一种移动式特殊作业场景下的智能监测仪及监测方法与流程

本发明属于智能监测与预警领域，具体涉及一种移动式特殊作业场景下的智能监测仪及监测方法。

背景技术：

1、随着工业化进程的不断推进，石油化工、地下管网、隧道施工、矿山作业等特殊作业场景日益增多，此类作业环境通常存在复杂的气体成分和受限的空间结构，对作业人员的安全防护提出了较高要求。

2、目前，针对特殊作业场景的气体监测主要采用单一的气体检测仪或便携式检测设备。传统气体检测仪通常仅能实现单一气体或少数几种气体的独立检测。同时，现有气体检测设备普遍缺乏有效的空间定位能力，在卫星定位信号受限的地下空间、隧道深处等环境中，无法准确获取监测仪器的位置信息。在定位技术方面，现有技术主要依赖单一的卫星定位系统或传统的惯性导航方案。单一卫星定位在信号遮挡环境下定位精度急剧下降甚至完全失效，而传统惯性导航方案在长时间运行过程中存在误差累积问题。在气体浓度空间分布方面，现有技术通常采用简单的插值方法进行数据处理，导致生成的热力图在精度和可靠性方面存在不足，从而存在预警信息的准确性低的技术问题。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种移动式特殊作业场景下的智能监测仪及监测方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

2、第一方面，本发明提供了一种移动式特殊作业场景下的智能监测仪，包括：壳体组件，包括上壳体、下壳体和采样气室，上壳体与下壳体通过密封结构连接，构成具备目标防护等级的腔体，采样气室与腔体连通，且采样气室的进气口设有透气膜；多气体传感阵列，设置于腔体内，用于采集智能监测仪所处环境中的环境参数，其中，环境参数包括至少一种气体类型，以及与气体类型对应的气体浓度；惯性导航模块，设置于腔体内，包括惯性测量单元和气压计模块，惯性测量单元包括三轴加速度计和三轴陀螺仪，三轴加速度计用于采集智能监测仪的加速度数据，三轴陀螺仪用于采集智能监测仪的角速度数据，气压计模块用于采集智能监测仪的高度数据；卫星定位模块，设置于腔体内，用于接收卫星定位信号；主控处理器，设置于腔体内，分别与多气体传感阵列、惯性导航模块和卫星定位模块电连接，用于在卫星定位信号的信号强度小于信号强度阈值的情况下，基于加速度数据、角速度数据和高度数据，确定智能监测仪的当前状态，其中，当前状态包括静止状态、微动状态和运动状态；基于当前状态，确定智能监测仪的位置信息；生成包含位置信息、环境参数和时间戳的时空标记数据帧；基于时空标记数据帧构建状态向量，对状态向量包含的位置参数和气体浓度参数进行联合估计，得到状态估计值，以及基于状态估计值，生成气体浓度场数据，其中，气体浓度场数据用于表征状态估计值包括的位置数据与气体浓度数据之间的映射关系；基于气体浓度场数据，生成智能监测仪所处监测区域的污染热力图，以及在气体浓度数据大于与气体类型对应的浓度阈值的情况下，生成预警信息。

3、在本发明的一个实施例中，主控处理器具体用于基于加速度数据确定加速度方差特征、基于角速度数据确定零速率特征，以及基于高度数据确定高度变化率特征；对加速度方差特征、零速率特征和高度变化率特征进行加权融合，得到静止综合得分，其中，静止综合得分用于表征智能监测仪的静止程度；基于静止综合得分确定当前状态。

4、在本发明的一个实施例中，主控处理器具体用于在静止综合得分小于第一阈值的情况下，确定当前状态为静止状态；在静止综合得分大于或等于第一阈值且小于第二阈值的情况下，确定当前状态为微动状态，其中，第一阈值小于第二阈值；在静止综合得分大于或等于第二阈值的情况下，确定当前状态为运动状态。

5、在本发明的一个实施例中，主控处理器具体用于在当前状态为静止状态的情况下，将智能监测仪的速度置零，确定三轴加速度计在当前采样时刻下的零偏估计值，以及将上一时刻的历史经纬度坐标确定为当前时刻的经纬度坐标；在当前状态为微动状态的情况下，采用第一衰减系数对智能监测仪的速度进行弱积分推算，得到第一累积位移，以及将第一累积位移与上一时刻的历史经纬度坐标进行叠加，得到当前时刻的经纬度坐标；在当前状态为运动状态的情况下，采用第二衰减系数对去除零偏估计值后的加速度值进行积分推算，得到第二累积位移，以及将第二累积位移与上一时刻的历史经纬度坐标进行叠加，得到当前时刻的经纬度坐标，其中，第一衰减系数小于第二衰减系数；基于经纬度坐标和高度数据，确定位置信息。

6、在本发明的一个实施例中，主控处理器具体用于将时间戳与状态估计值包括的位置数据对应的时间戳进行匹配，以及将状态估计值包括的气体浓度数据与对应的位置数据进行空间关联，生成气体浓度场数据。

