专利名称：高效率环境浓度侦测搜寻系统及方法
技术领域：
本发明涉及环境侦测搜寻技术领域，尤其是一种高效率环境浓度侦测搜寻系统及方法，系利用自动搜寻技术，配合讯号分析和空气混合功能，让监视区域大幅增加，且侦测搜寻时间缩短，不但可降低昂贵的侦测系统成本，使其更普及化，又可快速找到出事地点，使其更实用化，同时其又可应用于气体、液体、毒气等的侦测。
另者，有为降低成本采取轮流监督的方式，例如840平方公尺，要扩大四倍的监督区(约3360平方公尺)，则用一个4对1的切换开关放在云雾箱的入口前，让四个区域的空气每分钟各有15秒的时间分别轮流进入云雾箱做侦测，这样虽然降低制作成本，但火灾侦测的反应时间却慢4倍，即从15秒变成1分钟，如果需要64倍的监督区域，即足足慢了16分钟，为降低成本却增加反应时间的作法，对于讲求时效性的火灾侦测系统来说相当不可行。
首先，我们先了解火灾侦测系统中侦测浓度成分的云雾箱(cloudchamber)--系运用集凝核(condensation nuclei)技术，使大小粒子被直径约20microns的小滴围住，以侦测次微粒子浓度，因该侦测系统对各大小粒子有相同的灵敏度，使得集凝核技术的误报情形最小，其可侦测的粒子直径小至0.002微米以下，浓度范围是300到107粒/毫米；本发明保留此特性作为空气浓度分析的侦测，另本发明将欲监督区域分隔为数个，每一分隔监督区域皆以每分钟14公升的速度将空气送到空气混合器内充分混合，再由空气混合器内以每分钟14公升的速度抽取混合空气样本，进行微粒子浓度的侦测，如此，即便监督区域增大，但火灾侦测的时间仍可保持不变。
当然，于混合器中抽取出的混合空气样本系经混合后稀释其原有的微粒子浓度，但本发明配合运用背景消除法、信号放大法，来降低因监督区域扩大而产生灾区信号被稀释的负面效果，以增加信号杂讯比，使被稀释的原始信号还原，如发现有异常情形(过热)则启动本发明的自动搜寻系统，使在极短时间内，找到发生异常的区域，其中，自动搜寻系统应用二分、三分或混合搜寻技术(binary，tertiary or mixing searchingtechnique)配合信号对比、信号分析等方法来进行搜寻。
对于上述本发明所应用的背景消除、信号放大、搜寻技术、信号对比及信号分析法，以下分别述及其原理背景消除法，为侦测到样本空气的微粒子浓度减去一般背景浓度，因空气的尘粒子浓度一般约为104±5％粒/毫升，其中±5％是假设背景浓度的变化量，约相当于±500粒/毫升。若把最低背景浓度(9500粒/毫升)减去，则可得到样本背景浓度的变化量0-103粒/毫升，以最大背景浓度变化量103粒/毫升当作杂讯，去取代平均背景浓度104粒/毫升，无形中，把杂讯降了10倍，同理也把信号杂讯比增加了10倍。
信号放大法，为根据气体被稀释的倍数来放大侦测信号，不但可还原原始信号的大小，又可突显异常信号的产生。
搜寻技术，系采取二分、三分或混合法的策略；以二分法为例，在每个侦测间隔，仅开启欲侦测区域数目之一半开关阀，而关闭另一半数的开关阀，只要将这次量测结果，比较于上一次的量测数据，就可以知道火灾发生在那一半数区域了。以二分法再依序侦测、搜寻异常浓度的分隔监督区域，直至无法再以二分法为止，如此，便可找到具有异常浓度的该分隔监督区域。二分法适合2的倍数的分隔监督区域，譬如2，4，8，16，32，64等。对于介于这些数字中间的分隔监督区域数目，仍然可以采用二分法，不过搜寻次数会增加一次，譬如8和16分别是23和24，所以搜寻次数分别是3次和4次；而介于8和16间的数字则需要3或4次的搜寻。至于三分法，是每次将监督区域分为3群，依序关闭各群的开关阀，由量测讯号就可知道那一群发生异常现象，是适合7的倍数的分隔监督区域，譬如7，9，27，81等。以9为例，先判断(1-3，4-9)，若异常不在1-3，则再判断(4-6，7-9)；若在4-6，则判断(4，5-6)，若在第4区域，则结束搜寻；若不在4，则判断(5，6)，造成搜寻次数可能2，3或4次。