专利名称：油罐区火源定位系统及火源定位方法
技术领域：
本发明属于火源定位技术领域，特别是一种能够快速、准确、安全地定位油罐区火源的油罐区火源定位系统以及油罐区火源定位方法。
背景技术：
目前，火源定位主要集中在煤炭行业的自燃火源探测定位。煤炭自燃火源探测定位的方法主要有:离散正则化法、红外探测法等。田禹等将煤矿井下隐蔽火源位置确定问题归纳为热传导方程的寻源反问题，把在火源周围实测的温度场分布作为附加条件，利用离散正则化方法求解热传导方程，从理论上研究了煤巷近距离火源位置确定问题。王振平等根据红外探测能量场分布，建立煤巷煤层自燃高温点的热传导方程，提出了煤巷近距离煤层自燃高温点的反演算法，确定自燃火源的深度、范围和温度。然而，以上方法并不适用于油罐区的火源定位。离散正则化方法对隐蔽火源进行反演，把二维温度场简化为一维温度场，从实际应用效果来看较好，但是该方法是在已知热传导方程解析解的基础上进行的，这限制了它的应用范围。煤巷空间结构较为固定，热传导受到的影响因素较少，而油罐区多位于开阔的露天环境下，热传导受到的干扰因素多而且不可控，从热传导方程的角度对油罐区火源热传导进行理论分析较为复杂。红外探测法近距离测量效果较好。中国发明专利“煤巷煤炭自燃火源点位置的红外探测方法”(申请号:99120455.7，
公开日:2001.7.4)通过(I)在确定探测的煤巷开掘后对整个煤巷进行测点布置和红外探测，(2)找出煤巷隐蔽火源温度异常区段，(3)对热传导方程式进行反演解算确定隐蔽火源点位置。但是油罐区的范围往往较大，过远的探测距离会影响探测精度和准确度。在红外探测法中，为了定位准确，往往需要在探测过程中人为增加探测点，这既耗时也不安全；此外，实际观测的是巷道壁面的红外辐射强度，而在油罐区中并没有类似的特征物理量可供选择。因此，现有技术存在的问题是:尚没有适合油罐区火源定位的快速、准确、安全的火源定位系统及火源定位方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种油罐区火源定位系统，其能快速、准确地实现油罐区的火源定位。本发明的另一目的在于提供一种快速、准确的油罐区火源定位方法。实现本发明目的的技术解决方案为:一种油罐区火源定位系统，其包括无线传感器网络、计算单元和显示器，无线传感器网络与计算单元通过无线信号连接，计算单元与显示器信号连接，所述无线传感器网络用于实时采集油罐区火源定位信息，并通过无线传输给计算单元，所述计算单元用于建立油罐区网络模型、建立火蔓延过程模型、从无线传感器网络获取油罐区火源定位信息、反演定位火源位置以及向显示器输出火源位置信息，所述显示器用于显示输出火源位置信息。实现本发明另一目的的技术解决方案为:一种油罐区火源定位方法，其包括:建立油罐区网络模型，建立火蔓延过程模型，获取油罐区火源定位信息，反演定位火源位置，输出火源位置等步骤。本发明与现有技术相比，其显著优点:1、准确:针对油罐区环境复杂和不可控因素多等特点建立的模型可适用于大多数实际情况；2、快速:发生火情后的火源定位过程由计算单元完成，无需人员介入，定位周期较短；3、通过一部分观测信息就可以进行火源定位，增加了系统的鲁棒性；4、利用无线传感器网络对油罐区进行监测，对环境的适应性强，可以根据实际情况灵活的部署；5、安全:在油罐区火源定位系统和方法中，减少了人员的工作量，同时保障了人员的安全。下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
