一种地下综合管廊中用于泄漏管线辨识的机器嗅觉系统及方法与流程

本发明涉及智能检测领域，具体为一种地下综合管廊中用于泄漏管线辨识的机器嗅觉系统及方法。

背景技术：

1、地下综合管廊中泄漏管线辨识技术是针对地下综合管廊承载的多条输送不同物质的管线发生泄露的情况，通过辨识泄露到综合管廊密闭环境中的自由扩散、挥发的气体及痕量固体成分或浓度等综合信息，反向推导泄露源信息并实现对泄漏管线的快速区分，引导针对泄漏管线应急操作的方法与技术。

2、本发明所涉及的地下综合管廊中泄漏管线辨识技术是利用一种具有智能分析能力的机器嗅觉设备，在预知地下综合管廊中全部管线输运物质成分的先验条件下，利用传感器阵列模块和智能分析控制算法实现对综合管廊密闭环境中气体成分的快速辨识。

3、近年随着智慧城市的发展，地下综合管廊作为智慧城市建设中重要的组成部分其建设和发展已达到了空前的规模，作为城市供水、热力、燃气、雨污、工业的主要通道，成为城市运行的主动脉而服务城市人民生活和工业生产。

4、然而，地下综合管廊运营管理和安全监管带来了新的问题：(1)传统的泄露检测针对地下综合管廊中的全部管线，针对性不强，导致管线泄露检测灵敏度低、检测等待时间过长；(2)地下综合管廊内一旦监测到管线泄露问题，为了保证检修安全，特殊情况下就不得不关停管廊内多条运营管线，直接导致地下管廊所服务的城区正常运行停止，严重影响地下综合管廊服务范围内的居民生活和工业生产。

5、地下综合管廊中泄漏管线辨识技术，不仅可以实现对管廊环境气氛中自由扩散、挥发的气体、液体及痕量固体的快速、高精度检测，而且能够辨识出泄露管线，并能够预估管线泄露源的发生发展情况，该发明具体应用在地下综合管廊应急检修及预案评估等工作中，在分析地下综合管廊各种管线输送物质种类的基础上，根据输送物质种类特征，依据仿生学原理构建机器嗅觉系统，利用对不同物质具有差异敏感性的传感器阵列和模式识别系统，实现对地下综合管廊中泄露管线的精准辨识和对管线泄露的趋势预判。

6、本发明为传统的检修方式提出了一种改进方案，解决了传统地下综合管廊应急检修工作时必须关停正在营运的多条管线，导致地下综合管廊服务范围内的居民生活和工业生产大范围受影响的问题。

技术实现思路

1、本发明公开了一种地下综合管廊中泄漏管线辨识的机器嗅觉系统，包括：传输模块、传感器阵列模块、智能分析控制模块。

2、本发明利用传输模块中的微型气泵主动采集地下综合管廊中的环境气氛，并将其泵送至传感器阵列模块实现对管廊环境气氛中自由扩散、挥发的气体、液体及痕量固体信息的采集，得到管廊环境气氛的指纹图谱。

3、更进一步，利用智能分析控制模块完成对传感器阵列采集信号的预处理以消除传感器信号噪声与漂移、提取信号特征，实现管廊环境气氛信息的分类分析，以此推断综合管廊中泄露管线的辨识。

4、更进一步，在完成管廊环境气氛指纹图谱采集、分析之后，传输模块切换流通管道，利用过滤器对管廊环境气氛进行过滤清洗获得清洁空气，并用清洁空气吹扫传感器阵列模块以去除吸附的特征气体、液体及痕量固体完成对传感器阵列模块的清洗；实现传感器阵列模块的信号重复采集。

