本发明属于粉尘监测,具体涉及一种低成本双驱动自校准粉尘浓度在线监测系统及监测方法。
背景技术:
1、井下粉尘浓度监测对于煤矿安全生产来说具有极其重要的意义。粉尘指悬浮分散在气体中的细小固体颗粒,如果粉尘浓度过高可能会导致工作人员患上尘肺病等职业病,进而会对工人的身体健康构成严重的威胁。另外,粉尘在一定条件下还可能会引发爆炸,进而会造成重大的人员伤亡和经济损失。为了有效防止此类事故的发生,以确保煤矿的安全生产作业,需要对粉尘浓度进行实时监测,以便于在发生危险时能及时采取有效的应对措施。
2、现阶段中,在工矿企业中使用的粉尘监测设备多基于光散射原理,尽管光散射粉尘监测设备被广泛应用于工矿企业之中。但是,其监测结果易受到环境因素的影响,如湿度、温度和气压等,量值溯源性不好,且在长时间连续监测过程中,易产生光学窗口污染和仪器漂移等问题,进而容易造成测量精度的下降。另外,由于一些作业环境中有降尘的需求,所以在喷雾降尘场所周围或风流中常常会含有大量的雾化液滴,雾化液滴会严重影响检测结果,进而会无法保障检测结果的精度。为此,需要对检测设备进行定期的校准,增加了维护的频率,并降低了检测效率。此外,振荡天平粉尘监测法(teom)是一种直读式监测方法,其无需预处理,可以直接对空气中的粉尘进行监测,该方法可以实现快速、连续监测,具有高时空分辨率的特点,可以提供更及时、精准的监测数据,但是其成本较高,在实际使用过程中,为了确保监测精度,往往需要在同一监测区域中布置多台振荡天平粉尘连续测量设备,这极大增加了粉尘监测的成本,为井下大量监测区域的粉尘的长期实时监测带来了巨大的负担。综上,传统的粉尘监测方式存在着诸多的局限性,如检测精度低、设备成本昂贵、维护频率高等,这些问题的存在限制了粉尘监测技术的普及及应用。
3、随着科技的进步和工业需求的增加,对粉尘检测技术提高了更高的要求,包括检测的实时性、准确性、稳定性及成本效益等。为了满足现阶段粉尘监测技术的要求,同时,为了有效提升不同环境下粉尘的监测精度,同时,为了能够显著降低监测成本,并能有效降低维护频率,以有效确保监测效率,亟需提供一种低成本、高效率、精度高、易于维护的粉尘浓度监测系统及监测方法。
技术实现思路
1、针对上述现有技术存在的问题,本发明提供一种低成本双驱动自校准粉尘浓度在线监测系统及监测方法,该系统投入成本低、监测精度高,能实现对待监测场所内粉尘浓度的高精度监测,该方法应用物理驱动和数据驱动的模型对低成本粉尘监测仪进行多次自校准,可利用大量低成本粉尘监测仪替代大量高成本振荡天平粉尘连续测定仪,在提高粉尘监测的精度的同时能显著地降低经济成本。
2、为了实现上述目的,本发明提供一种低成本双驱动自校准粉尘浓度在线监测系统,包括多组粉尘浓度监测组件、煤矿信息处理中心和视觉客户端;
3、所述粉尘浓度监测组件包括一个振荡天平粉尘连续测定仪和多个低成本粉尘监测仪;
4、所述低成本粉尘监测仪包括壳体、光散射腔室、激光器、透镜组、光陷阱、激光探测矩阵、过滤组件、温湿度传感器、微型风扇、定位模块一、电源模块、通信模块一和数据处理模块一;
5、所述壳体的内部形成容纳腔室,并于前端中心和后端中心相对地开设有与容纳腔室相连通的主进气口和主出气口;
6、所述光散射腔室位于容纳腔室中,其内部形成测量腔室,其前端和后端在对应测量腔室中心区域的位置分别开设有测量进口和测量出口,且测量进口通过进气管路与主进气口连接,测量出口通过出气管路与主出气口连接;
