基于多传感器协同的有害气体检测系统及方法与流程
本发明属于环境检测技术领域，具体涉及基于多传感器协同的有害气体检测系统及方法，尤其适用于化工行业有害气体的检测。
背景技术：
有害气体是指对人或动物的健康产生不利影响，或者说对人和动物的健康虽无影响，但使人或动物感到不舒服，影响人或动物舒适度的气体。如nh3、h2s和co等。
在日常生活中，人们通过一些可以吸收空气中有害气体的植物，不仅美化居室，也可净化空气。如：菊花、茶花、仙客来、紫罗兰、晚香玉、牵牛花、石竹、唐菖蒲等植物。
气体传感器是一种将某种气体体积分数转化成对应电信号的转换器。探测头通过气体传感器对气体样品进行调理，通常包括滤除杂质和干扰气体、干燥或制冷处理仪表显示部分。
有害气体检测是气体传感器的一大作用，有害气体的检测有两个目的，第一是测爆，第二是测毒。所谓测爆是检测危险场所可燃气含量，超标报警，以避免爆炸事故的发生；测毒是检测危险场所有毒气体含量，超标报警，以避免工作人员中毒。
在日常生产中，化工行业比较容易产生有害气体，对于生产场所有害气体的检测，保证安全生产，是该领域十分重要的问题。
专利号为cn201310692344.9a的专利公开了一种基于无线传感器的矿井环境有害气体检测系统，所述系统由多个检测单元和检测中心计算机组成实现对矿井环境有害气体的实现多点同时检测与状况判别，检测单元实现对检测点有害气体的特征参数进行检测，各检测单元通过无线通信模块与检测中心计算机实现信息交互，检测中心计算机用于对被检测矿井环境有害气体数据进行处理与管理，并通过多组小波神经网络辨识器实现对检测点、检测面和整个检测环境有害气体的状况进行等级判别。本发明通过研究现有煤矿有害气体检测技术准确性低和实时性差的难题，设计检测系统，可以根据煤矿检测点的实际状况把进气口均匀分布在被检测煤矿的不同部位实现多点同时检测煤矿有害气体浓度的实际状况。
其通过广布的气体传感器进行有害气体检测，再通过数据处理，以及多组小波神经网络辨识器实现对检测点、检测面和整个检测环境有害气体的状况进行等级判别，虽然能够对区域内多点有害气体进行检测，并进行预警，但无法基于检测结果精准定位有害气体产生的源头，同时因为其需要针对每个点分别进行浓度检测和判别，而不是从区域整体进行分析判断，导致检测效率较低。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供基于多传感器协同的有害气体检测系统及方法，其通过传感器组整体获取目标区域的各个位置的有害气体数据，通过绘制有害气体数据在目标区域的有害气体地形图来进行整体的图像分析，以判断是否需要进行预警，同时使用分写纵截面来找到有害气体的源头，具有效率高和准确率高的优点。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
基于多传感器协同的有害气体检测系统，其特征在于，所述系统包括：
传感器组，所述传感器组包括多个传感器，配置用于对目标区域内的有害气体进行感知，实时获取有害气体感知数据；所述传感器组内的传感器随机分布于目标区域内，且须满足：在目标区域内的任意位置，以该位置为圆心，按照设定的阈值为半径，划定的圆形区域内，传感器的数量超过设定的阈值；
目标区域地图绘制单元，配置用于建立目标区域的平面坐标图，同时基于每个传感器在目标区域中的位置，在平面坐标图中绘制对应的传感器的坐标点，绘制出目标区域传感器坐标图；
数据记录单元，配置用于将传感器组在同一时刻获取的有害气体感知数据，基于目标区域传感器坐标图，记录到每个传感器对应的坐标下；
有害气体地形图绘制单元，配置用于基于目标区域传感器坐标图和每个传感器坐标中记录的有害气体感知数据，按照绘制等高线的方式，绘制出有害气体地形图；
图像分析单元，配置用于基于有害气体地形图，使用预设的预警分析模型，进行图像分析，以判断是否需要进行预警，同时，使用预设的定位分析模型，以识别出有害气体产生的源头。
