新能源电池热失控多参量耦合定位分级预警系统及方法与流程

本发明涉及新能源电池安全监测与火灾预警，具体为新能源电池热失控多参量耦合定位分级预警系统及方法。

背景技术：

1、随着新能源产业的高速发展，锂离子电池等新能源电池系统已广泛应用于电网储能、电动交通工具、船舶供电及固定式备用电源等诸多场景。新能源电池在长期充放电运行过程中，易受内部短路、过充过放、热滥用、机械损伤等因素诱发热失控，热失控过程具有早期征兆隐匿、温升速率快、火情蔓延迅猛且易复燃的特点，若无法在异常升温阶段实现极早期识别与精准定位，极易快速演变为火灾、爆炸事故，造成重大的财产损失与人员安全风险。因此，构建高可靠性、高时效性的电池热失控监测预警体系，已成为新能源电池安全防护领域亟待解决的核心问题。

2、当前，针对电池热失控与储能场所火灾的监测预警技术已存在多种方案，但在实际工程应用中仍存在诸多不足：

3、其一，单一参量监测模式预警滞后，缺乏分级递进的研判机制。现有主流方案多依赖单点温感、烟感探测器或单阈值热成像测温，仅能在温度、烟雾达到固定阈值时触发报警，无法匹配电池热失控从异常升温、热扩散、明火生成到火势扩大的递进式发展规律，难以实现极早期异常识别；同时单一参量易受环境余热、通风条件、局部遮挡等现场因素干扰，误报与漏报风险较高，无法为分级处置提供依据。

4、其二，视觉异常检测抗干扰能力弱，难以捕捉微弱早期信号。现有基于可见光的火焰识别与异常检测技术，多依赖全局图像特征与模板匹配，在工业现场复杂光照、设备反光、指示灯频闪、环境光线整体波动等场景下，误判率显著上升；多数方案未开展逐像素级的亮度时序分析，无法有效抑制全局亮度同步扰动，电池热失控早期的小尺寸、低幅值局部亮度异常易被环境噪声淹没，难以被精准识别。

5、其三，多层级无线传输架构下，数据归属与传感实例管理机制适配性不足。在“无线传感节点—无线网关—边缘工控机—后台”的规模化部署架构中，现有系统通常以传感器ip或网关ip作为区域归属的判定依据，当同一边缘工控机接入多个无线网关、多个传感节点时，易出现区域归属错乱问题；且现有方案未将“监测区域归属判定”与“区域内传感实例区分”解耦处理，无法在稳定归属区域的前提下，精准区分同一区域内的多个无线传感节点并聚合其多类参量，不利于现场多节点的规模化部署与运维管理。

6、其四，多摄像头火源定位精度受限，现场适配与可维护性差。现有多视角热源定位方案多采用传统双目几何测距模型，依赖预先标定的相机内外参数，当监测区域尺寸、摄像头安装角度或位置发生调整时，模型参数修正难度大、运维成本高，难以适配不同现场的差异化部署需求；同时多数定位方案未对定位结果进行量化的置信度评估，无法直观反映定位结果的可靠性，定位精度与工程适配性难以兼顾。

7、其五，告警管理与联动控制脱节，未形成完整处置闭环。现有多数预警系统仅实现告警信息的展示与推送，多源告警数据、火源定位结果与联动控制流程相互独立，缺乏统一的节点化关联管理机制；控制指令分发未按监测区域进行严格隔离，存在跨区域误执行的安全隐患；且指令执行结果未与触发告警、区域节点进行关联追溯，无法形成从异常检测、分级预警、精准定位到联动处置、历史审计的完整管控闭环，难以满足工业级安全管控的规范化要求。

8、为此，提出新能源电池热失控多参量耦合定位分级预警系统及方法。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供新能源电池热失控多参量耦合定位分级预警系统及方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：新能源电池热失控多参量耦合定位分级预警系统，包括前端多参量感知模块、边缘计算与传输模块、后台分析与管理模块和展示与控制模块，各模块通过有线或无线网络进行数据交互；

