一種基于擴散波的近地表氣體泄漏快速定位方法與流程
本發明涉及危險氣體檢測監測領域，特別涉及對于近地表危險氣體泄漏源的快速監測定位方法。
背景技術：
在現代工業生產過程中，潛在危險氣體的泄漏可能會造成巨大的經濟損失、人員傷亡和環境破壞，比如地埋天然氣管道泄漏、地下儲氣庫泄漏、化工危險氣體儲運設備泄漏等，一旦發生泄漏，如果不及時處理后果不堪設想。因而如何在危險氣體泄漏后進行危險源位置的快速定位十分重要。
目前常用的方法有直接監測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測到明顯的泄漏發生后，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，而且對操作人員會帶來潛在的危害。間接定位方法是通過傳感器監測方法和數值算法結合實現泄漏源的定位。目前已有的泄漏源辨識算法主要是基于泄漏源反問題求解，分為直接反問題求解、最優化方法以及基于概率統計的隨機逼近三種方法。泄漏源反演算法盡管可以比較準確的獲得泄漏源位置信息，但是存在的問題是需要大量的監測數據，必須保證有足夠的監測點，同時，大部分泄漏源辨識算法由于需要結合計算流體動力學進行擴散模型計算，所以計算估計效率不高，嚴重影響了泄漏源辨識算法在快速定位方面的應用。
因而，在近地表危險氣體泄漏源的定位方面的研究尚存在不足，有待進一步的研究快速準確的泄漏源定位方法。
技術實現要素：
為解決現有技術存在的問題，本發明提出一種基于擴散波的近地表氣體泄漏快速定位方法，能夠在泄漏源順風方向位置通過兩個或三個監測點對泄漏氣體擴散情況的監測結果，實現快速定位。
為達到上述目的，本發明采用的技術方法是：
一種基于擴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散波，通過監測擴散波的時間參數，包括初始時間t0、穩定時間ts以及增長時間Δt，估算泄漏源距離監測點的位置。擴散波初始時間t0是傳感器監測到的泄漏氣體濃度開始增大的時刻，擴散波穩定時間ts為傳感器監測到泄漏氣體濃度達到穩定濃度的時刻，擴散波增長時間Δt是擴散波穩定時間ts與初始時間t0的差值，Δt＝ts-t0。由于擴散波初始時間t0、穩定時間ts隨著泄漏源順風距離X的增大而近似線性增加，而隨側風距離Y和垂直高度Z基本不變，所以增長時間Δt與順風距離也存在這樣的關系，可以表述為：
Δt＝kX+b (1)
或X＝KΔt+B (2)
其中，參數k或者K是線形系數，而b或B為剩余變量。所以，可以通過分析時間參數與順風距離之間的關系估計得到監測點距離泄漏源位置的距離。
進一步，基于擴散波原理的泄漏源快速定位方法包含兩點監測方法和三點監測定位方法。
進一步，對于兩點監測定位方法主要利用在沿泄漏源順風方向兩個位置X1、X2處監測到的擴散波變化，進行快速定位。其具體方法為：在兩個不同順風位置X1、X2處監測得到擴散波波形，X0是泄漏源位置、X1和X2沿順風方向兩個監測傳感器的位置、X01是X1距離泄漏源的距離，監測點1距離泄漏源的距離計算式如式(3)所示：
其中X01*為初始距離估計值，該值為假設泄漏源位置處泄漏氣體擴散增長時間為零的條件下監測點1處距離泄漏源的估計值，計算公式如式(4)：
其中L12為兩個監測點之間的順風距離，Δt1,Δt2為兩個監測點處分別監測到的增長時間。
偏差距離S為在Δt0＝0假設下和真實條件下的估計距離差別，該值通常為負值。其計算關系表達為：
