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基于传感器布局的有毒云团扩散预测研究

基于传感器布局的有毒云团扩散预测研究

作者：刘政西安理工大学

学位级别：硕士

随着我国经济飞速发展,社会对化工产品的需求日益增加,化工产品在给社会带来便利的同时伴随着一定的危险性。化工产品在其生产、运输和存储过程中,由于管理疏忽、技术故障、自然灾害等原因导致有毒气体泄漏事故的发生。有毒气体泄漏后... 详细信息

随着我国经济飞速发展,社会对化工产品的需求日益增加,化工产品在给社会带来便利的同时伴随着一定的危险性。化工产品在其生产、运输和存储过程中,由于管理疏忽、技术故障、自然灾害等原因导致有毒气体泄漏事故的发生。有毒气体泄漏后会迅速形成有毒云团,并在风力的作用下不断扩散,对人民和环境造成巨大威胁,因此对于有毒气体泄漏后如何准确溯源、预测扩散范围,是亟待深入研究的问题。有毒云团扩散是一个长期的病态过程。由于有毒云团的扩散轨迹受到气象、地形等因素影响,同时参数噪声导致的误差将随着扩散模型的迭代不断累积,导致实现准确预测变得困难。通过传感器观测数据对预测结果进行修正是实现准确预测的主要手段。在实际应用中,由于传感器的布置维护成本限制,无法大规模布置。因此如何策略性的布置传感器,使在捕获到充足信息量的同时减少传感器所需数量具有重要意义。本文聚焦于有毒气体突发泄漏背景下的扩散预测问题研究。首先以大气扩散模型和信息熵理论为基础,研究了传感器快速优化布置策略,旨在利用少量传感器获得更多有关未知参数的信息。其次基于数据融合思想实现突发泄漏事故下的未知源项估计和扩散准确预测,为安全决策的制定提供帮助。论文主要内容包括:(1)基于最小冗余信息的传感器快速优化布置针对突发泄漏背景下的传感器优化布置问题,本文提出基于互信息的传感器快速优化布置策略,以确保在传感器数量受限制情况下能捕获到足量的有效数据。首先通过最大化传感器数据和未知参数间的互信息,使得通过传感器观测数据能计算得到更多关于未知参数的信息;其次最小化不同传感器数据间的冗余信息,减少传感器组合的互信息冗余程度,从而可以用较少的传感器获取最大的信息量;最后提出基于动态梯度的传感器搜索策略,提高互信息解空间的搜索效率。(2)基于多源数据的有毒云团扩散预测针对泄漏源参数噪声和扩散模型系统噪声导致的误差在大气扩散模型迭代过程中不断累积的问题,本文构建了基于多源数据的有毒云团扩散预测模型。首先通过集合卡尔曼滤波实现对未知泄漏源位置的准确估计。统计分析浓度和泄漏速率间关系,发现不同泄漏速率情形下的线性关系,降低了参数噪声对扩散模型预测精度的影响;其次通过将对传感器位置处的浓度预测转换为对云团中心点的浓度预测,降低了不同传感器数据间的数据异质性对扩散预测的影响,并实现了基于集合卡尔曼滤波的有毒云团扩散准确预测;最后构建了有毒气体扩散预测平台,直观地展示有毒气体的扩散轨迹和影响范围,为有毒气体泄漏后的安全决策制定提供帮助。

关键词：毒气扩散信息熵理论传感器布局数据融合集合卡尔曼滤波

基于改进K-medoids算法的土壤墒情传感器布局优化

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中国农业大学学报 2022年第8期27卷 221-233页

作者：汪涛张武苗犇犇刘波王瑞卿张立付徐少翔饶元江朝晖安徽农业大学信息与计算机学院合肥230036 智慧农业技术与装备安徽省重点实验室合肥230036

针对茶园土壤墒情传感器布局中传感器数量过多、数据冗余度过大的问题,采用改进的K-medoids方法,优化茶园土壤墒情传感器使用数量及部署位置。在保证茶园传感网络全覆盖的基础上,实时采集各传感节点数据;构造各传感器在不同天气条件下... 详细信息

针对茶园土壤墒情传感器布局中传感器数量过多、数据冗余度过大的问题,采用改进的K-medoids方法,优化茶园土壤墒情传感器使用数量及部署位置。在保证茶园传感网络全覆盖的基础上,实时采集各传感节点数据;构造各传感器在不同天气条件下的时间序列数据,并运用三次样条插值法拟合成连续函数;应用谱排直法定义新的时间序列数据的距离函数替换K-medoids中的欧氏距离,将聚类中心作为最终的传感器布点;随机选取位置并采集土壤相对含水率以验证聚类中心作为传感器布点的代表性。采用改进前和改进后的K-medoids方法对2018-07—2018-08(试验Ⅰ)和2020-12(试验Ⅱ)采集的土壤墒情数据进行聚类。结果表明:1)改进的K-medoids将32个传感器减少到4个,改进前后簇中心墒情值与簇均值的相对偏差,试验Ⅰ由2.85%降到1.91%,试验Ⅱ由2.01%降到1.43%;2)改进K-medoids所得聚类中心相对含水率与试验区域平均值相近,相对偏差小于2%;3)以改进的K-medoids算法所得聚类中心作为起点的布点路径长度为82.4m,使用8个传感器,优于改进前的106.5m和10个传感器。基于改进K-medoids的布局方法能够优化传感器的数量和位置并且在不同天气条件下均适用。

