一種化學品事故現(xiàn)場有毒氣體監(jiān)測系統(tǒng)及其應急處理方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于化學品事故應急救援技術領域，故特別是一種用于獲取泄漏事故現(xiàn)場 有毒氣體濃度、GPS信息和視頻信息，并根據(jù)這些信息和氣象信息對事故情景進行綜合分析 和泄漏源強度反算，從而確定人員疏散范圍，為事故應急救援提供輔助決策信息的系統(tǒng)及 方法。 技術背景
[0002] 化學品事故發(fā)生后，可能會泄漏出大量有毒有害氣體，危及周邊居民安全及救援 人員人身安全。為了保障救援人員的安全，科學地劃定周邊人員疏散范圍，需要借助移動機 器人系統(tǒng)對現(xiàn)場的有毒氣體和視頻進行實時監(jiān)測，并根據(jù)現(xiàn)場氣象信息、有毒氣體濃度、氣 體泄漏模型進行計算分析，從而確定事故最大的影響范圍，為事故應急救援提供決策支持。
[0003] 由于有毒氣體的物性不同，有的比空氣重，有的比空氣輕，在擴散過程中沉降的高 度也不相同。因此，為了能夠?qū)崿F(xiàn)對現(xiàn)場有毒氣體的全面監(jiān)測，不僅要求移動機器人系統(tǒng)能 同時對多種有毒氣體進行實時監(jiān)測，而且還需要根據(jù)不同氣體的擴散特性動態(tài)調(diào)整采樣高 度。但是，現(xiàn)有的移動機器人多數(shù)只能對一兩種氣體進行實時監(jiān)測，在有毒氣體監(jiān)測過程中 也不能動態(tài)調(diào)整采樣高度，利用移動機器人監(jiān)測到的有毒氣體信息進行泄漏源強和事故影 響范圍計算、確定人員疏散范圍的應急決策方法均未見報導。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是為克服已有技術的不足之處，提出一種化學品事故現(xiàn)場有毒氣體 監(jiān)測系統(tǒng)及應急處理方法。該系統(tǒng)對化學品泄漏事故現(xiàn)場的6種有毒氣體濃度、GPS信息 和現(xiàn)場視頻進行實時監(jiān)測，并能根據(jù)有毒氣體的擴散特性動態(tài)調(diào)整采樣高度，并根據(jù)這些 信息、氣象信息、氣體擴散模型進行事故泄漏源強反算，確定事故影響范圍，從而為科學地 劃定人員疏散范圍和事故應急救援提供輔助決策支持，提高應急救援指揮的效率。
[0005] 本發(fā)明提出的一種化學品事故現(xiàn)場有毒氣體監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，
[0006] 包括移動機器人及與該移動機器人無線通信的遠程監(jiān)控子系統(tǒng)：其中移動機器人 包括：
[0007] 輪式驅(qū)動機構，是實現(xiàn)該移動機器人系統(tǒng)的行走機構；
[0008] 支撐結構，用于承載連接該移動機器人系統(tǒng)的各部分成為一個整體；
[0009] 絲杠傳動部件，用于實現(xiàn)該移動機器人系統(tǒng)有毒氣體采樣高度的調(diào)整；
[0010] 有毒氣體監(jiān)測部件，用于事故現(xiàn)場有毒氣體濃度和GPS信息的監(jiān)測；
[0011] 圖像采集部件，用于事故現(xiàn)場視頻圖像的采集；
[0012] 無線發(fā)送模塊，用于將有毒氣體濃度、GPS信息和視頻圖像無線傳送到遠程監(jiān)控子 系統(tǒng)；
[0013] 控制命令接收模塊，用于接收移動機器人系統(tǒng)運動、有毒氣體采樣高度、攝像機水 平與俯仰角度等控制指令；
[0014] 電源模塊，用于給移動機器人系統(tǒng)各部分供電；