7、所述激光器安装在壳体底部侧壁的中心位置,其输出端位于测量腔室的内部,同时,激光器所发射出的激光光束经过测量腔室的中心区域,并与测量腔室的轴心相垂直;
8、所述透镜组固定安装在测量腔室的中心区域与激光器的输出端之间,用于将激光器输出的激光光束聚焦于测量腔室的中心区域;
9、所述光陷阱位于测量腔室中,与激光器相对地安装在壳体的顶部侧壁上;
10、所述激光探测矩阵位于测量腔室中,且安装在测量腔室的中心区域与光陷阱之间;激光探测矩阵由三组硅光电二极管组成,其中,第一组硅光电二极管与激光器相对地分布,且其检测面与激光器的输出方向位于同一直线上,第二组硅光电二极管和第三组硅光电二极管相对称地分布于第一组硅光电二极管的两侧,且其检测面均朝向测量腔室的中心区域;激光探测矩阵中的三个硅光电二极管用于从不同角度接收含尘气流中颗粒所产生的多角度散射光信号;
11、所述过滤组件安装在进气管路的进口端,用于滤除空气中的大粒径颗粒;
12、所述温湿度传感器安装在出气管路中,用于实时采集所在位置处的温度信号和湿度信号;
13、所述微型风扇安装在主出气口中;
14、所述定位模块一、电源模块、通信模块一和数据处理模块一均安装在容纳腔体中;所述定位模块一用于采集所在位置处的位置信息;所述电源模块分别与激光器、激光探测矩阵、温湿度传感器、微型风扇、定位模块一、数据处理模块一和通信模块一连接,所述数据处理模块一包括粉尘浓度计算单元、物理驱动自校准单元和数据库一;数据处理模块一分别与激光器、激光探测矩阵、温湿度传感器、微型风扇、定位模块一和通信模块一连接;所述粉尘浓度计算单元用于进行粉尘浓度数据的计算;所述物理驱动自校准单元用于进行粉尘浓度数据的一次校准处理;
15、所述振荡天平粉尘连续测定仪内置有定位模块二、数据处理模块二和通信模块二;所述定位模块二用于采集所在位置处的位置信息;所述数据处理模块二分别与定位模块二和通信模块二连接;振荡天平粉尘连续测定仪用于实时监测所在位置处的粉尘浓度,并得到粉尘浓度数据;
16、所述煤矿信息处理中心包括中心处理器和通信模块三,所述中心处理器包括机器学习自校准单元、矿井整体区域粉尘分布云图单元和数据库二;中心处理器与通信模块三连接;所述通信模块三与通信模块一连接,用于建立煤矿信息处理中心和低成本粉尘监测仪之间的通信链路;通信模块三还与通信模块二连接,用于建立煤矿信息处理中心和振荡天平粉尘连续测定仪之间的通信链路;所述机器学习自校准单元用于以振荡天平粉尘连续测定仪的粉尘浓度数据为基准,对低成本粉尘监测仪发出的粉尘浓度数据进行二次校准处理;所述矿井整体区域粉尘分布云图单元用于生成矿井整体区域粉尘分布云图;
17、所述视觉客户端通过通信模块三与中心处理器连接,用于接收并实时展示矿井整体区域粉尘分布云图。
18、作为一种优选,所述过滤组件为过滤网。
19、作为一种优选,所述定位模块一和定位模块二均为低功耗定位模块。
20、作为一种优选,所述数据处理模块一为plc控制器。
21、作为一种优选,所述壳体采用防爆材料制成,壳体上设有电源接口,且电源接口与电源模块连接。
22、作为一种优选,所述通信模块一和通信模块二之间通过无线的方式连接,所述通信模块二和通信模块三之间通过有线的方式连接。
23、作为一种优选,所述视觉客户端为多平台互通设计,其具有与ios平台、安卓平台和windows平台互通的功能。
24、进一步,为了避免光散射腔室的内表面吸附粉尘颗粒,以确保光散射腔室的检测精度,所述光散射腔室的内表面遍布地涂覆有防吸附涂层。
