一种面向稳定加热路线的自动最终加热装置及方法与流程

本发明涉及制热领域，更具体的说，尤其涉及一种面向稳定加热路线的自动最终加热装置及方法。

背景技术：

制热系统是指通过人工手段，对建筑或构筑物内环境的空气的温度进行调节和控制的过程，随着社会的进步和科技的发展，在绝大部分大型场合，例如学校、工厂或者写字楼内，制热系统都得到了非常广泛的应用。

随着能源问题的日益突出，对能源的节约使用就显得尤为必要，而现有的制热系统如空调系统是对整个区域进行加热，例如工厂内的空调或者大型商场内的空调，升温或者降温是对整个工厂区域或者商场区域进行升温或者降温，该升温过程速度慢，加热时间长，耗能高，即便是区域内仅有较少人数也会对整个区域进行加热，甚至在无人时也需要很久才能将制热系统完全关闭，很容易造成资源大量浪费。

现有的制热系统的并不存在针对大区域内的单体或少量目标进行针对性局部温度控制的功能，因此对该方向的研究将能够极大降低大型区域内制热系统的能源消耗，对能源的持续发展具有极为重要的意义。

技术实现要素：

本发明的目的在于解决现有的制热系统例如空调系统是对整个区域加热导致的升温速度慢、加热时间长了、能耗大的问题，提出了一种面向稳定加热路线的自动最终加热装置及方法，可以对该区域内人员定位并测量出人周围环境温度，根据区域内人员的位置及周围温度调整加热装置的位置和方向、加热温度、加热装置工作的数量从而实现自动追踪加热的功能。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：一种面向稳定加热路线的自动最终加热装置，包括定位装置、温度测量装置、协调控制系统和加热装置，所述定位装置用于对人体进行定位，并将定位信息发送给协调控制系统；所述温度测量装置测量人体周围环境温度，将温度信息传给协调控制系统；所述协调控制系统接收到人的位置信息与温度信息，协调控制系统根据人的位置信息控制需要工作的一个或者几个加热装置运动到指定位置；温度测量装置实时测量人周围环境温度，将温度信息发送给协调控制系统，协调控制系统根据当前温度调整加热装置的工作功率；

定位装置通过搭建舍内北斗系统，接入三个以上的基站作为接入点，基站布置在距离间隔较远、高低不同的位置上，每个进入定位装置覆盖的区域的人员均需佩戴信号发射器，人员进入定位装置覆盖的区域后使用信号发射器持续发射测量信号，通过测量信号达到两个接入点的时间差获得人员的当前位置信息；

所述温度测量装置采用红外辐射测温法的非接触测量法对目标环境温度进行测量，将红外温度传感器装在既能在水平面上旋转又能在铅垂面上旋转的全方位的云台上，使用电机控制云台转动并在能旋转的两个方向上装上编码器，水平面上的编码器能够获得红外传感器在水平面上的方向与正北的夹角，铅垂面上的编码器能够获得红外传感器的方向与铅垂线之间的夹角，当需要调整红外传感器方向使其正对某个位置时，需要调整红外传感器的方向与铅垂线之间的夹角和在水平面上的方向与正北的夹角，即控制电机使水平面和铅垂面上的两个编码器的输出达到一定值；

接触式测量法对目标环境温度进行测量，将热电阻温度传感器或热电偶传感器装在工作服上，目标需要穿上工作服才可以测量其周边的环境温度，在工作服的前部、后部和两个衣袖上各装有一个热电阻温度传感器或热电偶传感器，当需要检测目标周边的环境温度时，工作服上的4个传感器同时工作检测环境温度，将得到的结果取平均即为环境温度；

所述加热装置为红外灯或热风口，加热装置位置保持不变，根据需要，将n个加热装置布置在一定高度处，需要工作的加热装置执行加热策略。

进一步的，将整个区域分隔若干个子区域，多个加热装置负责加热一个子区域，当子区域内人数多于加热装置时，系统控制系统按照人均所获热量相等，总能量最大的原则计算加热装置的位置；当子区域内人数少于或等于加热装置时，每人配置一个或多个加热装置，加热装置随着人员的位置移动而移动。

一种基于非接触测量及北斗定位的自动追踪加热方法，包括如下步骤：定位装置实时对目标进行定位，将位置信息发送给协调控制系统；协调控制系统根据目标的位置信息控制需要工作的一个或者几个加热装置运动到指定位置；温度测量装置实时测量目标周围环境温度，将温度信息发送给协调控制系统；协调控制系统根据当前温度调整加热装置的工作功率；

