一种基于无线传感器网络的工业企业甲烷泄漏监测定位系统的制作方法

1.本发明涉及工业企业甲烷泄漏监测定位技术领域，具体涉及一种基于无线传感器网络的工业企业甲烷泄漏监测定位系统。


背景技术：

2.工业企业，特别是油气行业，是甲烷的主要排放源之一。以油气行业的上游而言，目前多采用泄漏检测与修复(ldar)技术配合其他技术定期对密封点进行甲烷泄漏检测和排放核算。但因上游场站大多地处偏僻、分布不集中，且单一场站密封点数量较少，定期开展ldar工作的成本投入较高，且因为检测间隔较长，对泄漏的发现和管控较为滞后。
3.以其它采用甲烷作为原料或燃料的化工企业而言，虽然也可能开展了 ldar工作，但其主要是针对vocs的，甲烷可能没有纳入管控，加之ldar工作采用的仪器多为fid或pid原理，即使将甲烷纳入管控，凭借该类仪器也难以将甲烷从一众化合物中分离出来单独进行监测核算。同时也存在和油气行业上游相似的困境，即检测时间间隔较长；因此，亟需一种基于无线传感器网络的工业企业甲烷泄漏监测定位系统。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于针对现有技术的缺陷和不足，提供一种结构简单，设计合理、使用方便的一种基于无线传感器网络的工业企业甲烷泄漏监测定位系统，来解决现有技术中人力成本投入高、监测对象不明确、无法实时监测管控的问题。
5.为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：它包含：
6.无线传感器布点模块，所述的无线传感器布点模块建立稳态流场，进行网格划分；
7.现场数据采集模块，所述的现场数据采集模块采集附近大气中的甲烷浓度，同步采集风向和风速等气象条件，并将甲烷浓度和气象条件进行打包处理；无线传感器布点模块根据现场数据采集模块的参数指标进行覆盖率计算和分析，优化传感器的安装位置，指导现场人员完成传感器及配套设施的安装位置选择；
8.甲烷泄漏监测定位模块，所述的甲烷泄漏监测定位模块对打包数据进行分析，首先是完成泄漏可能存在与否的认定，再结合附近多个传感器采集的同一时间的打包数据，利用溯源算法确定一个小尺度的、可能存在泄漏的空间；现场数据采集模块打包的甲烷浓度和气象条件数据发送至甲烷泄漏监测定位模块；
9.精确定位模块，所述的精确定位模块获取来自甲烷泄漏监测定位模块的溯源定位结果之后，利用针对甲烷的检测仪器由现场人员在该小尺度空间内进行全面的泄漏检测，明确有无泄漏、泄漏位置及泄漏浓度或排放量等信息。
10.作为本发明的进一步改进，所述的无线传感器布点模块包含：
11.下垫面建模单元，所述的下垫面建模单元用于对油气行业上游的开采场站、化工企业中进行甲烷监测的装置单元等进行三维建模；
12.流场模拟单元，所述的流场模拟单元基于下垫面的三维模型，采集建模下垫面的
本土特征信息，模拟该下垫面对应的高概率的稳态流场，并结合其他数据信息，通过机器学习完成稳态流场的优化；
13.扩散模拟单元，所述的扩散模拟单元对稳态流场进行网格划分，并耦合优选的气体扩散模型，模拟分析固定排放源的浓度梯度分布图、扩散路线等；
14.覆盖率计算单元，所述的覆盖率计算单元根据选用传感器的类型、灵敏度等参数指标，从空间覆盖率和场景覆盖率两个角度进行计算和分析，并不断优化传感器的安装位置，直到满足要求，最终输出无线传感器布点方案。
15.作为本发明的进一步改进，所述的现场数据采集模块包括：
16.甲烷气体传感器，所述的甲烷气体传感器用于监测附近大气中的甲烷浓度；
17.气象传感器，所述的气象传感器用于监测附近的风向和风速等气象条件；
18.主控板，所述的主控板用于处理和打包传感器采集到的甲烷浓度和气象条件信息；
19.无线通讯模块，所述的无线通讯模块用于将打包后的数据发送至所述甲烷泄漏监测定位模块；
20.电源供电模块，所述的电源供电模块与甲烷气体传感器、气象传感器、主控板以及无线通讯模块均连接。
21.作为本发明的进一步改进，所述的甲烷泄漏监测定位模块包括：
22.泄漏认定单元，所述的泄漏认定单元抽取主控板打包数据中的甲烷浓度，结合时间信息进一步计算得到甲烷浓度变化率，用于判断在某一时间对应某个传感器覆盖范围内是否可能发生泄漏；
