一种空中飞行人工嗅觉气体早期泄漏监测定位系统及方法

摘要

本发明公开了一种空中飞行人工嗅觉气体早期泄漏监测定位系统及方法，利用高精度气敏传感器阵列和模式识别算法构建人工嗅觉系统，在飞行过程中监测识别泄漏早期微量痕迹气体微量组分，同时监测目标空间范围内的风向、风速等参数，基于泄漏气体空间输运扩散规律设计的泄漏源反演溯源定位方法，结合无人飞行控制方法，实现空间范围内早期泄漏气体监测识别及定位。本系统主要包括无人飞行控制计算中心、姿态控制及GPS定位模块、人工嗅觉系统模块、大气环境监测模块、泄漏源定位模块、自动障碍躲避模块，其中设计了人工嗅觉系统和泄漏源定位算法。本发明具有监测空间广、监测精度高、泄漏预警定位准确及时等特点。

说明书

【技术领域】

本发明涉及气体检测监测技术领域，特别涉及一种空中飞行人工嗅觉气体早期泄漏监测定位系统。

【背景技术】

化工容器管道是工业流程当中的重要组成部分，而容器管道泄漏不仅会造成生产过程损失，同时载运介质的泄漏会带来潜在巨大的危害。由于泄漏引起的危险气体扩散甚至爆炸，是目前造成重大伤亡事故的主要原因之一。所以，对管道容器泄漏进行监测特别是早期泄漏进行监测识别，并进行准确定位，有助于降低或避免由于泄漏带来的风险，减少由于泄漏带来的危害。

目前在化工容器管道上已经使用的几种主要的泄漏监测方法主要有：

(1)传感电缆、光纤检漏：利用检测电缆和光纤特性，根据泄漏介质对传感电缆电学特性和光纤光学特性的改变，从而进行准确的响应，根据相关算法还可以得到泄漏发生位置，主要应用在长输管线泄漏监测。传感电缆和光纤检漏技术虽然可以比较准确的探测到泄漏信号，但是其主要的问题在于需要沿管线埋入线缆或光纤，施工比较复杂，成本比较高，而且对容器类泄漏监测无法适用。

(2)漏磁、超声波、声发射技术：通过对容器材料缺陷与磁场信号、声波信号之间的相关关系，可以探测容器壁缺陷，特别是裂纹缺陷。目前这几种方法主要应用在压力容器泄漏监测当中，但是这几种方法适合于对材料局部缺陷，而且通常只能在设备停车之后检修，很难实现在线监测，所以对于大范围的泄漏监测比较困难。

(3)红外成像技术：利用泄漏区域温度场与周边区域温度场的差异，通过图像处理算法得到泄漏区域的红外传感图像，从而判断泄漏发生。该技术可以在较大空间范围内对监测区域进行泄漏监测，但是最大的缺点是只有在发生非常明显的泄漏后才能得到比较可靠的红外图像，泄漏预警十分滞后。

(4)泄漏气体介质单点监测预警：目前所用的泄漏气体监测，都是借助于基于光学、电化学等原理的单点传感器，这些传感器虽然可以探测到发生明显泄漏后的浓度信号，进行报警，但是由于早期泄漏产生气体比较微量，很容易受到干扰，而这些传统检测手段由于具有检测范围受限、单物性选择传感器抗干扰能力差、预警滞后等缺点，对于早期泄漏微量痕迹气体很难准确探测到。

而对于泄漏源定位，目前的相关技术主要是在长输管线方面应用，主要有检测电缆、光纤，还有基于压力梯度时间序列分析的管道泄漏检测定位方法、故障模型滤波器的方法、卡尔曼滤波器方法、基于动态质量平衡的气体和液体管道的统计方法、基于负压波的管道泄漏检测与定位方法、基于管内声波检测的管道泄漏检测与定位方法、非线性观测器残差定位、振荡流激励信号频率响应方法、基于统计分析的管道泄漏检测方法等。而对于容器储罐区域的定位目前大部分采用的手段都是借助检漏仪器人工定位，效率和风险较高。