5、更进一步，利用传感器阵列模块实现对管廊环境气氛指纹图谱的多次采集与分析，可以实现地下综合管廊中泄露管线破坏趋势的预判。

6、本发明所述传输模块包含直流气泵、电磁阀、过滤器和流通管道，直流气泵选用中流量微型真空泵实现对环境气氛的泵送，电磁阀选用一进两出微型电磁阀实现传输管道的切换，过滤器采用微型气体过滤器可实现对环境气氛的过滤清洗以去除管廊环境气氛中自由扩散、挥发的气体、液体及痕量固体等，医用聚氯乙烯(pvc)塑料管作为流通管道连接直流气泵、电磁阀、过滤器，利用直流气泵和电磁阀，将被过滤及原始的环境气氛依次输送至传感器阵列模块，完成对传感器阵列模块的清洗和对环境气氛特征信息的提取，实现机器嗅觉系统的多次重复应用。

7、本发明所述传感器阵列模块是针对地下综合管廊中城市供水、热力、燃气、雨污、工业等行业输运的可燃气体、液体、固体物料等管线泄露、扩散、挥发的气体、液体及痕量固体敏感的多通道传感器阵列，其主要包含co、co2、h2s、甲烷、粉状固体等成分。

8、更进一步，多通道传感器阵列模块采用金属氧化物型传感器模块进行组装，实现对管廊环境气氛的交叉敏感反应，传感器阵列模块的制备具体包含2个步骤，传感器的选配和传感器阵列的组装，传感器选配环节中需要预知地下综合管廊中气氛的先验条件，通过传感器阵列选配数据库进行筛选得到传感器配型，并将筛选得到的传感器进行模块化组装，形成针对性的传感器阵列。

9、更进一步，传感器模块拼接结构设计上，传感器焊接在具有相同外形结构尺寸的pcb电路板上，焊接有传感器的pcb电路板封装在pvc盒中，pvc盒设有气体通道和紧固件并以插接方式进行组装，多个pvc盒组装成传感器阵列模块后能够形成贯通的气体通道，在传感器模块拼接电路设计上，电路板设计有排线，通过直插方式将每个传感器与信号智能采集处理模块电路进行连接，实现对传感器信号的模块化采集。

10、更进一步，特定地下综合管廊环境下的传感器阵列通道数量与管廊中输运管线的数量相关，针对n条输运管线的环境设置2n个通道的传感器阵列组合，分别针对每条输运管线中输运物质的最多成分所对应的2种金属氧化物半导体型传感器，传感器阵列选配数据库是采用穷举法，针对城市供水、热力、燃气、雨污、工业等入廊管线的输运物质中的主要成分(如co、co2、h2s、甲烷、粉状固体等)，选择2种金属氧化物半导体型传感器，并标定在不同梯度浓度下的传感器反应信号值，形成传感器阵列选配数据库；同时，针对特定地下综合管廊环境，在预知每种入廊管线输运物质最多的1种扩散、挥发的气体、液体及痕量固体成分的先验信息基础上，针对每种成分选择2种金属氧化物半导体型传感器进行组装，形成在该种地下综合管廊环境下的传感器阵列，并以数据库中的不同梯度浓度下的传感器信号反应值为基础，形成在该特定地下综合管廊环境的传感器阵列模块基础数据。

11、本发明所述智能分析控制模块包含主控制模块、信号智能采集处理模块、通信模块、电源模块，各个模块从功能上相互独立，其中主控制模块主要负责整个系统的管理；信号智能采集处理模块负责传感器阵列模块的信号采集、预处理、模式分类及回归分析，并利用通信模块将传感器阵列模块数据、分析数据上传至控制器主机的上位机监控软件进行展示与预警；电源模块用于向各个模块供电。

12、更进一步，智能分析控制模块包括放大电路、滤波电路、ad转换电路和中央处理单元，气体传感器的信号输出端与放大电路的输入端连接，放大电路的信号输出端通过滤波电路连接ad转换电路的信号输入端，ad转换电路的信号输出端连接中央处理单元的信号输入端，中央处理单元的通信端与主控制模块的通信端连接，主控制模块控制通信模块将采集数据通过通信模块传输到控制器主机的上位机监控软件，实现各种技术参数的显示、智能分类与回归分析、远程控制功能，如传感器的标定、标零操作，此外，电源模块用于向各个模块供电，其设计有稳压电路，提高系统的电源的适应性，克服仪器由于现场电压波动而无法正常工作的缺点。