进一步的，所述目标区域地图绘制单元绘制出目标区域传感器坐标图的方法包括：生成一个二维直角坐标系，将目标区域等比例缩小或放大，置于二维直角坐标系中；然后基于目标区域内的传感器在目标区域内的位置，标注在目标区域的二维直角坐标系中的对应位置，绘制出目标区域传感器坐标图。
进一步的，所述有害气体地形图绘制单元，绘制出有害气体地形图的方法包括：在目标区域传感器坐标图的二维直角坐标系的基础上，添加一个维度，生成三维坐标系下的目标区域传感器坐标图，基于目标区域传感器坐标图和每个传感器坐标中记录的有害气体感知数据，在添加的维度下，按照绘制等高线的方式，绘制出有害气体地形图。
进一步的，所述图像分析单元包括：预警分析单元和定位分析单元；所述预警分析单元，配置用于基于有害气体地形图，使用预设的预警分析模型，进行图像分析，以判断是否需要进行预警；所述定位分析单元，使用预设的定位分析模型，以识别出有害气体产生的源头；所述预警分析单元，进行图像分析的方法包括：对有害气体地形图进行扫描，获取地形图扫描图像，并为所述地形图扫描图像对应的不同高度的等高线分配不同的颜色信息，所述颜色信息用于表示所述不同高度的等高线的类型，所述等高线类型包括危险类型或安全类型；根据所述颜色信息从所述扫描图像中确定目标候选区域，并在所述目标候选区域内进行特征提取，获得提取的图像特征；利用提取的所述图像特征、基于目标检测模型进行目标检测，获得候选目标；利用提取的所述图像特征、基于目标分类模型对所述候选目标进行识别，获得图像识别结果。
进一步的，当为所述地形图扫描图像对应的不同高度的等高线分配不同的颜色信息时，使用如下公式计算等高线的分类值：
进一步的，所述定位分析单元识别出有害气体产生的源头的方法包括：基于有害气体地形图进行，使用预设的模型进行图像纵截面扫描分析，具体包括：找到有害气体地形图中的最高点，以在改点位置，获取有害气体地形图的纵截面，对该纵截面的边缘轮廓曲线使用预设的模型进行图像分析；所述图像分析的过程包括：使用预设的模型计算纵截面的边缘轮廓曲线中的每个位置的不规则度，若计算出的边缘轮廓曲线中的某个位置的不规则度超过设定的阈值，则将该位置作为有害气体产生的源头。
进一步的，所述预设的模型使用如下公式表示：
一种基于多传感器协同的有害气体检测方法，所述方法执行以下步骤：
步骤1：多个传感器:对目标区域内的有害气体进行感知，实时获取有害气体感知数据；所述传感器组内的传感器随机分布于目标区域内，且须满足：在目标区域内的任意位置，以该位置为圆心，按照设定的阈值为半径，划定的圆形区域内，传感器的数量超过设定的阈值；步骤2：建立目标区域的平面坐标图，同时基于每个传感器在目标区域中的位置，在平面坐标图中绘制对应的传感器的坐标点，绘制出目标区域传感器坐标图；步骤3：将传感器组在同一时刻获取的有害气体感知数据，基于目标区域传感器坐标图，记录到每个传感器对应的坐标下；步骤4：基于目标区域传感器坐标图和每个传感器坐标中记录的有害气体感知数据，按照绘制等高线的方式，绘制出有害气体地形图；步骤5：基于有害气体地形图，使用预设的预警分析模型，进行图像分析，以判断是否需要进行预警，同时，使用预设的定位分析模型，以识别出有害气体产生的源头。
进一步的，所述目标区域地图绘制单元绘制出目标区域传感器坐标图的方法包括：生成一个二维直角坐标系，将目标区域等比例缩小或放大，置于二维直角坐标系中；然后基于目标区域内的传感器在目标区域内的位置，标注在目标区域的二维直角坐标系中的对应位置，绘制出目标区域传感器坐标图。
进一步的，所述有害气体地形图绘制单元，绘制出有害气体地形图的方法包括：在目标区域传感器坐标图的二维直角坐标系的基础上，添加一个维度，生成三维坐标系下的目标区域传感器坐标图，基于目标区域传感器坐标图和每个传感器坐标中记录的有害气体感知数据，在添加的维度下，按照绘制等高线的方式，绘制出有害气体地形图。
