專利名稱：油罐區(qū)火源定位系統(tǒng)及火源定位方法
技術領域：
本發(fā)明屬于火源定位技術領域，特別是一種能夠快速、準確、安全地定位油罐區(qū)火源的油罐區(qū)火源定位系統(tǒng)以及油罐區(qū)火源定位方法。
背景技術：
目前，火源定位主要集中在煤炭行業(yè)的自燃火源探測定位。煤炭自燃火源探測定位的方法主要有:離散正則化法、紅外探測法等。田禹等將煤礦井下隱蔽火源位置確定問題歸納為熱傳導方程的尋源反問題，把在火源周圍實測的溫度場分布作為附加條件，利用離散正則化方法求解熱傳導方程，從理論上研究了煤巷近距離火源位置確定問題。王振平等根據(jù)紅外探測能量場分布，建立煤巷煤層自燃高溫點的熱傳導方程，提出了煤巷近距離煤層自燃高溫點的反演算法，確定自燃火源的深度、范圍和溫度。然而，以上方法并不適用于油罐區(qū)的火源定位。離散正則化方法對隱蔽火源進行反演，把二維溫度場簡化為一維溫度場，從實際應用效果來看較好，但是該方法是在已知熱傳導方程解析解的基礎上進行的，這限制了它的應用范圍。煤巷空間結構較為固定，熱傳導受到的影響因素較少，而油罐區(qū)多位于開闊的露天環(huán)境下，熱傳導受到的干擾因素多而且不可控，從熱傳導方程的角度對油罐區(qū)火源熱傳導進行理論分析較為復雜。紅外探測法近距離測量效果較好。中國發(fā)明專利“煤巷煤炭自燃火源點位置的紅外探測方法”(申請?zhí)?99120455.7，
公開日:2001.7.4)通過(I)在確定探測的煤巷開掘后對整個煤巷進行測點布置和紅外探測，(2)找出煤巷隱蔽火源溫度異常區(qū)段，(3)對熱傳導方程式進行反演解算確定隱蔽火源點位置。但是油罐區(qū)的范圍往往較大，過遠的探測距離會影響探測精度和準確度。在紅外探測法中，為了定位準確，往往需要在探測過程中人為增加探測點，這既耗時也不安全；此外，實際觀測的是巷道壁面的紅外輻射強度，而在油罐區(qū)中并沒有類似的特征物理量可供選擇。因此，現(xiàn)有技術存在的問題是:尚沒有適合油罐區(qū)火源定位的快速、準確、安全的火源定位系統(tǒng)及火源定位方法。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種油罐區(qū)火源定位系統(tǒng)，其能快速、準確地實現(xiàn)油罐區(qū)的火源定位。本發(fā)明的另一目的在于提供一種快速、準確的油罐區(qū)火源定位方法。實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術解決方案為:一種油罐區(qū)火源定位系統(tǒng)，其包括無線傳感器網(wǎng)絡、計算單元和顯示器，無線傳感器網(wǎng)絡與計算單元通過無線信號連接，計算單元與顯示器信號連接，所述無線傳感器網(wǎng)絡用于實時采集油罐區(qū)火源定位信息，并通過無線傳輸給計算單元，所述計算單元用于建立油罐區(qū)網(wǎng)絡模型、建立火蔓延過程模型、從無線傳感器網(wǎng)絡獲取油罐區(qū)火源定位信息、反演定位火源位置以及向顯示器輸出火源位置信息，所述顯示器用于顯示輸出火源位置信息。實現(xiàn)本發(fā)明另一目的的技術解決方案為:一種油罐區(qū)火源定位方法，其包括:建立油罐區(qū)網(wǎng)絡模型，建立火蔓延過程模型，獲取油罐區(qū)火源定位信息，反演定位火源位置，輸出火源位置等步驟。本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，其顯著優(yōu)點:1、準確:針對油罐區(qū)環(huán)境復雜和不可控因素多等特點建立的模型可適用于大多數(shù)實際情況；2、快速:發(fā)生火情后的火源定位過程由計算單元完成，無需人員介入，定位周期較短；3、通過一部分觀測信息就可以進行火源定位，增加了系統(tǒng)的魯棒性；4、利用無線傳感器網(wǎng)絡對油罐區(qū)進行監(jiān)測，對環(huán)境的適應性強，可以根據(jù)實際情況靈活的部署；5、安全:在油罐區(qū)火源定位系統(tǒng)和方法中，減少了人員的工作量，同時保障了人員的安全。下面結合附圖對本發(fā)明作進一步詳細描述。
