金美玉 湯亞玲 張學(xué)鋒

(安徽工業(yè)大學(xué) 安徽 馬鞍山 243002)

0 引 言

隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，對(duì)工業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)生的煤氣進(jìn)行安全防患預(yù)警成為重中之重。一旦煤氣在生產(chǎn)及儲(chǔ)存過程中發(fā)生泄露，空氣中的煤氣濃度超過閾值必會(huì)引發(fā)火災(zāi)，甚至爆炸事故。近幾年的調(diào)查報(bào)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(nèi)發(fā)生煤氣泄漏，造成1人死亡，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)130萬元[1]。2018年2月5日，廣東省韶關(guān)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(yīng)該對(duì)可能發(fā)生煤氣泄露的區(qū)域進(jìn)行煤氣濃度實(shí)時(shí)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(jìn)一步擴(kuò)大災(zāi)害的發(fā)生范圍。因此工業(yè)煤氣泄漏監(jiān)測預(yù)警技術(shù)成為近些年來的研究熱點(diǎn)。

無線傳感技術(shù)的快速發(fā)展使得其應(yīng)用領(lǐng)域更加廣泛，如環(huán)境監(jiān)測、信息采集、目標(biāo)點(diǎn)定位等。近年來，國內(nèi)外采用無線傳感技術(shù)對(duì)污染氣體進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測及報(bào)警的越來越多，但是，目前的監(jiān)測技術(shù)主要是針對(duì)基本的氣體濃度檢測以及超限報(bào)警，并不具備在消防應(yīng)急救援工作中起關(guān)鍵作用的定位功能。位置信息對(duì)于監(jiān)測活動(dòng)至關(guān)重要，目標(biāo)事件發(fā)生的位置或者終端設(shè)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(duì)煤氣泄漏事故進(jìn)行深入研究，利用LoRa無線通信技術(shù)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(yù)警系統(tǒng)，以期為安監(jiān)和救援提供有效信息，及時(shí)進(jìn)行應(yīng)對(duì)處理，減少人員及財(cái)產(chǎn)損失。

1 相關(guān)技術(shù)

1.1 LoRa通信技術(shù)

LoRa技術(shù)具有低功耗、低成本、多節(jié)點(diǎn)、遠(yuǎn)距離的特點(diǎn)，是一種基于擴(kuò)頻技術(shù)的遠(yuǎn)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(luò)具有建設(shè)簡單和部署容易的特性，已成為當(dāng)前最為廣泛應(yīng)用的物聯(lián)網(wǎng)專用網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)[4]。系統(tǒng)的LoRa通信設(shè)計(jì)采用服務(wù)器-網(wǎng)關(guān)-終端設(shè)備的連接方法，采集的信息通過終端設(shè)備進(jìn)行反饋。終端設(shè)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(shí)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(shè)備硬件如圖1所示。

圖1 終端設(shè)備集成模塊

1.2 地圖應(yīng)用開發(fā)技術(shù)

通過高德地圖API接口來加載地圖界面，實(shí)現(xiàn)地圖控件、覆蓋物、滾動(dòng)縮放、地圖類型轉(zhuǎn)換等功能。系統(tǒng)引用高德地圖JS API應(yīng)用接口，將實(shí)時(shí)接收的終端設(shè)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(shí)將實(shí)時(shí)接收的煤氣濃度及設(shè)備信息展示到對(duì)應(yīng)終端設(shè)備的屬性窗口以達(dá)到遠(yuǎn)程監(jiān)控終端設(shè)備的效果。通過數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)更新實(shí)現(xiàn)物體實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)的軌跡顯示[6]。系統(tǒng)結(jié)合第三方類庫(CWebPage類)及高德地圖API應(yīng)用接口，實(shí)現(xiàn)Microsoft Web Browser控件與高德地圖的結(jié)合以及C++語言與JavaScript腳本語言的交互，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)巡檢人員在地圖上的動(dòng)態(tài)軌跡顯示及終端設(shè)備工作狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

2 系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)主要由七個(gè)模塊組成:(1) 開啟終端設(shè)備連接模塊；(2) 數(shù)據(jù)采集模塊；(3) 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊；(4) 數(shù)據(jù)分析模塊；(5) 超限預(yù)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(yù)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(yù)警系統(tǒng)功能模塊

每個(gè)模塊的功能概括如下：

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

(2) 數(shù)據(jù)采集模塊：該模塊負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)采集終端設(shè)備狀態(tài)信息，并將信息發(fā)送到存儲(chǔ)模塊進(jìn)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(chǔ)模塊：該模塊用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)采集模塊所采集的數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)將根據(jù)業(yè)務(wù)需求，采用關(guān)系數(shù)據(jù)庫Access,對(duì)終端設(shè)備信息進(jìn)行實(shí)時(shí)更新。Access主要用于存儲(chǔ)終端設(shè)備信息、巡檢員信息、終端設(shè)備實(shí)時(shí)采集信息等基本數(shù)據(jù)。

