一种燃气安全监测预警装置及方法与流程

本发明涉及燃气安全监测，尤其涉及一种燃气安全监测预警装置及方法。

背景技术：

1、随着社会的发展和人民生活水平的提高，燃气已成为人们日常生活的重要能源。然而，燃气泄漏、燃气爆炸等燃气安全事故时有发生，给人们的生命财产安全带来严重威胁。现有的技术无法及时评价用气系统管道的健康性、系统中设备的状态确定性指标、响应特性(开阀(或开关阀)力矩大、开阀(或开关阀)时间长)、用气环境特性参数的采集能力、数据模型建立与数据处理方式。

2、专利号cn2019100627491公开了一种基于沉降监测的城市燃气输配管网安全监测预警方法和系统，该方法包括：综合城市地面沉降历史数据和城市燃气输配管网分布及历史故障数据，使用多因子评判模型和gis空间分析技术进行燃气输配管网沉降重点区域划分；选择重点区域的重点位置作为沉降监测点，安装管道运行参数采集设备，构建城市燃气输配管网沉降重点区域监测网，实时采集各个沉降监测点的管道运行参数；通过无线通信将管道运行参数和管道属性参数实时传送至后台服务器；通过后台服务器对管道运行参数和管道属性参数进行实时接收、存储和预处理，并利用管道沉降破损预测模型，基于管道运行参数和管道属性参数，确定各个沉降监测点管道的当前的安全风险等级，对管道故障进行预测和报警。

3、专利号cn2022114524859公开了一种基于智慧燃气的用气安全预警方法及物联网系统，方法由用于智慧燃气的用气安全预警的物联网系统的智慧燃气安全管理平台执行，包括：基于燃气使用数据，从至少一个燃气设备中确定燃气监测对象；基于燃气监测对象和燃气使用阈值，确定初始对象；基于初始对象的历史燃气数据，确定目标对象；以及将用气安全预警信息发送至目标对象对应的燃气用户。

4、然而，以上专利无法同时对燃气输配管网的健康状况和用户安全用气行为进行实时监测，并且容易因无法适应不同的燃气应用场景，而造成燃气监测预警失误和运营监管困难。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种燃气安全监测预警装置及方法，利用特殊设计的深度学习网络模型和输配管气密性检测原理，能够对燃气使用全场景进行监测评估和输配管网故障点进行快速定位，以提高燃气安全监测装置在各应用场景的适配性，有效降低燃气监测预警失误率，简便管理人员对燃气输配管网的运营监管流程。

2、本发明利用下述技术方案：

3、一种燃气安全监测预警装置，包括气体探测器、安全切断阀、传感器网络、通信信道、智能网关和数据主站；其中，

4、气体探测器，用于分别检测燃气输配管网和现场环境的燃气浓度；

5、安全切断阀，用于燃气阀门的自动切断、手动复位、开关位置检测和开度调节；

6、传感器网络，用于采集燃气输配管网在不同的燃气应用场景中产生的海量数据；传感器网络包括压力传感器、温度传感器、光纤传感器和加速度传感器；海量数据包括压力数据、温度数据和气体流量；

7、通信信道，用于将传感器网络采集的海量数据传输至数据主站；通信信道包括本地信道和远程信道；本地信道包括fsk、lora或ble等；远程信道包括lte或nb_iot等；

8、数据主站，用于对接收的海量数据进行处理分析，以判断和监控燃气输配管网的运行状态；运行状态包括泄漏故障、维修待机和正常工作；

9、智能网关，用于根据数据处理分析结果控制安全切断阀，并将监测信息和预警信息发送至数据主站。

10、优选的，数据主站包括数据处理模块、分析判断模块、故障定位模块和智能预警模块；其中，数据处理模块用于将获取的海量数据进行预处理；分析判断模块用于根据预设的异常用气模型和燃气应用场景的对完成预处理的海量数据进行分析判断，以生成警戒阈值和对应的控制信号；故障定位模块根据警戒阈值和管网监测模型对燃气输配管网故障点进行定位；智能预警模块根据警戒阈值和燃气输配管网故障点位置对管理人员进行展示和预警；燃气应用场景包括家庭场景、工业场景和商业场景。

11、优选的，数据处理模块包括数据分块单元、数据清洗单元、数据分类单元、数据聚合单元和数据存储单元；数据分块单元利用压缩分块算法将接收的海量数据进行压缩和划分，以形成若干个数据块；数据清洗单元利用数据填充算法和数据去噪算法对数据块进行缺失值填补和噪声去除；数据分类单元利用聚类算法将完成数据清洗的数据块进行分类；数据聚合单元利用时序算法根据燃气应用场景将完成分类的数据块进行融合；数据存储单元利用元数据库将融合的数据块进行存储。

12、优选的，分析判断模块包括数据分析单元和异常判断单元；数据分析单元利用预设的异常用气模型根据燃气应用场景对融合的数据块进行分析评估，以生成警戒阈值；异常判断单元根据燃气应用场景对应的实时阈值对警戒阈值进行判别，以形成对应的控制信号。