23.泄漏定位单元，所述的泄漏定位单元提取泄漏认定单元认为发生泄漏的相关信息，结合该传感器附近多个传感器采集的同一时间的打包数据，利用溯源算法，结合所述扩散模拟单元确定一个小尺度的、存在泄漏的空间。
24.与现有技术相比，本发明有益效果为：
25.1、通过配置不同类型的甲烷气体传感器，可以实现不同场景下的对甲烷的准确监测，无需担心其它气体的干扰；
26.2、现场数据采集模块和甲烷泄漏监测定位模块可以7
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24小时实时采集数据并进行分析和溯源，再与精确定位模块实时共享信息，及时发现泄漏，助力企业显著降低甲烷无组织排放；
27.3、通过无线传感器布点模块，输出匹配该下垫面的、特征化的布点方案，保证覆盖率，提高溯源定位的准确性；
28.4、通过溯源定位确定一个小尺度的空间，再开展泄漏检测，可以显著降低人力投入。
附图说明
29.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
30.图1是本发明的结构示意图。
31.图2是本发明的无线传感器布点模块的结构示意图。
32.图3是本发明的现场数据采集模块的结构示意图。
33.图4是本发明的甲烷泄漏监测定位模块的结构示意图。
34.图5是本发明的流程图。
35.附图标记说明：
36.无线传感器布点模块1、下垫面建模单元1-1、流场模拟单元1-2、扩散模拟单元1-3、覆盖率计算单元1-4、现场数据采集模块2、甲烷气体传感器 2-1、气象传感器2-2、主控板2-3、无线通讯模块2-4、电源供电模块2-5、甲烷泄漏监测定位模块3、泄漏认定单元3-1、泄漏定位单元3-2、精确定位模块4。
具体实施方式
37.下面结合附图对本发明作进一步的说明。
38.实施例1：
39.参看如图1-5所示，本实施例它包含：
40.无线传感器布点模块1，所述的无线传感器布点模块1建立稳态流场，进行网格划分；
41.现场数据采集模块2，所述的现场数据采集模块2采集附近大气中的甲烷浓度，同步采集风向和风速等气象条件，并将甲烷浓度和气象条件进行打包处理；无线传感器布点模块1根据现场数据采集模块2的参数指标进行覆盖率计算和分析，优化传感器的安装位置，指导现场人员完成传感器及配套设施的安装位置选择；
42.甲烷泄漏监测定位模块3，所述的甲烷泄漏监测定位模块3对打包数据进行分析，首先是完成泄漏可能存在与否的认定，再结合附近多个传感器采集的同一时间的打包数据，利用溯源算法确定一个小尺度的、可能存在泄漏的空间；现场数据采集模块2打包的甲烷浓度和气象条件数据发送至甲烷泄漏监测定位模块3；
43.精确定位模块4，所述的精确定位模块4获取来自甲烷泄漏监测定位模块 3的溯源定位结果之后，利用针对甲烷的检测仪器由现场人员在该小尺度空间内进行全面的泄漏检测，明确有无泄漏、泄漏位置及泄漏浓度或排放量等信息。
44.实施例2：
45.参看如图2所示，在实施例1的基础上，所述的无线传感器布点模块1 包含：
46.下垫面建模单元1-1，所述的下垫面建模单元1-1用于对油气行业上游的开采场站、化工企业中进行甲烷监测的装置单元等进行三维建模；
47.流场模拟单元1-2，所述的流场模拟单元1-2基于下垫面的三维模型，采集建模下垫面的本土特征信息，模拟该下垫面对应的高概率的稳态流场，并结合其他数据信息，通过机器学习完成稳态流场的优化；
48.扩散模拟单元1-3，所述的扩散模拟单元1-3对稳态流场进行网格划分，并耦合优选的气体扩散模型，模拟分析固定排放源的浓度梯度分布图、扩散路线等；
49.覆盖率计算单元1-4，所述的覆盖率计算单元1-4根据选用传感器的类型、灵敏度等参数指标，从空间覆盖率和场景覆盖率两个角度进行计算和分析，并不断优化传感器的
安装位置，直到满足要求，最终输出无线传感器布点方案。
50.实施例3：
51.参看如图3所示，在实施例1的基础上，所述的现场数据采集模块2包括：
52.甲烷气体传感器2-1，所述的甲烷气体传感器2-1用于监测附近大气中的甲烷浓度，视现场有无其它气体干扰，可以采用广谱的气体传感器或对甲烷具有高度选择性的气体传感器；
53.气象传感器2-2，所述的气象传感器2-2用于监测附近的风向和风速等气象条件；
54.主控板2-3，所述的主控板2-3用于处理和打包传感器采集到的甲烷浓度和气象条件信息；
