本發(fā)明涉及危險(xiǎn)氣體檢測(cè)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，特別涉及對(duì)于近地表危險(xiǎn)氣體泄漏源的快速監(jiān)測(cè)定位方法。

背景技術(shù)：

在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，潛在危險(xiǎn)氣體的泄漏可能會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失、人員傷亡和環(huán)境破壞，比如地埋天然氣管道泄漏、地下儲(chǔ)氣庫(kù)泄漏、化工危險(xiǎn)氣體儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備泄漏等，一旦發(fā)生泄漏，如果不及時(shí)處理后果不堪設(shè)想。因而如何在危險(xiǎn)氣體泄漏后進(jìn)行危險(xiǎn)源位置的快速定位十分重要。

目前常用的方法有直接監(jiān)測(cè)定位方法和間接定位方法。直接定位方法通常是利用氣體傳感器監(jiān)測(cè)到明顯的泄漏發(fā)生后，利用便攜式儀器或其他手段人工尋找判斷泄漏的位置。這種方法定位速度比較慢，而且對(duì)操作人員會(huì)帶來(lái)潛在的危害。間接定位方法是通過(guò)傳感器監(jiān)測(cè)方法和數(shù)值算法結(jié)合實(shí)現(xiàn)泄漏源的定位。目前已有的泄漏源辨識(shí)算法主要是基于泄漏源反問(wèn)題求解，分為直接反問(wèn)題求解、最優(yōu)化方法以及基于概率統(tǒng)計(jì)的隨機(jī)逼近三種方法。泄漏源反演算法盡管可以比較準(zhǔn)確的獲得泄漏源位置信息，但是存在的問(wèn)題是需要大量的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，必須保證有足夠的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，同時(shí)，大部分泄漏源辨識(shí)算法由于需要結(jié)合計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)進(jìn)行擴(kuò)散模型計(jì)算，所以計(jì)算估計(jì)效率不高，嚴(yán)重影響了泄漏源辨識(shí)算法在快速定位方面的應(yīng)用。

因而，在近地表危險(xiǎn)氣體泄漏源的定位方面的研究尚存在不足，有待進(jìn)一步的研究快速準(zhǔn)確的泄漏源定位方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，本發(fā)明提出一種基于擴(kuò)散波的近地表氣體泄漏快速定位方法，能夠在泄漏源順風(fēng)方向位置通過(guò)兩個(gè)或三個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)對(duì)泄漏氣體擴(kuò)散情況的監(jiān)測(cè)結(jié)果，實(shí)現(xiàn)快速定位。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方法是：

一種基于擴(kuò)散波的近地表泄漏氣體快速定位方法，其基本原理是基于氣體濃度擴(kuò)散波，通過(guò)監(jiān)測(cè)擴(kuò)散波的時(shí)間參數(shù)，包括初始時(shí)間t₀、穩(wěn)定時(shí)間t_s以及增長(zhǎng)時(shí)間Δt，估算泄漏源距離監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位置。擴(kuò)散波初始時(shí)間t₀是傳感器監(jiān)測(cè)到的泄漏氣體濃度開(kāi)始增大的時(shí)刻，擴(kuò)散波穩(wěn)定時(shí)間t_s為傳感器監(jiān)測(cè)到泄漏氣體濃度達(dá)到穩(wěn)定濃度的時(shí)刻，擴(kuò)散波增長(zhǎng)時(shí)間Δt是擴(kuò)散波穩(wěn)定時(shí)間t_s與初始時(shí)間t₀的差值，Δt＝t_s-t₀。由于擴(kuò)散波初始時(shí)間t₀、穩(wěn)定時(shí)間t_s隨著泄漏源順風(fēng)距離X的增大而近似線性增加，而隨側(cè)風(fēng)距離Y和垂直高度Z基本不變，所以增長(zhǎng)時(shí)間Δt與順風(fēng)距離也存在這樣的關(guān)系，可以表述為：

Δt＝kX+b (1)

或X＝KΔt+B (2)