3、所述前端多参量感知模块包括双光图像采集单元、热成像测温单元、可见光视频采集单元、气体感知单元、无线采集单元和无线网关单元，所述双光图像采集单元用于对同一监测区域同步采集热成像数据与可见光视频数据，所述气体感知单元用于采集多类电池热失控特征气体参量，所述无线采集单元用于为气体感知单元分配无线节点标识并封装采集数据，所述无线网关单元用于汇聚至少一个无线采集单元的数据并转发至边缘计算与传输模块；

4、所述边缘计算与传输模块包括温度矩阵解析单元、热成像分级预警单元、可见光异常识别单元、无线数据接收与组包单元、数据上报单元和控制执行单元，所述温度矩阵解析单元用于从热成像数据中提取温度参数与热点像素位置信息，所述热成像分级预警单元用于生成多级热源预警，且预警信息携带热点像素坐标，所述可见光异常识别单元用于通过逐像素亮度时序分析检测监测区域内的局部亮度异常，所述无线数据接收与组包单元用于保留无线节点标识与网关溯源信息并封装多参量数据，所述控制执行单元用于接收并执行现场控制指令；

5、所述后台分析与管理模块包括区域节点归属单元、传感器实例识别单元、多参量聚合单元、热点缓存与配对单元、空间反算模型管理单元、火源定位管理单元和控制指令队列单元，所述区域节点归属单元用于以边缘工控机来源ip为优先匹配依据，确定上报数据所属的监测区域节点，所述传感器实例识别单元用于在区域节点确定后，依据无线节点标识区分区域内的独立传感实例，所述热点缓存与配对单元用于在同一监测区域分组的预设时间窗口内，配对不同摄像头的热点坐标，所述空间反算模型管理单元和火源定位管理单元用于调用经区域标定的全连接神经网络模型，由双摄热点坐标解算火源三维坐标并生成定位置信度，所述控制指令队列单元用于存储控制指令，并按区域节点隔离分发待执行指令；

6、所述展示与控制模块包括综合态势展示单元、三维区域显示单元、多模态监测单元以及控制授权与远程控制单元，用于展示监测区域态势、火源空间定位结果与多参量监测数据，并经权限校验后生成控制指令。

7、作为本技术方案的进一步优选的：所述热成像分级预警单元设置四级预警机制：

8、一级预警为电池异常升温预警，触发条件为监测区域最高温度达到异常热源阈值，或热点区域面积达到异常面积阈值；

9、二级预警为热扩散预警，触发条件为在滑动历史窗口内，监测温度或热点面积相对历史均值出现预设幅度的增长；

10、三级预警为火焰预警，触发条件为热成像温度矩阵中达到火焰温度阈值的像素面积超过最小火焰面积阈值；

11、四级预警为火势扩大预警，触发条件为火焰区域面积在滑动历史窗口内出现预设幅度的增长。

12、作为本技术方案的进一步优选的：所述热点缓存与配对单元以区域节点和摄像头编号为联合条件更新热点缓存，仅保留同一摄像头的最新热点记录，并清理记录时间超出配对时间窗口的旧缓存；

13、配对时在同一监测区域分组内，选取摄像头编号互补、记录时间差不超过配对时间窗口的另一区域节点热点记录组成双摄热点对；

14、配对成功后按照固定摄像头顺序构造四维输入向量，并删除本次配对所使用的两条热点缓存。

15、作为本技术方案的进一步优选的：所述空间反算模型管理单元的解算流程包括：

16、a1、采用训练阶段保存的各分量输入均值与输入标准差，对双摄热点坐标组成的四维输入向量进行标准化处理；

17、a2、将标准化后的输入向量输入多层全连接神经网络，输出标准化三维坐标向量；

18、a3、采用训练阶段保存的各分量输出均值与输出标准差，对标准化三维坐标向量进行反标准化处理，得到火源实际三维坐标；

19、a4、根据模型训练得到的x、y、z三轴均方根误差的平均值计算定位置信度，平均误差越小则定位置信度越高。

20、作为本技术方案的进一步优选的：所述区域节点归属单元按照http请求来源ip、请求体ip地址、节点编号的优先级顺序，依次匹配预绑定的区域节点记录，返回首个有效匹配结果；