若用二分法来判断9，则搜寻次数是3或4次，因此对于3的倍数，三分法有可能节省一次的搜寻次数，这对分秒必争的火灾侦测或环境侦测是相当重要的。由以上论证，二分法和三分法是本发明最基本的搜寻技巧，任何数目的分隔监督区域，可用这两方法结合而成，而达最佳搜寻效率或最短搜寻时间。譬如18，可先用二分法形成二个9，再用三分法；譬如17，可先用二分法，形成8和9，再分别用二分及三分法处理，故凡所有数字皆可用二分和三分法达到最佳搜寻效率，也使后续的信号处理较为容易。注意，此论证的是同一时间只有一个区域发生异常现象的搜寻技术，若同一时间有一个以上区域发生异常现象，则需要配合信号处理技巧，才能以最短时间找出这些异常区域。
信号对比法，是用来辅助搜寻技术，以适用同时一个以上分隔监督区域发生异常的现象，其主要系将下一次侦测间隔量测到的信号对比于上一次侦测间隔量测到的信号，以二分法为例，若异常信号没有加倍现象，就必须对未被监测到的分隔监督区域进行搜寻动作，以确实找到发生异常的分隔监督区域。
信号分析法，系运用信号分析各项技术，譬如频谱、自我关连、讯号平均法、模糊法则、类神经分类学习法等诸信号处理技术来分析背景资讯及欲侦测物(气体、毒气、液体)状况的资讯，以大幅增加系统的搜寻效率和准确性。
依上所述即可达早期火灾侦测系统的改良，达到降低成本及普及化的目的，另本发明的此一技术亦可应用于毒气、液体或另种气体等的浓度侦测；如为毒气侦测系统则将浓度侦测的云雾箱改为半导体、生化、液晶显示器等高科技制程的侦测法，另且，若为液体监测，则改为抽取液体，且为液体的混合、取样，当然，云雾箱的浓度侦测器亦为改为适用液体的侦测器。
由上得知，本发明系一种高效率环境浓度侦测搜寻系统及方法，该系统包括数开关阀、抽汲系统、混合器及浓度侦测器，应用时须将监督区域分隔数区而分别装设开关阀，经分别抽取侦测物(气体、毒气、液体)后加以混合，再由混合器中抽取欲侦测物的样本，另须配合运用背景消除法、信号放大法、半边搜寻法、信号对比法及信号分析法...等来过滤侦测及搜寻，以达快速得知何处分隔监视区域具异常的浓度反应，并可增强警报的提早通知。
所以，本发明的主要目的在于提供一种成本较为低廉且搜寻时间大幅缩短的侦测系统，使运用该发明的自动搜寻技术，配合讯号分析和空气混合功能，让监视区域大幅增加、搜寻时间大幅缩短，以降低昂贵的侦测系统成本，使其更普及化和实用化，且其可应用于气体、液体、毒气等的侦测。
图号说明
1...分隔区2...开关阀3...混合器4...云雾箱5...马达
图1中，为应用本发明的极早期火灾侦测系统(IFD)，其实施例系将监督区域区分隔为8个分隔区1，主要包括数开关阀2、抽汲系统、混合器3及云雾箱4(浓度侦测器)，其中开关阀2，系装设于各分隔区1，以控制各分隔区1的气体流入。
抽汲系统，运用马达5，抽取各分隔区1送的空气样本到云雾箱4，进行空气浓度成分的分析。
混合器3，负责各分隔区1送来的空气样本的充分混合及稀释浓度。
云雾箱4(浓度侦测器)，用来分析稀释后抽样空气内成分的装置(注意抽样空气经稀释，浓度已降低)。
实施时，各分隔区皆以每分钟14公升的速度将空气送到空气混合器，如此，造成每分钟112(14×8)公升的空气在混合器里做充分的混合，另云雾箱亦只以每分钟14公升的速度抽取混合器内的空气样本，进行微粒子浓度的侦测，此时侦测到的微粒子浓度再运用背景消除法，将空气样本的微粒子浓度减去一般背景平均浓度(因空气的尘粒子浓度一般约为104粒/毫升，而微粒子浓度的变化大约±5％，因而可得背景浓度变化量系为103粒/毫升)，当作背景杂讯，再配合信号放大法还原原始信号大小，使突显异常信号，如此，便可得知检试微粒子浓度是否有异常现象；如有，则启动本发明的自动搜寻系统来侦测，其自动搜寻系统即采所谓二分、三分或混合搜寻技术配合信号对比法及信号分析法，以找寻火灾发生之一或一个以上的分隔区。