圖1為本發(fā)明油罐區(qū)火源定位系統(tǒng)結構框圖。圖2為本發(fā)明油罐區(qū)火源定位方法主流程圖。圖3為圖2中建立油罐區(qū)網(wǎng)絡模型流程圖。圖4為圖2中建立火蔓延過程模型流程圖。圖5為圖2中獲取油罐區(qū)火源定位信息流程圖。圖6為圖2中反演定位火源位置流程圖。圖7為油罐區(qū)網(wǎng)絡拓撲結構示意圖。圖8為油罐區(qū)火源位置示意圖。圖9為某時刻油罐區(qū)火蔓延情況示意圖。圖10為選取觀測點情況示意圖。圖11為火源定位結果圖示意圖。圖中，I無線傳感器網(wǎng)絡，2計算單元，3顯示器。
具體實施例方式如圖1所示，本發(fā)明油罐區(qū)火源定位系統(tǒng)，其包括無線傳感器網(wǎng)絡1、計算單元2和顯示器3，所述無線傳感器網(wǎng)絡I與計算單元2通過無線信號連接，所述計算單元2與顯示器3信號連接；所述無線傳感器網(wǎng)絡I用于實時采集油罐區(qū)火源定位信息，并通過無線傳輸給計算單元2;所述計算單元2用于建立油罐區(qū)網(wǎng)絡模型、建立火蔓延過程模型、從無線傳感器網(wǎng)絡I獲取油罐區(qū)火源定位信息、反演定位火源位置以及向顯示器3輸出火源位置信息；
所述顯示器3用于顯示輸出火源位置信息。所述無線傳感器網(wǎng)絡I包括至少2個無線傳感器。計算單元2可以是任何現(xiàn)有的計算設備，如個人電腦等。無線傳感器網(wǎng)絡布置在油罐區(qū)域。利用無線傳感器網(wǎng)絡對油罐區(qū)進行監(jiān)測，對環(huán)境的適應性強，可以根據(jù)實際情況靈活的部署。圖2為本發(fā)明油罐區(qū)火源定位方法主流程圖。如圖所示，本發(fā)明油罐區(qū)火源定位方法包括如下步驟:10)建立油罐區(qū)網(wǎng)絡模型。在模型中，每個油罐被模型化為一個網(wǎng)絡節(jié)點。在任意時刻，節(jié)點的狀態(tài)只能為以下兩者之一:①著火，②尚未著火。連接兩個節(jié)點的邊代表這兩個油罐之間火蔓延的路徑，邊自身沒有方向。例如，邊ab表示節(jié)點a和節(jié)點b之間火蔓延的路徑，火可以沿邊ab從節(jié)點a向節(jié)點b蔓延，反之亦然。基于以上過程，將油罐區(qū)模型化為一個有限的無向圖G= {V，E}。其中，V表示圖中網(wǎng)絡節(jié)點的集合，E表示圖中邊的集合。具體步驟如圖3所示,為:11)將油罐模型化為網(wǎng)絡節(jié)點，集合為V ；12)將火蔓延路徑模型化為邊，集合為E ；13)建立有限無向圖，G= {V，E};14)輸出油罐區(qū)網(wǎng)絡模型。在實際應用中，因為油罐區(qū)信息是可測的，所以無向G的所有節(jié)點和邊的拓撲關系也是已知的。20 )建立火蔓延過程模型。首先將已建立的油罐區(qū)的網(wǎng)絡模型中所有節(jié)點狀態(tài)設為尚未著火。假設檢測到某個節(jié)點u發(fā)生火情時,記錄下當前時刻t,并且根據(jù)傳感器對所有連接u的邊的監(jiān)測情況，判斷出火是從哪個方向(節(jié)點)蔓延到U的，記為方向為d，并將節(jié)點U的狀態(tài)置為著火。將節(jié)點號、記錄的時間信息t和方向信息d傳送給計算單元后，繼續(xù)對油罐區(qū)及其環(huán)境進行監(jiān)測。該火蔓延模型可用于實際中可能遇到的大多數(shù)情況。具體步驟如圖4所示，為:21)初始化節(jié)點狀態(tài)；22)判斷是否檢測到新的火情，如果是，則進行下一步，否，則繼續(xù)檢測；23)記錄當前時間；記錄火的來源方向；24)將該節(jié)點狀態(tài)置為“著火”；25)輸出著火節(jié)點信息，進行下一輪火情檢測。30)獲取油罐區(qū)火源定位信息。在火情發(fā)生后的某一時刻，令此刻所有狀態(tài)為著火的節(jié)點構成的集合為T，設T中元素的個數(shù)為M。由于火源節(jié)點的狀態(tài)為著火，所以它一定也屬于集合T。在集合T中隨機選取一定比例的節(jié)點為觀測節(jié)點，觀測節(jié)點構成的集合稱為集合O，觀測節(jié)點的個數(shù)為Ka(通常取Ka/M=20 40%即可)。這些觀測節(jié)點在圖G中的位置是已知的。每個觀測節(jié)點可以采集的信息包括火蔓延到該節(jié)點的時間以及火是從哪個節(jié)點蔓延過來的。例如，tv，。表示火從觀測節(jié)點O的鄰居節(jié)點V蔓延過來的時間。顯然，觀測信息包含了方向信息和時間信
肩、O具體步驟如圖5所示，為:31)獲取所有著火點，集合為T ；32)在集合T中選擇觀測節(jié)點，集合為O ;33)獲取火蔓延到觀測節(jié)點的時間和來向；34)輸出信息。40)反演定位火源位置。本發(fā)明采用最大概率定位準則，即找到一個估計節(jié)點外)，其為火源節(jié)點的概率 □/)(. (.) = /)最大。因為在圖G中，火源節(jié)點的位置被視為是隨機的，所以最大概率
