一种根据温度变化自动预警的浅层地温能冷堆积监测系统的制作方法

1.本发明涉及监视技术领域，且更确切地涉及一种根据温度变化自动预警的浅层地温能冷堆积监测系统。


背景技术：

2.浅层地温能(资源)是指地表以下0～200m深度范围内的地温场与地表以上1.5m处不被阳光直接照射情况下(百叶箱内温度)气温场的温度差之间所具有的势能，浅层地温能资源应用是在两个温度场之间通过一定的通道实现两个系统间的能量交换而实现创造第三个人类适宜系统。在当前经济技术条件下已经有效地利用这一势能为人类服务，因而称其为浅层地温能资源。由于这一温度差导致了能量的自然流动，利用这个特性创造一定空间内适宜人类生产生活的温度就可以达到节省能源的目标。
3.在应用浅层地温能时，温能冷堆积问题是用户面临的直接问题，该问题容易造成局部浅层地过高，而另外浅层地温度可能温度低，造成温度不均匀，如何根据温度变化实现自动预警，如何实现浅层地温能冷堆积监测就成为亟待解决的技术问题。


技术实现要素：

4.针对上述技术的不足，本发明公开一种根据温度变化自动预警的浅层地温能冷堆积监测系统，能够根据地表温度的变化实现浅层地温能冷堆积监测，大大了浅层地温能利用效率。
5.为了实现上述技术效果，本发明采用以下技术方案：一种根据温度变化自动预警的浅层地温能冷堆积监测系统，包括：温度检测系统；用于提取浅层地温数据信息，以实时获取浅层地温信息特征； 所述温度检测系统具有定位系统，使所提取的数据信息具有位置显示；温度分析系统；根据浅层地温数据信息衡量是否存在浅层地温能冷堆积问题，传输温度分析系统输出的数据信息；预警装置；根据温度分析系统分析的数据结果对数据信息进行预警，当温度高于设置的预定值时，提示用户；大屏幕显示装置；用于显示温度分析系统分析出的数据信息并实时进行信息滚动，以实时提醒浅层地温能冷堆积信息；控制中心；用于控制浅层地温能冷堆积信息，接收并发送不同模块信息控制指令；钻探模块，用于挖掘浅层地质，以便于测量浅层地温数据信息；远程监控终端；接收控制中心的指令，通过无线通信方式实时接收控制中心输出的数据信息；其中：所述控制中心分别与温度检测系统、温度分析系统、预警装置、大屏幕显示装置、钻探模块和远程无线通信接口连接，所述远程无线通信接口与远程监控终端连接。
6.作为本发明进一步的技术方案，所述温度检测系统包括控制单元和与所述控制单
元连接的温度传感器、湿度传感器、压力检测模块、定位模块和无线通信接口，其中所述温度传感器为用于提取地层温度的地热温度信息，湿度传感器用于提取地层湿度，压力检测模块用于检测地表，定位模块用于标定温度检测的位置，无线通信接口用于发射检测到的温度、湿度、压力和定位数据信息。
7.作为本发明进一步的技术方案，所述温度分析系统包括fpga控制模块、arm控制模块和可编程控制器，所述fpga控制模块和arm控制模块双向连接，所述fpga控制模块设置有输入模块、输出模块和交互接口，所述arm控制模块设置有振荡器和时序模块，所述可编程控制器设置有程序存储器和接口模块，所述arm控制模块还连接有数据存储器、可编程i/o接口、定时器/计数器模块和可编程全双工串行口，其中振荡器和时序模块外设有时钟模块，可编程控制器外部设置有接口模块，可编程i/o接口连接有并行口模块，定时器/计数器模块外部连接有计时模块，可编程全双工串行口外部连接有串行通信模块，其中所述可编程控制器还设置有基于人工鱼群优化算法模型，以实现温度数据信息的分析。
8.作为本发明进一步的技术方案，人工鱼群优化算法模型包括温度感知模型、适应度模型、迭代模型、最优解模型和感知输出模型，其中所述温度感知模型的输出端与适应度模型的输入端连接，所述适应度模型的输出端与迭代模型的输入端连接，所述迭代模型的输出端与最优解模型的输入端连接，所述最优解模型的输出端与感知输出模型的输入端连接，其中所述温度感知模型用于感知地热温度数据信息，所述适应度模型用于调整温度感知过程中的数据信息，所述迭代模型用于不断地迭代计算以感知地热温度数据信息，所述最优解模型用于输出温度感知时最接近温度阈值的温度，所述感知输出模型用于属于大于或者等于阈值设置的温度值。