本实施例(见图1)采取所谓的二分搜寻法(因为8是2的倍数)，其搜寻流程图如图2所示，一般状况系将开关阀全数打开，让8个区域都受到监督，在发生异常现象时，则进入二分搜寻法，使1-4群区打开而5-8群区则关闭，在第0-15秒的侦测间隔内，只监督1-4群区，分析侦测到的1-4群区信号，若比全区(1-8群区)信号还大(注意放大倍数的调整)，则确定过热现象发生在1-4群区，反的则就在5-8群区，依序再检测过热的1-4群区或5-8群区，将其区分为二再予以二分搜寻法，且续于15秒内监督，再分析哪一分群区的信号比全群区信号还大，依序搜寻即可得知哪一分隔区为过热的区域。依据图2的搜寻流程图可知，只要对比三次，就可判断出哪一个区域有异常现象。如找到过热的分隔监督区域，则将其开关阀打开，而其他关闭，做再次确认实验。如真有过热现象，每次把监督区域缩小1倍，则讯号杂讯比也随的加大倍，如此，若信号杂讯比没有加倍现象，表示是误判，可以随时还原到全区监督的状态，而若信号杂讯比有增倍的现象，表示过热现象确实发生，也就不必做最后步骤的确认实验，这样可以减少一次的搜寻次数。
综上所述，火灾的发生当然也不以单一区为限，可能同时发生在二区或三区等，因而除了有搜寻技术外，仍须配合信号对比法及信号分析法来不断过滤侦测及续搜寻，以达快速得知何处为火灾发生的各分隔区。
信号对比及信号分析法的作法系如第一、二、五区同时发生过热现象，而在第一次用二分法就选到1-4群区，则信号有加大但非加倍(因为2/4＞3/8)的现象，这种情形，仍必须保留对5-8群区作搜寻火灾的动作；反的在第一次用二分法就选到5-8群区，则信号反而有减小现象(因为1/4＜3/8)，这种情形，也必须保留对1-4群区进行搜寻的动作，由于各种情状相当多，最简单的方式是碰到没有信号加倍(指下次侦测间隔的信号对比于上一次侦测间隔的信号)现象时，就必须分别去搜寻当下的两群区，不可忽略另一半未被选来作判断的群区，另如果过热区域不为同时发生，则由于自动搜寻速度相当快，可在找到一个过热区域后，再重回全区搜寻(过热区域除外)，找到另一个接续发生过热的区域。
以上所述为本发明应用于火灾侦测的实施例，当然本发明亦可另应用于毒气侦测器，此时的环境浓度侦测设备的浓度侦测器不为云雾箱，而以配合半导体、生化、微机电制程、液晶显示器等高科技制程以为毒气浓度侦测器的依据。另则，信号分析法，系运用信号分析各项技术，譬如频谱、自我关连、讯号平均法、模糊法则、类神经分类学习法等诸信号处理技术来分析背景资讯及欲侦测物(气体、毒气、液体)状况的资讯，以大幅增加系统的准确性。其中(1) 频谱分析法可分析日常背景杂讯的频率分布，一旦信号对比法找出异常现象，也可用频谱分析来重复确认过热区域，因为信号对比法是在时域分析信号，而频谱分析法则在频域分析信号，两者可以相辅相成。
(2)自我关连法(Auto-correlation method)自我关连法是用来找寻一片杂讯当中，是否隐含有意义的信号，这对极早期侦测相当重要，因为一发生过热现象，刚开始散发出的粒子数目会小于背景杂讯，但自我关连法运用信号时间位移技术来对信号本身作关连性分析，通常可以在一片杂讯当中，找出有意义的非杂讯信号，作为异常现象的判断基础。
(3)信号平均法(signal averaging method)信号平均法也是一种从一片杂讯当中，找出有意义的信号，但作法不同于自我关连法。信号平均法是把一组杂讯，不断的相加，结果会造成信号杂讯比增加为相加次数的平方根倍数，如果信号被埋没在杂讯当中，只要相加次数过多，就可以将有意义的信号突显出来，作为异常现象的判断基础。
(4)模糊法则(Fuzzy logic rule)和类神经学习法(neuro netlearning method)模糊法则和类神经学习法两者是近代常用的信号处理技术，两者都可以对信号作学习与分类的功能，两者更可结合成类神经模糊技术以加快运算技术，使背景杂讯与异常现象可以透过这两技术加以分类与学习，不但可以加强侦测能力与异常现象的分类，又可以大大消除误报的发生。
本发明对监督区域不用扩大，却需要大幅增加分隔监督区域的案例，可大幅缩短搜寻时间。譬如监督区域仍然保持840m2，但却分割成256个小分隔区，本发明只需要搜寻8次，就可找到异常分隔区，以云雾箱为例，只需8×15＝120秒或2分钟。
