孫佳++桂宇貴++吳杰++張珂

摘 要：近年來(lái)，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)高空作業(yè)設(shè)備采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)受到了安全監(jiān)管部門(mén)和設(shè)備制造企業(yè)的廣泛關(guān)注。采用氣壓高度計(jì)獲取高度數(shù)據(jù)是一種常見(jiàn)的選擇形式，但氣壓高度計(jì)在測(cè)量過(guò)程中受多種因素的影響使其存在一定的測(cè)量誤差，導(dǎo)致高度數(shù)據(jù)測(cè)量不準(zhǔn)確。通過(guò)分析氣壓高度計(jì)測(cè)量過(guò)程中的氣壓與高度之間的轉(zhuǎn)換原理及產(chǎn)生主要誤差的原因，發(fā)現(xiàn)氣壓高度計(jì)測(cè)量誤差主要來(lái)源于原理誤差以及測(cè)量元件引起的誤差，基于誤差修正理論考慮誤差來(lái)源并處理對(duì)應(yīng)測(cè)量誤差。采用行之有效的修正方法來(lái)提高氣壓高度計(jì)的測(cè)量精度，為在氣壓高度計(jì)應(yīng)用中降低高度數(shù)據(jù)測(cè)量誤差提供一種可靠的解決方案。

關(guān)鍵詞：氣壓高度計(jì)；誤差分析；修正方法；測(cè)量誤差

中圖分類(lèi)號(hào)：O17；TP202+.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2016）12-00-03

0 引 言

高處作業(yè)設(shè)備施工高度是指平臺(tái)重心在空中距某一基準(zhǔn)平面的垂直距離，標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，超過(guò)兩米以上的空中作業(yè)即為高處作業(yè)，因此遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備的運(yùn)行高度對(duì)眾多高處作業(yè)設(shè)備意義重大。根據(jù)所選測(cè)量基準(zhǔn)面的不同，施工高度可分為標(biāo)準(zhǔn)氣壓高度、絕對(duì)高度以及相對(duì)高度三種。標(biāo)準(zhǔn)氣壓高度以標(biāo)準(zhǔn)海平面為基準(zhǔn)，絕對(duì)高度以實(shí)際海平面為基準(zhǔn)，相對(duì)高度以高處作業(yè)平臺(tái)施工時(shí)建筑物的地平面為基準(zhǔn)[1，2]。目前工程中常用氣壓高度計(jì)對(duì)高處作業(yè)設(shè)備的絕對(duì)高度進(jìn)行測(cè)量，并通過(guò)兩次測(cè)量來(lái)計(jì)算高處作業(yè)設(shè)備的相對(duì)作業(yè)高度。氣壓高度計(jì)利用壓力傳感器采集平臺(tái)所處高度的氣壓數(shù)據(jù)，經(jīng)微處理器中的氣壓高度轉(zhuǎn)換算法將氣壓數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為高度數(shù)據(jù)輸出。

1 氣壓高度計(jì)原理性誤差分析及修正

1.1 氣壓高度轉(zhuǎn)換原理

設(shè)定地球表面的大氣層相對(duì)地球沒(méi)有水平和垂直方向的運(yùn)動(dòng)，即相對(duì)地球?yàn)殪o止大氣時(shí)，在大氣層任一高度取一微型空氣柱，橫截面積為ds，高度為dh。假設(shè)該微型空氣柱的上底面承受的大氣壓力為Ps，下底面承受的大氣壓力為Ps+dPs，空氣柱的重量為G，上底面的大氣溫度為T(mén)，高度為h；下底面的大氣溫度為T(mén)b，高度為hb，微型空氣柱的受力示意圖如圖1所示。