本发明的基于多传感器协同的有害气体检测系统及方法，其通过传感器组整体获取目标区域的各个位置的有害气体数据，通过绘制有害气体数据在目标区域的有害气体地形图来进行整体的图像分析，以判断是否需要进行预警，同时使用分写纵截面来找到有害气体的源头，具有效率高和准确率高的优点。主要通过以下过程实现：1.目标区域传感器坐标图的建立：本发明通过建立目标区域的传感器坐标图，以实现对目标区域有害气体检测模型的建立，该目标区域传感器坐标图可以完全表征和模拟通过传感器组来检测目标区域有害气体的情况，通过该种方式，在后续进行分析和检测时，更能从整体出发，提升效率；2.有害气体地形图的绘制：与现有技术不同，本发明通过构建目标区域的有害气体地形图，引入地理中的等高线的概率，因为每个不同时刻检测到的有害气体的数值都是不同的，所以可以生成不同的等高线，基于该等高线的分布规律来识别和判定有害气体产生的源头，准确率高且效率高；3.判别算法：本发明通过使用预设的模型计算纵截面的边缘轮廓曲线中的每个位置的不规则度，若计算出的边缘轮廓曲线中的某个位置的不规则度超过设定的阈值，则将该位置作为有害气体产生的源头，该过程计算复杂度较低，但相较于现有技术需要不断的使用人工进行检测和溯源，该方法可以显著降低人为操作对人体造成的损害。
附图说明
图1为本发明实施例提供的物联网的基于多传感器协同的有害气体检测系统的系统结构示意图；
图2为本发明实施例提供的基于多传感器协同的有害气体检测方法的方法流程示意图；
图3为本发明实施例提供的基于多传感器协同的有害气体检测系统及方法的传感组在目标区域内的分布示意图。
具体实施方式
下面结合附图及本发明的实施例对本发明的方法作进一步详细的说明。
实施例1
如图1所示，基于多传感器协同的有害气体检测系统，其特征在于，所述系统包括：
传感器组，所述传感器组包括多个传感器，配置用于对目标区域内的有害气体进行感知，实时获取有害气体感知数据；所述传感器组内的传感器随机分布于目标区域内，且须满足：在目标区域内的任意位置，以该位置为圆心，按照设定的阈值为半径，划定的圆形区域内，传感器的数量超过设定的阈值；
目标区域地图绘制单元，配置用于建立目标区域的平面坐标图，同时基于每个传感器在目标区域中的位置，在平面坐标图中绘制对应的传感器的坐标点，绘制出目标区域传感器坐标图；
数据记录单元，配置用于将传感器组在同一时刻获取的有害气体感知数据，基于目标区域传感器坐标图，记录到每个传感器对应的坐标下；
有害气体地形图绘制单元，配置用于基于目标区域传感器坐标图和每个传感器坐标中记录的有害气体感知数据，按照绘制等高线的方式，绘制出有害气体地形图；
图像分析单元，配置用于基于有害气体地形图，使用预设的预警分析模型，进行图像分析，以判断是否需要进行预警，同时，使用预设的定位分析模型，以识别出有害气体产生的源头。
采用上述技术方案，本发明通过传感器组整体获取目标区域的各个位置的有害气体数据，通过绘制有害气体数据在目标区域的有害气体地形图来进行整体的图像分析，以判断是否需要进行预警，同时使用分写纵截面来找到有害气体的源头，具有效率高和准确率高的优点。主要通过以下过程实现：1.目标区域传感器坐标图的建立：本发明通过建立目标区域的传感器坐标图，以实现对目标区域有害气体检测模型的建立，该目标区域传感器坐标图可以完全表征和模拟通过传感器组来检测目标区域有害气体的情况，通过该种方式，在后续进行分析和检测时，更能从整体出发，提升效率；2.有害气体地形图的绘制：与现有技术不同，本发明通过构建目标区域的有害气体地形图，引入地理中的等高线的概率，因为每个不同时刻检测到的有害气体的数值都是不同的，所以可以生成不同的等高线，基于该等高线的分布规律来识别和判定有害气体产生的源头，准确率高且效率高；3.判别算法：本发明通过使用预设的模型计算纵截面的边缘轮廓曲线中的每个位置的不规则度，若计算出的边缘轮廓曲线中的某个位置的不规则度超过设定的阈值，则将该位置作为有害气体产生的源头，该过程计算复杂度较低，但相较于现有技术需要不断的使用人工进行检测和溯源，该方法可以显著降低人为操作对人体造成的损害。