本发明可应用于任何环境浓度(气体、液体等)的侦测，其应用分区的抽取侦测物予以混合，且再次抽取样本的方式，缩短反应时间，虽须以二分、三分或混合搜寻法找寻，但其搜寻速度相当快，可于短时间内再重回全区再次搜寻，以监督2n个区域为例，则搜寻时间是nT，其中T是侦测间隔，以云雾箱为例，侦测间隔T是15秒，上述实施例为8监督区域，则需要nT＝3×15＝45秒的自动搜寻时间，所以搜寻效率相当高，比较于逐一搜寻技巧，其需要耗费8×15＝120秒的时间。当监督区域扩大到64倍或128倍，二分搜寻法的搜寻时间只需90秒(6×15)或105秒(7×15)而已，已非逐次逐寻方式所能比较了。
权利要求
1.一种高效率环境浓度侦测搜寻方法，其特征是将监督区域分隔数区，经分别抽取侦测物(气体、毒气、液体)后加以混合、侦测，一当查出有异常浓度反应则运用二分、三分或混合搜寻法，予以分区抽取侦测物混合、侦测，以查寻异常区域，另须配合运用背景消除法、信号放大法、信号对比法及信号分析法来过滤侦测及搜寻，以快速得知哪一分隔区域具异常浓度反应，并可增加警报的提早通知，其中二分、三分或混合搜寻法，系采取二分法、三分法或混合法的策略，其中二分法是在每个欲侦测的监督区域，仅开启欲侦测的半数开关阀，而关闭另一半数的开关阀，且续以二分法再依序侦测、搜寻异常浓度的分隔群体区域，直至无法再以二分法为止，即可找到具异常浓度的该分隔区域；三分法则每次只开启三分之一的开关阀，就可依序找出那三分隔区发生异常现象，再对这三分隔区，进行二分法，即可快速找出具异常浓度的该分隔区域；混合法则是二分法和三分法联合使用，以搜寻任何数目的分隔区域；背景消除法，系将浓度侦测器量测到的信号减去背景平均浓度信号来当作背景杂讯，使异常状况下的浓度信号可以更加清晰，而助于信号杂讯比的增加；信号放大法，为根据欲侦测物被稀释的倍数来放大侦测信号，使可还原原始信号的大小，又可突显异常信号的产生；信号对比法，是用来辅助搜寻技术，以适用同时一个以上分隔区域发生异常的现象，其主要系将下一次侦测区域量测到的信号对比于上一次侦测区域量测到的信号，若信号没有加倍现象，就必须对未被监测到的分隔区域进行搜寻动作，以确实找到发生异常的各分隔区域；信号分析法，系运用信号分析各项技术，譬如频谱、自我关连、信号平均法、模糊法则、类神经分类学习法诸信号处理技术来分析背景资讯及欲侦测物(气体、毒气、液体)状况的资讯，以大幅增加系统的搜寻效率和准确性。
2.一种高效率环境浓度侦测搜寻系统，其特征是它包括复数个用以控制各分隔区域的欲侦测物(气体、毒气、液体)是否流到侦测器的开关阀，分别装设于复数个监督分隔区域；运用马达抽取各监督分隔区域的侦测物样本到浓度侦测器进行侦测物成分分析的抽汲系统；负责各分隔区域的侦测物样本充分混合的混合器；用来分析抽样侦测物内成分的浓度侦测器。
3.依权利要求2所述的高效率环境浓度侦测搜寻系统，其特征是应用于火灾侦测的气体浓度侦测器时，火灾侦测系统中的云雾箱或氙光侦测器即为浓度侦测器，用以分析抽样气体的微粒子浓度。
4.依权利要求2所述的高效率环境浓度侦测搜寻系统，其特征是应用于毒气或液体侦测器时，即可配合半导体、生化、微机电制程、液晶显示器的制程，用以侦测毒气或液体浓度的依据。
全文摘要
本发明公开了一种高效率环境浓度侦测搜寻系统及方法，可降低昂贵的侦测系统成本及提高侦测搜寻速度，使其更普及化和实用化，其包括数开关阀、抽汲系统、混合器及浓度侦测器；本发明须将监督区域分隔数区，经抽取欲侦测物(气体、毒气、液体)的样本，主要运用二分、三分或混合搜寻技术，再配合运用背景消除法、信号放大法、信号对比法及信号分析法…等方法过滤侦测及搜寻，以达快速得知数分隔监视区域的侦测物的浓度异常信号，并可增加警报的快速查知；如应用于火灾侦测系统中，可配合云雾箱或氙光作为浓度侦测器的依据，或应用毒气或液体的侦测，则可应用于半导体、生化或微机电制程、环境侦测系统。
文档编号G01N1/22GK1400456SQ0112391
公开日2003年3月5日 申请日期2001年8月2日 优先权日2001年8月2日
发明者罗锦兴 申请人:罗锦兴