55.无线通讯模块2-4，所述的无线通讯模块2-4用于将打包后的数据发送至所述甲烷泄漏监测定位模块3；
56.电源供电模块2-5，所述的电源供电模块2-5与甲烷气体传感器2-1、气象传感器2-2、主控板2-3以及无线通讯模块2-4均连接。
57.实施例4：
58.参看如图4所示，在实施例1的基础上，所述的甲烷泄漏监测定位模块3 包括：
59.泄漏认定单元3-1，所述的泄漏认定单元3-1抽取主控板2-3打包数据中的甲烷浓度，结合时间信息进一步计算得到甲烷浓度变化率，用于判断在某一时间对应某个传感器覆盖范围内是否可能发生泄漏；
60.泄漏定位单元3-2，所述的泄漏定位单元3-2提取泄漏认定单元3-1认为发生泄漏的相关信息，结合该传感器附近多个传感器采集的同一时间的打包数据，利用溯源算法，结合所述扩散模拟单元1-3确定一个小尺度的、存在泄漏的空间。
61.在使用本发明时，当需要对一个特定装置单元进行实时的甲烷泄漏监测定位时，首先需要利用下垫面建模单元1-1对该装置单元进行三维建模，然后收集该装置单元的本土特征信息，主要是长时间的气象条件，并利用流场模拟单元1-2将这些参数结合到三维模型中，得到初步的高概率的稳态流场，在结合其他数据，对该稳态流场进行优化；完成稳态流场的优化之后，需要利用扩散模拟单元1-3对流场进行网格划分，然后从众多的气体扩散模型中进行优选和验证，并将之耦合到流场中，接着在流场中模拟一个可控的泄漏点，探索分析该泄漏点在流场中的浓度梯度分布图、扩散路线等，用于后期的溯源比对；
62.然后进行传感器的初步布点，利用覆盖率计算单元1-4计算初步的空间覆盖率和场景覆盖率，在此基础上不断调整传感器的布点位置，直到两类覆盖率均满足要求；至此，就可以出具无限传感器的布点方案，现场人员根据该方案了解所需传感器的数量和具体安装位置；因为甲烷气体传感器2-1、气象传感器2-2、主控板2-3、无线传输模块和电源供电模块2-5组合在一起形成一套现场数据采集模块2，所以现场人员根据布点方案完成所有现场数据采集模块2的安装工作，现场形成无线传感器网络；
63.完成所有现场数据采集模块2的安装调试工作之后，即可正式开展甲烷的泄漏监测定位；甲烷气体传感器2-1和气象传感器2-2高频采集相关信息，然后经主控板2-3完成初步的数据处理和打包后，借助无线传输模块及时发送至甲烷泄漏监测定位模块3；甲烷数据泄漏监测定位模块内的泄漏认定单元3-1 以单个现场数据采集模块2上传的打包数据为对象，抽取出其中的甲烷浓度数据，并结合时间信息计算形成对应该现场数据采集模块2的附
近大气甲烷浓度的变化率，并不断的与特定的变化率阈值进行比较，直到变化率超过该阈值，则认定该现场数据采集模块2对应的监测覆盖范围内可能发生了泄漏；完成上述认定之后，泄漏定位单元3-2抽取该现场数据采集模块2对应的打包数据，并从无线传感器网络中找到该现场数据采集模块2附近的其它现场数据采集模块2，同样抽取对应的打包数据，利用溯源算法，结合扩散模拟单元1-3得到的泄漏点在流场中的浓度梯度分布图、扩散路线等信息，确定一个小尺度的、可能存在泄漏的空间；
64.泄漏定位单元3-2的结果实时共享给精确定位模块4，精确定位模块4通过安排现场人员携带针对甲烷的检测仪器进入该小尺度的、可能存在泄漏的空间开展全面的泄漏监测来明确有无泄漏、泄漏位置及泄漏浓度或排放量等信息。
65.采用上述结构后，本具体实施方式有益效果为：
66.1、通过配置不同类型的甲烷气体传感器2-1，可以实现不同场景下的对甲烷的准确监测，无需担心其它气体的干扰；
67.2、现场数据采集模块2和甲烷泄漏监测定位模块3可以7
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24小时实时采集数据并进行分析和溯源，再与精确定位模块4实时共享信息，及时发现泄漏，助力企业显著降低甲烷无组织排放；
68.3、通过无线传感器布点模块1，输出匹配该下垫面的、特征化的布点方案，保证覆盖率，提高溯源定位的准确性；
69.4、通过溯源定位确定一个小尺度的空间，再开展泄漏检测，可以显著降低人力投入。
70.以上所述，仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其它修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。