专利名称：一种突发灾害性事故快速定位系统的制作方法
技术领域：
本实用新型属于灾害预防技术领域，涉及ー种突发灾害性事故快速定位系统及定位方法。
背景技术：
中国已大踏步跨入了重化工时代，作为国民经济的支柱产业，对国民经济的发展起着举足轻重的作用。但石化行业本身具有原料及产品多为易燃、易爆、有毒、有害，生产过程多处于高温、高压或低温、负压等苛刻条件。一旦发生石化事故，必然对安全环保等管理工作造成极大挑战。如何防范和治理灾难是当下必须面对的课题。2010年大连“7. 16”爆炸事故，泄露原油上万吨。此事还未查明，在一周年吋，2011年7月16日，大连中石化再次发生火灾，直接损失5亿元；2010年9月7日，中石化胜利作业三号平台，发生一起倾斜事故，导致36人遇险，其中2人溺水死亡，直接经济损失592万元；2005年吉化双苯厂爆炸事 故，由于应急处置不合理，造成8人死亡，60人受伤，直接经济损失6908万元，并有约100吨苯类污染物流入松花江水体，引发松花江水污染事件；2003年重庆开县井喷事故，由于缺少应急预案，没及时做出正确决策，结果导致243人因硫化氢中毒死亡，65000人被紧急疏散安置，直接经济损失达6432. 31万元。面对事故频发的石化行业，如何高效及时地对监测预警石化微量泄露，特别是对事故地点准确及时地定位及对事故发生时的立即响应是今后极其重要的研究课题。实用新型专利CN201010220462. 6公开了ー种石化行业泄漏与定位预警系统及其建立方法，该专利公开了ー个石化行业泄漏与定位预警系统如何进行无线组网和预警。该专利提出，根据事故发生区域大小，向该事故发生区域部署5个至150个无线网络节点，根据该事故区域的无线网络节点传送的传感器检测信息，确定是否发生突发事件，并对事故区域抛撒传感器，组成动态无线传感器网络。该专利重点在于如何组网与信息检测，例如绑定、唤醒、加入网络、扫描、路由等等都属于组网的内容，但该专利并未解決如何对事故地点进行精确定位的问题。定位的前提是固定节点知道自己的位置坐标，这样定位抛撒节点才能依据固定节点的位置信息和信号強度等參数去计算出自身的位置，上述专利没有涉及到，没有说明具体应当采用何种定位算法，其后也没有提出如何确定危险区域，对抛撒节点的如何定位也没做具体阐述。
实用新型内容本实用新型的目的是，克服现有技术的上述不足，提供一种突发灾害性事故快速定位系统及定位方法。本实用新型的技术方案如下一种突发灾害性事故快速定位系统，包括监控中心计算机及多个子网络，每个子网络位于ー个检测区域内，包括多个固定节点，固定节点固定安装在该区域内的各个检测点处，固定节点与固定传感器相连；各个子网络中固定节点及固定传感器的设立的结构、密度及固定传感器种类随检测区域实际环境的不同而不同，固定传感器的检测信号被送入固定节点，与监控中心计算机一起构成对突发灾害性事故进行初步定位的无线传感器网络，所述的突发灾害性事故快速定位系统还包括为某些重要的检测区域分别配置的修补机器人，所述的修补机器人带有定位节点，并携带多个可抛撒传感器，每个抛撒传感器带有抛撒传感器节点，其携帯的传感器称为移动传感器；在监控中心计算机根据固定节点传来的信息包判断某个或某些检测区域发生突发灾害性事故可能性，并初步确定突发事故危险区域；为该区域配置的修补机器人在移动到初步确定的突发事故危险区域后，其定位节点加入无线传感器网络，并将携帯的多个抛撒传感器撒在检测点处抛撒，各个抛撒传感器节点也加入无线传感器网络，至此实现了快速定位组网，由监控中心计算机根据各个固定传感器和移动传感器的采集的检测信息及各自的位置信息，进ー步进行泄露点定位。所述的固定传感器和移动传感器可以为气体传感器。本实用新型针对不同区域中的实际环境，建立不同子网络，例如对于生活区域等不易发生突发事故的或即使发生了危害也不大的区域，其子网中固定节点间安装的距离适当拉大，以增大子网的覆盖范围和降低成本。再如生产区域和易于发生突发灾害性事故的 厂区之类的区域，可以有针对性地设置修补机器人，保证在出现预警时，能在几秒内确定事故发生的危险区域，使急救人员或修补机器人能及时到达现场。携帯着给自身定位的定位节点的修补机器人在危险区域抛撒出抛撒传感器节点进行精确定位，使工作人员能马上开展针对性的作业。在这个过程中，危险区域的确定与事故爆炸是同步的，与现有技术相比，时效性更强。而确定事故发生地的前提条件是固定节点能够精确地知道自己的位置坐标，本实用新型网络中的固定节点的位置坐标已提前由卫星给出，这样減少了人为确定坐标的误差，使最终精确定位更加精确。总之，本实用新型具有检测准确、定位精度高、处理速度快，无线布线等优点，适合于实际应用。