综上所述，由于目前容器管道泄漏监测及定位方法尚存在一些不足，在泄漏早期微量痕迹气体识别及大空间范围内监测定位方面还有进一步研究开发的空间。

【发明内容】

为解决现有技术存在的问题，本发明提出一种空中飞行人工嗅觉气体早期泄漏监测定位系统，可以有效地实现在大范围空间内，危险源气体早期泄漏的自动监测识别及快速定位。

为达到上述目的，本发明采用的技术手段是：

一种空中飞行人工嗅觉气体早期泄漏监测定位系统，包括：无人飞行控制计算中心、人工嗅觉系统模块、大气环境监测模块、泄漏源定位模块和姿态控制及GPS定位模块；

所述无人飞行控制计算中心用于收到启动信号，开始起飞执行泄漏监测任务，并收集计算来自其它模块的信息；

所述人工嗅觉模块用于采集监测目标气体泄漏伴随痕迹挥发性组分浓度数据，并传递给无人飞行控制计算中心；

所述大气环境监测模块用于采集环境监测数据并传递给无人飞行控制计算中心；

所述的姿态控制及GPS定位模块用于对系统装置飞行姿态调整，使其按照系统装置要求轨迹飞行，并确定其空间位置；

所述泄漏源定位模块根据无人飞行计算控制中心得到的浓度数据、环境监测数据，控制系统装置的姿态和位置变化，控制姿态控制及GPS定位模块，调整系统装置空间飞行位置，进行泄漏源定位。

进一步，所述人工嗅觉模块包括取样浓缩装置和模式识别模块，取样浓缩装置内部为富集气室，富集气室的端口上设置有过滤膜，富集气室的底部设置有气敏传感器阵列；

人工嗅觉模块自动采集监测区域气体样品，将气体通过取样浓缩装置富集后，气敏传感器阵列对特定气体组分信号响应，并输入无人飞行计算控制中心；

模式识别模块对输入浓度数据进行定量分析，得到气体组分中待测泄漏气体组分的浓度值。

进一步，气敏传感器阵列由多个不同响应性能的传感器组成；所述传感器阵列中的多个传感器对微量痕迹气体组分产生不同的响应信号，通过模式识别模块建立的特定气体组分的定量识别模型输出监测气体组分定量信号。

进一步，所述的取样浓缩装置的数量为四个，四个取样浓缩装置以矩形形式分布在系统装置安装结构的四角对称位置，其构成安装结构的法线方向与系统装置飞行方向平行。

进一步，所述姿态控制及GPS定位模块包括水平位置控制模块、垂直位置控制模块及位置坐标定位模块，分别用于实现系统装置在在水平方向、垂直方向的位置移动及确定系统装置所在空间坐标位置。

进一步，大气环境监测模块包括风速监测模块和风向监测模块，分别用于自动监测环境风速和风向变化，并将相关监测信号数据传送给无人飞行计算控制中心。

进一步，还包括自动障碍躲避模块，其包括障碍物探测传感器和自适应障碍躲避模块，

所述的障碍物探测传感器用于自动感知障碍物信息，并将其传送给计算控制中心；

自适应障碍躲避模块用于根据障碍物探测传感器反馈的信息，自动调用姿态控制及GPS定位模块的数据，对系统装置位置进行调整，躲避障碍物。

一种空中飞行人工嗅觉气体泄漏监测定位方法，包括以下步骤：

通过对待测气体取样富集后，气敏传感器阵列中的传感器对微量痕迹气体组分产生不同的响应信号，建立的特定气体组分的定量识别模型得到微量痕迹组分浓度数据；

采集大气环境监测数据，包括风速和风向；

监测泄漏痕迹气体组分超标时，启动泄漏源自动定位程序，结合泄漏气体微量痕迹组分浓度数据、大气环境监测数据，根据泄漏源定位算法，不断控制系统位置做姿态调整，并由GPS模块确定无人飞行系统所处空间位置，同时在飞行过程中通过自动障碍躲避模块实现飞行过程中自适应障碍物躲避；最终定位泄漏释放源位置。

作为本发明的进一步改进，泄漏源定位算法是指：依据风向统计，调整飞行方向与当前风向方向平行，下一步寻找泄漏气体在当前高度的羽流中线；整个系统以矩形分布形式安装多组传感器阵列，以探测不同位置处的浓度数据，根据多组传感器阵列浓度差异，判断中线位置，从而调整系统位置，进一步找到当前羽流起始点后，然后开始寻找下一层级的羽流中线及起始点，直到找到最靠近泄漏源位置处羽流起点。