9.作为本发明进一步的技术方案，人工鱼群优化算法模型实现温度预警的方法为：步骤一：通过温度感知模型实现不同区域浅层地温数据信息的感知；感知模型为：（1）式（1）中，设置预警温度为t，表示温度感知模型感知到信息，当时，将存在预警输出；当时，则继续感知不同区域浅层地温数据信息，其中x表示人工鱼群优化算法模型中的人工鱼群数据元素状态，rand()表示为介于0.6-0.9之前的随机常数，visual表示人工鱼群优化算法模型中中人工鱼视野；步骤二：通过适应度模型提高人工鱼群优化算法模型的计算能力，实现浅层地温数据信息的快速计算，在适应度模型计算过程中，设置人工鱼群优化算法模型中的不同区域温度数据参数，其中鱼群总数记作为n，δ为人工鱼群优化算法模型中的拥挤度因子，d
ij
=|| x
i ‑ꢀ
x
j ||表示个体鱼i和j之间的距离，即同一种检索条件下不同地表温度区域之间的关系远近，聚群行为设置为swarm()，表示不同地表温度区域之间信息汇集程度，追尾行为设置为follow()，follow()设置为不同浅层地温数据之间信息交互程度，随机行为设置为move()，即不同浅层地温数据信息的随机交互能力，觅食行为设置为prey()，表示通过一种数据信息检索另一种数据信息的能力，行为评价函数设置为evaluate()，yi= f（xi）表示浅层地温数据信息预警输出的目标函数；
步骤三：通过迭代模型对不同区域的浅地层温度进行反复计算，其中迭代模型输出数据函数信息为：（2）式（2）中，step表示人工鱼群优化算法模型中鱼群搜索的幅度，表示温度感知模型当前感知到浅层地温数据信息， x
next
表示人工鱼经过迭代计算后所感知浅层温度数据信息；步骤四：通过最优解模型将最接近浅层地温数据信息阈值的温度检索出；函数表达式为：（3）式（3）中，当人工鱼在可清晰观察的范围内寻找到附近浅层低温的同类温度数据信息时记作为nc，并得到中心状态为xc，同时afs的拥挤度小于δ，此时进一步，否则转为觅食的行为，方程式为：（4）式（4）中，表示不同区域地温之间的温度差；当检索到的最佳温度时，其状态记作为xj，则拥挤度小于δ，则继续迭代计算与输出，方程式为：（5）式（5）中，若未能满足终止条件，寻不到最优解，通过以下表达式检索地表地热温度；目标函数输出：（6）式（6）中，yi= f（xi）表示目标函数，xi表示人工鱼当前所在的位置，rand()表示大于0的随机数，step表示步长，xj表示人工鱼视野范围内一个新的状态，若该值不符合鱼群追尾一粒子群策略，则进行鱼群觅食，若温度检索鱼群追尾一粒子群，进行鱼群聚群，同时进行计算鱼群觅食，若鱼群觅食结束同样进行鱼群聚群计算，鱼群聚群符合寻找最优解的条件，则输出预警数据信息；如果在此刻状态下未能寻找到最佳预警数据信息，采用跳出局部寻找，则采取随机行为，方程式为：
（7）式（7）中，表示人工鱼群优化算法模型当前位置或下一步位置。
10.作为本发明进一步的技术方案，所述预警装置为声光报警或者语音报警。
11.作为本发明进一步的技术方案，所述大屏幕显示装置的尺寸大于40英寸，通过滚动式显示温度预警信息。
12.作为本发明进一步的技术方案，所述钻探模块为钻探，深度小于200m。
13.作为本发明进一步的技术方案，所述远程监控终端为具有蓝牙、wifi或者无线数据通信接口的计算机、平板电脑或者智能手机。