因計(jì)算時(shí)大氣層為靜止大氣，根據(jù)靜力學(xué)平衡方程可得：

2.3 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的誤差修正算法

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種具有三層或三層以上神經(jīng)元的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，包括輸入層、中間層（隱層）和輸出層。上下層之間實(shí)現(xiàn)全連接，而每層神經(jīng)元之間無(wú)連接。當(dāng)一對(duì)學(xué)習(xí)樣本提供給網(wǎng)絡(luò)后，神經(jīng)元的激活值從輸入層經(jīng)各中間層向輸出層傳播，在輸出層的各神經(jīng)元獲得網(wǎng)絡(luò)的輸入響應(yīng)。之后按照減少目標(biāo)輸出與實(shí)際輸出之間誤差的方向，從輸出層反向經(jīng)各中間層回到輸入層，從而逐層修正連接權(quán)值，這種算法被稱(chēng)為“誤差反向傳播方法”，即BP算法。隨著這種誤差逆向的傳播修正不斷進(jìn)行，網(wǎng)絡(luò)對(duì)輸入模式響應(yīng)的正確率也不斷上升[10，11]。采用動(dòng)量梯度下降算法訓(xùn)練BP網(wǎng)絡(luò)，選用經(jīng)過(guò)5點(diǎn)3次平滑處理后的上行和下行高度測(cè)量數(shù)據(jù)為BP網(wǎng)絡(luò)的輸入值，目標(biāo)輸出值為理想高度值，訓(xùn)練顯示間隔為50次，學(xué)習(xí)步長(zhǎng)為0.05，最大訓(xùn)練次數(shù)為300，最大均方差為1×10-5，通過(guò)相關(guān)軟件編寫(xiě)算法程序，可得如圖3所示的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)修正效果對(duì)比曲線(xiàn)。

由圖3可知，經(jīng)過(guò)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)修正后的高度測(cè)量曲線(xiàn)較上行高度測(cè)量曲線(xiàn)、下行高度測(cè)量曲線(xiàn)更接近于平臺(tái)實(shí)際高度曲線(xiàn)，修正后的測(cè)量值與實(shí)際值之間波動(dòng)變?。籅P修正絕對(duì)誤差最大值為0.300 7 m，遠(yuǎn)小于上行絕對(duì)誤差最大值1.2 m以及下行絕對(duì)誤差1.96 m，滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用的要求。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文對(duì)實(shí)際海平面與標(biāo)準(zhǔn)海平面大氣狀況不同時(shí)造成的氣壓高度計(jì)原理性誤差進(jìn)行了分析和修正，采用5點(diǎn)3次平滑法對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，同時(shí)通過(guò)構(gòu)建BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)修正算法模型對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行二次處理。結(jié)果表明，處理后的測(cè)量數(shù)據(jù)的絕對(duì)誤差最大值為0.300 7 m，遠(yuǎn)小于處理前測(cè)量數(shù)據(jù)的絕對(duì)誤差最大值1.96 m。減小了由測(cè)量元件引起的誤差對(duì)氣壓高度計(jì)測(cè)量結(jié)果的影響，為氣壓高度計(jì)在高處作業(yè)設(shè)備的高度測(cè)量中提高測(cè)量精度提供了一種有效的方法。

參考文獻(xiàn)

[1]孟煒.高度測(cè)量數(shù)據(jù)處理及算法的研究[D].西安：西北工業(yè)大學(xué)，2005.

[2]高善清，魏新亮.數(shù)字氣壓高度表數(shù)據(jù)處理算法分析[J].四川兵工學(xué)報(bào)，2013，34（7）：80-82.

[3]舒鋒.氣壓公式及其溫度修正[J].邵陽(yáng)學(xué)院學(xué)報(bào)（社會(huì)科學(xué)版），2003，2（2）：154-156.

[4]姚曉武.理想氣體的狀態(tài)性質(zhì)與體系內(nèi)能的數(shù)學(xué)關(guān)系[J].河南科學(xué)，2011，29（4）：397-402.

[5]王麗莉.海拔高度與大氣壓關(guān)系的回歸計(jì)算[J].價(jià)值工程，2014 （23）：324-325.

[6]姚怡，黃智剛，李銳.便攜式氣壓高度計(jì)研制及誤差修正技術(shù)研究[J].遙測(cè)遙控，2009，30（6）：48-51.

[7]李亮，杜利東，趙湛，等.數(shù)字氣壓傳感器的一種高效標(biāo)定和補(bǔ)償方法[J].傳感器與微系統(tǒng)，2014，33（11）：44-47.

[8]吳曉男，唐大全，徐慶九.氣壓式高度表的測(cè)量誤差分析及修正方法[J].儀表技術(shù)，2010（12）：26-28.

[9]周東華.平滑算法和小波變換法相融合的氣井生產(chǎn)數(shù)據(jù)處理[J].油氣田地面工程，2011，30（4）：33-35.

[10]彭基偉，呂文華，行鴻彥，等.基于改進(jìn)GA-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的濕度傳感器的溫度補(bǔ)償[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2013，34（1）：153-160.

[11]張耀鋒，孫以材，邢曉輝.基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的壓力傳感器的溫度補(bǔ)償[J].電子學(xué)報(bào)，2008，36（2）：358-361.