关键词：土壤墒情传感器布局相对含水率时序数据 K-medoids

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面向频谱环境地图重构的传感器布局优化

电波科学学报 2023年

作者：高钱豪赵翼朱秋明郭兰图林志鹏林云王洁哈尔滨工程大学中国电波传播研究所南京航空航天大学电磁频谱空间认知动态系统重点实验室

复杂电磁环境下分布式传感器的数目和数据采集的时间非常有限，严重影响了电磁频谱环境地图的重构精度。本文提出了一种面向频谱地图重构的传感器布局和优化方法。该方法基于压缩感知理论，根据感知矩阵相关性越小、重构精度越高的原则... 详细信息

复杂电磁环境下分布式传感器的数目和数据采集的时间非常有限，严重影响了电磁频谱环境地图的重构精度。本文提出了一种面向频谱地图重构的传感器布局和优化方法。该方法基于压缩感知理论，根据感知矩阵相关性越小、重构精度越高的原则，通过梯度下降法进行优化，获得最佳测量矩阵的表达式。此外，设计了一种基于贪婪匹配的位置优化算法进行传感器位置选择，以解决最佳测量矩阵无法直接映射到传感器位置的问题。针对校园场景的频谱环境地图数据进行了仿真验证和性能评估，结果表明，在5%～60%稀疏采样条件下，本文所提传感器布局方案的重构性能优于其他布局方案，平均绝对误差提升了约20%～50%，可以用于辅助真实环境下频谱数据的高效采集和频谱地图的精确构建。

关键词：频谱环境地图空间采样传感器布局压缩感知空间重构

采用ELM和优化电压传感器布局的光伏阵列故障检测与区域定位

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福州大学学报（自然科学版） 2022年第4期50卷 475-482页

作者：王涛林培杰周海芳程树英陈志聪吴丽君福州大学物理与信息工程学院微纳器件与太阳能电池研究所福建福州350108

为快速检测并定位光伏阵列中出现的故障,提出一种新的传感器布局策略,通过优化电压传感器的位置减少电压传感器的数量,同时显化故障的特征.然后,将定位问题转化为分类问题,选用极限学习机(ELM),将最大功率点处的电压数据作为输入训练分... 详细信息

为快速检测并定位光伏阵列中出现的故障,提出一种新的传感器布局策略,通过优化电压传感器的位置减少电压传感器的数量,同时显化故障的特征.然后,将定位问题转化为分类问题,选用极限学习机(ELM),将最大功率点处的电压数据作为输入训练分类模型.结合实验室屋顶光伏并网发电平台获取的故障数据,对健康状态和所设置的3种故障状态下细化的故障共18种类别,进行分类模型的建立与测试.实验表明,应用本模型故障检测与区域定位的精确率达99.52%,优于所对比的支持向量机、多层感知机网络和随机森林的诊断结果.

关键词：光伏阵列故障检测故障定位传感器布局极限学习机

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新测度下交通传感器布局的建模与优化

华南理工大学学报（自然科学版） 2013年第4期41卷 63-70页

作者：李海舰董宏辉贾利民徐东伟胡月北京交通大学轨道交通控制与安全国家重点实验室北京100044 北京交通大学交通运输学院北京100044

交通传感器网络节点的布局关系到智能交通系统的经济效益.文中利用交通信息空间特性的新测度,在传感器最大信息价值和最小投资成本的博弈中建立了最大综合价值优化模型,并通过构造有向图将模型求解转化为有向图的最短路问题,分析了该模... 详细信息

交通传感器网络节点的布局关系到智能交通系统的经济效益.文中利用交通信息空间特性的新测度,在传感器最大信息价值和最小投资成本的博弈中建立了最大综合价值优化模型,并通过构造有向图将模型求解转化为有向图的最短路问题,分析了该模型的相关参数并给出了各参数的数学描述和标定方法.为了简化问题,在最大综合价值模型的基础上给出了简化模型,并推导出传感器个数与综合价值的函数关系.最后通过北京市三环路传感器布局实例,确定了北京市三环路的最优断面传感器个数为142,最佳布设间距约为676m.结果表明,与广泛应用的图论模型相比,文中模型不但能确定最优传感器的个数,还能给出各传感器的最佳位置.针对不同情形对模型各参数进行标定,结果表明,文中模型易于扩展到不同城市、不同道路条件、不同传感器类型的情形,具有很好的普适性.