定位装置通过搭建舍内北斗系统，接入三个以上的基站作为接入点，基站布置在距离间隔较远、高低不同的位置上，每个进入定位装置覆盖的区域的人员均需佩戴信号发射器，人员进入定位装置覆盖的区域后使用信号发射器持续发射测量信号，通过测量信号达到两个接入点的时间差获得人员的当前位置信息；

所述温度测量装置采用红外辐射测温法的非接触测量法对目标环境温度进行测量，将红外温度传感器装在既能在水平面上旋转又能在铅垂面上旋转的全方位的云台上，使用电机控制云台转动并在能旋转的两个方向上装上编码器，水平面上的编码器能够获得红外传感器在水平面上的方向与正北的夹角，铅垂面上的编码器能够获得红外传感器的方向与铅垂线之间的夹角，当需要调整红外传感器方向使其正对某个位置时，需要调整红外传感器的方向与铅垂线之间的夹角和在水平面上的方向与正北的夹角，即控制电机使水平面和铅垂面上的两个编码器的输出达到一定值；

所述加热装置为红外灯或热风口，加热装置位置保持不变，根据需要，将n个加热装置布置在一定高度处，需要工作的加热装置执行加热策略；

当加热装置为红外灯时，某点接收到的红外灯辐射照度值q与该点到红外灯轴线距离r和加热电流i有关，某点处接收到的红外灯辐射照度值：

q＝f(r,i)；

当加热装置为热风口时，某点接收到的单位面积加热功率p与该点到热风口的距离l，出风速度v和出风温度t有关，某点处接收的单位面积加热功率：

p＝f(l,v,t)；

协调控制系统的作用是接收位置信息和温度信息，制定控制策略控制相应的加热装置给目标供热；当一个或多个目标处于加热区域中时，需要使各个目标处的辐射照度值或单位面积加热功率达到一定值；当有区域中有m个目标时，为了达到供热要求，协调控制系统制定控制策略，并将控制策略传给需要工作的加热装置；控制策略包括控制哪几个加热装置工作和加热装置以多大的功率进行加热；

具体的控制策略如下：

在存在多个加热装置时，具体加热装置的供热数量及每个加热装置的供热热量的采用遗传算法进行求解：假设有n个加热装置，编号为：1,l,n；每个加热装置的功率为oi,其中,oi>0：共有m个需要供热的位置，编号为：1,l,m，第j个受热源单位时间内需要提供的热量为qj以维持或达到其需要的温度tj，加热装置i对受热源j单位时间内可提供的热量为pij；首先采用二进制编码ch＝{x1x2lxn}；个体选择采用二元锦标赛法；可行个体的适应度值为不可行个体的适应度值为值越小个体越好；采用参数均匀交叉算法：即子体中的每个基因xi以α的概率来自父体1，0.5<α<1，以1-α的概率来自父体2，假设父体1的适应度优于父体2的适应度；具体步骤如下：

step1：设置初始参数，包括种群规模n，精英率pe，迁徙率pi，pe+pi<1；偏好率α；设置终止条件，令pop＝pop′＝φ；

step2：随机生成n个个体并加入到pop，即种群初始化；

step3：计算种群pop中个体的适应度值，选出前个个体直接复制到下一代pop′；

step4：判断pop′中是否已有个个体，如果没有，则转到step5，否则，转到step6；

step5：采用二元锦标赛法从pop选取两个个体作为父体，然后采用参数均匀交叉算法产生一个子体，并加入到pop′中，转到step4；

step6：随机生成个个体加入到pop′中，令pop＝pop′，pop′＝φ；

step7：判断是否满足终止条件(迭代到设定的代数g或连续g′代最优个体没有改进)，如果满足则转到step8，否则转到step3；

step8：计算种群pop中个体的适应度值，输出适应度值最小的作为最优解；

其中，xi是决策变量，0或1中0表示第i个加热装置关闭，开1表示第i个加热装置打开；j＝1,l,m和xi＝0or1作为约束条件，其中为目标函数，即最小化总能耗、j＝1,l,m表示各个加热源对受热源提供的热源要大于等于其需要量；和xi＝0or1表示决策变量的取值范围。

进一步的，通过测量信号接收的时间差来定位的方式，根据测量信号达到的时间差，人员位于两个接入点为焦点的双曲线上，在确定人员位置时，至少需要采用第三个接入点，建立两个双曲线方程，两个双曲线方程的焦点即为该人员的而为坐标位置，通过额外的接入点进行授权修正，以获得更好的定位精度。