图1为本发明油罐区火源定位系统结构框图。图2为本发明油罐区火源定位方法主流程图。图3为图2中建立油罐区网络模型流程图。图4为图2中建立火蔓延过程模型流程图。图5为图2中获取油罐区火源定位信息流程图。图6为图2中反演定位火源位置流程图。图7为油罐区网络拓扑结构示意图。图8为油罐区火源位置示意图。图9为某时刻油罐区火蔓延情况示意图。图10为选取观测点情况示意图。图11为火源定位结果图示意图。图中，I无线传感器网络，2计算单元，3显示器。
具体实施例方式如图1所示，本发明油罐区火源定位系统，其包括无线传感器网络1、计算单元2和显示器3，所述无线传感器网络I与计算单元2通过无线信号连接，所述计算单元2与显示器3信号连接；所述无线传感器网络I用于实时采集油罐区火源定位信息，并通过无线传输给计算单元2;所述计算单元2用于建立油罐区网络模型、建立火蔓延过程模型、从无线传感器网络I获取油罐区火源定位信息、反演定位火源位置以及向显示器3输出火源位置信息；
所述显示器3用于显示输出火源位置信息。所述无线传感器网络I包括至少2个无线传感器。计算单元2可以是任何现有的计算设备，如个人电脑等。无线传感器网络布置在油罐区域。利用无线传感器网络对油罐区进行监测，对环境的适应性强，可以根据实际情况灵活的部署。图2为本发明油罐区火源定位方法主流程图。如图所示，本发明油罐区火源定位方法包括如下步骤:10)建立油罐区网络模型。在模型中，每个油罐被模型化为一个网络节点。在任意时刻，节点的状态只能为以下两者之一:①着火，②尚未着火。连接两个节点的边代表这两个油罐之间火蔓延的路径，边自身没有方向。例如，边ab表示节点a和节点b之间火蔓延的路径，火可以沿边ab从节点a向节点b蔓延，反之亦然。基于以上过程，将油罐区模型化为一个有限的无向图G= {V，E}。其中，V表示图中网络节点的集合，E表示图中边的集合。具体步骤如图3所示,为:11)将油罐模型化为网络节点，集合为V ；12)将火蔓延路径模型化为边，集合为E ；13)建立有限无向图，G= {V，E};14)输出油罐区网络模型。在实际应用中，因为油罐区信息是可测的，所以无向G的所有节点和边的拓扑关系也是已知的。20 )建立火蔓延过程模型。首先将已建立的油罐区的网络模型中所有节点状态设为尚未着火。假设检测到某个节点u发生火情时,记录下当前时刻t,并且根据传感器对所有连接u的边的监测情况，判断出火是从哪个方向(节点)蔓延到U的，记为方向为d，并将节点U的状态置为着火。将节点号、记录的时间信息t和方向信息d传送给计算单元后，继续对油罐区及其环境进行监测。该火蔓延模型可用于实际中可能遇到的大多数情况。具体步骤如图4所示，为:21)初始化节点状态；22)判断是否检测到新的火情，如果是，则进行下一步，否，则继续检测；23)记录当前时间；记录火的来源方向；24)将该节点状态置为“着火”；25)输出着火节点信息，进行下一轮火情检测。30)获取油罐区火源定位信息。在火情发生后的某一时刻，令此刻所有状态为着火的节点构成的集合为T，设T中元素的个数为M。由于火源节点的状态为着火，所以它一定也属于集合T。在集合T中随机选取一定比例的节点为观测节点，观测节点构成的集合称为集合O，观测节点的个数为Ka(通常取Ka/M=20 40%即可)。这些观测节点在图G中的位置是已知的。每个观测节点可以采集的信息包括火蔓延到该节点的时间以及火是从哪个节点蔓延过来的。例如，tv，。表示火从观测节点O的邻居节点V蔓延过来的时间。显然，观测信息包含了方向信息和时间信
肩、O具体步骤如图5所示，为:31)获取所有着火点，集合为T ；32)在集合T中选择观测节点，集合为O ;33)获取火蔓延到观测节点的时间和来向；34)输出信息。40)反演定位火源位置。本发明采用最大概率定位准则，即找到一个估计节点外)，其为火源节点的概率 □/)(. (.) = /)最大。因为在图G中，火源节点的位置被视为是随机的，所以最大概率