图I系统流程图。图2定位/固定/抛撒传感器节点结构框图。图3基于RSSI的质心定位算法原理图。图4固定节点创建ZigBee网络程序流程。图5(a)固定节点的工作流程图；(b)定位节点的工作流程图。图6危险区域示意图。
具体实施方式
本实用新型运用无线传输损耗模型，在现有的无线ZigBee芯片基础上来计算对象节点的位置，实现了对石化突发事故地点的快速定位。
以下结合附图和实施例对本实用新型进行说明。(I)固定节点场地安置及子网络的划定一般来说石油化工场地的区域都很广泛，因此需要布置大量的固定节点。如果按10平方公里的ー个石油化工场地，20米布置ー个固定节点，一共需要25000个节点。为了保证定位的精确性能，同时兼顾成本，減少模块数量，本实用新型采取有差别的布置。对于采油、储存、运输等重点区域、易发生突发事故区域，15米布置ー个固定节点，以提高定位精度。对于生活区、监控中心等不易发生突发事故的区域，采用30米ー个。确定好固定节点在场区的置后，再利用GPS定位测出每ー个固定节点的经度、纬度，列表一一对应记录。根据实际规划出不同区域，不同的区域设定出不同的子网。把已测定好位置信息的每个固定节点息En(am、bm)打包(E :位置信息；n :子网编号；a :讳度；b :经度；m :节点编号)输入到相应和每个节点。最后把固定节点固定在相应的位置上。针对不同区域相应的安装上不同的传感器。如储存区安装爆炸相关的如烟雾等传感器，生活区安装测毒气相关的如H2S等传感器等等。本实用新型采用ZigBee无线定位方式实现。參见图1，整个系统包括1台监控中心计算机(上位机可视化监控)、多个子网，一个子网由许多固定节点、一个 定位节点、若干抛撒传感器节点构成，固定节点、定位节点都同时承担传递信息包的路由功能。如果是易发生突发事故区域如生产区、储存区等，通常会为这样的区域配置一个修补机器人。定位/固定/抛撒传感器节点的硬件结构基本相同，如图2所示。 固定节点——路由器功能提供ー个固定坐标，提供ー个RSSI值。在一个子网中，自动选择ー个固定节点，由这个固定节点建立子网络，这时的能够建立子网络的固定节点称为协调器，当建立好子网后它就变回了固定节点。每个固定节点都有路由功能。 定位节点——抛撒传感器一一路由器功能定位节点和抛撒传感器节点只是比固定节点硬件内部多了ー个定位引擎，因此定位节点可以定位，固定节点不可以定位。但是他们的外观区别不大。固定在修补机器人上称为定位节点，修补机器人在危险区域抛撒出的称为抛撒传感器节点。它们都接收固定节点的坐标及RSSI值，并计算自己位置。(最多接受8个參考节点信息，如果不够有多少接收多少) 修补机器人功能携帯ー个定位节点，这个定位节点对修补机器人自身进行定位，同时也携帯苦于个抛撒传感器，抛撒到危险区域进行对事故爆发点进行定位。系统正常运转期间，由固定节点及传感器、监控中心的计算机一起构成对突发灾害性事故的监测预警。监控中心计算机判断某个或某些区域可能发生事故时，确定事故危险区域。修补机器人迅速到达危险区域，给自身定位的定位节点加入无线传感器网络，把抛撒传感器抛撒到危险区域，抛撒的同时加入无线传感器网络，至此实现了快速组网与定位。监控中心计算机根据各个节点传递来的现场信息及各自的位置信息，进ー步进行事故精确定位。本实施例的定位精度可达0. 5米，随着固定节点密度増加定位精度还可以更加精确。本实用新型组网及定位步骤如下I)固定节点固定在石化场地，利用GPS定位技术确定出固定节点自身的位置坐标如(a，b)，其中a代表纬度，b代表经度。