25、本发明中,对于低成本粉尘监测仪,通过在进气管路中安装过滤组件,可以滤除空气中的大粒径颗粒,这样,可以避免大粒径的颗粒进入至光散射腔室中,进而能避免大粒径颗粒污染或堵塞光散射室的情况发生,同时,还能避免大粒径颗粒影响监测数据的精度,这样,可以充分确保光散射腔室监测的精度性和稳定性。通过在主出气口中设置微型风扇,可以通过微型风扇为出气管路及光散射腔室提供负压,进而能利用负压将外界环境中的待检测气体通过主进气口及进气管路引入至光散射腔室中,并通过出气管路及主出气口排出。利用持续提供的负压能保持低成本粉尘监测仪内部空气的流动性,有效减少了空气及其中的粉尘在低成本粉尘监测仪内部的停留时间,并能通过对微型风扇转速的控制来控制空气流动的速度,有利于提高低成本粉尘监测仪对粉尘检测的响应速度和检测精度。同时,这样还能有助于排除低成本粉尘监测仪内部的热量和湿气,确保了低成本粉尘监测仪能够一直在适宜的环境下稳定可靠的运行。通过在出气管路中设置温湿度传感器,可以便于实时采集流经出气管路中空气的温度信号和湿度信号,由此,数据处理模块一可以基于温度信号及湿度信号获得温度数据及湿度数据,进而可以在计算粉尘浓度数据过程中结合温度数据及湿度数据进行校准,以能获得更精准的粉尘浓度数据。通过定位模块一的设置,可以便于采集到所在位置处的位置信息,从而便于煤矿信息处理中心能基于位置信息获知各个低成本粉尘监测仪的位置信息。在测量腔室中于激光器和测量腔室的中心区域之间设置透镜组,可以便于利用透镜组将激光器发射出的激光光束聚焦于测量腔室的中心区域,这样,能大幅度地提高作用于测量腔室中心区域检测光束的光强度,从而能在含尘气溶胶流经测量腔室中心时,可以获得强度更高的散射光信号,进而有利于提高检测数据的精度。在位于测量腔室中心一侧设置激光探测矩阵,并使激光探测矩阵由沿气流流经方向依次分布的三组硅光电二极管组成,且使三组硅光电二极管的检测面均朝向测量腔室的中心区域,这样,当利用激光器及透镜组产生激光并聚焦于流经腔室中心的含尘气流时,便可以产生多角度的散射光信号,再利用三组硅光电二极管从不同角度接收多角度散射光信号,进而可以基于激光多角度信息获得更精准的粉尘浓度数据。在激光探测矩阵的外侧设置光陷阱,可以充分捕获并吸收照射至顶部侧壁上的激光,进而能避免由顶部侧壁上反射出的光束对各个硅光电二极管形成干扰,能有效提高所采集信号的清晰度,有助于充分确保测量精度。通过在数据处理模块一中设置物理驱动自校准单元和粉尘浓度计算单元,不仅可以利用粉尘浓度计算单元进行粉尘浓度数据的计算,还能利用物理驱动自校准单元用于所计算粉尘浓度数据的一次校准处理,从而能确保粉尘浓度计算单元所计算数据的准确度。该低成本粉尘监测仪结构简单、维护频率低、制造成本低、检测精度较高,其能满足局部粉尘浓度的实时监测需求。使振荡天平粉尘浓度连续监测仪中设置有定位模块二,可以便于采集到所在位置处的位置信息,从而便于煤矿信息处理中心能基于位置信息获知各个低成本粉尘监测仪的位置信息。在同一组粉尘浓度监测组件中布置一个振荡天平粉尘浓度连续监测仪和多个低成本粉尘监测仪,并使振荡天平粉尘浓度连续监测仪和低成本粉尘监测仪均与煤矿信息处理中心连接,再于煤矿信息处理中心中的中心处理器中设置有机器学习自校准单元,可以便于机器学习自校准单元依据同一组粉尘浓度监测组件中的振荡天平粉尘浓度连续测定仪的粉尘浓度数据为基准,对来自于低成本粉尘监测仪的粉尘浓度数据进行二次校准处理,从而可以在有效降低同一监测区域总体监测成本的基础上,充分确保同一监测区域中不同位置处粉尘的监测精度,进而可以在具有大量监测区域时,显著降低整体的监测成本,并能确保整体的监测精度。