一种港口密闭空间作业安全环境监测方法及系统与流程

本发明涉及港口受限空间安全监测，尤其涉及一种港口密闭空间作业安全环境监测方法及系统。

背景技术：

1、气体检测技术多种多样，目前主要使用气相色谱/质谱(gc/ms)、差分迁移谱(dms)、离子迁移谱(ims)和选择性离子流管质谱分析(sift-ms)等，这些检测技术虽然可以实现高精度的检测，但大多依赖于大型设备，具有体积大、价格高、操作复杂、检测耗时长等缺点，既不适用于有害气体的原位检测，也不适用于便携式的检测。近年来，伴随着传感器技术的快速发展，气体传感技术已成为气体检测的主流技术之一，并成为检测和传感领域的研究热点。相较于大型气体检测装置，基于各种敏感机理的气体传感器具有体积小、成本低、易便携和实时原位检测等特点，在港口安全监测、污染源监测、大气环境监测、尾气排放监测和处理、工业/军事/民生安全等领域展示了广阔的应用前景。气体传感器属于化学传感器的中的一类，根据检测原理主要分为半导体式、接触燃烧式、光学式和电化学式等。其中，对半导体和电化学式气体传感器研究的最为广泛。

2、从我们国家的情况来看，气体传感器领域的发展也较为迅速，在20世纪60年代从国外引进检测仪器几年后，我国就建立了10多家传感器制造厂，最初的制造水平是在国外的技术上加以改进，逐步在研制过程中提出了一套完善的制造改进方法。近20年微机电系统(mems)技术的发展很好地解决了传感器不能自动化生产和质量问题。随着计算机性能和人工神经网络的不断发展，传感器件从最初的烧结型、厚膜型向薄膜型、微型化和阵列化发展。近年来，许多科学家将气体传感器应用到了环境监控、安全监控、疾病诊断等各个领域。

3、但是，现有技术中利用气体传感器进行气体检测存在以下主要缺点：

4、(1)气体检测种类有限：目前密闭空间采用的还是四合一手持检测仪，不同作业货种监测的气体种类不同，不能进行定制化的气体检测。

5、(2)通信传输限制实时监测不及时：密闭空间气体监测首要解决的就是数据传输问题。

6、(3)传感器交叉敏感问题：气体检测多探头存在交叉敏感问题。

技术实现思路

1、本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提出了一种港口密闭空间作业安全环境监测方法及系统。

2、第一方面，本发明提供了一种港口密闭空间作业安全环境监测方法，所述港口密闭空间配置有气体传感器阵列，所述方法包括：

3、向所述气体传感器阵列提供温度调制所需的加热参数，获得多种温度调制模式；

4、采用动态信号处理技术，对经过温度调制后的所述气体传感器阵列获取的动态响应信号进行特征提取，得到实际气体表征参数；

5、将所述实际气体表征参数输入预先训练的基于人工神经网络的气体识别模型，预测得到所述港口密闭空间内气体的实际种类和实际浓度信息。

6、在一些实施例中，所述向所述气体传感器阵列提供温度调制所需的加热参数，获得多种温度调制模式，包括：

7、通过labview程序向所述气体传感器阵列输出温度调制所需加热电压、加热波形、加热周期参数，实现多种温度调制模式的设置。

8、在一些实施例中，所述采用动态信号处理技术，对经过温度调制后的所述气体传感器阵列获取的动态响应信号进行特征提取，得到实际气体表征参数，包括：

9、采用时频域特征提取方法—离散小波变换(dwt)动态信号处理技术提取所述气体传感器阵列的动态影响特征，得到所述实际气体表征参数，并对提取的高频小波系数和低频小波系数进行分析，研究信号预处理方式与气体模式识别方式之间的关联性。

10、在一些实施例中，所述气体识别模型基于bp神经网络；

11、设x1,x2,…xn为神经元的非线性变化函数，ω1,ω2,…ωn为相应输入的权，θ为神经元阈值，f(·)为神经元的非线性变化函数，y为神经元的输出，单个神经元是一个多输入单输出系统：