13、更进一步，智能分类与回归分析算法子模块，被应用于上位机监控软件中，包含信号预处理模块、模式分类算法模块、模式回归算法模块，能够实现对传感器阵列采集的数字信号的预处理及指纹图谱信息的分类与回归分析，得出泄露管线的辨识与泄漏源破损发展趋势预判，其中信号预处理模块用于消除传感器信号噪声与漂移、提取信号特征，分类分析是利用机器学习分类算法实现对传感器阵列信号的模式分类分析实现泄露管线的区分，回归分析是利用机器学习回归算法实现对传感器阵列信号的模式回归分析实现泄露源破损发展趋势的判断。

14、更进一步，传感器信号的去噪与特征提取方法，对于传感器阵列中每个通道的采集信号，采用滑动平均滤波算法对信号进行滤波后，针对分类和回归分别提取特征信息，在利用机器学习分类算法对传感器阵列信号模式分类分析以实现泄露管线的区分中，传感器经清洗和信号采集阶段后的信号变化强度绝对值作为模式分类分析的特征值；在利用机器学习回归算法对传感器阵列信号模式回归分析以实现泄露源破损发展趋势的判断中，传感器在信号采集阶段时信号的峰值因子、脉冲因子、裕度因子、峭度因子、波形因子和偏度作为模式回归分析的特征值。

15、更进一步，地下综合管廊中用于泄漏管线辨识的机器嗅觉系统及方法属于有监督学习，在已有的不同梯度浓度下的传感器信号反应标定值的基础上，针对该综合管廊特定环境气氛形成机器嗅觉模式识别系统的训练数据集，由于不同的地下综合管廊环境在正常运维阶段具有差异性，需要针对不同的管廊环境开发相应的机器嗅觉系统，即针对每个应用场景进行针对性的模式识别算法模型的训练求解，具体操作上，针对含有n条输运管线的2n个通道的传感器阵列组合，利用每种传感器在不同浓度样品条件下的原始数据组合成为训练数据集，通过信号去噪与特征提取后进行模式识别算法的训练，得到在该场景应用下的模式识别分类算法模型。

16、更进一步，在对传感器阵列信号模式分类分析以实现泄露管线的区分和对传感器阵列信号模式回归分析以实现泄露源破损发展趋势的判断中，随机森林算法、神经网络算法被应用，基于以上分析方法，可以定期对地下管廊内的气体环境进行智能分类与回归分析，利用对传感器阵列信号模式分类分析以实现泄露管线的区分分析，可以快速对管线泄露进行检测并实现对泄露管线的区分，再利用对传感器阵列信号模式回归分析以实现泄露源破损发展趋势的判断，同时，在上位机控制软件中通过实时分析机器嗅觉系统信号，利用阈值校验、趋势分析等方法，可以提供监测预警、指挥调度等的信息服务，指导地下综合管廊检修，以及应急场景下的预案评价及应用。

17、与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

18、1.一种地下综合管廊中用于泄漏管线辨识的机器嗅觉系统及方法，不仅可以实现对地下综合管廊环境气氛中自由扩散、挥发的气体、液体及痕量固体的快速、高精度检测，而且能够辨识出泄露管线，并能够预估管线泄露源的发生发展情况；同时，在应急检修工作中，泄漏管线辨识技术能够引导受损管线的定向处置，解决传统检修中必须关停地下综合管廊中全部营运管线，导致地下综合管廊服务范围内的居民生活和工业生产大范围受影响的问题。

19、2.一种地下综合管廊中用于泄漏管线辨识的机器嗅觉系统及方法，对地下综合管廊中泄漏管线响应速度快，辨识性能高，可提供管线泄露发展预测，其应用可有效指导地下综合管廊应急决策。