(4) 數(shù)據(jù)分析模塊：該模塊對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行GPS經(jīng)緯度及煤氣濃度值的異常判定。分析的結(jié)果主要用于表明終端設(shè)備的當(dāng)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(yù)警模塊:該模塊負(fù)責(zé)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)異常檢測，并對(duì)煤氣泄漏進(jìn)行實(shí)時(shí)報(bào)警，避免煤氣長時(shí)間泄漏而無人知曉，減少人民生命及財(cái)產(chǎn)安全的損失。該模塊架構(gòu)如圖4所示。

圖4 超限預(yù)警模塊架構(gòu)

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

(7) 界面數(shù)據(jù)更新模塊：該模塊負(fù)責(zé)在地圖中實(shí)時(shí)顯示終端設(shè)備的當(dāng)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(yīng)的終端設(shè)備屬性窗口。通過實(shí)時(shí)更新界面中各個(gè)終端設(shè)備屬性值使得監(jiān)控中心能實(shí)時(shí)掌握不同巡檢員的狀態(tài)。

2.2 數(shù)據(jù)庫構(gòu)建

為實(shí)現(xiàn)對(duì)終端設(shè)備采集數(shù)據(jù)的分析、查看及管理，將終端設(shè)備的相關(guān)參數(shù)及所采集的數(shù)據(jù)通過建立數(shù)據(jù)庫進(jìn)行分類存儲(chǔ)。不同編號(hào)的終端設(shè)備所采集的信息存儲(chǔ)在各自的一張表格中(如一號(hào)設(shè)備詳細(xì)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(shí)間。系統(tǒng)涉及的其他數(shù)據(jù)則存儲(chǔ)在另外四張表格中(終端設(shè)備數(shù)據(jù)表、設(shè)備報(bào)警記錄表、巡檢員信息表、分配設(shè)備數(shù)據(jù)表)，其中管理員將不同設(shè)備分配給相應(yīng)巡檢員的記錄存儲(chǔ)在分配設(shè)備數(shù)據(jù)表中，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的警報(bào)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在設(shè)備報(bào)警記錄表中。煤氣泄漏無線監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫基本框架結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 煤氣泄漏無線監(jiān)測預(yù)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(yù)警系統(tǒng)主要由兩部分組成，分別是開啟終端設(shè)備連接和數(shù)據(jù)庫操作。以VC為系統(tǒng)開發(fā)工具，調(diào)用第三方類庫(CWebPage類)及高德地圖API應(yīng)用接口。下面以某鋼鐵分廠地圖為場景進(jìn)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(yù)警系統(tǒng)監(jiān)控中心界面

3.1 實(shí)時(shí)更新位置及超限報(bào)警提示

開啟終端設(shè)備連接模塊是將上位機(jī)監(jiān)控中心與終端設(shè)備建立連接，對(duì)攜帶終端設(shè)備的巡檢員進(jìn)行實(shí)時(shí)GPS定位及現(xiàn)場煤氣濃度的監(jiān)測。上位機(jī)監(jiān)控中心實(shí)時(shí)監(jiān)測終端設(shè)備采集的煤氣濃度值，判斷是否超過危險(xiǎn)值，并劃分為不同危險(xiǎn)等級(jí)。對(duì)于超過危險(xiǎn)值的設(shè)備，通過報(bào)警聲音對(duì)巡檢員及廠區(qū)的其他人員進(jìn)行提示，同時(shí)上位機(jī)監(jiān)控中心也進(jìn)行相應(yīng)等級(jí)的報(bào)警聲音提示。上位機(jī)監(jiān)控中心實(shí)時(shí)更新巡檢員的位置，當(dāng)發(fā)生煤氣泄漏時(shí)，給救援人員提供準(zhǔn)確的位置信息。異常報(bào)警過程如圖7所示。

圖7 超限報(bào)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(duì)終端設(shè)備所采集的信息進(jìn)行分類存儲(chǔ)及分析顯示。如查看不同設(shè)備在一段時(shí)間內(nèi)的煤氣濃度曲線圖及報(bào)警記錄(見圖8)，通過曲線圖及報(bào)警記錄可知該設(shè)備所在區(qū)域在這一段時(shí)間內(nèi)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(shè)備可能存在的不安全性如短時(shí)間內(nèi)無LoRa信號(hào)或GPS信號(hào)等，如果發(fā)生煤氣泄漏事故可通過之前數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)的終端設(shè)備信息(表1)進(jìn)行終端設(shè)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(dá)的位置。

圖8 查看報(bào)警記錄界面

表1 終端設(shè)備部分歷史數(shù)據(jù)