7、在本发明的一个实施例中，主控处理器具体用于将监测区域划分为目标分辨率的网格，确定每个网格点到各采样点的距离权重；基于当前状态确定插值权重，其中，在当前状态为静止状态时采用第一插值权重，在当前状态为微动状态时采用第二插值权重，在当前状态为运动状态时采用第三插值权重，第一插值权重大于第二插值权重，第二插值权重大于第三插值权重；基于状态估计值包括的气体浓度数据的方差确定置信度因子；基于距离权重、插值权重和置信度因子，确定自适应综合权重；基于自适应综合权重对各采样点对应的气体浓度数据进行加权求和，得到求和结果，以及对求和结果进行归一化处理，根据颜色映射表将归一化处理后的求和结果转换为对应的颜色，生成污染热力图。

8、在本发明的一个实施例中，主控处理器还用于在卫星定位信号的信号强度大于或等于信号强度阈值的情况下，基于卫星定位信号和高度数据，确定位置信息。

9、在本发明的一个实施例中，气压计模块包括：气压传感探头，设置于采样气室内，用于通过进气口采集气压数据；信号处理模块，设置于腔体内，与气压传感探头电连接，用于将气压数据转换为高度数据。

10、在本发明的一个实施例中，上壳体设有显示窗口、至少一个透光孔和至少一个透声孔，智能监测仪还包括：显示交互模块，与主控处理器电连接，包括显示屏、发光二极管和蜂鸣器，显示屏设置于显示窗口处，用于显示污染热力图，发光二极管设置于透光孔内侧，用于基于预警信息显示不同颜色的第一预警信号，蜂鸣器设置于透声孔内侧，用于基于预警信息发出不同频率的第二预警信号，其中，不同颜色的第一预警信号对应不同的预警等级，不同频率的第二预警信号对应不同的预警等级。

11、在本发明的一个实施例中，多气体传感阵列包括：电化学传感器，用于采集智能监测仪所处环境中的有毒气体浓度；催化燃烧传感器，用于采集智能监测仪所处环境中的可燃气体浓度；光离子化检测器传感器，用于采集智能监测仪所处环境中的挥发性有机物浓度；红外传感器，用于采集智能监测仪所处环境中二氧化碳浓度。

12、第二方面，本发明提供了一种移动式特殊作业场景下的智能监测方法，应用于智能监测仪，智能监测仪包括多气体传感阵列、惯性导航模块、卫星定位模块和主控处理器，该方法包括：获取卫星定位模块接收的卫星定位信号，多气体传感阵列采集的智能监测仪所处环境中的环境参数，以及惯性导航模块采集的智能监测仪的加速度数据、角速度数据和高度数据，其中，环境参数包括至少一种气体类型，以及与气体类型对应的气体浓度；在卫星定位信号的信号强度小于信号强度阈值的情况下，基于加速度数据、角速度数据和高度数据，确定智能监测仪的当前状态，其中，当前状态包括静止状态、微动状态和运动状态；基于当前状态，确定智能监测仪的位置信息；生成包含位置信息、环境参数和时间戳的时空标记数据帧；基于时空标记数据帧构建状态向量，对状态向量包含的位置参数和气体浓度参数进行联合估计，得到状态估计值，以及基于状态估计值，生成气体浓度场数据，其中，气体浓度场数据用于表征状态估计值包括的位置数据与气体浓度数据之间的映射关系；基于气体浓度场数据，生成智能监测仪所处监测区域的污染热力图，以及在气体浓度数据大于与气体类型对应的浓度阈值的情况下，生成预警信息。

13、第三方面，本发明提供了一种电子设备，包括处理器、通信接口、存储器和通信总线，其中，处理器、通信接口、存储器通过通信总线完成相互间的通信；存储器，用于存放计算机程序；处理器，用于执行存储器上所存放的计算机程序时，实现上述移动式特殊作业场景下的智能监测方法的步骤。

14、第四方面，本发明提供了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质内存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述移动式特殊作业场景下的智能监测方法的步骤。

15、与现有技术相比，本发明的有益效果：多气体传感阵列用于采集智能监测仪所处环境中的环境参数，该环境参数包括至少一种气体类型和对应的气体浓度，能够满足多类气体的综合监测需求。惯性导航模块用于采集智能监测仪的加速度数据、角速度数据和高度数据。卫星定位模块用于接收卫星定位信号。主控处理器用于在卫星定位信号的信号强度小于信号强度阈值的情况下，基于加速度数据、角速度数据和高度数据，确定智能监测仪的当前状态，进而确定智能监测仪的位置信息。也即，本发明充分考虑特殊作业场景中智能监测仪频繁切换静止、微动、运动等多种状态的特点，能够提升姿态判别和位置推算的适应性。进一步基于包含位置信息、环境参数和时间戳的时空标记数据帧构建状态向量，对状态向量包含的位置参数和气体浓度参数进行联合估计，得到状态估计值，以及基于状态估计值，生成气体浓度场数据，该气体浓度场数据用于表征状态估计值包括的位置数据与气体浓度数据之间的映射关系，进而生成污染热力图和预警信息。也即，通过在卫星定位信号受限的环境中，准确获取智能监测仪的位置信息，将气体浓度数据与空间位置进行关联，实现污染范围的精确判定和污染热力图的有效绘制，从而实现了提升预警信息的准确性的技术效果。

16、以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。