作为本发明的进一步改进，泄漏源定位算法包括以下步骤：

1)异常浓度信号判定：系统对痕迹组分定量浓度信息进行处理，判断浓度是否异常，若否，则进入预定轨迹巡检；若是，进入下一步；

2)飞行方向与风向判定：根据风向统计数据，判断当前飞行方向是否与统计的当前风向平行，如果飞行方向与当前风向方向平行，按照当前飞行方向继续飞行，如果不一致，则调整飞行方向与当前风向方向平行；

3)根据不同方位的传感器阵列浓度信息比较，进行系统位置与泄漏源相对风向位置的判断：如果沿系统装置飞行方向的头部传感器阵列浓度均值X₁与尾部传感器阵列浓度均值X₂的大小，若X₁＞X₂，则沿当前方向继续飞行，若X₁＜X₂，则沿当前方向的相反方向飞行；

4)羽流中线位置判断：根据不同位置的传感器阵列浓度差异，判断沿系统装置飞行方向的左翼传感器阵列浓度均值Y₁与右翼传感器阵列浓度均值Y₂的大小，若Y₁＞Y₂，则沿左翼飞行，若Y₁＜Y₂，则沿右翼飞行；如果两侧的浓度均值差异小于二者差值的10％时，判定飞行位置处于该层泄漏浓度的羽流中线位置；

5)寻找当前水平羽流的起点位置：如果在当前飞行方向下，头部传感器阵列监测的浓度和值小于尾部传感器阵列的浓度和值，并且两翼传感器阵列浓度差值超过浓度和值较小一侧的10％的时候，判定飞行系统达到了当前水平羽流的起点位置。

6)泄漏源位置判断：飞行系统开始调整姿态向下一层级飞行，每次高度下降L，开始寻找下一层级的羽流中线及起始点；在飞行过程中不断统计传感器阵列得到的气体浓度值的和，如果系统到达气体痕迹组分的全局浓度值达到最大的区域，就可以判定泄漏源位置位于该区域，定位完成，存储位置信息。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本系统主要包括无人飞行控制计算中心、姿态控制及GPS定位模块、人工嗅觉系统模块、大气环境监测模块、泄漏源定位模块、自动障碍躲避模块，其中设计了人工嗅觉系统和泄漏源定位算法，本发明的监测定位系统利用高精度气敏传感器阵列和智能模式识别算法，构建人工嗅觉系统，实现对泄漏早期痕迹气体微量组分的监测识别功能；同时，基于泄漏气体空间输运扩散规律，设计了泄漏源反演溯源定位方法，结合无人飞行控制方法，提出一种针对早期气体泄漏的空中飞行人工嗅觉自动泄漏监测定位系统。本发明具有监测空间广、监测精度高、泄漏预警定位准确及时等特点。

(1)本发明泄漏气体识别基于人工嗅觉系统，能够实现对泄漏早期微量气体泄漏组分的识别和监测；

(2)本发明同时监测了气体浓度、大气环境信号，根据泄漏气体扩散轨迹反演原理，设计泄漏源定位算法，实现泄漏源的快速定位。

(3)本发明结合泄漏源定位算法、姿态控制及GPS定位、自动躲避障碍物功能，能够实现在无人操纵情况下，从空中自动追踪泄漏源位置；

(4)本发明可以用在化工厂区可挥发性危险气体源的空中监测定位，还可以用在管线气体泄漏监测定位当中，同时还可以用在大型危险品仓储区域等危险源气体早期监测预警当中。

本发明的气体泄漏监测定位方法，利用高精度气敏传感器阵列和模式识别算法构建人工嗅觉系统，在飞行过程中监测识别泄漏早期微量痕迹气体微量组分，同时监测目标空间范围内的风向、风速等参数，基于泄漏气体空间输运扩散规律设计的泄漏源反演溯源定位方法，结合无人飞行控制方法，实现空间范围内早期泄漏气体监测识别及定位。本发明方法具有监测空间广、监测精度高、泄漏预警定位准确及时等特点。

【附图说明】

图1空中飞行人工嗅觉气体早期泄漏监测定位方法系统结构示意图；其中，1为无人飞行控制计算中心；2为人工嗅觉系统模块；3为大气环境监测模块；4为泄漏源定位模块；5为姿态控制及GPS定位模块；6为自动障碍躲避模块；200为取样浓缩装置；300为风速监测模块；301为风向监测模块；600为障碍物探测传感器；601为自适应障碍躲避模块；

图2气体过滤富集装置及传感器阵列结构，其中，201为过滤膜、202为富集气室、203为传感器阵列结构，204是单个传感器，每组传感器阵列由a、b、c、d 4个不同传感器构成；