使煤矿信息处理中心中设置有矿井整体区域粉尘分布云图单元,可以便于基于低成本粉尘监测仪的位置信息及二次校准后的粉尘浓度数据,以及振荡天平粉尘连续测定仪的位置信息及粉尘浓度数据生成矿井整体区域粉尘分布云图。通过视觉客户端来实时展示矿井整体区域粉尘分布云图,可以便于相关人员实时观察到矿井整体区域的粉尘浓度情况,进而便于及时能对异常区域及时采取必要的应对措施。
26、该系统对于来自于低成本粉尘监测仪所监测到的粉尘数据,一方面在自身首次计算过程中实现了对粉尘浓度数据的一次校准,另一方面在煤矿信息处理中心处使用机器学习自校准单元依据同一监测区域中的振荡天平粉尘连续测定仪的监测数据进行了二次实时校准,这样,便能通过二次校准相结合的方式充分提高来自低成本粉尘监测仪的监测数据的精度和稳定性,可以显著降低成本粉尘监测仪的监测误差,能充分提高低成本粉尘监测仪在多变环境条件下的测量精度和可靠性。这样,在一个较大的监测区域中只需要布置一个高成本的振荡天平粉尘连续测定仪和多个低成本的低成本粉尘监测仪,便可以通过低成本替代高成本的方式来进行多个监测点的同步监测作业,再通过二次校准的方式来进行数据的校准,不仅能显著降低监测成本 ,还能有效确保整个监测区域中监测数据的精度。该系统可以实现粉尘浓度的高精度监测,并能通过多次校准机制确保了监测数据的准确性和可靠性,进而能精准直观地生成矿井整体区域粉尘分布云图,同时考虑了设备的易用性、维护简便性、成本效益以及观测过程的便捷性,使其更适用于煤矿等粉尘污染环境的监测需求。
27、本发明还提供了一种低成本双驱动自校准粉尘浓度在线监测方法,采用一种低成本双驱动自校准粉尘浓度在线监测系统;
28、步骤一:将待监测场所划分为多个监测区域,并将多组粉尘浓度监测组件分别布置在多个监测区域中,同时,使同一组粉尘浓度监测组件中的多个低成本粉尘监测仪和一个振荡天平粉尘连续测定仪均匀地分布在监测区域中;
29、步骤二:建立多组粉尘浓度监测组件中的多个低成本粉尘监测仪和煤矿信息处理中心之间的通信连接;建立多组粉尘浓度监测组件中振荡天平粉尘连续测定仪和煤矿信息处理中心之间的通信连接;建立煤矿信息处理中心和视觉客户端之间的通信连接;
30、步骤三:利用多组粉尘浓度监测组件对多个监测区域进行时粉尘浓度的在线监测作业;
31、s31:通过低成本粉尘监测仪进行所在位置处粉尘的监测作业;
32、s311:通过数据处理模块一控制微型风扇以设定功率启动工作,利用微型风扇提供负压,使环境中的待检测空气进入至低成本粉尘监测仪;同时,通过数据处理模块一控制激光器发射出特定波长的激光光束,利用透镜组将激光光束聚焦并照射于流经测量腔室中心区域的含尘气流上,同时,利用激光探测矩阵中的三个硅光电二极管从不同角度接收含尘气流中颗粒所产生的多角度散射光信号,再将所接收到的多角度散射光信号发送至数据处理模块一;
33、同时,利用定位模块一采集低成本粉尘监测仪所在位置的位置信息,并发送至数据处理模块一;利用温湿度传感器实时采集流出光散射腔室空气的温度信号及湿度信号,并发送至数据处理模块一;