其中，參數(shù)k或者K是線形系數(shù)，而b或B為剩余變量。所以，可以通過(guò)分析時(shí)間參數(shù)與順風(fēng)距離之間的關(guān)系估計(jì)得到監(jiān)測(cè)點(diǎn)距離泄漏源位置的距離。

進(jìn)一步，基于擴(kuò)散波原理的泄漏源快速定位方法包含兩點(diǎn)監(jiān)測(cè)方法和三點(diǎn)監(jiān)測(cè)定位方法。

進(jìn)一步，對(duì)于兩點(diǎn)監(jiān)測(cè)定位方法主要利用在沿泄漏源順風(fēng)方向兩個(gè)位置X₁、X₂處監(jiān)測(cè)到的擴(kuò)散波變化，進(jìn)行快速定位。其具體方法為：在兩個(gè)不同順風(fēng)位置X₁、X₂處監(jiān)測(cè)得到擴(kuò)散波波形，X₀是泄漏源位置、X₁和X₂沿順風(fēng)方向兩個(gè)監(jiān)測(cè)傳感器的位置、X₀₁是X₁距離泄漏源的距離，監(jiān)測(cè)點(diǎn)1距離泄漏源的距離計(jì)算式如式(3)所示：

其中X₀₁^*為初始距離估計(jì)值，該值為假設(shè)泄漏源位置處泄漏氣體擴(kuò)散增長(zhǎng)時(shí)間為零的條件下監(jiān)測(cè)點(diǎn)1處距離泄漏源的估計(jì)值，計(jì)算公式如式(4)：

其中L₁₂為兩個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)之間的順風(fēng)距離，Δt₁,Δt₂為兩個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)處分別監(jiān)測(cè)到的增長(zhǎng)時(shí)間。

偏差距離S為在Δt₀＝0假設(shè)下和真實(shí)條件下的估計(jì)距離差別，該值通常為負(fù)值。其計(jì)算關(guān)系表達(dá)為：

其中Δt₀為泄漏源位置處擴(kuò)散波的增長(zhǎng)時(shí)間。由于偏差距離S主要依賴于地形特征和大氣條件，在常見(jiàn)的風(fēng)速范圍下(5m/s～8m/s)，偏離距離S基本保持穩(wěn)定,且當(dāng)?shù)乇泶植诟叨葄₀遠(yuǎn)小于監(jiān)測(cè)高度h的時(shí)候(z₀/h≤0.5)，S的絕對(duì)值隨著地表粗糙高度的增高而近似線性增大。所以在特定的地形環(huán)境和大氣環(huán)境下，偏差距離S為一穩(wěn)定值。利用該特性，只需要通過(guò)式(4)確定監(jiān)測(cè)點(diǎn)1和監(jiān)測(cè)點(diǎn)2處的增長(zhǎng)時(shí)間參數(shù)，就可以容易得到泄漏源距離監(jiān)測(cè)點(diǎn)1處的距離。

進(jìn)一步，對(duì)于三點(diǎn)監(jiān)測(cè)定位方法，主要利用在沿泄漏源順風(fēng)方向隨機(jī)三個(gè)位置X₁、X₂、X₃監(jiān)測(cè)到的擴(kuò)散波變化，從監(jiān)測(cè)點(diǎn)X₁處到泄漏源X₀之間的距離由公式(6)得到

其中是根據(jù)式(4)，由點(diǎn)X₁和X₂處擴(kuò)散波估計(jì)得到的泄漏源離監(jiān)測(cè)點(diǎn)1的初始估計(jì)距離；是由X₁和X₃處的擴(kuò)散波得到的泄漏源離監(jiān)測(cè)點(diǎn)1的初始估計(jì)距離；是由X₂和X₃擴(kuò)散波得到的泄漏源離監(jiān)測(cè)點(diǎn)3的初始估計(jì)距離；L₃₁監(jiān)測(cè)點(diǎn)3到監(jiān)測(cè)點(diǎn)1之間的順風(fēng)方向相對(duì)距離。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益的技術(shù)效果：