21、当三类标识均无法匹配时，拒绝保存本次业务数据并返回归属失败信息；

22、其中，控制指令轮询请求执行相同的归属匹配规则，仅向匹配得到的区域节点返回对应待执行指令。

23、作为本技术方案的进一步优选的：所述传感器实例识别单元对无线节点标识执行字符规范化处理得到实例键，结合区域节点编号与气体指标类型生成独立的指标实例标识；

24、所述多参量聚合单元以区域节点编号与实例键为聚合键，将同一无线传感节点的多类气体指标聚合为同一设备状态；

25、其中，无线网关地址仅作为传输链路溯源信息保存，不参与区域节点归属判定。

26、作为本技术方案的进一步优选的：所述可见光异常识别单元的检测流程包括：

27、b1、将连续可见光帧转换为灰度帧并写入环形历史缓存，对每一帧计算全局亮度基线并从各像素灰度值中扣除，抑制全局亮度同步扰动；

28、b2、对每个像素的历史局部亮度信号计算动态范围、状态转换次数与观测频率，筛选满足幅值、跳变次数与预设频率范围的候选像素；

29、b3、对候选像素执行形态学扩展与连通域分析，过滤像素数过少的噪声区域与占整帧比例过大的全局扰动区域；

30、b4、对保留的连通区域提取代表像素的亮度时序，基于半周期规律性、亮度变化幅度、有效转换边沿数量与占空比加权计算频闪置信度，置信度达标时，输出异常区域坐标并映射至预设网格区域。