2)无线通信ZigBee网络程序编写，并拷贝程序到各个硬件；将固位节点布置在石化场地，实现无线组网。3)当事故发生时，固定节点同步确定出突发事故危险区域。4)定位节点/抛撒传感器节点到达危险区域，加入已有的ZigBee网络。固定节点把含有自身坐标信息的信息包发送给定位节点/抛撒传感器节点。[0029]5)定位节点/抛撒传感器节点接收到信息包后，同时也测定出接收到的RSSI值。且多次测定RSSI值，取其中值。6)定位节点/抛撒传感器节点自身带有定位引擎，对接收的信息包及信号強度RSSI值进行处理，其原理接收节点根据收到的信号的強度，计算出信号的传播损耗，利用理论和经验模型将传输损耗转化为距离。基于RSSI信号強度的质心算法如图3示。7)计算得出移动节点位置信息，经整理后，信息打包，经路由发送给控制中心。8)控制中心接到信息包，在上位机上显示出各个节点的位置信息，并标在在电子地图上，实现定位。采用Linux支持下的ARM或一台电脑作为上位机(监控中心计算机)，利用无线龙C51RF-CC2431无线定位系统为平台，最终定位精度能达到0. 5M。
下面详细阐述如何实现组网和定位。I 固定节点创建ZigBee网络流程ZigBee网络创建的具体过程如下设备加电后，在指定信道上执行信道扫描，之后设备的工作流程分为两个分支(I)如果设备没有接收到网络信标，则证明该信道上不存在已有的ZigBee网络，此时，设备在该信道上建立ー个新网络，此后该设备就可以接受其他设备的入网请求，但每次该设备都需要判断一下网络地址空间是否已经满了，如果未满，则它就为申请入网的设备分配网络地址，并发送入网响应，允许设备加入；如果网络地址空间已满，则申请入网的设备将不能成功加入网络。(2)如果设备接收到了网络信标，则证明网络中已经存在ZigBee网络，此时，设备将选择父设备，井向父设备发送入网请求，接收到父设备的响应后，便可以成功加入网络了，但如果设备没有接收到父设备的响应，则入网失败。ZigBee网络创建过程的程序流程如图4所示。2.固定节点工作流程固定节点成功加入网络后，将设置网络指示灯，指示自己已经成功入网。再获取自身的8位的网络地址，之后便可以定时监测报警位置信号，报警指标超标时则发送报警位置信息通过多跳路由发送至PC监控软件，显示其发生的是什么类型事故与事故的地点。当节点收到撤警命令时，将停止发送报警信息，恢复正常工作状态。传感器參考节点工作的程序流程如图5(a)所示。3.定位节点工作流程定节点成功加入网络后，将设置网络指示灯，指示自己已经成功入网。再获取自身的8位的网络地址，之后便可以接收固定节点发来的RSSI等信息包。之后取中值再计算位置，最后把计算结果打包发到控制中心。固定节点工作的程序流程如图5(b)所示。抛撒传感器节点和定位节点的工作流程一祥。下面结合实施例具体说明本实用新型的定位方法的工作流程一、确定突发事故危险区域确定突发事故危险区域只是大概确定事故发生的地点位置，为下一歩的工作作准备。这ー过程只需要几秒钟时间。以H2S为例，其步骤如下(I)固定节点上的传感器检测到H2S气体浓度Pn，与自身的位置信息En(am、bm)打包，信息包通过路由传递到监控中心。假设其中有一个节点不能正常工作，为了不让信息包丢失，路由可以选择不同的途径，这样就提高的网络的容错能力，这是ZigBee无线传感器网络的又一优势。(2)经过对比计算，得出浓度最大的前四个值E1,E2、E3、E4，并确定出其所属于的固定节点。(3)调出其浓度最大的四个固定节点的位置信息En(am、bj，在监控电子地图是显示其位置。如图6所示ニ、找出事故突发的精确位置，实施救援第一歩得出突发事故危险区域后，修补机器人携帯定位自身的定位节点和若干个抛撒传感器节点迅速投到事故发生地点。第二步修补机器人由人工控制进入危险区域，抛出抛撒传感器节点。第三步定位节点/抛撒传感器节点加入已有的ZigBee无线传感器网络。第四歩抛撒传感器节点测出H2S气体的浓度值，并保存。浓度取值方法用均值法。均值策略是计算所有测得的H2S气体浓度的平均值，以平均值作为測量結果。这样能提高所测浓度的准确度。