34、s312:数据处理模块一根据接收到的温度信号及湿度信号获得温度数据和湿度数据,根据接收到的多角度散射光信号获得激光多角度信息,并将激光器光源参数、激光多角度信息、温度数据和湿度数据发送至数据库一中的综合数据存储区一进行存储,同时,粉尘浓度计算单元基于激光器的光源参数和激光多角度信息,并结合待测气体的温度数据及湿度数据进行粉尘浓度数据ca1的计算;同时,在每个监测周期中的第xn次计算过程中,将得到的第xn个粉尘浓度数据ca1发送至物理驱动自校准单元,物理驱动自校准单元将第xn个粉尘浓度数据ca1与数据库一中校准数据存储区一中粉尘浓度信息数据集进行比对,其中,校准数据存储区一中包括不同的光源参数、不同的温湿度信息以及不同的激光多角度信息这些综合因素所计算出的粉尘浓度信息数据集,若比对偏差小于设定阈值,不进行任何动作,若比对偏差大于设定阈值,则利用物理驱动的预测模型分析光源参数、激光多角度信息、温度数据和湿度数据与粉尘浓度计算单元输出之间的关系,以对粉尘浓度计算单元的预期行为特征进行预测,同时,通过反演计算的方式计算出需要修改的计算因子,并反馈至粉尘浓度计算单元中,再通过反复迭代和优化的方式,使粉尘浓度计算单元的输出值与物理驱动模型的预测值之间的差值控制在设定误差范围内;
35、数据处理模块一将低成本粉尘监测仪的位置信息、光源参数、激光多角度信息、温度数据、湿度数据和粉尘浓度数据ca1发送至煤矿信息处理中心单元;
36、s32:通过振荡天平粉尘连续测定仪进行所在位置处粉尘的监测作业;
37、利用定位模块二采集振荡天平粉尘连续测定仪所在位置的位置信息,并发送至数据处理模块二;通过振荡天平粉尘连续测定仪中的数据处理模块二获得所在位置处的粉尘浓度数据cb;数据处理模块二将振荡天平粉尘连续测定仪的位置信息和粉尘浓度数据cb一同发送至煤矿信息处理中心;
38、步骤四:绘制出矿井整体区域粉尘分布云图;
39、s41:中心数据处理器在接收到低成本粉尘监测仪的位置信息、光源参数、激光多角度信息、温度数据、湿度数据和粉尘浓度数据ca1,以及振荡天平粉尘连续测定仪的位置信息及粉尘浓度数据cb后,将其存储至数据库二中的综合数据存储区二中;
40、s42:中心数据处理器对综合数据存储区二中的粉尘浓度数据ca1和粉尘浓度数据cb进行清洗和标准化处理,以消除其中的噪声和异常值,在消除异常值过程中,对于来自于同一组粉尘浓度监测组件中的粉尘浓度数据,以振荡天平粉尘连续测定仪的粉尘浓度数据cb为参考数据,再将其余的多个低成本粉尘监测仪的粉尘浓度数据ca1与参考数据进行比对,若比对差值大于设定差值范围时确实其为异常值,并进行去除处理;将筛选出的高质量和一致性满足要求的数据存储至数据库二中的校准数据存储区二中,并作为构建机器学习校准模型的数据集;
41、s43:机器学习自校准单元将校准数据存储区二中的数据集按设定比例分为训练集和验证集;以光源参数、激光多角度信息、温度数据和湿度数据作为特征数据,并采用在粉尘浓度监测中具有更高的预测精度和泛化能力的支持向量机机器学习算法来进行机器学习校准模型的搭建;再利用训练集对机器学习校准模型进行训练,得到训练好的机器学习校准模型;然后,利用调整模型参数的方式来最小化预测误差,得到优化好的机器学习校准模型;最后,利用验证集对优化好的机器学习校准模型进行验证,并根据验证结果对机器学习校准模型参数进行进一步调整和优化,得到数据驱动的机器学习校准模型;
42、s44:将实时接收的来自于低成本粉尘监测仪的粉尘浓度数据ca1作为输入数据,输入至机器学习校准模型,通过机器学习校准模型对输入数据进行机器学习自校准,输出校准后的粉尘浓度数据ca;