14.本发明有益的积极效果在于：区别于常规技术，本发明能够实现浅层地温检测，通过温度检测系统提取浅层地温数据信息，以实时获取浅层地温信息特征； 所述温度检测系统具有定位系统，使所提取的数据信息具有位置显示。通过温度分析系统能够根据浅层地温数据信息衡量是否存在浅层地温能冷堆积问题，传输温度分析系统输出的数据信息。通过预警装置能够根据温度分析系统分析的数据结果对数据信息进行预警，当温度高于设置的预定值时，提示用户；通过大屏幕显示装置能够显示温度分析系统分析出的数据信息并实时进行信息滚动，以实时提醒浅层地温能冷堆积信息通过控制中心能够控制浅层地温能冷堆积信息，接收并发送不同模块信息控制指令；通过远程监控终端能够接收控制中心的指令，通过无线通信方式实时接收控制中心输出的数据信息。并引入人工智能计算方法，以实时计算不同区域的温度，以及不同区域之间的温度差。当检测到的温度与设置的阈值温度相差过大，则表示为浅层地温存在能源堆积问题。本发明提高了浅层地温的实时监测能力。
附图说明
15.表示了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，其中：图1为本发明系统总体架构示意图；图2为本发明中温度检测系统的结构示意图；图3为本发明中温度分析系统的结构示意图；图4为本发明中人工鱼群优化算法模型的架构示意图；图5为本发明中人工鱼群优化算法模型流程示意图。
具体实施方式
16.以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
17.如图1所示，一种根据温度变化自动预警的浅层地温能冷堆积监测系统，包括：温度检测系统；用于提取浅层地温数据信息，以实时获取浅层地温信息特征；所述
温度检测系统具有定位系统，使所提取的数据信息具有位置显示；温度分析系统；根据浅层地温数据信息衡量是否存在浅层地温能冷堆积问题，传输温度分析系统输出的数据信息；预警装置；根据温度分析系统分析的数据结果对数据信息进行预警，当温度高于设置的预定值时，提示用户；大屏幕显示装置；用于显示温度分析系统分析出的数据信息并实时进行信息滚动，以实时提醒浅层地温能冷堆积信息；控制中心；用于控制浅层地温能冷堆积信息，接收并发送不同模块信息控制指令；钻探模块，用于挖掘浅层地质，以便于测量浅层地温数据信息；远程监控终端；接收控制中心的指令，通过无线通信方式实时接收控制中心输出的数据信息；其中：所述控制中心分别与温度检测系统、温度分析系统、预警装置、大屏幕显示装置、钻探模块和远程无线通信接口连接，所述远程无线通信接口与远程监控终端连接。
18.在上述实施例中，如图2所示，温度检测系统包括控制单元和与所述控制单元连接的温度传感器、湿度传感器、压力检测模块、定位模块和无线通信接口，其中所述温度传感器为用于提取地层温度的地热温度信息，湿度传感器用于提取地层湿度，压力检测模块用于检测地表，定位模块用于标定温度检测的位置，无线通信接口用于发射检测到的温度、湿度、压力和定位数据信息。
19.在上述实施例中，如图3所示，温度分析系统包括fpga控制模块、arm控制模块和可编程控制器，所述fpga控制模块和arm控制模块双向连接，所述fpga控制模块设置有输入模块、输出模块和交互接口，所述arm控制模块设置有振荡器和时序模块，所述可编程控制器设置有程序存储器和接口模块，所述arm控制模块还连接有数据存储器、可编程i/o接口、定时器/计数器模块和可编程全双工串行口，其中振荡器和时序模块外设有时钟模块，可编程控制器外部设置有接口模块，可编程i/o接口连接有并行口模块，定时器/计数器模块外部连接有计时模块，可编程全双工串行口外部连接有串行通信模块，其中所述可编程控制器还设置有基于人工鱼群优化算法模型，以实现温度数据信息的分析。
20.在上述实施例中，温度分析系统控制中心采用cpu模块，温度分析采用ti公司的arm cortex-a8系列32位芯片和pfga模块，这种方法数据处理能力较快，工作效率高。以实现原始地热温度数据信息的采集、处理、上送以及控制执行等功能。设置cpu板的目的，用于实现地热温度数据信息的采集、控制和数据交互。其中cpu模块的主处理器采用ti公司生产的arm cortex-a8系列单片机，该单片机采用32位精简指令集（risc）微处理器芯片am3359。在运行过程中，该芯片的主频信息最高为720 mhz，该接口资源信息比较多，比如接口芯片fpga在快速计算过程中，采用xilinx的spartan-3系列芯片xc3s250e，其中地热温度数据信息通信接口包括以太网接口、rs-485接口、rs-232接口、gprs接口以及can接口等，通信规约有modbus、iec61850、iec104以及自定义规约。通过设计cpu和fpga双核控制模块，提高了数据计算能力。采用这种硬件结构的设计优势在于现场进行逻辑可编程，灵活度比较强，扩展性比较强。