实施例2
在上一实施例的基础上，所述目标区域地图绘制单元绘制出目标区域传感器坐标图的方法包括：生成一个二维直角坐标系，将目标区域等比例缩小或放大，置于二维直角坐标系中；然后基于目标区域内的传感器在目标区域内的位置，标注在目标区域的二维直角坐标系中的对应位置，绘制出目标区域传感器坐标图。
具体的，
实施例3
在上一实施例的基础上，所述有害气体地形图绘制单元，绘制出有害气体地形图的方法包括：在目标区域传感器坐标图的二维直角坐标系的基础上，添加一个维度，生成三维坐标系下的目标区域传感器坐标图，基于目标区域传感器坐标图和每个传感器坐标中记录的有害气体感知数据，在添加的维度下，按照绘制等高线的方式，绘制出有害气体地形图。
实施例4
在上一实施例的基础上，所述图像分析单元包括：预警分析单元和定位分析单元；所述预警分析单元，配置用于基于有害气体地形图，使用预设的预警分析模型，进行图像分析，以判断是否需要进行预警；所述定位分析单元，使用预设的定位分析模型，以识别出有害气体产生的源头；所述预警分析单元，进行图像分析的方法包括：对有害气体地形图进行扫描，获取地形图扫描图像，并为所述地形图扫描图像对应的不同高度的等高线分配不同的颜色信息，所述颜色信息用于表示所述不同高度的等高线的类型，所述等高线类型包括危险类型或安全类型；根据所述颜色信息从所述扫描图像中确定目标候选区域，并在所述目标候选区域内进行特征提取，获得提取的图像特征；利用提取的所述图像特征、基于目标检测模型进行目标检测，获得候选目标；利用提取的所述图像特征、基于目标分类模型对所述候选目标进行识别，获得图像识别结果。
具体的，用图像分析一般利用数学模型并结合图像处理的技术来分析底层特征和上层结构，从而提取具有一定智能性的信息。
模式识别和人工智能方法对物景进行分析、描述、分类和解释的技术，又称景物分析或图像理解。20世纪60年代以来，在图像分析方面已有许多研究成果，从针对具体问题和应用的图像分析技术逐渐向建立一般理论的方向发展。图像分析同图像处理、计算机图形学等研究内容密切相关，而且相互交叉重叠。但图像处理主要研究图像传输、存储、增强和复原；计算机图形学主要研究点、线、面和体的表示方法以及视觉信息的显示方法；图像分析则着重于构造图像的描述方法，更多地是用符号表示各种图像,而不是对图像本身进行运算,并利用各种有关知识进行推理。图像分析与关于人的视觉的研究也有密切关系，对人的视觉机制中的某些可辨认模块的研究可促进计算机视觉能力的提高。
实施例5
在上一实施例的基础上，当为所述地形图扫描图像对应的不同高度的等高线分配不同的颜色信息时，使用如下公式计算等高线的分类值：
具体的，本发明将地理中的等高线应用在有害气体检测中，等高线可以展示有害气体在不同区域的分布规律，进而识别判定有害气体产生的源头。
等高线指的是地形图上高程相等的相邻各点所连成的闭合曲线。把地面上海拔高度相同的点连成的闭合曲线，并垂直投影到一个水平面上，并按比例缩绘在图纸上，就得到等高线。等高线也可以看作是不同海拔高度的水平面与实际地面的交线，所以等高线是闭合曲线。在等高线上标注的数字为该等高线的海拔。
不同的是，在本发明中，标注的数字不是海拔高度而是，每个传感器感知到的有害气体的数值。
实施例6
在上一实施例的基础上，所述定位分析单元识别出有害气体产生的源头的方法包括：基于有害气体地形图进行，使用预设的模型进行图像纵截面扫描分析，具体包括：找到有害气体地形图中的最高点，以在改点位置，获取有害气体地形图的纵截面，对该纵截面的边缘轮廓曲线使用预设的模型进行图像分析；所述图像分析的过程包括：使用预设的模型计算纵截面的边缘轮廓曲线中的每个位置的不规则度，若计算出的边缘轮廓曲线中的某个位置的不规则度超过设定的阈值，则将该位置作为有害气体产生的源头。