31、作为本技术方案的进一步优选的：所述火源定位管理单元计算新生成的火源定位与同区域、同检测类型已有活跃定位之间的三维欧氏距离；

32、当三维欧氏距离小于预设合并距离时，更新原有活跃定位的坐标、温度与置信度参数；

33、当不存在满足条件的活跃定位时，创建新的火源定位记录；

34、对超过预设过期时间未更新的活跃定位标记为过期状态。

35、作为本技术方案的进一步优选的：所述控制指令队列单元将自动联动或人工授权生成的控制请求初始化为待执行状态；

36、边缘工控机轮询指令时，所述区域节点归属单元重新根据请求来源ip确定区域节点，所述控制指令队列单元仅返回该区域节点的待执行指令并将其状态更新为执行中；

37、边缘工控机执行控制动作后回传执行结果，后台将执行结果与对应区域节点、触发告警关联保存，形成处置闭环。

38、新能源电池热失控多参量耦合定位分级预警方法，包括以下步骤：

39、s1、采集监测区域的热成像温度矩阵、可见光视频数据以及多类气体传感数据，为气体传感数据分配无线节点标识并经无线网关汇聚传输；

40、s2、在边缘侧解析热成像温度矩阵，基于温度阈值、热点面积与历史增长规律生成多级热源预警并携带热点像素坐标；

41、同时对可见光视频执行逐像素亮度时序分析，生成局部亮度异常预警；

42、s3、后台接收上报数据后，以边缘工控机请求来源ip为优先依据确定数据所属的监测区域节点；

43、区域节点确定后，依据无线节点标识区分区域内的传感实例，并聚合同一无线传感节点的多类气体参量；

44、s4、在同一监测区域分组内，基于互补摄像头编号与预设时间窗口配对双摄热点坐标；

45、将配对后的热点坐标组成四维输入向量，经标准化处理后输入经区域标定的全连接神经网络，解算得到火源三维坐标并生成定位置信度；

46、s5、对火源定位记录执行空间合并与过期管理，将多源告警按统一结构关联管理，并将空间定位结果与触发其的视觉告警建立记录关联；

47、s6、根据告警联动策略或经人工授权生成控制指令，按区域节点隔离分发待执行指令，接收现场执行结果并关联保存，形成从检测到处置的完整闭环。

48、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

49、1、本发明构建四级递进式热成像预警体系，结合多参量交叉研判，实现热失控极早期识别，降低误漏报风险，针对单一参量阈值预警滞后、无法匹配热失控递进规律、易受环境因素干扰的问题，设置电池异常升温、热扩散、火焰预警、火势扩大四级预警机制，精准匹配电池热失控从温升萌芽、热量扩散到明火生成、火势蔓延的全阶段发展特征；同时融合热成像温度特征、多类电池热失控特征气体参量与可见光局部异常信号，形成多维度交叉验证体系，突破了单参量易受环境余热、通风条件、局部遮挡干扰的局限，既能够在异常升温阶段实现极早期预警，又可为分级处置提供明确依据，有效降低误报与漏报风险；

50、2、本发明采用逐像素亮度时序分析的可见光异常检测方案，大幅提升复杂光照场景抗干扰能力，精准捕捉微弱早期信号，针对现有可见光火焰识别易受复杂光照、设备反光、指示灯频闪干扰，早期小尺寸低幅值异常易被环境噪声淹没的问题，通过全局亮度基线扣除抑制环境光照整体同步扰动，基于像素级历史亮度数据计算动态范围、状态转换次数与观测频率筛选候选像素，结合形态学扩展与连通域分析过滤微小噪声与全局扰动区域，最终通过半周期规律性、亮度幅值、边沿数量与占空比多维度加权计算频闪置信度。本技术方案可有效抵御工业现场复杂光照干扰，精准识别小尺寸、低幅值的局部亮度异常，显著提升早期微弱异常信号的检出率与检测稳定性；

51、3、本发明采用区域归属与传感实例解耦的双层管理机制，适配多层级无线传输架构，支撑规模化部署运维，针对“无线传感节点—无线网关—边缘工控机—后台”规模化架构下区域归属错乱、传感实例管理混乱的问题，将监测区域归属判定与区域内传感实例区分解耦处理，优先以边缘工控机来源ip作为区域归属核心判定依据，区域确定后再通过无线节点标识区分区域内独立传感实例，并聚合同一节点的多类气体参量，无线网关地址仅作为传输链路溯源信息、不参与归属判定。该机制避免了同一边缘工控机接入多网关、多节点时的区域归属错乱问题，可稳定适配多网关、多节点、多工控机并存的规模化部署场景，大幅提升现场部署灵活性与运维管理效率；

52、4、本发明基于双摄热点配对与区域标定神经网络的火源定位方案，兼顾定位精度与现场适配性，实现定位结果可量化评估，针对传统双目几何定位依赖固定相机参数、现场调整后修正难度大、运维成本高、无置信度评估的问题，通过预设时间窗口配对同一监测区域分组内互补摄像头的热点坐标，采用经区域标定的全连接神经网络模型完成像素坐标到三维空间坐标的映射，并基于x/y/z三轴均方根误差生成量化的定位置信度；同时支持模型版本化管理，可根据现场部署调整快速更新标定模型。本技术方案无需依赖复杂的相机内外参数标定，监测区域尺寸、摄像头安装位置调整后仅需重新采集标定数据即可完成模型更新，运维成本低、现场适配性强，且定位置信度可直观反映定位结果可靠性，实现了定位精度与工程适配性的兼顾；

53、5、本发明构建节点化统一告警管理与区域隔离的联动控制闭环，满足工业级安全管控规范化要求，针对多源告警数据独立管理、告警与控制脱节、存在跨区域误执行风险、无完整处置闭环的问题，将热成像预警、气体预警、可见光异常与火源定位结果按区域节点统一关联管理，控制指令按区域节点隔离存储与分发，指令轮询时重新校验区域归属，执行结果回传后与对应告警、区域节点关联留存。本技术方案形成了异常检测、分级预警、精准定位、联动处置、历史审计的完整管控闭环，有效规避了跨区域指令误执行的安全隐患，且全流程可追溯、可审计，充分满足工业级电池安全管控的规范化与可靠性要求。