(Maximum Likelihood)估計即為最優(yōu)估計。在火蔓延過程中，觀測節(jié)點可以提供兩類信息:(a)火蔓延到來的方向，集合T中的節(jié)點可以通過這個關系構成一個樹型拓撲圖；(b)火蔓延到達觀測節(jié)點的時間，記為到
達時間tk。例如，t3表示在t3時刻,觀測節(jié)點3被火蔓延到。到達時間的集合用來表
/Jn ο假設所有傳輸中的延時符合高斯分布(Gaussian ΙΙ )Ν(μ, σ2)，其中，平均值μ和方差6 2是已知的。基于以上定義和假設，我們可以有如下結果:通過選取觀測節(jié)點，依據(jù)它們所監(jiān)測得到的信息，代入公式計算可以得到一個估計的火源節(jié)點位置左。具體步驟如圖6所示，為:41)輸入選取的觀測信息；42)利用下述公式計算火源位置:
權利要求
1.一種油罐區(qū)火源定位系統(tǒng)，其特征在于:包括無線傳感器網(wǎng)絡(I)、計算單元(2)和顯示器(3)，所述無線傳感器網(wǎng)絡(I)與計算單元(2)通過無線信號連接，所述計算單元(2)與顯示器(3)信號連接； 所述無線傳感器網(wǎng)絡(I)用于實時采集油罐區(qū)火源定位信息，并通過無線傳輸給計算單元(2)； 所述計算單元(2)用于建立油罐區(qū)網(wǎng)絡模型、建立火蔓延過程模型、從無線傳感器網(wǎng)絡(I)獲取油罐區(qū)火源定位信息、反演定位火源位置以及向顯示器(3)輸出火源位置信息； 所述顯示器(3)用于顯示輸出火源位置信息。
2.根據(jù)權利要求1所述的油罐區(qū)火源定位系統(tǒng)，其特征在于:所述無線傳感器網(wǎng)絡(I)包括至少2個無線傳感器。
3.一種油罐區(qū)火源定位方法，其包括如下步驟: 10)建立油罐區(qū)網(wǎng)絡模型； 20)建立火蔓延過程模型； 30)獲取油罐區(qū)火源定位信息； 40)反演定位火源位置； 50)輸出火源位置。
4.根據(jù)權利要求3所述的油罐 區(qū)火源定位方法，其特征在于:所述建立油罐區(qū)網(wǎng)絡模型(10)步驟包括: 11)將油罐模型化為網(wǎng)絡節(jié)點，集合為V; 12)將火蔓延路徑模型化為邊，集合為E； 13)建立有限無向圖，G={V，E}； 14)輸出油罐區(qū)網(wǎng)絡模型。
5.根據(jù)權利要求3所述的油罐區(qū)火源定位方法，其特征在于:所述建立火蔓延過程模型(20)步驟包括: 21)初始化節(jié)點狀態(tài)； 22)判斷是否檢測到新的火情，如果是，則進行下一步，否，則繼續(xù)檢測； 23)記錄當前時間；記錄火的來源方向； 24)將該節(jié)點狀態(tài)置為“著火”； 25)輸出著火節(jié)點信息，進行下一輪火情檢測。
6.根據(jù)權利要求3所述的油罐區(qū)火源定位方法，其特征在于:所述獲取油罐區(qū)火源定位信息(30)步驟包括: 31)獲取所有著火點，集合為T； 32)在集合T中選擇觀測節(jié)點，集合為O; 33)獲取火蔓延到觀測節(jié)點的時間和來向； 34)輸出信息。
7.根據(jù)權利要求3所述的油罐區(qū)火源定位方法，其特征在于:所述反演定位火源位置(40)步驟包括: 41)輸入選取的觀測信息； 42)利用下述公式計算火源位置:
全文摘要
本發(fā)明公開一種油罐區(qū)火源定位系統(tǒng)以及油罐區(qū)火源定位方法，油罐區(qū)火源定位系統(tǒng)，包括無線傳感器網(wǎng)絡、計算單元和顯示器，無線傳感器網(wǎng)絡與計算單元通過無線信號連接，計算單元與顯示器信號連接；油罐區(qū)火源定位方法包括如下步驟建立油罐區(qū)網(wǎng)絡模型、建立火蔓延過程模型、獲取油罐區(qū)火源定位信息、反演定位火源位置及輸出火源位置。采用本發(fā)明的系統(tǒng)及方法，能夠快速、準確地定位油罐區(qū)火源。
文檔編號H04W4/02GK103200519SQ201310059038
公開日2013年7月10日 申請日期2013年2月26日 優(yōu)先權日2013年2月26日
發(fā)明者張捷, 呂明, 薄煜明, 趙高鵬, 孫夢玫, 王熙康, 倪淵之, 郭鵬飛, 繆小龍, 王進成, 顧俊凱, 劉美成, 左建, 余麗明, 王志彬, 許晉河 申請人:南京理工大學