(1)本發(fā)明所述的近地表泄漏快速定位方法，基于兩點(diǎn)或三點(diǎn)擴(kuò)散波監(jiān)測(cè)就可以實(shí)現(xiàn)泄漏源的快速定位，可以提高近地表氣體泄漏的定位效率；

(2)本發(fā)明所述的近地表泄漏源定位方法基于擴(kuò)散波原理，如果采用三個(gè)以上的監(jiān)測(cè)點(diǎn)結(jié)果將進(jìn)一步修正估計(jì)結(jié)果，降低估計(jì)偏差；

(3)本發(fā)明所述泄漏定位方法可以用于地質(zhì)儲(chǔ)存氣體技術(shù)中的氣體泄漏定位中，也可以用于化工設(shè)備危險(xiǎn)介質(zhì)儲(chǔ)運(yùn)裝備泄漏定位當(dāng)中，同時(shí)還可以用于環(huán)境危險(xiǎn)氣體釋放源的定位。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明泄漏氣體濃度擴(kuò)散波隨順風(fēng)距離的傳播規(guī)律。

圖2是泄漏氣體濃度擴(kuò)散波隨著側(cè)風(fēng)距離分布規(guī)律。

圖3泄漏氣體濃度擴(kuò)散波隨著距離地面高度的分布規(guī)律。

圖4擴(kuò)散波時(shí)間參數(shù)隨順風(fēng)距離的變化。

圖5兩監(jiān)測(cè)點(diǎn)擴(kuò)散波定位基本原理。

圖6三點(diǎn)擴(kuò)散波定位原理。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體的實(shí)例和附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明，所述是對(duì)本發(fā)明的解釋而不是限定。

圖1中，橫坐標(biāo)是時(shí)間/S，縱坐標(biāo)是氣體濃度/ppm。Cs為穩(wěn)定濃度，其為擴(kuò)散達(dá)到穩(wěn)定后的濃度值；t₀為擴(kuò)散初始時(shí)間，其為監(jiān)測(cè)點(diǎn)觀察到泄漏氣體開(kāi)始增大的時(shí)刻；t_s是為擴(kuò)散穩(wěn)定時(shí)間，其為擴(kuò)散達(dá)到穩(wěn)定濃度的時(shí)間。順風(fēng)距離L1<L2<L3<L4。擴(kuò)散波沿順風(fēng)距離傳播過(guò)程中，時(shí)間參數(shù)t₀、t_s隨著順風(fēng)距離的增大而增大，而穩(wěn)定濃度Cs隨順風(fēng)距離的增大而減小。

圖2中，橫坐標(biāo)是時(shí)間/S，縱坐標(biāo)是氣體濃度/ppm。側(cè)風(fēng)距離y1<y2<y3<y4。擴(kuò)散波沿側(cè)風(fēng)方向只有穩(wěn)態(tài)濃度發(fā)生變化，不同側(cè)風(fēng)位置處的穩(wěn)態(tài)濃度隨著距離泄漏源位置的增大而減小，而時(shí)間參數(shù)t₀、t_s基本不發(fā)生變化。

圖3中，橫坐標(biāo)是時(shí)間/S，縱坐標(biāo)是氣體濃度/ppm。垂直高度z1<z2<z3。擴(kuò)散波沿垂直高度只有穩(wěn)態(tài)濃度發(fā)生變化，穩(wěn)態(tài)濃度隨著距離地面距離的增大而減小，而時(shí)間參數(shù)t₀、t_s基本不發(fā)生變化。

圖4中，(a)為穩(wěn)定時(shí)間t_s對(duì)順風(fēng)距離的變化；(b)為初始時(shí)間t₀隨順風(fēng)距離的變化；(c)為增長(zhǎng)時(shí)間Δt隨順風(fēng)距離的變化。其中Δt＝t_s-t₀。無(wú)論擴(kuò)散初始時(shí)間、穩(wěn)定時(shí)間還是增長(zhǎng)時(shí)間均隨順風(fēng)距離的增加而增大，且這種變化是線形的，此原理可以被用作泄漏源的快速定位。