关键词：交通运输系统工程交通传感器网络传感器布局最大综合价值模型优化

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基于故障检测和可靠性约束的传感器布局优化

电子学报 2006年第2期34卷 348-351页

作者：杨光刘冠军李金国杨国峰空军装备研究院雷达所环境与可靠性试验中心北京100085 国防科技大学机电工程研究所湖南长沙410073

传感器布局优化是实现机电设备机内测试(B IT)系统设计优化的重要方法之一,保证系统对检测目标具有较好的检测效能是传感器布局优化的重要约束.通过测试信息模型分析,可知传感器自身可靠性问题将会影响系统效能的实现.本文在分析传感器... 详细信息

传感器布局优化是实现机电设备机内测试(B IT)系统设计优化的重要方法之一,保证系统对检测目标具有较好的检测效能是传感器布局优化的重要约束.通过测试信息模型分析,可知传感器自身可靠性问题将会影响系统效能的实现.本文在分析传感器故障概率对测试系统故障检测效能的影响的基础上,以传感器的故障概率和最小及传感器总价格最小为优化目标,以故障检测率、故障隔离率及虚警率为约束,基于系统故障———传感器的测试信息模型,设计并构建了一个传感器布局多目标优化的非线性整数规划模型(M INLP),对其求解可得到B IT系统的传感器布局优化设计方案,并以某伺服B IT系统为例进行优化设计分析.

关键词：测试系统传感器布局故障检测可靠性

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基于键合图模型的传感器布局方法

北京航空航天大学学报 2016年第6期42卷 1142-1148页

作者：凌牧袁海文北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院北京100083

为研究传感器布局对于故障诊断性能的影响,使用键合图方法对系统建模。通过在键合图模型中设置虚拟传感器模拟测点,利用键合图的结构信息和因果关系约束推导出一组解析冗余关系式,即系统残差,通过分析残差、故障及传感器配置的关系,提... 详细信息

为研究传感器布局对于故障诊断性能的影响,使用键合图方法对系统建模。通过在键合图模型中设置虚拟传感器模拟测点,利用键合图的结构信息和因果关系约束推导出一组解析冗余关系式,即系统残差,通过分析残差、故障及传感器配置的关系,提出了一种基于满足故障检测性和隔离性要求的传感器布局方法,在最大限度满足系统诊断性能前提下选择数量最少的传感器配置方案。最后,以同步发电机为例建立键合图传感器布局模型,通过残差推导其结构故障特征矩阵以及传感器特征矩阵,并对所提出的传感器优化布局方法进行验证,得出在参数性故障检测和隔离性能最高前提下的传感器配置方案。

关键词：传感器布局键合图故障检测和隔离同步发电机参数性故障

基于改进离散粒子群算法优化故障等级的传感器布局

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计算机与数字工程 2023年第12期51卷 2795-2800页

作者：詹梦园李震田璐苗虹江苏科技大学电子信息学院镇江212003 江苏科技大学经济管理学院镇江212003

文章提出一种基于改进离散粒子群算法优化故障等级的传感器布局方法用于解决传感器检测故障的布局问题,通过故障模式影响和危害性分析得到系统的故障模式,对系统故障模式进行故障等级划分;然后依据故障等级漏检率构造约束条件,传感器成... 详细信息

文章提出一种基于改进离散粒子群算法优化故障等级的传感器布局方法用于解决传感器检测故障的布局问题,通过故障模式影响和危害性分析得到系统的故障模式,对系统故障模式进行故障等级划分;然后依据故障等级漏检率构造约束条件,传感器成本构造适应度函数;并构造出非线性优化学习因子的动态调整策略;利用改进的离散粒子群算法求解故障漏检率约束条件下适应度函数最优的传感器布局离散序列,仿真实验表明应用文章方法布局具有在满足不同故障等级的漏检率条件下的成本低优越性。

关键词：离散粒子群算法故障等级学习因子传感器布局

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变压器局部放电检测的传感器布局优化

信息与电脑 2022年第2期34卷 45-49页

作者：郭雪婷上海电力大学电子与信息工程学院上海200082

实现对局部放电(Partial Discharge,PD)源的准确定位对电气设备长期安全运行具有重要意义。电磁波在变压器内传播会发生反射、折射和衍射,进而会导致时延误差。因此,本文提出了一种综合变压器内部结构优化传感器布局的方法。通过设置多... 详细信息

实现对局部放电(Partial Discharge,PD)源的准确定位对电气设备长期安全运行具有重要意义。电磁波在变压器内传播会发生反射、折射和衍射,进而会导致时延误差。因此,本文提出了一种综合变压器内部结构优化传感器布局的方法。通过设置多个不同位置的PD源,并分别计算出相应的传感器布局方案对时延误差的敏感度,从而选择最佳传感器组的布局。最后,基于HFSS的仿真实验平台验证本文方法的有效性。

关键词：局部放电变压器特高频检测法传感器布局