第五步定位节点/抛撒传感器节点接收周围固定节点发来的位置信息，同时测出其接收的RSSI值，利用理论和经验模型将传输损耗转化为距离，并保存。对于RSSI取值选用中值策略。中值策略很大程度上避免了偏离正确值较大的错误值对测量精度的影响。中值策略采用测量值的中值作为測量結果，这样即使有偏离正确值较大的错误值时，它仍然能得到较为正确的测量結果。第六步定位节点/抛撒传感器节点经计算，将得出的位置结果等以信息包形式发送，通过多跳路由传递给控制中心。其定位算法使用的是基于锚圆内交点质心定位算法如图3。(I)每个锚节点ai (图3)都以一定的信号強度广播自身的ID号及位置信息(xai，yai)，其中(i = 1，2，…，N)。(2)每个未知节点nk接收到邻居锚节点的信息，并且计算每个接收到信息锚节点的连通度，连通度的定义如下CMkai = n^tKlOOVo
nSend(al,t)这里n_6V(ai，t)是在时间段t内，节点nk收到的由锚节点发出信号的数量；而nsend(ai, t)是在时间段t内，由锚节点ai发出信号的数量。(3)当某个锚节点ai的连通度高于ー个阈值吋，比如CMk.ai > 90%，未知节点nk把^当作邻居节点。阈值可以根据具体应用情况来确定。(4)当未知节点有3个邻居锚节点吋，假设已知3个锚节点ai，a2，a3的位置坐标分别为(xal, yal), (xa2, ya2), (xa3, ya3),所有点的无线射程全部为r,则3个锚圆的一个内交汇点ち的坐标(x6l，yel)可以通过下面的式求出
'(xel-xal)2 + (yel-yal)2 Sr2<(xel-xa2)2+ (yel-ya2)2=r2 公式(I)
、(xel- )2+(yel-ya3)2=r2同理，由下面公式求出另外2个内交汇点e2的坐标(xe2，ye2)和e3的坐标(xe3，ye3)[0062]
权利要求1.一种突发灾害性事故快速定位系统，包括监控中心计算机及多个子网络，每个子网络位于一个检测区域内，包括多个固定节点，固定节点固定安装在该区域内的各个检测点处，固定节点与固定传感器相连；各个子网络中固定节点及固定传感器的设立的结构、密度及固定传感器种类随检测区域实际环境的不同而不同，固定传感器的检测信号被送入固定节点，与监控中心计算机一起构成对突发灾害性事故进行初步定位的无线传感器网络，所述的突发灾害性事故快速定位系统还包括为某些重要的检测区域分别配置的修补机器人，所述的修补机器人带有定位节点，并携带多个可抛撒传感器，每个抛撒传感器带有抛撒传感器节点，其携带的传感器称为移动传感器；在监控中心计算机根据固定节点传来的信息包判断某个或某些检测区域发生突发灾害性事故可能性，并初步确定突发事故危险区域；为该区域配置的修补机器人在移动到初步确定的突发事故危险区域后，其定位节点加入无线传感器网络，并将携带的多个抛撒传感器撒在检测点处抛撒，各个抛撒传感器节点也加入无线传感器网络，至此实现了快速定位组网，由监控中心计算机根据各个固定传感器和移动传感器的采集的检测信息及各自的位置信息，进一步进行泄露点定位。
2.根据权利要求I所说的突发灾害性事故快速定位系统，其特征在于所述的固定传感器和移动传感器均为气体传感器。
专利摘要本实用新型属于灾害预防技术领域，涉及一种突发灾害性事故快速定位系统，包括监控中心计算机及多个子网络，每个子网络位于一个检测区域内，包括固定安装在该区域内的各个检测点处的多个固定节点及固定传感器；各个子网络中固定节点及固定传感器的设立的结构、密度及固定传感器种类随检测区域实际环境的不同而不同，固定传感器的检测信号被送入固定节点，与监控中心计算机一起构成对突发灾害性事故进行初步定位的无线传感器网络，该定位系统还包括为某些重要的检测区域分别配置的修补机器人，其带有定位节点，并携带多个可抛撒传感器。本实用新型具有检测准确、定位精度高、处理速度快，无线布线等优点。
文档编号G01S5/02GK202471958SQ201220103500
公开日2012年10月3日 申请日期2012年3月19日 优先权日2012年3月19日
发明者丁承君, 付胜梁, 段萍, 赵艳辉 申请人:河北工业大学