图3传感器阵列安装示意图，其中S1、S2、S3、S4为4组相同的传感器阵列

图4泄漏源定位原理，其中401为水平羽流线、402为垂直羽流线、403为传感器阵列组；

图5泄漏源定位算法基本流程图。

【具体实施方式】

下面结合具体的实例和附图对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

如图1所示，本发明所述空中飞行人工嗅觉气体早期泄漏监测定位系统主要由六部分构成：无人飞行控制计算中心1；人工嗅觉系统模块2；大气环境监测模块3；泄漏源定位模块4；姿态控制及GPS定位模块5；自动障碍躲避模块6。

各部分主要功能为：无人飞行控制计算中心1收到启动信号，开始起飞进行执行无人自动泄漏监测任务，并收集计算来自其它模块的信息并进行分析处理，并与各个模块之间通信。姿态控制及GPS定位模块5对系统飞行姿态调整，使其按照系统要求轨迹飞行，并确定其空间位置；大气环境监测模块3采集风向、风速信号并传递给无人飞行计算控制中心；人工嗅觉模块2采集监测目标气体泄漏伴随痕迹挥发性组分信号，并传递给无人飞行计算控制中心。泄漏源定位模块4基于泄漏源定位算法程序，根据无人飞行计算控制中心指令，控制姿态控制及GPS定位模块，调整系统空间飞行位置，直到定位完成；自动障碍躲避模块6实现在飞行过程中，实现系统装置对障碍物的自动躲避。

姿态控制及GPS定位模块5主要由水平位置控制501、垂直位置控制502及位置坐标定位503构成。利用该模块可以实现系统装置在在水平方向、垂直方向的位置移动，并确定系统装置所在空间坐标位置。

人工嗅觉系统模块2，由取样浓缩装置200、高精度气敏传感器阵列204和模式识别算法205构成。该模块可以自动采集监测区域气体样品，将气体通过取样浓缩装置200富集后，高精度气敏传感器阵列204对特定气体组分信号响应，并输入无人飞行计算控制中心。模式识别算法205对输入浓度数据进行定量分析，得到气体组分中待测泄漏气体组分的浓度值。

大气环境监测模块3主要包括风速监测300和风向监测301，系统启动运行过程中能够自动监测环境风速和风向变化，并将相关监测信号数据传送给无人飞行计算控制中心，用于泄漏源定位。

泄漏源定位模块4，利用泄漏源定位算法，根据计算控制中心得到的浓度数据、环境监测数据，控制系统姿态和位置变化，最终定位泄漏释放源位置。

自动障碍躲避模块6主要包括障碍物探测传感器300和自适应障碍躲避算法601，在系统进行自动定位过程中，障碍物探测传感器可以自动感知障碍物信息，并将其传送给计算控制中心，自适应障碍躲避算法根据障碍物探测传感器的信息，自动调用姿态控制模块，对系统位置进行调整，躲避障碍物。

本发明的原理为：高精度气敏传感器阵列由4个不同响应性能的传感器构成，通过对待测气体取样富集后，传感器阵列中的4个传感器对微量痕迹气体组分产生不同的响应信号，通过模式识别算法建立的特定气体组分的定量识别模型对监测信号识别输出。整个系统以矩形分布形式安装4组传感器阵列，以探测不同位置处的浓度信号。环境监测模块监测环境大气风速和风向，为泄漏源定位算法提供相关数据。一旦监测泄漏痕迹气体组分超标，由无人飞行系统计算控制中心启动泄漏源自动定位程序，结合泄漏气体微量痕迹组分浓度数据、大气环境监测数据，根据泄漏源定位算法，不断控制系统姿态调整，并由GPS模块确定无人飞行系统所处空间位置，同时在飞行过程中通过自动障碍躲避模块实现飞行过程中自适应障碍物躲避。在泄漏源定位过程中，飞行系统根据定位算法，首先依据风向统计，调整飞行方向与当前风向方向平行，下一步寻找泄漏气体在当前高度的羽流中线，根据4组传感器阵列浓度差异，判断中线位置，从而调整系统位置，进一步找到当前羽流起始点后，然后开始寻找下一层级的羽流中线及起始点，直到找到最靠近泄漏源位置处羽流起点，即浓度信号为全局统计最大的区域即为泄漏位置。