(Maximum Likelihood)估计即为最优估计。在火蔓延过程中，观测节点可以提供两类信息:(a)火蔓延到来的方向，集合T中的节点可以通过这个关系构成一个树型拓扑图；(b)火蔓延到达观测节点的时间，记为到
达时间tk。例如，t3表示在t3时刻,观测节点3被火蔓延到。到达时间的集合用来表
/Jn ο假设所有传输中的延时符合高斯分布(Gaussian ΙΙ )Ν(μ, σ2)，其中，平均值μ和方差6 2是已知的。基于以上定义和假设，我们可以有如下结果:通过选取观测节点，依据它们所监测得到的信息，代入公式计算可以得到一个估计的火源节点位置左。具体步骤如图6所示，为:41)输入选取的观测信息；42)利用下述公式计算火源位置:
权利要求
1.一种油罐区火源定位系统，其特征在于:包括无线传感器网络(I)、计算单元(2)和显示器(3)，所述无线传感器网络(I)与计算单元(2)通过无线信号连接，所述计算单元(2)与显示器(3)信号连接； 所述无线传感器网络(I)用于实时采集油罐区火源定位信息，并通过无线传输给计算单元(2)； 所述计算单元(2)用于建立油罐区网络模型、建立火蔓延过程模型、从无线传感器网络(I)获取油罐区火源定位信息、反演定位火源位置以及向显示器(3)输出火源位置信息； 所述显示器(3)用于显示输出火源位置信息。
2.根据权利要求1所述的油罐区火源定位系统，其特征在于:所述无线传感器网络(I)包括至少2个无线传感器。
3.一种油罐区火源定位方法，其包括如下步骤: 10)建立油罐区网络模型； 20)建立火蔓延过程模型； 30)获取油罐区火源定位信息； 40)反演定位火源位置； 50)输出火源位置。
4.根据权利要求3所述的油罐 区火源定位方法，其特征在于:所述建立油罐区网络模型(10)步骤包括: 11)将油罐模型化为网络节点，集合为V; 12)将火蔓延路径模型化为边，集合为E； 13)建立有限无向图，G={V，E}； 14)输出油罐区网络模型。
5.根据权利要求3所述的油罐区火源定位方法，其特征在于:所述建立火蔓延过程模型(20)步骤包括: 21)初始化节点状态； 22)判断是否检测到新的火情，如果是，则进行下一步，否，则继续检测； 23)记录当前时间；记录火的来源方向； 24)将该节点状态置为“着火”； 25)输出着火节点信息，进行下一轮火情检测。
6.根据权利要求3所述的油罐区火源定位方法，其特征在于:所述获取油罐区火源定位信息(30)步骤包括: 31)获取所有着火点，集合为T； 32)在集合T中选择观测节点，集合为O; 33)获取火蔓延到观测节点的时间和来向； 34)输出信息。
7.根据权利要求3所述的油罐区火源定位方法，其特征在于:所述反演定位火源位置(40)步骤包括: 41)输入选取的观测信息； 42)利用下述公式计算火源位置:
全文摘要
本发明公开一种油罐区火源定位系统以及油罐区火源定位方法，油罐区火源定位系统，包括无线传感器网络、计算单元和显示器，无线传感器网络与计算单元通过无线信号连接，计算单元与显示器信号连接；油罐区火源定位方法包括如下步骤建立油罐区网络模型、建立火蔓延过程模型、获取油罐区火源定位信息、反演定位火源位置及输出火源位置。采用本发明的系统及方法，能够快速、准确地定位油罐区火源。
文档编号H04W4/02GK103200519SQ201310059038
公开日2013年7月10日 申请日期2013年2月26日 优先权日2013年2月26日
发明者张捷, 吕明, 薄煜明, 赵高鹏, 孙梦玫, 王熙康, 倪渊之, 郭鹏飞, 缪小龙, 王进成, 顾俊凯, 刘美成, 左建, 余丽明, 王志彬, 许晋河 申请人:南京理工大学