其中Δt0為泄漏源位置處擴散波的增長時間。由于偏差距離S主要依賴于地形特征和大氣條件，在常見的風速范圍下(5m/s～8m/s)，偏離距離S基本保持穩定,且當地表粗糙高度z0遠小于監測高度h的時候(z0/h≤0.5)，S的絕對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境和大氣環境下，偏差距離S為一穩定值。利用該特性，只需要通過式(4)確定監測點1和監測點2處的增長時間參數，就可以容易得到泄漏源距離監測點1處的距離。
進一步，對于三點監測定位方法，主要利用在沿泄漏源順風方向隨機三個位置X1、X2、X3監測到的擴散波變化，從監測點X1處到泄漏源X0之間的距離由公式(6)得到
其中是根據式(4)，由點X1和X2處擴散波估計得到的泄漏源離監測點1的初始估計距離；是由X1和X3處的擴散波得到的泄漏源離監測點1的初始估計距離；是由X2和X3擴散波得到的泄漏源離監測點3的初始估計距離；L31監測點3到監測點1之間的順風方向相對距離。
與現有技術相比，本發明具有以下有益的技術效果：
(1)本發明所述的近地表泄漏快速定位方法，基于兩點或三點擴散波監測就可以實現泄漏源的快速定位，可以提高近地表氣體泄漏的定位效率；
(2)本發明所述的近地表泄漏源定位方法基于擴散波原理，如果采用三個以上的監測點結果將進一步修正估計結果，降低估計偏差；
(3)本發明所述泄漏定位方法可以用于地質儲存氣體技術中的氣體泄漏定位中，也可以用于化工設備危險介質儲運裝備泄漏定位當中，同時還可以用于環境危險氣體釋放源的定位。
附圖說明
圖1是本發明泄漏氣體濃度擴散波隨順風距離的傳播規律。
圖2是泄漏氣體濃度擴散波隨著側風距離分布規律。
圖3泄漏氣體濃度擴散波隨著距離地面高度的分布規律。
圖4擴散波時間參數隨順風距離的變化。
圖5兩監測點擴散波定位基本原理。
圖6三點擴散波定位原理。
具體實施方式
下面結合具體的實例和附圖對本發明做進一步的詳細說明，所述是對本發明的解釋而不是限定。
圖1中，橫坐標是時間/S，縱坐標是氣體濃度/ppm。Cs為穩定濃度，其為擴散達到穩定后的濃度值；t0為擴散初始時間，其為監測點觀察到泄漏氣體開始增大的時刻；ts是為擴散穩定時間，其為擴散達到穩定濃度的時間。順風距離L1<L2<L3<L4。擴散波沿順風距離傳播過程中，時間參數t0、ts隨著順風距離的增大而增大，而穩定濃度Cs隨順風距離的增大而減小。
圖2中，橫坐標是時間/S，縱坐標是氣體濃度/ppm。側風距離y1<y2<y3<y4。擴散波沿側風方向只有穩態濃度發生變化，不同側風位置處的穩態濃度隨著距離泄漏源位置的增大而減小，而時間參數t0、ts基本不發生變化。
圖3中，橫坐標是時間/S，縱坐標是氣體濃度/ppm。垂直高度z1<z2<z3。擴散波沿垂直高度只有穩態濃度發生變化，穩態濃度隨著距離地面距離的增大而減小，而時間參數t0、ts基本不發生變化。
圖4中，(a)為穩定時間ts對順風距離的變化；(b)為初始時間t0隨順風距離的變化；(c)為增長時間Δt隨順風距離的變化。其中Δt＝ts-t0。無論擴散初始時間、穩定時間還是增長時間均隨順風距離的增加而增大，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是沿順風方向兩個監測傳感器的位置、X01是X1距離泄漏源的距離。Δt1,Δt2分別是監測點1以及監測點2處的增長時間；L12是X1和X2之間的順風距離。由于擴散波時間參數在側風方向和垂直方向基本不變，所以兩監測點的連線不需要和風向一致。
圖6中，Δt1,Δt2，Δt3分別是監測點1、監測點2及監測點3處的增長時間；L12是X1和X2之間的順風距離；L31監測點3到監測點1之間的順風方向相對距離；L32監測點3到監測點2之間的順風方向相對距離。三個監測點位置滿足位于泄漏源順風方向即可。