21.在上述实施例中，如图4所示，人工鱼群优化算法模型包括温度感知模型、适应度模型、迭代模型、最优解模型和感知输出模型，其中所述温度感知模型的输出端与适应度模
型的输入端连接，所述适应度模型的输出端与迭代模型的输入端连接，所述迭代模型的输出端与最优解模型的输入端连接，所述最优解模型的输出端与感知输出模型的输入端连接，其中所述温度感知模型用于感知地热温度数据信息，所述适应度模型用于调整温度感知过程中的数据信息，所述迭代模型用于不断地迭代计算以感知地热温度数据信息，所述最优解模型用于输出温度感知时最接近温度阈值的温度，所述感知输出模型用于属于大于或者等于阈值设置的温度值。
22.在上述实施例中，如图5所示，人工鱼群优化算法模型实现温度预警的方法为：步骤一：通过温度感知模型实现不同区域浅层地温数据信息的感知；感知模型为：（1）式（1）中，设置预警温度为t，表示温度感知模型感知到信息，当时，将存在预警输出；当时，则继续感知不同区域浅层地温数据信息，其中x表示人工鱼群优化算法模型中的人工鱼群数据元素状态，rand()表示为介于0.6-0.9之前的随机常数，visual表示人工鱼群优化算法模型中中人工鱼视野；在具体实施例中，构建人工鱼模型的目的是将宏观的温度感知数据信息转换为微观的温度分析，以实现温度分析的人工智能化计算，其中人工鱼群优化算法模型中的人鱼信息比作温度检索，将人鱼数据信息检索或者处理过程比作人工鱼元素，通过视觉方法进行外界事物的感知，感知的目的是实现用户某种温度感知。
23.步骤二：通过适应度模型提高人工鱼群优化算法模型的计算能力，实现浅层地温数据信息的快速计算，在适应度模型计算过程中，设置人工鱼群优化算法模型中的不同区域温度数据参数，其中鱼群总数记作为n，在具体实施例中，鱼群表示为不同区域的温度，δ为人工鱼群优化算法模型中的拥挤度因子，d
ij
=|| x
i ‑ꢀ
x
j ||表示个体鱼i和j之间的距离，即同一种检索条件下不同地表温度区域之间的关系远近，聚群行为设置为swarm()，表示不同地表温度区域之间信息汇集程度，追尾行为设置为follow()，follow()设置为不同浅层地温数据之间信息交互程度，随机行为设置为move()，即不同浅层地温数据信息的随机交互能力，觅食行为设置为prey()，表示通过一种数据信息检索另一种数据信息的能力，行为评价函数设置为evaluate()，yi= f（xi）表示浅层地温数据信息预警输出的目标函数；步骤三：通过迭代模型对不同区域的浅地层温度进行反复计算，其中迭代模型输出数据函数信息为：（2）式（2）中，step表示人工鱼群优化算法模型中鱼群搜索的幅度，表示温度感知模型当前感知到浅层地温数据信息， x
next
表示人工鱼经过迭代计算后所感知浅层温度数据信息；步骤四：通过最优解模型将最接近浅层地温数据信息阈值的温度检索出；
通过上述假设进行初始化参数，假设某人工鱼当前位置为x，当人工鱼在可感觉的范围内能够任意选取一个形态，表示为xi，在可观察的范围内再选取一个新的形态，表示为xj，若新的形态比原先的形态更加优越，此时人工鱼前进一步，若不行继续搜索，如果使用try—number后仍然未能找到适合的形态，则转到随机行为move()，函数表达式为：（3）式（3）中，当人工鱼在可清晰观察的范围内寻找到附近浅层低温的同类温度数据信息时记作为nc，并得到中心状态为xc，同时afs的拥挤度小于δ，此时进一步，否则转为觅食的行为，在具体实施中，表示为当感测不到预警温度时，则