多温度来源估计罐储水成膜灭火剂储存寿命和提供极端温度预警的方法与流程

1.本发明涉及溶液热老化估算领域，更具体地涉及一种多温度来源估计罐储水成膜灭火剂储存寿命和提供极端温度预警的方法，通过监控温度变化估计溶液产品寿命的方法。


背景技术：

2.水成膜灭火剂原液是一种用于扑灭油品火灾的分散液，其一般储存于不锈钢制的储罐中备用。在保证其不发生泄露、污染、失稳分层的情形下，有效储存寿命主要与温度有关。袁余斌（袁余斌, 谢贤俊, 韩永和,等. 新型水成膜灭火剂储存寿命测定方法[j]. 消防科学与技术, 2008, 27(5):3）等人证实，在一般储存状况下，水成膜灭火剂的寿命与温度的关系符合一般化学反应的规律，即寿命消耗速度随储存温度呈指数型增长，设水成膜灭火剂总寿命为l，则有l = a exp（-bt）,其中a、b均为实验测定的系数，t为储存温度。
[0003]
对于实时监控水成膜灭火剂储存状态并预测其寿命的在线监测系统而言，正确估计罐中水成膜灭火剂的温度具有重要的意义，据此可通过分段积分的方法计算灭火剂已消耗的储存寿命并估计剩余寿命，但水成膜灭火剂原液是一种对电子设备具有较强腐蚀性的液体，置于其液面以下的温度传感探头寿命往往不足1年，远低于在线监测系统10年的设计寿命，而频繁打开罐体更换温度探头可能造成意外污染和罐体气密性下降，对灭火剂原液的储存寿命有不好的影响且耗时耗力。此外，仅监测罐体内液体的温度无法预测其变化走向，不具备预警超出储存容许温度范围的极端温度的能力。