圖5中，X₀是泄漏源位置、X₁和X₂是沿順風(fēng)方向兩個(gè)監(jiān)測(cè)傳感器的位置、X₀₁是X₁距離泄漏源的距離。Δt₁,Δt₂分別是監(jiān)測(cè)點(diǎn)1以及監(jiān)測(cè)點(diǎn)2處的增長(zhǎng)時(shí)間；L₁₂是X₁和X₂之間的順風(fēng)距離。由于擴(kuò)散波時(shí)間參數(shù)在側(cè)風(fēng)方向和垂直方向基本不變，所以兩監(jiān)測(cè)點(diǎn)的連線不需要和風(fēng)向一致。

圖6中，Δt₁,Δt₂，Δt₃分別是監(jiān)測(cè)點(diǎn)1、監(jiān)測(cè)點(diǎn)2及監(jiān)測(cè)點(diǎn)3處的增長(zhǎng)時(shí)間；L₁₂是X₁和X₂之間的順風(fēng)距離；L₃₁監(jiān)測(cè)點(diǎn)3到監(jiān)測(cè)點(diǎn)1之間的順風(fēng)方向相對(duì)距離；L₃₂監(jiān)測(cè)點(diǎn)3到監(jiān)測(cè)點(diǎn)2之間的順風(fēng)方向相對(duì)距離。三個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置滿足位于泄漏源順風(fēng)方向即可。

本發(fā)明提供的定位方法，是基于濃度擴(kuò)散波的氣體泄漏快速定位方法。從近地表泄漏到大氣中的氣體隨時(shí)間的擴(kuò)散過(guò)程類似于機(jī)械波的傳播，其在不同位置上以相似的波形向前推進(jìn)，這種波稱為濃度擴(kuò)散波。在某一位置上濃度非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散達(dá)到穩(wěn)定的峰值濃度可以視為是擴(kuò)散波的振幅。

時(shí)間參數(shù)Δt被定義為擴(kuò)散穩(wěn)定時(shí)間與初始擴(kuò)散時(shí)間的差值，其可以用來(lái)表示擴(kuò)散波的周期性：Δt＝t_s-t₀。

如附圖一、二、三所示，擴(kuò)散波時(shí)間參數(shù)擴(kuò)散初始時(shí)間t₀和穩(wěn)定時(shí)間t_s在擴(kuò)散波的傳播過(guò)程中，在不同順風(fēng)位置上不斷變化，而在側(cè)風(fēng)和垂直方向上基本不變的。因此，基于濃度擴(kuò)散波此特性，可以進(jìn)行泄漏源的定位。

由圖四可以看出，擴(kuò)散初始時(shí)間、穩(wěn)定時(shí)間和增長(zhǎng)時(shí)間均隨順風(fēng)距離的增加而增大，且這種變化是可以看做是線形的。由于擴(kuò)散初始時(shí)間和穩(wěn)定時(shí)間是時(shí)刻值，而增長(zhǎng)時(shí)間是時(shí)間間隔值，該參數(shù)可以輕易通過(guò)擴(kuò)散波波形得到。因?yàn)樵鲩L(zhǎng)時(shí)間Δt隨離泄漏源順風(fēng)距離線形增加，可以表述為：

Δt＝kX+b

或X＝KΔt+B

其中，參數(shù)k或者K是線形系數(shù)，而b或B為剩余變量。所以，可以通過(guò)分析時(shí)間參數(shù)Δt與順風(fēng)距離之間的關(guān)系估計(jì)得到監(jiān)測(cè)點(diǎn)到泄漏源位置的距離。所以此結(jié)論就是基于擴(kuò)散波進(jìn)行定位的基本依據(jù)。

