室内三维气体泄漏监测与定位方法

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1、国家自然科学基金资助项目(资助号：61573253,61603270)天津市科技支撑项目(资助号：14ZCZDSF00025)室内三维气体泄漏监测与定位方法Indoor3-DGasLeakageMonitoringandLocalizationMethods工程领域：控制工程作者姓名：佟远指导教师：孟庆浩教授企业导师：孙冰高级工程师天津大学电气自动化与信息工程学院二零一七年十一月独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获

2、得天津大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：签字日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解天津大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权天津大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名：导师签名：签字日期：年月日签字日期：年月日摘要当前，有毒有害气体的泄漏严重

3、威胁着人们的生命和财产安全，因此开展气体泄漏监测与源定位研究具有重要的意义。目前的室内气体泄漏监测与定位方法存在诸如应用限制条件多、应用环境简单、局限于二维平面等问题。为此，本文重点针对室内三维气体泄漏监测与源定位问题展开了研究。完成的主要工作如下：（1）提出了一种室内三维气体泄漏监测系统以及一种基于该系统的泄漏源定位策略。该监测系统的提出受到医学领域天轨移位系统启发，可实现多个传感器节点的三维空间运动，并完成气体泄漏监测任务。泄漏源定位策略要求将待监测区域划分为多个小四面体区域，并通过判断每个四面体内部的源情况（有泄漏源或无泄漏源）实现源定位。此策略

4、将源定位问题转化为了四面体内部源情况的二分类问题。本文对室内三维气体泄漏监测系统、源定位策略中的最大气体浓度搜索和四面体遍历两种方法进行了仿真验证。（2）针对源定位策略中的四面体内部源的判断问题，提出一种基于质量通量判据的二分类方法。具体工作包括：推导质量通量判据，提出四面体表面净质量通量的计算方法，以及设计室内人工风场环境下的四面体验证实验。实验结果表明依据质量通量判据和多组质量通量的平均值可以较好地完成四面体内部源情况的二分类。（3）上述方法需要多组实验数据并导致源定位耗时较长，为了解决这一问题，本文提出了一种基于机器学习算法的四面体内部源情况二分

5、类方法，用以进行源定位。采用训练速度较快的极限学习机算法，并将其与质量通量判据相结合，其中质量通量判据作为样本过滤器为极限学习机筛选训练样本。相较于质量通量判据方法，此法以较大的离线训练工作量、牺牲一定的分类正确率为代价，提高了在线源定位的速度。最后设计了室内自然通风环境下的四面体实验，通过与单独的极限学习机方法的分类结果对比，验证了此法的有效性。关键词：气体泄漏监测，源定位，质量通量，极限学习机，室内三维环境IABSTRACTAtpresent,theleakageofpoisonousandharmfulgasesisaseriousthreatt

6、opeople'slivesandproperty,soitisofgreatsignificancetocarryouttheresearchofgasleakagemonitoringandlocalization.Thecurrentresearchmethodshavesomecriticaldefects,suchasmanylimitingconditions,simpleapplicationenvironmentsandonlyforthetwo-dimensional(2D)plane.Tosolvetheseproblems,thi

7、sthesisfo-cusesonindoorgasleakagemonitoringandlocalizationresearchinthree-dimensional(3D)real-worldenvironments.Themainworkcanbeconcludedasfollows.(1)Anindoor3Dgasleakagemonitoringsystemandanassociatedgassourcelocalizationstrategyareproposed.Theproposedmonitoringsystemisinspired

8、bytheoverheadliftssysteminmedicaldomains,whichc