继续感测温度数据信息，直到感知到预警温度数据信息为止；方程式为：（4）式（4）中，表示不同区域地温之间的温度差；当检索到的最佳温度时，其状态记作为xj，则拥挤度小于δ，则继续迭代计算与输出，方程式为：（5）式（5）中，若未能满足终止条件，寻不到最优解，通过以下表达式检索地表地热温度；目标函数输出：（6）式（6）中，yi= f（xi）表示目标函数，xi表示人工鱼当前所在的位置，rand()表示大于0的随机数，step表示步长，xj表示人工鱼视野范围内一个新的状态，若该值不符合鱼群追尾一粒子群策略，则进行鱼群觅食，若温度检索鱼群追尾一粒子群，进行鱼群聚群，同时进行计算鱼群觅食，若鱼群觅食结束同样进行鱼群聚群计算，鱼群聚群符合寻找最优解的条件，则输出预警数据信息；如果在此刻状态下未能寻找到最佳预警数据信息，采用跳出局部寻找，则采取随机行为，方程式为：（7）式（7）中，表示人工鱼群优化算法模型当前位置或下一步位置。
24.通过上述方法能够实现浅层地温数据信息的检索、监控和管理，大大提高了浅层地温数据信息交互能力。
25.在上述实施例中，预警装置为声光报警或者语音报警。
26.在具体实施例中，声光报警器（audible and visual alarm）又叫声光警号， 是为了满足客户对报警响度和安装位置的特殊要求而设置。同时发出声、光二种警报信号。语音报警是通过语音播报的方式。
27.在上述实施例中，大屏幕显示装置的尺寸大于40英寸，通过滚动式显示温度预警信息。
28.在上述实施例中，控制中心由中心内的控制室、配套设施、控制站、外部通讯以及外围的受控子系统组成。具体到设施内的硬件，一般分为控制软件系统，屏幕显示系统，控制台，音源系统，指挥调度系统，电力系统，通信系统，灯光系统，服务器系统，空调新风系统，网络系统等多种硬件配套。
29.在上述实施例中，所述钻探模块为钻探，深度小于200m。
30.在具体实施例中，钻探机具是指钻探工程施工中使用的机械设备和工具，钻探机具是钻探工程施工的主要装备。它是达到各种工艺操作要求保证工程施工速度和质量的关键，是多、快、好、省开展钻探工程的物质技术基础之一。钻机是钻探机具中的主要机械设备，通常由机械传动系统、液压传动系统、回转机构、给进机构、升降机构、机架等部分组成。钻进深度一般为 10—10000 米范围内，口径一般为0.05—6 米。钻机的钻探深度与开孔直径成反比关系。为揭露地表，探明基岩性质、产状、分布、地质构造等，或为配合物探工作而进行爆破钻孔，以及普查找矿钻探等。在地质普查找矿中常用地表取样钻机或浅孔轻便钻机等。
31.在上述实施例中，所述远程监控终端为具有蓝牙、wifi或者无线数据通信接口的计算机、平板电脑或者智能手机。
32.在具体实施例中，可以采用通用遥测终端机 scs502系列产品，集水文、环保监测数据采集与2g/3g/4g/ethernet/nb-iot/lora等通信功能于一体，支持水文/水资源/环保hj212/tcp modbus/mqtt等通信规约，实现环境数据的采集、存储、显示、控制、报警及传输等综合功能。
33.在其它实施例中，采用微功耗液晶遥测终端，一种集仪表采集、移动/联通 gprs/4g lte/nb-iot无线传输、lcd显示于一体的高性能监测设备，为用户搭建了一个超远距离的数据传输平台，方便、快捷。终端产品采用高性能功率型锂电池组供电，选型低功耗元器件设计，配备ip68防护等级外壳，完全能够胜任无市电供电、防水/防潮/防尘等要求高的现场数据监测任务。
34.虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些具体实施方式仅是举例说明，本领域的技术人员在不脱离本发明的原理和实质的情况下，可以对上述方法和系统的细节进行各种省略、替换和改变。例如，合并上述方法步骤，从而按照实质相同的方法执行实质相同的功能以实现实质相同的结果则属于本发明的范围。因此，本发明的范围仅由所附权利要求书限定。