本发明监测定位系统工作的一般流程为：

当飞行计算控制中心1收到执行任务要求，系统开始起飞并按照预定轨迹进行飞行，在飞行过程中由搭载的人工嗅觉系统2采集飞行区域气体样品，并进行定量分析。人工嗅觉系统由取样浓缩装置200、高精度气敏传感器阵列203和模式识别算法构成。

其中，取样浓缩装置200实现气体样品的过滤和富集，其结构如图2所示，主要包括过滤膜201和富集气室202。传感器阵列203位于取样浓缩装置200底部，由4个不同响应性能的传感器204构成，如图2中203所示。每组传感器阵列由a、b、c、d 4个具有不同响应特性的气敏传感器组成，能够对1ppm以下的待测气体组分响应，组成结构如图2-203、204所示。通过对待测气体取样富集后，传感器阵列203中的4个传感器对微量痕迹气体组分产生不同的响应信号，通过模式识别算法建立的特定气体组分的定量识别模型输出监测气体组分定量信号。

如图3所示，整个系统以矩形分布形式安装4组传感器阵列，以探测不同位置处的浓度信号，取样浓缩装置200和高精度气敏传感器204共4组，安装在系统装置的4个不同位置，取样浓缩装置200和气敏传感器阵列204组合S1、S2、S3、S4以矩形形式分布在系统安装结构的四角对称位置，其构成安装结构法线方向与系统装置飞行方向平行，其安装组成如图3所示，S1、S2、S3、S4为4组不同的取样浓缩装置和传感器阵列，其中S1、S3安装位置连线和S2、S3位置连线与系统飞行方向平行。

在系统飞行过程中，搭载大气环境监测模块以监测环境大气的风速和风向，为泄漏源定位算法提供相关风速和风向数据。如果人工嗅觉系统分析得到泄漏痕迹组分处于正常水平，飞行系统按照预定轨迹进行飞行监测，而一旦人工嗅觉系统分析得到泄漏痕迹气体组分超标，由无人飞行系统计算控制中心启动泄漏源自动定位程序，结合泄漏气体微量痕迹组分浓度数据、大气环境监测数据，根据泄漏源定位算法，不断控制系统姿态调整，并由GPS模块确定无人飞行系统所处空间位置，同时在飞行过程中由自动障碍躲避模块实现飞行过程中自适应障碍物躲避。

泄漏源定位的基本原理如图4所示，泄漏源轨迹溯源定位根据泄漏气体在大气环境中的水平和垂直扩散规律，其水平扩散羽流浓度值随相对泄漏源顺风距离X增大而减小，以通过泄漏源与侧风方向Y轴平行的中线对称，侧风方向浓度随距离中线距离增大而减小，如图4中401所示；而垂直羽流浓度随高度的增加而逐渐减小，如图4中402所示。在泄漏源定位过程中，飞行系统搭载人工嗅觉系统的四组传感器阵列和取样浓缩装置在不同空间位置处采集气体浓度信号，如图4中403所示。

定位算法基本流程如图5所示，主要包括异常浓度信号判定、飞行方向与风向判定、系统位置与泄漏源风向位置判断、羽流中线位置判断、水平羽流起点位置判断、泄漏源位置判断等几部分。

系统首先根据风向统计数据，判断当前飞行方向是否与统计的当前风向平行，如果飞行方向与当前风向方向平行，按照当前飞行方向继续飞行，如果不一致，则调整飞行方向与当前风向方向平行。

下一步寻找泄漏气体在当前高度的水平羽流中线，根据4组传感器阵列浓度差异，判断中线位置，如果S1、S3组和S2、S4组的浓度均值差异小到二者差值的10％的时候，判定其位于羽流中线附近。

进一步寻找当前水平羽流的起点位置，如果在当前飞行方向下，头部两组传感器阵列监测的浓度和值小于尾部两组传感器阵列的浓度和值，并且浓度差值超过浓度和值较小一侧的10％的时候，判定飞行系统达到了当前水平羽流的起点位置。

飞行系统开始调整姿态向下一层级飞行，每次高度下降0.5m，开始寻找下一层级的羽流中线及起始点。在飞行过程中不断统计四组传感器阵列得到的气体浓度值的和，如果系统到达最靠近泄漏源位置处羽流起点，即气体痕迹组分的全局浓度值达到最大的区域，就可以判定泄漏源位置位于该区域，定位完成，存储位置信息。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。