本发明的有益效果在于：

1、本发明可以对区域内人员定位并测量出人周围环境温度，根据区域内人员的位置及周围温度调整加热装置的位置和方向、加热温度、加热装置工作的数量等，加热装置移动到人员附近，直接对人周围的区域加热，加热装置的位置和方向随着人员运动，实现自动追踪加热的功能。

2、本发明可以对该区域内人员实时定位，加热装置可随着人员的位置运动，实现追踪加热的功能。

3、本发明不需要对整个环境加热，只加热人员周围区域，升温速度快，加热时间短，耗能少。

4、本发明在区域内人数较少时，人对应的加热装置工作，其余加热装置可处于待机状态；当该区域内无人时，加热系统停止工作，有效解决地现有制热系统的弊端，降低能耗。

5、本发明采用北斗技术进行定位，可以实现复杂环境中的定位、监测和追踪任务，通过测量信号到达两个接入点的时间差，而不是绝对时间来估计加热目标的位置，降低了时间同步要求。

6、本发明使用红外温度传感器测量测量目标周围环境温度，实现了非接触测量。

7、本发明的加热装置采用红外灯或热风口，作为核心的加热主体无需移动，整体机械结构简单，降低整体成本，并且加热装置可以旋转，加热装置方向可随着目标位置的变化而变化，实现追踪加热的功能，加热效果提升，能耗降低。

8、本发明根据目标周围的温度调整加热功率，提高目标周围环境的舒适度。

9、本发明在子区域内目标数量较少时，目标对应的加热装置工作，其余加热装置可处于待机状态；当该区域内无目标时，加热系统停止工作，有效解决地现有制热系统的弊端，降低能耗。

附图说明

图1是本发明面向稳定加热路线的自动最终加热装置的基本结构示意图。

图2是本发明定位装置的结构示意图。

图3是本发明的工作流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图1和图2所示，一种面向稳定加热路线的自动最终加热装置，包括定位装置、温度测量装置、协调控制系统和加热装置，所述定位装置用于对人体进行定位，并将定位信息发送给协调控制系统；所述温度测量装置测量人体周围环境温度，将温度信息传给协调控制系统；所述协调控制系统接收到人的位置信息与温度信息，协调控制系统根据人的位置信息控制需要工作的一个或者几个加热装置运动到指定位置；温度测量装置实时测量人周围环境温度，将温度信息发送给协调控制系统，协调控制系统根据当前温度调整加热装置的工作功率；

定位装置通过搭建舍内北斗系统，接入三个以上的基站作为接入点，基站布置在距离间隔较远、高低不同的位置上，每个进入定位装置覆盖的区域的人员均需佩戴信号发射器，人员进入定位装置覆盖的区域后使用信号发射器持续发射测量信号，通过测量信号达到两个接入点的时间差获得人员的当前位置信息；

所述温度测量装置采用红外辐射测温法的非接触测量法对目标环境温度进行测量，将红外温度传感器装在既能在水平面上旋转又能在铅垂面上旋转的全方位的云台上，使用电机控制云台转动并在能旋转的两个方向上装上编码器，水平面上的编码器能够获得红外传感器在水平面上的方向与正北的夹角，铅垂面上的编码器能够获得红外传感器的方向与铅垂线之间的夹角，当需要调整红外传感器方向使其正对某个位置时，需要调整红外传感器的方向与铅垂线之间的夹角和在水平面上的方向与正北的夹角，即控制电机使水平面和铅垂面上的两个编码器的输出达到一定值；

所述加热装置为红外灯或热风口，加热装置位置保持不变，根据需要，将n个加热装置布置在一定高度处，需要工作的加热装置执行加热策略。

将整个区域分隔若干个子区域，多个加热装置负责加热一个子区域，当子区域内人数多于加热装置时，系统控制系统按照人均所获热量相等，总能量最大的原则计算加热装置的位置；当子区域内人数少于或等于加热装置时，每人配置一个或多个加热装置，加热装置随着人员的位置移动而移动。

一种基于非接触测量及北斗定位的自动追踪加热方法，包括如下步骤：定位装置实时对目标进行定位，将位置信息发送给协调控制系统；协调控制系统根据目标的位置信息控制需要工作的一个或者几个加热装置运动到指定位置；温度测量装置实时测量目标周围环境温度，将温度信息发送给协调控制系统；协调控制系统根据当前温度调整加热装置的工作功率；

