基于1D-WCWKCNN的痕量甲烷氣體濃度檢測(cè)

闞玲玲, 朱富海, 梁洪衛(wèi)

東北石油大學(xué)電氣信息工程學(xué)院, 黑龍江 大慶 163318

引 言

天然氣組成成分主要有甲烷(85%)和少量乙烷(9%)、 丙烷(3%)、 氮(2%)和丁烷(1%)。 在工業(yè)發(fā)展過(guò)程中, 需要跨地區(qū)進(jìn)行天然氣運(yùn)輸, 運(yùn)輸管道在長(zhǎng)時(shí)間工作的情況下會(huì)存在泄漏的情況。 當(dāng)空氣中的甲烷濃度達(dá)到5%, 氧氣濃度大于等于12%時(shí), 遇到明火, 則會(huì)發(fā)生爆炸。 為了防止發(fā)生安全事故, 需要對(duì)管道周?chē)M(jìn)行甲烷氣體的檢測(cè)。 在甲烷氣體檢測(cè)領(lǐng)域中, 檢測(cè)甲烷氣體的光譜學(xué)技術(shù)有差分光學(xué)吸收光譜(DOAS)、 差分吸收激光雷達(dá)(DIAL)、 傅里葉變換紅外光譜(FTIR)、 可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜(TDLAS)[1-8]。 TDLAS技術(shù)具有高精度、 高分辨率、 高穩(wěn)定性和快速響應(yīng)的特點(diǎn), 鑒于這些優(yōu)勢(shì), TDLAS技術(shù)常用于氣體檢測(cè)領(lǐng)域當(dāng)中[9]。 Jiang等[10-13]利用TDLAS技術(shù), 借助甲烷氣體的二次諧波信號(hào)的幅值與甲烷氣體濃度擬合直線對(duì)甲烷氣體濃度進(jìn)行檢測(cè)。 利用TDLAS技術(shù)對(duì)甲烷濃度進(jìn)行檢測(cè)時(shí), 需要擬合二次諧波信號(hào)幅值與甲烷濃度值的直線。 人工在尋找最優(yōu)擬合直線這個(gè)過(guò)程中, 存在噪聲和人為操作對(duì)二次諧波信號(hào)的幅值產(chǎn)生上下波動(dòng)的影響, 造成人工篩選二次諧波信號(hào)的時(shí)間成本增加。 在目標(biāo)氣體檢測(cè)效率上需要進(jìn)一步提高。

卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(CNN)最早由LeCun等提出, 近年來(lái)該網(wǎng)絡(luò)在諸多領(lǐng)域表現(xiàn)出優(yōu)異的性能[14]。 卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(CNN)在處理一維數(shù)據(jù)中表現(xiàn)出較大的優(yōu)勢(shì)。 目前, 許多研究人員已經(jīng)開(kāi)始研究CNN在一維信號(hào)處理中的應(yīng)用。 Zhao等[15]提出的一維深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(1D-DCNN)對(duì)乙烯、 一氧化碳和甲烷混合氣體進(jìn)行識(shí)別, 識(shí)別準(zhǔn)確率為96.3%。……