[0015] 運動控制模塊，用于控制移動機器人系統(tǒng)運動方向和速度、攝像機水平角度和俯 仰角度、絲杠傳動部件滑塊的高度；
[0016] 遠程監(jiān)控子系統(tǒng)，實現(xiàn)控制移動機器人的運動控制、氣體采樣高度的控制以及有 毒氣體濃度與視頻圖像信息接收、顯示和處理分析。
[0017] 本發(fā)明還提出一種上述系統(tǒng)的化學品事故應急處理方法，其特征在于，該方法包 括以下步驟：
[0018] 1)現(xiàn)場布置有毒氣體監(jiān)測移動機器人系統(tǒng)
[0019] 將遠程監(jiān)控子系統(tǒng)部署于遠離事故現(xiàn)場的上風向區(qū)域，通過遠程無線遙控方式控 制移動機器人，使其運動至事故現(xiàn)場下風向區(qū)域；
[0020] 2)控制有毒氣體傳感器的采樣高度
[0021] 根據(jù)監(jiān)測到的有毒氣體物性，判斷其是否比空氣重；若有毒氣體比空氣重，則控制 氣體傳感器采樣高度為IOOcm ;若比空氣輕，則控制氣體傳感器采樣高度為150cm ;
[0022] 通過控制移動機器人絲杠傳動部件中滑塊的高度，實現(xiàn)有毒氣體傳感器采樣高度 的調(diào)整，具體控制方法如下：將滑塊要移動的距離，換算為控制絲杠旋轉的步進電機的轉動 角度，轉動角度除以步進電機的步進角，得到控制步進電機調(diào)整的步數(shù)；
[0023] 3)確定有毒氣體擴散模型
[0024] 當有毒氣體發(fā)生瞬時泄漏時，采用高斯煙團模型如公式（1)所示；當有毒氣體發(fā) 生連續(xù)泄漏時，采用高斯煙羽模型如公式（2)所示；
[0027] 其中：C(x，y，z，t)為泄漏介質(zhì)在某位置某時刻的濃度值；Q為泄漏源強度（mg/s); σχ、〇y、〇z分別為x、y、z軸上的擴散系數(shù)，根據(jù)大氣穩(wěn)定度選擇參數(shù)計算得到，單位為米 (m) ;x、y、z表示X、y、z上的坐標值，單位為米（m) ;u表示平均風速（m/s) ;t表示擴散時 間，單位為秒（s) ;H表示泄漏源的高度，單位為米（m);
[0028] 4)獲得有毒氣體泄漏源強度：
[0029] 假定有毒氣體泄漏初始時刻為t0 (s)，有毒氣體濃度采樣時刻為tc (s);
[0030] 4-1)計算得到有毒氣體瞬時泄漏時的泄漏源強度
[0031] 4-1-1)根據(jù)氣象部門獲得的平均風速u、大氣穩(wěn)定度的氣象信息，計算有毒氣體 在X、y、z軸上的擴散系數(shù)σ χ、σ y、σ z;
[0032] 4-1-2)獲取移動機器人在三個不同位置的有毒氣體濃度、GPS坐標、采樣時刻tc =tO+t的信息，根據(jù)泄漏源位置的GPS坐標，將監(jiān)測點的GPS坐標換算成高斯煙團模型采 用的直角坐標值（x，y，z);
[0033] 4-1-3)將上述三組有毒氣體濃度C(x，y，z，t)、位置信息（X，y，z)、采樣時刻（tc = tO+t)分別帶入公式（1)，行程三元方程組，計算得到泄漏源強度、泄漏源的高度、泄漏初始 時刻的預測值（Q，H，t0);
[0034] 4-1-4)根據(jù)該組預測值（Q，H，tO)運行高斯煙團模型，在每一測量時刻，將測量濃 度值與擴散模型的預測濃度值進行比較；若測量濃度值與預測濃度值不匹配，則重新給出 一組預測值：若測量濃度值〉預測濃度值，則對泄漏源強度Q遞增得到一個預測值，若測量 濃度值〈預測濃度值，則對泄漏源強度Q遞減一個值，再次運行此步驟4-1-4);若測量濃 度值與預測濃度值相匹配，則泄漏源強度Q被認為是真實值，記錄所預測的泄漏源強度、泄 漏源高度、泄漏初始時刻（Q，H，tO);
