危险气体泄露定位在线监测系统的研究

摘要

现代石化企业生产车间极易发生危险气体泄漏，而泄漏问题不可能被杜绝，人们只能从危险气体泄漏的初期阶段开始着手，对容易发生泄漏的场所进行在线监测。若某一车间发生危险气体泄漏，且能在第一时间被准确地检测定位，则可指引石化不同工作人员及时采取应急措施。因此，本文设计了一套危险气体泄露定位在线监测系统，并且针对该系统研究了相关气体源定位算法。 首先，针对石化维护人员对监测系统移动端的迫切需求，本文设计了嵌入式移动终端监测平台。该平台根据模块化设计思想依次设计了监测节点、路由节点和协调器节点。嵌入式移动终端以S5PV210开发板为硬件平台，利用各类气体传感器及风速风向传感器实时采集石化车间环境信息，基于ZIGBEE无线传感器网络实现气体数据的传输，基于嵌入式Linux系统完成了QT监测界面及设备驱动程序的设计。 其次，为了精确定位出气体源的位置，基于两种常见的气体扩散模型，推导出适用于无风和有风的气体湍流扩散模型一般表达式，并介绍了几种经典的气体源定位算法。针对风场条件下气体扩散模型的非线性特点以及初始值估计粗略导致的NLS算法定位精度降低，本文提出了一种基于粒子滤波的NLS初值优化的气体源定位算法(PF-NLS)。该算法采用NLS算法的预估结果作为初始值，通过PF算法精确估计气体源的位置和强度，最终可在气体源强度未知条件下实现气体源的精确定位。经仿真实验验证了PF-NLS算法在气体源强度未知时的优越性，并证明了该算法在有风条件下比NLS算法具备更高的定位精度，且通过优化初始值进一步提高了算法的收敛速度；同时在不同风速及测量噪声条件下对PF-NLS算法的定位性能进行了分析，验证了该算法的实用性。 最后，系统定位功能由PC端组态王监测平台实现，基于OPC技术实现组态王与MATLAB之间的数据通信，运用PF-NLS算法实现了气体源的精确定位，并将定位结果呈现在组态界面上。该监测平台可实时显示各区域监测节点的气体浓度状况，便捷地查看各节点的浓度数据曲线，并且给出了对应车间参数报表，便于石化管理人员及时查询危险气体泄漏信息，迅速准确做出决策。本文研究结果可普遍应用于有毒、有害气体泄漏源的搜索和定位、危险环境监测、火灾源的检测和预警。

目录

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第一章绪论

1.1课题研究背景及意义

1.2课题的国内外研究现状

1.3课题的主要研究内容及结构安排

1.4本章小结

第二章危险气体泄露定位在线监测系统的整体设计

2.1系统需求分析

2.2系统的整体结构设计

2.3系统关键技术介绍

2.3.1无线通信网络技术

2.3.2嵌入式LINUX技术

2.3.3QT开发技术

2.4本章小结

第三章监测系统移动终端的硬件设计

3.1系统硬件总体设计

3.2S5PV210开发板及其芯片架构

3.3电源转换电路与LCD接口电路

3.4串行接口电路

3.5开发板3G通信模块

3.6ZIGBEE无线通信模块

3.7数据采集模块

3.7.1风速传感器

3.7.2风向传感器

3.7.3硫化氢传感器

3.7.4一氧化碳传感器

3.7.5氨气传感器

3.8本章小结

第四章监测系统移动终端的软件设计

4.1ZIGBEE无线通信模块软件设计

4.1.1 节点间无线通信命令帧的设计

4.1.2串口通信命令帧的设计

4.1.3监测节点软件设计

4.1.4路由节点软件设计

4.1.5协调器节点软件设计

4.2移动终端LINUX操作系统的移植

4.2.1建立交叉编译环境

4.2.2BootLoader的移植

4.2.3Linux内核移植

4.2.4根文件系统的制作与移植

4.3QT应用程序的开发与驱动程序的设计

4.3.1QT5.6.2交叉编译与移植

4.3.2QT应用程序的开发

4.3.3Linux设备驱动程序的设计

4.3.4移动终端QT监测界面的设计与运行

4.4本章小结

第五章气体扩散模型

5.1高斯扩散模型

5.1.1高斯烟羽扩散模型

5.1.2高斯烟团扩散模型

5.2气体湍流扩散模型

5.2.1无风时气体湍流扩散模型

5.2.2有风时气体湍流扩散模型

5.3本章小结

第六章气体源定位算法的研究与PC端监测系统的实现

6.1经典的气体源定位算法

6.1.1三边测量气体源定位算法

6.1.2多边测量气体源定位算法

6.1.3极大似然气体源定位算法

6.2基于NLS的气体源定位算法

6.2.1预估气体源初始位置

6.2.2引入节点权重比的NLS气体源定位算法

6.3基于PF的NLS初值优化的气体源定位算法

6.3.1状态空间模型

6.3.2构造似然函数

6.3.3PF-NLS气体源定位算法的步骤

6.4气体源定位算法仿真实验

6.4.1仿真条件

6.4.2仿真结果及分析

6.5PC端组态王监测系统的设计与实现

6.5.1基于OPC技术的组态王与Matlab通信

6.5.2组态王监测软件的设计与测试

6.6本章小结

第七章总结与展望

7.1工作总结

7.2工作展望

参考文献

发表论文和科研情况说明

致 谢