技术实现要素：

[0004]
针对一般温度传感器在水成膜灭火剂中容易遭到腐蚀失效且功能有限的问题，本发明提供一种多温度来源估计罐储水成膜灭火剂储存寿命和提供极端温度预警的方法，综合多温度来源估计水成膜灭火剂当前及未来一段时间温度的方法。
[0005]
本发明的再一目的在于：提供上述方法的装置。
[0006]
本发明目的通过以下方案实现：一种多温度来源估计罐储水成膜灭火剂储存寿命和提供极端温度预警的方法，由三层结构的系统实现，底层的微控制器单元mcu负责收集温度数据，中间层计算机负责处理和转发数据，顶层的服务器负责与外部进行通信对接、预报和训练模型；包括如下实现方法：（1）底层的微控制器单元mcu连接各温度传感探头并收集、传输包括三种温度数：据伸入水成膜灭火剂内部的温度传感器，得到内部温度数据记作t
内
；贴在罐体外部的温度传感器，得到外部温度数据记作t
外
；和，外部空气温度传感器，得到气温数据记作t
空
；（2）中间层计算机得到上述温度数据，并通过标准化学反应模型预测水成膜灭火剂原液在标准室温（298.2开尔文）下剩余的寿命，并传回顶层的服务器，该标准化学反应模型通过下述公式ⅰ估计一段时间内水成膜灭火剂寿命损耗的比例，式ⅰ为：
l = aexp（-bt
内
）
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
式ⅰ式ⅰ中，l为特定温度下水成膜灭火剂的总预期寿命，a和b均为前期实验给出的常数；（3）顶层的服务器利用当地历年气温数据推算在当地气温条件下，灭火剂剩余的储存寿命；服务器还将利用天气预报预测水成膜灭火剂原液在将来一段时间中的温度走势，通过建立机器学习模型模拟当地气温历史数据与罐内温度历史数据间的联系；当服务器通过当地天气预报预测未来一段时间罐内液体温度可能超过储存要求温度时，将发出干预信号，供工作人员及时采取相应的措施。
[0007]
步骤（1）中，所述的罐体外部温度传感器和气温传感器均为易于更换且不接触灭火剂原液的元件，当失效时，容许在系统不停机状态下更换。
[0008]
步骤（2）中，所述的中间层计算机利用罐体外部温度传感器和外部空气传感器数据，通过传热模型推断罐中液体温度，因此当罐中温度传感器由于受到腐蚀失效时，不必对其进行更换，中间层计算机将以计算值代替其测量值。
[0009]
本发明多温度来源估计罐储水成膜灭火剂储存寿命和提供极端温度预警的方法，具体实现方法如下：（1）mcu负责连接多种温度传感探头并收集3种温度数据，即伸入水成膜灭火剂内部的温度传感器，得到内部温度数据记作t
内
；贴在罐体外部的温度传感器，得到外部温度数据记作t
外
；外部空气温度传感器，得到空气温度数据记作t
空
。
[0010]
（2）中间层计算机得到上述温度数据，并通过公式l = aexp（-bt
内
）估计一段时间内水成膜灭火剂寿命损耗的比例，公式中l代表特定温度下水成膜灭火剂的总预期寿命，a和b均为前期实验给出的常数。对于一段特定时间dt，则有l
1 = l
0 –ꢀ
dt*( aexp(-bt
内，0
))/ ( aexp(-bt
内,1
)),其中l0为该段时间前在标准室温下灭火剂预期剩余寿命，l1为该段时间结束后灭火剂在标准室温下的预期寿命，t
内，1
代表该段时间中液体的平均温度，t
内，0
代表标准室温，可取298.2开尔文度。容易理解，若t
内，1
也为标准室温（即298.2开尔文度），则l
1 = l0ꢀ–ꢀ
dt，代表经过当前时间段后，灭火剂失去的储存寿命即为dt；若t
内，1
大于标准室温，则l
1 《l0ꢀ–ꢀ
dt，代表此时寿命加速消耗；若t
内，1
小于标准室温，则l
1 》l0ꢀ–ꢀ
dt,代表此时寿命减速消耗。因此，在系统启动时间给定总寿命值l后，随着系统的运行该值将会不断被中间层计算机减小并存储，其物理意义为当前水成膜灭火剂原液在标准室温下剩余的寿命。
[0011]
（3）可预期故障的处理方法。在本发明中，若水成膜灭火剂原液中的温度传感器受到腐蚀失效，亦不必更换该温度传感器，其数值可以通过罐体外部温度传感器和气温传感器计算得到。罐体外部传感器可视作外表层液体的温度，其与气温和内部温度间的关系可表示为：a（t
内，1
ꢀ–ꢀ
t
外，1 ）= b（t
空，1
ꢀ–ꢀ
t
外，1
） c（t
空，1
ꢀ–ꢀ
t
外，1
）
3 d（t
空，1
ꢀ–ꢀ
t
外，1
）5，该式中t
内，1
，t
外，1
和t
空，1
分别为传感器得到的本时段内灭火剂内部温度、外部罐体温度和气温，a、b、c、d为常数，本式的物理意义为罐体与空气的热交换值等于罐体与内部液体的热交换值，当罐体热容值较小且温差不太大时成立。实验表明，以上两个条件均可满足。式子右边的3次方和5次方项用于模拟空气高速对流产生的额外热交换，可根据罐体存放的实际情况舍去。当内部温度、外部罐体温度和气温传感器均正常工作时，中间层计算机可通过连续的数据观测得到超定线性方程组，计算得到a、b、c、d的平均值，当内部温度传感器失效时，即可利用t
外，1
和t
空，1
和a、b、c、d推算t
内，1
的值，因此在本发明中，内部温度传感器仅需正常工作一小
段时间即可，当其失效时中间层计算机将自动以计算值代替测量值。而外部罐体温度传感器和气温传感器均为易于更换且不接触灭火剂原液的元件，失效时可在不停机的状态下方便地更换。
[0012]