定位装置通过搭建舍内北斗系统，接入三个以上的基站作为接入点，基站布置在距离间隔较远、高低不同的位置上，每个进入定位装置覆盖的区域的人员均需佩戴信号发射器，人员进入定位装置覆盖的区域后使用信号发射器持续发射测量信号，通过测量信号达到两个接入点的时间差获得人员的当前位置信息；

所述温度测量装置采用红外辐射测温法的非接触测量法对目标环境温度进行测量，将红外温度传感器装在既能在水平面上旋转又能在铅垂面上旋转的全方位的云台上，使用电机控制云台转动并在能旋转的两个方向上装上编码器，水平面上的编码器能够获得红外传感器在水平面上的方向与正北的夹角，铅垂面上的编码器能够获得红外传感器的方向与铅垂线之间的夹角，当需要调整红外传感器方向使其正对某个位置时，需要调整红外传感器的方向与铅垂线之间的夹角和在水平面上的方向与正北的夹角，即控制电机使水平面和铅垂面上的两个编码器的输出达到一定值；

所述加热装置为红外灯或热风口，加热装置位置保持不变，根据需要，将n个加热装置布置在一定高度处，需要工作的加热装置执行加热策略；

当加热装置为红外灯时，某点接收到的红外灯辐射照度值q与该点到红外灯轴线距离r和加热电流i有关，某点处接收到的红外灯辐射照度值：

q＝f(r,i)；

当加热装置为热风口时，某点接收到的单位面积加热功率p与该点到热风口的距离l，出风速度v和出风温度t有关，某点处接收的单位面积加热功率：

p＝f(l,v,t)；

协调控制系统的作用是接收位置信息和温度信息，制定控制策略控制相应的加热装置给目标供热；当一个或多个目标处于加热区域中时，需要使各个目标处的辐射照度值或单位面积加热功率达到一定值；当有区域中有m个目标时，为了达到供热要求，协调控制系统制定控制策略，并将控制策略传给需要工作的加热装置；控制策略包括控制哪几个加热装置工作和加热装置以多大的功率进行加热；

具体的控制策略如下：

在存在多个加热装置时，具体加热装置的供热数量及每个加热装置的供热热量的采用遗传算法进行求解：假设有n个加热装置，编号为：1,l,n；每个加热装置的功率为oi,其中,oi>0：共有m个需要供热的位置，编号为：1,l,m，第j个受热源单位时间内需要提供的热量为qj以维持或达到其需要的温度tj，加热装置i对受热源j单位时间内可提供的热量为pij；首先采用二进制编码ch＝{x1x2lxn}；个体选择采用二元锦标赛法；可行个体的适应度值为不可行个体的适应度值为值越小个体越好；采用参数均匀交叉算法：即子体中的每个基因xi以α的概率来自父体1，0.5<α<1，以1-α的概率来自父体2，假设父体1的适应度优于父体2的适应度；具体步骤如下：

step1：设置初始参数，包括种群规模n，精英率pe，迁徙率pi，pe+pi<1；偏好率α；设置终止条件，令pop＝pop′＝φ；

step2：随机生成n个个体并加入到pop，即种群初始化；

step3：计算种群pop中个体的适应度值，选出前个个体直接复制到下一代pop′；

step4：判断pop′中是否已有个个体，如果没有，则转到step5，否则，转到step6；

step5：采用二元锦标赛法从pop选取两个个体作为父体，然后采用参数均匀交叉算法产生一个子体，并加入到pop′中，转到step4；

step6：随机生成个个体加入到pop′中，令pop＝pop′，pop′＝φ；

step7：判断是否满足终止条件(迭代到设定的代数g或连续g′代最优个体没有改进)，如果满足则转到step8，否则转到step3；

step8：计算种群pop中个体的适应度值，输出适应度值最小的作为最优解；

其中，xi是决策变量，0或1中0表示第i个加热装置关闭，开1表示第i个加热装置打开；j＝1,l,m和xi＝0or1作为约束条件，其中为目标函数，即最小化总能耗、j＝1,l,m表示各个加热源对受热源提供的热源要大于等于其需要量；和xi＝0or1表示决策变量的取值范围。

通过测量信号接收的时间差来定位的方式，根据测量信号达到的时间差，人员位于两个接入点为焦点的双曲线上，在确定人员位置时，至少需要采用第三个接入点，建立两个双曲线方程，两个双曲线方程的焦点即为该人员的而为坐标位置，通过额外的接入点进行授权修正，以获得更好的定位精度。

上述实施例只是本发明的较佳实施例，并不是对本发明技术方案的限制，只要是不经过创造性劳动即可在上述实施例的基础上实现的技术方案，均应视为落入本发明专利的权利保护范围内。