12、

13、其节点单元特性(传递函数)通常为s型，表达式为：

14、

15、对于p个样本，误差计算公式为：

16、

17、其中tpi、opi分别为期望输出和计算输出。

18、在一些实施例中，所述方法还包括：

19、在预测得到的所述港口密闭空间内气体的实际浓度超出浓度阈值时，输出第一报警信号；和/或，

20、在预测得到的所述港口密闭空间内气体的实际种类不允许使用明火时，输出第二报警信号。

21、第二方面，本发明的实施例提供一种港口密闭空间作业安全环境监测系统，所述港口密闭空间配置有气体传感器阵列，所述系统包括：

22、控制模块，用于向所述气体传感器阵列提供温度调制所需的加热参数，获得多种温度调制模式；

23、提取模块，用于采用动态信号处理技术，对经过温度调制后的所述气体传感器阵列获取的动态响应信号进行特征提取，得到实际气体表征参数；

24、识别模块，用于将所述实际气体表征参数输入预先训练的基于人工神经网络的气体识别模型，预测得到所述港口密闭空间内气体的实际种类和实际浓度信息。

25、在一些实施例中，所述控制模块，具体还用于：

26、通过labview程序向所述气体传感器阵列输出温度调制所需加热电压、加热波形、加热周期参数，实现多种温度调制模式的设置。

27、在一些实施例中，所述提取模块，具体还用于：

28、采用时频域特征提取方法—离散小波变换(dwt)动态信号处理技术提取所述气体传感器阵列的动态影响特征，得到所述实际气体表征参数，并对提取的高频小波系数和低频小波系数进行分析，研究信号预处理方式与气体模式识别方式之间的关联性。

29、在一些实施例中，所述气体识别模型基于bp神经网络；

30、设x1,x2,…xn为神经元的非线性变化函数，ω1,ω2,…ωn为相应输入的权，θ为神经元阈值，f(·)为神经元的非线性变化函数，y为神经元的输出，单个神经元是一个多输入单输出系统：

31、

32、其节点单元特性(传递函数)通常为s型，表达式为：

33、

34、对于p个样本，误差计算公式为：

35、

36、其中tpi、opi分别为期望输出和计算输出。

37、在一些实施例中，所述系统还包括报警模块，所述报警模块用于：

38、在预测得到的所述港口密闭空间内气体的实际浓度超出浓度阈值时，输出第一报警信号；和/或，

39、在预测得到的所述港口密闭空间内气体的实际种类不允许使用明火时，输出第二报警信号。

40、本发明的有益效果为：

41、本发明的港口密闭空间作业安全环境监测方法及系统，实现了可燃有毒气体的在线智能监测。主要针对港口危险货物罐区、码头装卸等密闭空间和半封闭空间作业中的泄漏中毒、火灾爆炸等风险，解决传统气体传感器的网络化、智能化、测不准等问题，实现可燃有毒气体的在线智能监测和事故预警等功能，提升港口本质安全。

42、此外，本发明实施例的港口密闭空间作业安全环境监测方法及系统，采用基于dwt的动态响应信号处理方法提取气体传感器的特征信号，该方法基于pca的小波特性提取方法，对温度调制下的传感信号进行分析研究，实现调制数据分析和特征提取，消除噪声，并降低后续利用人工神经网络处理多传感信号的运算量，提高气体识别效率。

43、另外，本发明实施例的港口密闭空间作业安全环境监测方法及系统，采用一种基于人工神经网络的多传感信号处理算法处理阵列式气体传感器信号，结合pca(主成分分析法)和ann(人工神经网络)对混合气体进行分析，实现混合气体的定性定量检测，提高混合气体环境下的气体识别率和浓度测量精度，解决半导体式气体传感器固有的交叉敏感问题，拓宽该传感装置的横向广度(能同时检测多种气体)。