本發(fā)明提出基于擴(kuò)散波的近地表氣體泄漏快速定位方法包括兩點(diǎn)定位和三點(diǎn)定位方法。其中兩監(jiān)測(cè)點(diǎn)定位方法如圖五所示，其原理是利用在兩個(gè)不同順風(fēng)位置X₁、X₂處監(jiān)測(cè)得到擴(kuò)散波波形，根據(jù)不同位置處增長(zhǎng)時(shí)間與距離泄漏源順風(fēng)距離成線性關(guān)系，可以獲得監(jiān)測(cè)點(diǎn)1距離泄漏源得計(jì)算式：

其中，Δt₀,Δt₁,Δt₂分別是泄漏點(diǎn)、監(jiān)測(cè)點(diǎn)1以及監(jiān)測(cè)點(diǎn)2處的增長(zhǎng)時(shí)間，X₀₁是X₁距離泄漏源的距離,L₁₂是監(jiān)測(cè)點(diǎn)1和監(jiān)測(cè)點(diǎn)2之間的順風(fēng)距離。

但是，公式中所述時(shí)間參數(shù)Δt₀是擴(kuò)散波在泄漏點(diǎn)處的增長(zhǎng)時(shí)間，該值在實(shí)際操作過(guò)程中是很難測(cè)定，因而暫時(shí)假設(shè)Δt₀＝0，則X₀₁的初步估計(jì)值為：

由圖4增長(zhǎng)時(shí)間隨順風(fēng)距離的變化規(guī)律，可以看出，越接近泄漏源，增長(zhǎng)時(shí)間越短。但在泄漏源處氣體增長(zhǎng)時(shí)間并不為零，所以假設(shè)增長(zhǎng)時(shí)間為零，距離值將會(huì)被高估。比較上述兩式，可以得到偏差距離S的計(jì)算表達(dá)為：

其物理意義是偏差距離S為在Δt₀＝0假設(shè)下和真實(shí)條件下的估計(jì)距離差別，該值通常為負(fù)值。則監(jiān)測(cè)點(diǎn)1距離泄漏源的實(shí)際距離可以表述為：

若能得到S的值，則可以得到比較準(zhǔn)確的泄漏源位置。通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)S與式(1)中的剩余變量B是相同的，因而可以通過(guò)增長(zhǎng)時(shí)間與順風(fēng)距離的關(guān)系提前確定偏差距離值。在本專利所述定位方法中，偏差距離S主要依賴于地形特征和大氣條件，在常見(jiàn)的風(fēng)速范圍下(5且當(dāng)?shù)孛娲植诟叨葄₀遠(yuǎn)小于監(jiān)測(cè)高度h的時(shí)候m/s～8m/s)，偏離距離S基本保持穩(wěn)定,(z₀/h≤0.5)，S的絕對(duì)值隨著粗糙高度的增高而近似線性增大。所以在特定的地形環(huán)境和大氣環(huán)境下，偏差距離S為一穩(wěn)定值，利用該特性，確定了監(jiān)測(cè)點(diǎn)1和監(jiān)測(cè)點(diǎn)2處的增長(zhǎng)時(shí)間參數(shù)，就可以容易得到泄漏源距離監(jiān)測(cè)點(diǎn)1處的距離。

進(jìn)一步，為了減小兩監(jiān)測(cè)點(diǎn)定位方法帶來(lái)的誤差，本發(fā)明提出三監(jiān)測(cè)點(diǎn)定位方法，如圖六，在隨機(jī)三點(diǎn)定位條件下，從監(jiān)測(cè)點(diǎn)X₁處到泄漏源X₀之間的距離由下式計(jì)算得到：

其中是由點(diǎn)X₁和X₂處擴(kuò)散波估計(jì)得到的泄漏源離監(jiān)測(cè)點(diǎn)1的初始估計(jì)距離；是由X₁和X₃處的擴(kuò)散波得到的泄漏源離監(jiān)測(cè)點(diǎn)1的初始估計(jì)距離；是由X₂和X₃擴(kuò)散波得到的泄漏源離監(jiān)測(cè)點(diǎn)3的初始估計(jì)距離；L₃₁是監(jiān)測(cè)點(diǎn)3到監(jiān)測(cè)點(diǎn)1之間的順風(fēng)方向相對(duì)距離。