（4）服务器端数据处理和预测。在步骤（2）中间层计算机得到标准室温下灭火剂的剩余寿命并传回顶层的服务器端，服务器端可利用历史气温数据推算在当地气温条件下，灭火剂剩余的储存寿命。此项功能对在线监测系统而言至关重要，因为灭火剂寿命随温度的升高变化极大，若一种典型的水成膜灭火剂在标准的298.2开尔文下剩余寿命为1年，则其在308.2开尔文下的寿命不足2个月，必须尽快更换。除历史气温数据外，服务器还将利用天气预报预测灭火剂在将来一段时间中的温度走势，具体的方法为通过建立机器学习模型模拟当地气温与罐内温度间的联系。特别地，当服务器预测将来一段时间罐内液体温度可能超过储存要求时，将发出干预信号，以方便工作人员及时采取相应的措施。
[0013]
本发明还提供了用于上述方法的多温度来源估计罐储水成膜灭火剂储存寿命和提供极端温度预警装置，根据上述基本原理制作得到。底层的微控制器单元mcu系统采用安装华为liteos 5.0实时操作系统的stm32l431系列单片机，每只mcu连接至少8只温度传感器，通过串口连接中间层计算机；中间层计算机采用龙芯2k1000系列单片机，具有全流水的 64 位双精度浮点乘加部件；华为鲲鹏ascend 310计算卡弹性云服务器作为顶层服务器。
[0014]
优选的，系统采用安装华为liteos 5.0实时操作系统的stm32l431系列单片机作为底层mcu，每只mcu可连接至少8只温度传感器。龙芯2k1000系列单片机作为中间层计算机，具有全流水的 64 位双精度浮点乘加部件，实测单机可带mcu约20只；租用华为鲲鹏ascend 310计算卡弹性云服务器实例作为顶层服务器。
[0015]
优选的，步骤（2）中mcu温度数据收集周期为10分钟。
[0016]
优选的，步骤（3）和步骤（4）中，中间层计算机和服务器端数据分析和处理的周期为1小时。
[0017]
本发明提出一种综合多种温度来源估计罐储水成膜内部温度的方法，用于计算水成膜灭火剂的剩余寿命并提供极端温度预警。优点在于：（1）充分利用多种温度来源数据，具备较高的智能化水平；（2）在传统的客户端-服务器结构中加入中间层计算机，其可处理本地多套底层mcu产生的数据并将结果发送至顶层服务器端，将大量计算任务留在本地处理，可实现mcu难以计算的复杂处理方法，并大大节约了与服务器端的通信带宽。
[0018]
（3）大量采用国产化软硬件，具备较高的自主化水平。
附图说明
[0019]
附图1，本发明装置框图。
具体实施方式
[0020]
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
[0021]
一种多温度来源估计罐储水成膜灭火剂储存寿命和提供极端温度预警装置，如图
1所示，由三层结构的系统实现，底层的微控制器单元mcu负责收集温度数据，中间层计算机负责处理和转发数据，顶层的服务器负责与外部进行通信对接、预报和训练模型；按如下方法实现：（1）底层的微控制器单元mcu采用安装华为liteos 5.0实时操作系统的stm32l431系列单片机，连接各温度传感探头并收集、传输包括三种温度数：据伸入水成膜灭火剂内部的温度传感器，得到内部温度数据记作t
内
；贴在罐体外部的温度传感器，得到外部温度数据记作t
外
；和外部空气温度传感器，得到气温数据记作t
空
；（2）中间层计算机采用龙芯2k1000系列单片机，得到上述温度数据，并通过标准化学反应模型预测水成膜灭火剂原液在标准室温（298.2开尔文）下剩余的寿命，并传回顶层的服务器，该标准化学反应模型通过下述公式ⅰ估算一段时间内水成膜灭火剂寿命损耗的比例：l = aexp（-bt
内
）
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
式ⅰ式ⅰ中，l为特定温度下水成膜灭火剂的总预期寿命，a和b均为前期实验给出的常数；（3）顶层的服务器租用华为鲲鹏弹性云服务器，利用当地历年气温数据推算在当地气温条件下，灭火剂剩余的储存寿命；服务器还将利用天气预报预测水成膜灭火剂原液在将来一段时间中的温度走势，通过建立机器学习模型模拟当地气温历史数据与罐内温度历史数据间的联系；当服务器通过当地天气预报预测未来一段时间罐内液体温度可能超过储存要求温度时，将发出干预信号，供工作人员及时采取相应的措施。
[0022]
该多温度来源估计罐储水成膜灭火剂储存寿命和提供极端温度预警装置按如下步骤制造：（1）在stm32l431单片机上安装liteos 5.0操作系统，分别连接水成膜灭火剂原液罐内温度传感器、罐体温度传感器和气温传感器，编写程序使其以10分钟间隔收集各个温度传感器数据，并每隔1小时将各温度平均值通过串口回报给中间层计算机；（2）以龙芯2k1000开发板作为中间层计算机，编写软件接收各温度传感器每小时平均值并通过数学模型处理数据，实现罐内温度、罐体温度和气温知2推3，持续监控数据并判断是否有传感器故障，若存在故障，则：罐内传感器，停止接收其数据并以计算值取代；罐外传感器或气温传感器，提示工作人员尽快更换。通过标准化学反应模型推算水成膜灭火剂原液在标准室温下的剩余寿命并和其他必要数据一起发送至服务器端。
[0023]
（3）租用华为鲲鹏ascend 310计算卡弹性云服务器，通过物联网ssh加密通信接收中间层计算机发送的必要数据。根据当地累积气温数据以及中间层发回的历史数据建立机器学习模型，根据中长期气象预报带入模型推算罐内温度预测值和灭火剂原液在当地气温条件下的预期剩余寿命，根据计算结果提供极端罐内温度预警和剩余寿命不足预警。
[0024]
上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。