43、s45:中心数据处理器将低成本粉尘监测仪的位置信息及校准后的粉尘浓度数据ca,以及振荡天平粉尘连续测定仪的位置信息及粉尘浓度数据cb存储至数据库二中的粉尘云数据存储区中;
44、s46:矿井整体区域粉尘分布云图单元基于低成本粉尘监测仪的位置信息及校准后的粉尘浓度数据ca,以及振荡天平粉尘连续测定仪的位置信息及粉尘浓度数据cb绘制出矿井整体区域粉尘分布云图,并将矿井整体区域粉尘分布云图发送至视觉客户端;其中,空间粉尘浓度预测网络模型通过海量位置组合实验的方式建立,具体过程如下:
45、s461:利用振荡天平粉尘连续测定仪在不同位置进行粉尘浓度的监测,通过大量的测量过程收集并记录粉尘浓度数据和对应的位置信息,利用大量的粉尘浓度数据和对应的位置信息作为样本数据集;
46、s462:将样本数据集按设定比例划分为训练集和验证集;
47、s463:建立空间粉尘浓度预测网络模型,并利用训练集进行训练,得到训练好的空间粉尘浓度预测网络模型;
48、s464:调整和优化模型参数,以提高空间粉尘浓度预测网络模型的预测精度;
49、s465:利用验证集对空间粉尘浓度预测网络模型进行验证,同时,通过比较空间粉尘浓度预测网络模型预测的粉尘浓度数据与实际观测值之间的差异来评估模型的准确性和可靠性,并根据评估结果对模型参数进行进一步调整和优化,得到最终的空间粉尘浓度预测网络模型;
50、步骤五:视觉客户端将所接收到的矿井整体区域粉尘分布云图进行实时展示。
51、进一步,为了确保校准的精度,在步骤三的s312中,所述物理驱动的预测模型基于蒙特卡罗模拟和mie氏散射理论而建立。
52、本发明在一个监测区域中设置了一个高成本振荡天平粉尘连续测定仪和多个低成本的低成本粉尘监测仪,并采用了“双驱动”校准模型,具体地,在低成本粉尘监测仪部分利用物理驱动的预测模型定期分析光源参数、激光多角度信息、温度数据和湿度数据与粉尘浓度计算单元输出之间的关系,进而定期对粉尘浓度计算单元中的计算因子进行物理自校准,以实现对粉尘浓度数据的初次校准,以充分提高自身粉尘浓度数据的监测精度。同时,在煤矿信息处理中心处,使用数据驱动的机器学习校准模型对低成本粉尘监测仪每次监测到的粉尘浓度数据进行二次实时校准,显著提高了煤矿安全监测的效率和准确性并降低经济成本。通过两种校准方式的有效结合,显著提高了监测数据的测量精度和稳定性,降低误差。这样,在一个较大的监测区域中只需要布置一个高成本的振荡天平粉尘连续测定仪和多个低成本的低成本粉尘监测仪,便能实现多个监测点的同步监测作业,进而可以利用多个低成本粉尘监测仪来进行高成本监测设备的替代式监测作业,不仅能显著降低了整体的监测成本 ,还能有效确保监测数据的精度。最后,利用矿井整体区域粉尘分布云图单元依据低成本粉尘监测仪的位置信息及二次校准后的粉尘浓度数据,以及振荡天平粉尘连续测定仪的位置信息及粉尘浓度数据,生成矿井整体区域粉尘分布云图并发送至视觉客户端,并通过视觉客户端进行直观地展示,可以便于相关人员实时了解整个监测场所中不同监测区域处的粉尘浓度情况,进而便于统筹地实现对整个监测场所粉尘浓度的实时可靠监测。
53、本发明采用了一种实时“双驱动”的校正方法,应用物理驱动和数据驱动的模型实现了低成本粉尘监测仪的自校准,并利用了大量的低成本粉尘监测仪通过替代的方式取代了大量高成本振荡天平粉尘连续测定仪,在提高了粉尘监测的精度的同时,能显著地降低经济成本。