[0035] 4-2)計算得到有毒氣體連續(xù)泄漏時的泄漏源強度
[0036] 4-2-1)根據(jù)氣象部門獲得的平均風速u、大氣穩(wěn)定度等氣象信息，計算有毒氣體 在y、z軸上的擴散系數(shù)σ y、σ z;
[0037] 4-2-2)獲取移動機器人在兩個不同位置的有毒氣體濃度、GPS信息、采樣時刻（tc =tO+t)等信息，根據(jù)泄漏源位置的GPS信息，將監(jiān)測點的GPS坐標換算成高斯煙團模型采 用的坐標系坐標值（x，y，z);
[0038] 4-2-3)將兩組有毒氣體濃度C(x，y，z，t)、位置信息（X，y，z)分別帶入公式（2)，行 程二元方程組，計算得到泄漏源強度、泄漏源的高度的預測值（Q，H);
[0039] 4-2-4)根據(jù)該組預測值（Q，Η)運行高斯煙團模型，在每一測量時刻，將測量濃度 值與擴散模型的預測濃度值進行比較；若測量濃度值與預測濃度值不匹配，則重新給出一 組預測值：若測量濃度值〉預測濃度值，則對泄漏源強度Q遞增得到一個預測值，若測量濃 度值〈預測濃度值，則對泄漏源強度Q遞減一個值，再次運行此步驟4-2-4)(問題與上步 驟同）；若測量濃度值與預測濃度值相匹配，則泄漏源強度Q被認為是真實值，記錄所預測 的泄漏源強度、泄漏源高度（Q，Η)。
[0040] 5)人員疏散范圍的確定
[0041] 根據(jù)獲得的有毒氣體泄漏源強度，得到有毒氣體中毒事故最大的人員死亡、重傷、 輕傷的影響范圍，并在GIS地圖上顯示出，以確定人員疏散范圍。
[0042] 本發(fā)明的特點及效果：
[0043] 該系統(tǒng)能夠?qū)崟r采集化學品泄漏事故現(xiàn)場各監(jiān)測點的泄漏氣體濃度、GPS信息以 及現(xiàn)場視頻圖像信息，并無線傳送到遠程監(jiān)控子系統(tǒng)，并可根據(jù)有毒氣體物性動態(tài)調(diào)整有 毒氣體傳感器的采樣高度；遠程監(jiān)控子系統(tǒng)根據(jù)事故現(xiàn)場的泄漏氣體濃度、風向風速、各監(jiān) 測點的位置信息和氣體擴散高斯模型，計算泄漏源的強度，計算事故傷害后果，為科學的劃 定人員疏散范圍提供輔助決策支持，對提高事故應急救援指揮的效率和控制事故損失具有 重要的作用。
【附圖說明】
[0044] 圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)結構組成圖。
[0045] 圖2為本發(fā)明的系統(tǒng)電路連接關系框圖。
[0046] 圖3為本發(fā)明的方法流程圖。
【具體實施方式】
[0047] 本發(fā)明提出的化學品事故現(xiàn)場有毒氣體監(jiān)測系統(tǒng)及其應急處理方法結合附圖及 實施例詳細描述如下：
[0048] 本發(fā)明的系統(tǒng)包括：輪式驅(qū)動機構1、支撐結構2、絲杠傳動部件3、有毒氣體監(jiān)測 部件4、圖像采集部件5、無線發(fā)送模塊6、控制命令接收模塊7、電源模塊8、運動控制模塊9 組成的機器人，以及與機器人無線通信的遠程監(jiān)控子系統(tǒng)10 ;有毒氣體監(jiān)測部件包括6種 有毒氣體傳感器、有毒氣體濃度采集電路板和GPS定位模塊；圖像采集部件包括圖像采集 處理模塊和紅外高清攝像機、俯仰角度控制舵機、水平轉動控制舵機；
[0049] 其中機器人各部分的機械連接關系為：輪式驅(qū)動機構與支撐結構連接；絲杠傳動 部件與支撐結構連接；有毒氣體監(jiān)測部件的6種有毒氣體傳感器嵌裝在絲杠傳動部件上， GPS定位模塊固定在支撐結構上，有毒氣體濃度采集電路板與圖像采集部件的圖像采集處 理模塊連接；圖像采集部件的圖像采集處理模塊固定在運動控制模塊上，水平轉動控制舵 機固定在