圖9 查看歷史軌跡界面

圖10 終端設(shè)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(jī)尋找煤氣泄漏點(diǎn)，目的是與煤氣泄漏無線監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)結(jié)合使用。當(dāng)系統(tǒng)預(yù)警煤氣泄漏時(shí)，因煤氣具有致死致傷性、救援難度大等特點(diǎn)，可先使用無人機(jī)尋找可能的煤氣泄漏點(diǎn)再由救援人員進(jìn)行泄漏點(diǎn)的定點(diǎn)排查及維修，為救援節(jié)約大量的時(shí)間。模擬無人機(jī)尋找煤氣泄漏點(diǎn)采用改進(jìn)的模式搜索算法來進(jìn)行泄漏點(diǎn)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(biāo)函數(shù)的導(dǎo)數(shù)，因此可以使用直接搜索來解決目標(biāo)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(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡單等特點(diǎn)[7]。模式搜索法在運(yùn)行時(shí)是交替進(jìn)行軸向移動(dòng)(沿著相應(yīng)維度的坐標(biāo)軸移動(dòng)，探測有利的運(yùn)動(dòng)方向)和模式移動(dòng)(沿兩個(gè)相鄰探測點(diǎn)連線的有利方向移動(dòng))[8]。以原有模式搜索為基礎(chǔ)，結(jié)合實(shí)驗(yàn)過程中的優(yōu)化問題，對(duì)搜索的步長及方向做進(jìn)一步的研究，改進(jìn)原有搜索方式，并將此方式運(yùn)用到求解煤氣泄漏點(diǎn)的問題上。主要目的是通過利用改進(jìn)的模式搜索算法來提高尋找煤氣泄漏點(diǎn)的計(jì)算精度，并推動(dòng)其在理論及實(shí)際應(yīng)用過程中的進(jìn)一步發(fā)展。改進(jìn)的模式搜索算法步驟如下。

(1) 給定初始點(diǎn)(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(gè)運(yùn)動(dòng)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(zhuǎn)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(zhuǎn)步驟(3)。

(5) 如果δ≤ε，則停止搜索，得到終點(diǎn)坐標(biāo)值x、y，算法到此結(jié)束。否則令δ=β×δ，j=1，轉(zhuǎn)步驟(2)。

通過該方法及VC模擬煤氣泄漏點(diǎn)定位過程如下：設(shè)定氣體泄漏點(diǎn)坐標(biāo)(50,50)，設(shè)置0.08 s釋放80個(gè)氣體粒子，隨機(jī)初始化各個(gè)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(jī)運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散。記錄無人機(jī)初始點(diǎn)的氣體粒子濃度，設(shè)置無人機(jī)進(jìn)行軸向搜索，計(jì)算無人機(jī)在軸向搜索過程中粒子濃度變化，與設(shè)定的閾值相比較，進(jìn)而更改軸向；一次軸向運(yùn)動(dòng)完成后，若沒有找到泄漏點(diǎn)則進(jìn)行軸間搜索，再次計(jì)算軸間搜索過程中粒子濃度變化，與閾值比較，進(jìn)而更改方向；軸向與軸間搜索交替進(jìn)行直至尋找到煤氣泄漏點(diǎn)的位置。利用原始模式搜索算法進(jìn)行泄漏點(diǎn)搜索，最終獲得泄漏點(diǎn)坐標(biāo)是(48，54)如圖11所示；利用改進(jìn)后的模式搜索算法搜索泄漏點(diǎn)的坐標(biāo)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(jìn)的模式搜索算法所仿真得到的泄漏點(diǎn)坐標(biāo)相比于原始模式搜索算法所仿真得到的泄漏點(diǎn)坐標(biāo)更接近仿真設(shè)定的泄漏點(diǎn)坐標(biāo)(50，50)，改進(jìn)后的算法搜索坐標(biāo)精度更加準(zhǔn)確，說明改進(jìn)的方法是具有可取性的。

圖11 原始搜索算法仿真結(jié)果

圖12 模擬無人機(jī)尋找過程中的部分軌跡坐標(biāo)

圖13 改進(jìn)搜索算法仿真結(jié)果

4 結(jié) 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(jìn)行固定位置的監(jiān)測和報(bào)警，沒有發(fā)揮在事故預(yù)防和處理上的優(yōu)勢。本文以某鋼鐵廠預(yù)警煤氣泄漏為背景，建立了煤氣泄漏無線監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)控終端設(shè)備位置及煤氣濃度，并利用VC對(duì)氣體泄漏點(diǎn)尋找進(jìn)行了模擬實(shí)驗(yàn)。該系統(tǒng)具有通用性，操作簡便，連接終端設(shè)備即可進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，為煤氣泄漏預(yù)警、事故救援搶險(xiǎn)應(yīng)急處理研究提供理論依據(jù)和技術(shù)參考。