鐵分廠地圖為場景進行系統(tǒng)的測試說明。系統(tǒng)界面如圖6所示。

圖6 煤氣泄漏無線監(jiān)測預警系統(tǒng)監(jiān)控中心界面

3.1 實時更新位置及超限報警提示

開啟終端設備連接模塊是將上位機監(jiān)控中心與終端設備建立連接，對攜帶終端設備的巡檢員進行實時GPS定位及現(xiàn)場煤氣濃度的監(jiān)測。上位機監(jiān)控中心實時監(jiān)測終端設備采集的煤氣濃度值，判斷是否超過危險值，并劃分為不同危險等級。對于超過危險值的設備，通過報警聲音對巡檢員及廠區(qū)的其他人員進行提示，同時上位機監(jiān)控中心也進行相應等級的報警聲音提示。上位機監(jiān)控中心實時更新巡檢員的位置，當發(fā)生煤氣泄漏時，給救援人員提供準確的位置信息。異常報警過程如圖7所示。

圖7 超限報警流程

3.2 濃度曲線及歷史軌跡查看

數(shù)據(jù)庫模塊是對終端設備所采集的信息進行分類存儲及分析顯示。如查看不同設備在一段時間內的煤氣濃度曲線圖及報警記錄(見圖8)，通過曲線圖及報警記錄可知該設備所在區(qū)域在這一段時間內的煤氣濃度值變化，為工廠安全生產(chǎn)及合理安排巡檢員巡檢提供依據(jù)。除此之外，考慮到終端設備可能存在的不安全性如短時間內無LoRa信號或GPS信號等，如果發(fā)生煤氣泄漏事故可通過之前數(shù)據(jù)庫存儲的終端設備信息(表1)進行終端設備歷史軌跡的重繪(見圖9和圖10)，便于救援人員了解巡檢員最后到達的位置。

圖8 查看報警記錄界面

表1 終端設備部分歷史數(shù)據(jù)

圖9 查看歷史軌跡界面

圖10 終端設備部分歷史軌跡

3.3 泄漏源定位仿真

泄漏源定位仿真部分主要是模擬無人機尋找煤氣泄漏點，目的是與煤氣泄漏無線監(jiān)測預警系統(tǒng)結合使用。當系統(tǒng)預警煤氣泄漏時，因煤氣具有致死致傷性、救援難度大等特點，可先使用無人機尋找可能的煤氣泄漏點再由救援人員進行泄漏點的定點排查及維修，為救援節(jié)約大量的時間。模擬無人機尋找煤氣泄漏點采用改進的模式搜索算法來進行泄漏點定位的仿真研究。

Hooke-Jeeves算法是一種直接搜索的算法(模式搜索算法)，它不依賴于目標函數(shù)的導數(shù)，因此可以使用直接搜索來解決目標函數(shù)不可微分甚至不連續(xù)的問題，具有求解精度高、局部搜索能力強、結構簡單等特點[7]。模式搜索法在運行時是交替進行軸向移動(沿著相應維度的坐標軸移動，探測有利的運動方向)和模式移動(沿兩個相鄰探測點連線的有利方向移動)[8]。以原有模式搜索為基礎，結合實驗過程中的優(yōu)化問題，對搜索的步長及方向做進一步的研究，改進原有搜索方式，并將此方式運用到求解煤氣泄漏點的問題上。主要目的是通過利用改進的模式搜索算法來提高尋找煤氣泄漏點的計算精度，并推動其在理論及實際應用過程中的進一步發(fā)展。改進的模式搜索算法步驟如下。

(1) 給定初始點(x,y)∈Rn，初始步長δ=25(單位：m)，縮減率β∈(0,1)，精度ε=0.5(單位:m),閾值φ=-4，令j=1,ej代表方向向量，n表示有n個運動方向，n=8,j=1,2,…，n。

(2) 軸向搜索：如果C(x,y,δ,ej)-C(x,y)>φ，則令x=x+δ×ej,y=y+δ×ej；否則x=x-δ×ej,y=y-δ×ej。

(3) 若j≤3,則令j=j+1，轉步驟(2)；若4

(4) 軸間搜索：如果C(x,y,δ,ej)-C(x,y)>φ，則令x=x+δ×ej,y=y+δ×ej；否則x=x-δ×ej,y=y-δ×ej。轉步驟(3)。

(5) 如果δ≤ε，則停止搜索，得到終點坐標值x、y，算法到此結束。否則令δ=β×δ，j=1，轉步驟(2)。

通過該方法及VC模擬煤氣泄漏點定位過程如下：設定氣體泄漏點坐標(50,50)，設置0.08 s釋放80個氣體粒子，隨機初始化各個氣體粒子的速度、方向、大小及生命周期，氣體粒子在產(chǎn)生的過程中向周圍隨機運動擴散。記錄無人機初始點的氣體粒子濃度，設置無人機進行軸向搜索，計算無人機在軸向搜索過程中粒子濃度變化，與設定的閾值相比較，進而更改軸向；一次軸向運動完成后，若沒有找到泄漏點則進行軸間搜索，再次計算軸間搜索過程中粒子濃度變化，與閾值比較，進而更改方向；軸向與軸間搜索交替進行直至尋找到煤氣泄漏點的位置。利用原始模式搜索算法進行泄漏點搜索，最終獲得泄漏點坐標是(48，54)如圖11所示；利用改進后的模式搜索算法搜索泄漏點的坐標是(49,50)如圖12、圖13所示。從圖11、圖12可以看出,在相同的氣體泄漏環(huán)境下,本文改進的模式搜索算法所仿真得到的泄漏點坐標相比于原始模式搜索算法所仿真得到的泄漏點坐標更接近仿真設定的泄漏點坐標(50，50)，改進后的算法搜索坐標精度更加準確，說明改進的方法是具有可取性的。

圖11 原始搜索算法仿真結果

圖12 模擬無人機尋找過程中的部分軌跡坐標

圖13 改進搜索算法仿真結果

4 結 語

煤氣泄漏事故威脅到人民群眾的身體健康和生命安全，目前的煤氣監(jiān)測系統(tǒng)都有一定的局限性，只是簡單地進行固定位置的監(jiān)測和報警，沒有發(fā)揮在事故預防和處理上的優(yōu)勢。本文以某鋼鐵廠預警煤氣泄漏為背景，建立了煤氣泄漏無線監(jiān)測預警系統(tǒng)，實時監(jiān)控終端設備位置及煤氣濃度，并利用VC對氣體泄漏點尋找進行了模擬實驗。該系統(tǒng)具有通用性，操作簡便，連接終端設備即可進行實時監(jiān)測，為煤氣泄漏預警、事故救援搶險應急處理研究提供理論依據(jù)和技術參考。