13、优选的，异常用气模型首先利用场景验证函数对存储的数据块进行量化验证，以获取数据块的量化验证结果，从而得到各个燃气应用场景下对应数据块的特征提取次数：

14、

15、其中，a()表示量化验证函数，q表示数据块，f()表示场景验证函数，i表示数据块序号，n表示数据块总数，α表示特征权重系数，b()表示数据块的占用空间，b(q)i表示第i个数据块的占用空间，e()表示数据块的存储时间，e(q)i表示第i个数据块的存储时间，m表示量化上限值，1表示数据块进行特征提取n次，-1表示数据块进行特征提取2n次；

16、随后根据量化验证结果将家庭场景的数据块输入特征提取层进行特征提取n次，同时将工业场景和商业场景的数据块输入特征提取层进行特征提取2n次，以分别获取对应的特征值；特征提取层包括2个3x3卷积层和3个平均池化层；然后将获取的特征值分别输入迭代训练层的两个网络分支以提取权重矩阵；第一个网络分支包括2个3x1上采样层、2个1x3上采样层、3个3x3最大池化层、2个归一化层和tanh激活函数，第二个网络分支包括3个3x3卷积层、2个3x3平均池化层、1个5x5最大池化层、1个归一化层、4个残差块和relu激活函数；最后将由两个网络分支分别输出的权重矩阵利用均匀采样偏移的深度分离连接器进行拼接融合，同时将完成拼接融合的权重矩阵依次通过3个平均池化层、2个全连接层、时序注意力机制和softmax激活函数，从而生成各燃气应用场景对应的警戒阈值，并利用气密性阈值根据燃气应用场景对警戒阈值进行修正。

17、优选的，管网监测模型首先对输气方向、用气点、用气量和城市地图进行关联，以构建燃气输配管网的分布架构图谱：

18、

19、其中，h表示分布架构图谱，j表示城市地图片区序号，β表示城市地图片区总数，g()表示图谱构建函数，d()表示用气点标记函数,r()表示输气方向标记函数，k()表示用气量标记函数，θ表示数字化的城市地图，q表示城市地图深度值，表示数字化的城市地图第j片区的深度,im()表示infomap函数，⊙表示哈达玛外积，表示多重矢量加，表示哈达玛内积；

20、随后将分布架构图谱和存储的数据块分别输入孪生网络的两个网络分支的输入端，以分别提取燃气输配管网和数据块的特征值；第一个网络分支的输入端包括2个3x3卷积层、1个3x3最大池化层和2个归一化层，第二个网络分支的输入端包括2个3x3卷积层、2个3x3最大池化层、1个3x3平均池化层和1个归一化层；然后将提取的特征值分别输入两个网络分支的学习端进行迭代训练，以获取权重矩阵；第一个网络分支的学习端包括2个由1x3卷积层和3x1卷积层构成的组合卷积块、2个3x3上采样层、2个3x3下采样层、2个inception块、1个倒残差块和softmax激活函数，第二个网络分支的学习端包括2个1x1卷积层、2个3x3上采样层、2个3x3下采样层、2个残差块和relu激活函数；最后将由两个网络分支的学习端分别输出的权重矩阵利用分离连接器进行拼接融合，同时将完成拼接融合的权重矩阵依次通过2个平均池化层、3个全连接层和elu激活函数，并利用气密性阈值和时序记忆网络构成的损失函数对权重矩阵进行更新验证：

21、

22、其中，l()表示损失函数，y表示权重矩阵，γ表示权重矩阵的列数，z表示权重矩阵总列数，σ表示误差修正系数，yγ表示权重矩阵的当前列数；

23、从而对燃气输配管网进行实时监测，并对燃气输配管网故障点进行标记定位。

24、优选的，智能预警模块包括显示单元、预警单元和追溯单元；显示单元将完成标记定位的燃气输配管网故障点利用触摸屏以图表或报表方式进行展示；预警单元根据警戒阈值与实时阈值的比较结果和标记定位的燃气输配管网故障点利用短信消息和报警器向管理人员进行预警；追溯单元根据存储的数据块对燃气输配管网故障点进行数据追溯。

25、优选的，智能网关包括信号传输模块和状态指示模块；信号传输模块利用信号收发电路将生成的控制信号传输至安全切断阀，以完成安全切断阀的自动切断、手动复位、开关位置检测和开度调节操作；状态指示模块根据燃气输配管网的监测结果为用户和管理人员指示燃气输配管网的运行状态。

26、优选的，智能网关为独立式设备或嵌入式设备。

27、还包括一种燃气安全监测预警方法，包括以下步骤：

28、s1：通过安装在用户侧的气体探测器对燃气输配管网和现场环境的燃气浓度进行检测；

29、s2：通过传感器网络采集在不同的燃气应用场景中产生的海量数据；

30、s3：通过数据主站将采集的海量数据进行处理分析，并判断和监控燃气输配管网的运行状态；

31、s4：根据处理分析结果对燃气输配管网的故障点进行定位和预警，并通过智能网关对安全切断阀进行控制和调节；

32、s5：在用户侧和管理人员端对燃气输配管网的监测信息和预警信息进行展示，同时发送至数据主站进行存储。

33、本发明通过异常用气模型生成警戒阈值，从而对各应用场景的燃气使用情况进行分析评估和异常监测；通过管网监测模型和警戒阈值对燃气输配管网故障点进行定位，并对管理人员进行展示和预警，提高了燃气安全监测装置在各应用场景的适配性，有效降低了燃气监测预警失误率，简便了管理人员对燃气输配管网的运营监管流程。