本發明提供的定位方法，是基于濃度擴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間的擴散過程類似于機械波的傳播，其在不同位置上以相似的波形向前推進，這種波稱為濃度擴散波。在某一位置上濃度非穩態擴散達到穩定的峰值濃度可以視為是擴散波的振幅。
時間參數Δt被定義為擴散穩定時間與初始擴散時間的差值，其可以用來表示擴散波的周期性：Δt＝ts-t0。
如附圖一、二、三所示，擴散波時間參數擴散初始時間t0和穩定時間ts在擴散波的傳播過程中，在不同順風位置上不斷變化，而在側風和垂直方向上基本不變的。因此，基于濃度擴散波此特性，可以進行泄漏源的定位。
由圖四可以看出，擴散初始時間、穩定時間和增長時間均隨順風距離的增加而增大，且這種變化是可以看做是線形的。由于擴散初始時間和穩定時間是時刻值，而增長時間是時間間隔值，該參數可以輕易通過擴散波波形得到。因為增長時間Δt隨離泄漏源順風距離線形增加，可以表述為：
Δt＝kX+b
或X＝KΔt+B
其中，參數k或者K是線形系數，而b或B為剩余變量。所以，可以通過分析時間參數Δt與順風距離之間的關系估計得到監測點到泄漏源位置的距離。所以此結論就是基于擴散波進行定位的基本依據。
本發明提出基于擴散波的近地表氣體泄漏快速定位方法包括兩點定位和三點定位方法。其中兩監測點定位方法如圖五所示，其原理是利用在兩個不同順風位置X1、X2處監測得到擴散波波形，根據不同位置處增長時間與距離泄漏源順風距離成線性關系，可以獲得監測點1距離泄漏源得計算式：
其中，Δt0,Δt1,Δt2分別是泄漏點、監測點1以及監測點2處的增長時間，X01是X1距離泄漏源的距離,L12是監測點1和監測點2之間的順風距離。
但是，公式中所述時間參數Δt0是擴散波在泄漏點處的增長時間，該值在實際操作過程中是很難測定，因而暫時假設Δt0＝0，則X01的初步估計值為：
由圖4增長時間隨順風距離的變化規律，可以看出，越接近泄漏源，增長時間越短。但在泄漏源處氣體增長時間并不為零，所以假設增長時間為零，距離值將會被高估。比較上述兩式，可以得到偏差距離S的計算表達為：
其物理意義是偏差距離S為在Δt0＝0假設下和真實條件下的估計距離差別，該值通常為負值。則監測點1距離泄漏源的實際距離可以表述為：
若能得到S的值，則可以得到比較準確的泄漏源位置。通過對比可以發現S與式(1)中的剩余變量B是相同的，因而可以通過增長時間與順風距離的關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，在常見的風速范圍下(5且當地面粗糙高度z0遠小于監測高度h的時候m/s～8m/s)，偏離距離S基本保持穩定,(z0/h≤0.5)，S的絕對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境和大氣環境下，偏差距離S為一穩定值，利用該特性，確定了監測點1和監測點2處的增長時間參數，就可以容易得到泄漏源距離監測點1處的距離。
進一步，為了減小兩監測點定位方法帶來的誤差，本發明提出三監測點定位方法，如圖六，在隨機三點定位條件下，從監測點X1處到泄漏源X0之間的距離由下式計算得到：
其中是由點X1和X2處擴散波估計得到的泄漏源離監測點1的初始估計距離；是由X1和X3處的擴散波得到的泄漏源離監測點1的初始估計距離；是由X2和X3擴散波得到的泄漏源離監測點3的初始估計距離；L31是監測點3到監測點1之間的順風方向相對距離。
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