具体的，图像识别是人工智能的一个重要领域。为了编制模拟人类图像识别活动的计算机程序，人们提出了不同的图像识别模型。例如模板匹配模型。这种模型认为，识别某个图像，必须在过去的经验中有这个图像的记忆模式，又叫模板。当前的刺激如果能与大脑中的模板相匹配，这个图像也就被识别了。例如有一个字母a,如果在脑中有个a模板,字母a的大小、方位、形状都与这个a模板完全一致,字母a就被识别了。这个模型简单明了，也容易得到实际应用。但这种模型强调图像必须与脑中的模板完全符合才能加以识别，而事实上人不仅能识别与脑中的模板完全一致的图像，也能识别与模板不完全一致的图像。例如,人们不仅能识别某一个具体的字母a,也能识别印刷体的、手写体的、方向不正、大小不同的各种字母a。同时,人能识别的图像是大量的，如果所识别的每一个图像在脑中都有一个相应的模板，也是不可能的。
实施例7
在上一实施例的基础上，所述预设的模型使用如下公式表示：
实施例8
一种基于多传感器协同的有害气体检测方法，所述方法执行以下步骤：
步骤1：多个传感器:对目标区域内的有害气体进行感知，实时获取有害气体感知数据；所述传感器组内的传感器随机分布于目标区域内，且须满足：在目标区域内的任意位置，以该位置为圆心，按照设定的阈值为半径，划定的圆形区域内，传感器的数量超过设定的阈值；步骤2：建立目标区域的平面坐标图，同时基于每个传感器在目标区域中的位置，在平面坐标图中绘制对应的传感器的坐标点，绘制出目标区域传感器坐标图；步骤3：将传感器组在同一时刻获取的有害气体感知数据，基于目标区域传感器坐标图，记录到每个传感器对应的坐标下；步骤4：基于目标区域传感器坐标图和每个传感器坐标中记录的有害气体感知数据，按照绘制等高线的方式，绘制出有害气体地形图；步骤5：基于有害气体地形图，使用预设的预警分析模型，进行图像分析，以判断是否需要进行预警，同时，使用预设的定位分析模型，以识别出有害气体产生的源头。
具体的，气体传感器是化学传感器的一大门类。从工作原理、特性分析到测量技术，从所用材料到制造工艺，从检测对象到应用领域，都可以构成独立的分类标准，衍生出一个个纷繁庞杂的分类体系，尤其在分类标准的问题上还没有统一，要对其进行严格的系统分类难度颇大。接下来了解一下气体传感器的主要特性：
1、稳定性
稳定性是指传感器在整个工作时间内基本响应的稳定性，取决于零点漂移和区间漂移。零点漂移是指在没有目标气体时，整个工作时间内传感器输出响应的变化。区间漂移是指传感器连续置于目标气体中的输出响应变化，表现为传感器输出信号在工作时间内的降低。理想情况下，一个传感器在连续工作条件下，每年零点漂移小于10％。
2、灵敏度
灵敏度是指传感器输出变化量与被测输入变化量之比，主要依赖于传感器结构所使用的技术。大多数气体传感器的设计原理都采用生物化学、电化学、物理和光学。首先要考虑的是选择一种敏感技术，它对目标气体的阀限制(tlv-thresh-oldlimitvalue)或最低爆炸限(lel-lowerexplosivelimit)的百分比的检测要有足够的灵敏性。
3、选择性
选择性也被称为交叉灵敏度。可以通过测量由某一种浓度的干扰气体所产生的传感器响应来确定。这个响应等价于一定浓度的目标气体所产生的传感器响应。这种特性在追踪多种气体的应用中是非常重要的，因为交叉灵敏度会降低测量的重复性和可靠性，理想传感器应具有高灵敏度和高选择性。
4、抗腐蚀性
抗腐蚀性是指传感器暴露于高体积分数目标气体中的能力。在气体大量泄漏时，探头应能够承受期望气体体积分数10～20倍。在返回正常工作条件下，传感器漂移和零点校正值应尽可能小。
气体传感器的基本特征，即灵敏度、选择性以及稳定性等，主要通过材料的选择来确定。选择适当的材料和开发新材料，使气体传感器的敏感特性达到最优。
实施例9
在上一实施例的基础上，所述目标区域地图绘制单元绘制出目标区域传感器坐标图的方法包括：生成一个二维直角坐标系，将目标区域等比例缩小或放大，置于二维直角坐标系中；然后基于目标区域内的传感器在目标区域内的位置，标注在目标区域的二维直角坐标系中的对应位置，绘制出目标区域传感器坐标图。
实施例10
在上一实施例的基础上，所述有害气体地形图绘制单元，绘制出有害气体地形图的方法包括：在目标区域传感器坐标图的二维直角坐标系的基础上，添加一个维度，生成三维坐标系下的目标区域传感器坐标图，基于目标区域传感器坐标图和每个传感器坐标中记录的有害气体感知数据，在添加的维度下，按照绘制等高线的方式，绘制出有害气体地形图。
所属技术领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统的具体工作过程及有关说明，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
需要说明的是，上述实施例提供的系统，仅以上述各功能单元的划分进行举例说明，在实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元来完成，即将本发明实施例中的单元或者步骤再分解或者组合，例如，上述实施例的单元可以合并为一个单元，也可以进一步拆分成多个子单元，以完成以上描述的全部或者单元功能。对于本发明实施例中涉及的单元、步骤的名称，仅仅是为了区分各个单元或者步骤，不视为对本发明的不当限定。
所属技术领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的存储装置、处理装置的具体工作过程及有关说明，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
本领域技术人员应能够意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元、方法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，软件单元、方法步骤对应的程序可以置于随机存储器(ram)、内存、只读存储器(rom)、电可编程rom、电可擦除可编程rom、寄存器、硬盘、可移动磁盘、cd-rom、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。为了清楚地说明电子硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以电子硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。本领域技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
术语“第一”、“另一部分”等是配置用于区别类似的对象，而不是配置用于描述或表示特定的顺序或先后次序。
术语“包括”或者任何其它类似用语旨在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者单元/装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者还包括这些过程、方法、物品或者单元/装置所固有的要素。
至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术标记作出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非配置用于限定本发明的保护范围。
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