一種氣體傳感器的部署優化方法、系統及伺服器與流程
2023-06-12 11:13:56
本發明屬於應急通信技術領域，涉及一種優化方法及系統，特別是涉及一種氣體傳感器的部署優化方法、系統及伺服器。
背景技術：
隨著化工行業的發展，涉及到易燃易爆、有毒有害危險品的危化品園區，由於人為、設備、生產管理或者環境因素等不可避免地會出現危險氣體的洩漏的情況，會引起火災、爆炸等一系列嚴重事故，事故一旦發生，危害範圍往往會很大，可能會超出工業園區或建設項目的邊界，給周邊人群、環境造成惡劣影響，導致大量人員傷亡和財產損失，若事故發生在城市區域或者人口密集區域，由於人員集中，疏散困難，造成的後果會更加嚴重。
在實際園區中，按照國家規定園區會按照一些常規行業標準安裝氣體傳感器，用於對危化品洩漏進行監測，對事故起到預警和應急的作用，但是健康與安全執行委員會(HSE)在1993年和2003年分別指出，在這些安裝了氣體傳感器的園區中發生的事故超過一半的事故無法被監測到，究其原因是由於目前園區中氣體傳感器部署無法全面考慮影響氣體擴散的因素：這些因素包括洩漏源位置、洩漏源數量、氣體組分、氣象條件、管道設計、工藝條件、化工園區設備及建築結構部署、隔離系統、減壓系統、監測頻率等，以及各種建築物的阻擋，風向風速和地勢以及植被等原因，使得這些按照標準安裝的氣體傳感器在氣體發生洩漏後可能會無法檢測到氣體，失去了安裝的意義，也就是說他們並沒有採用量化氣體洩漏的方法部署氣體傳感器，在有風的情況下，由於氣體擴散的態勢圖在風向和風力的影響下濃度等值線是變化的，所以傳感器形同虛設，根本無法監測到氣體，更不會報警。
因此，如何提供一種氣體傳感器的部署優化方法、系統及伺服器，以解決現有技術中安裝在工業園區的氣體傳感器在氣體發生洩漏後無法檢測到氣體，以導致安裝的氣體傳感器失去安裝意義，形同虛設等問題，實以成為本領域從業者亟待解決的技術問題。
技術實現要素：
鑑於以上所述現有技術的缺點，本發明的目的在於提供一種氣體傳感器的部署優化方法、系統及伺服器，用於解決現有技術中安裝在工業園區的氣體傳感器在氣體發生洩漏後無法檢測到氣體，以導致安裝的氣體傳感器失去安裝意義，形同虛設的問題。
為實現上述目的及其他相關目的，本發明一方面提供一種氣體傳感器的部署優化方法，應用於覆蓋多個氣體傳感器的檢測區域，以檢測該檢測區域內氣體的洩漏，所述氣體傳感器的部署優化方法包括以下步驟：將該檢測區域劃分為網格狀，並模擬該檢測區域內氣體擴散態勢；採集劃分成網格狀的檢測區域中不同網格點處的洩漏濃度值，與報警濃度點的坐標位置；所述報警濃度點為洩漏濃度值大於預定氣體報警濃度閾值的網格點處；根據不同網格點處的洩漏濃度值和大於氣體報警濃度閾值的報警濃度點的坐標，建立用於描述傳感器覆蓋狀況和傳感器覆蓋報警濃度點狀況的第一目標函數和第二目標函數；採用預置優化方式和預設迭代次數計算在不同預置數量氣體傳感器的洩漏氣體測試狀態下最優第二目標函數，並對不同預置數量氣體傳感器的洩漏氣體測試狀態下所述最優第二目標函數進行標準化處理；根據標準化處理後的所述最優第二目標函數和預設迭代次數，採用所述預置優化方式，計算出所述第一目標函數的最小值，以根據所述第一目標函數的最小值，推算出在設置任意數量氣體傳感器的洩漏氣體測試狀態下每個氣體傳感器最優部署位置。
於本發明的一實施例中，通過預置的計算流體動力法模擬所述檢測區域內氣體擴散態勢。
於本發明的一實施例中，所述預置優化方式為粒子群優化算法。
於本發明的一實施例中，所述第一目標函數＝傳感器覆蓋的權重×傳感器覆蓋均衡度+傳感器覆蓋所述報警濃度點的權重×傳感器覆蓋報警濃度點的覆蓋度；所述第二目標函數＝傳感器覆蓋均衡度+傳感器覆蓋報警濃度點的覆蓋度。
於本發明的一實施例中，所述採用預置優化方式計算在不同預置數量氣體傳感器的洩漏氣體測試狀態下所述最優第二目標函數的步驟包括：將預置數量氣體傳感器的初始位置集、預置數量氣體傳感器的隨機部署位置集、預置數量氣體傳感器移動速度集、預置數量氣體傳感器隨機部署的自適應第二目標函數值集、及預置數量氣體傳感器隨機部署的最小自適應第二目標函數值組成的集合定義為粒子；在每一預置數量氣體傳感器的洩漏氣體測試狀態下，初始化預置數量粒子的位置；利用初始化後的預置數量粒子中的預置數量氣體傳感器的隨機部署位置集，計算所述第二目標函數，以獲取預置數量氣體傳感器隨機部署的自適應第二目標函數值集；從預置數量氣體傳感器隨機部署的自適應第二目標函數值集中，查找預置數量氣體傳感器隨機部署的最小自適應第二目標函數值；更新初始化後預置數量粒子中預置數量氣體傳感器移動速度集，及更新初始化後預置數量粒子的位置；通過預設迭代次數的迭代初始化至更新的步驟，獲取每一預置數量氣體傳感器的洩漏氣體測試狀態下所述最優第二目標函數，及其對應的每一預置數量氣體傳感器的洩漏氣體測試狀態下氣體傳感器的最優坐標位置，以每一預置數量氣體傳感器的洩漏氣體測試狀態下所述最優第二目標函數。
於本發明的一實施例中，所述對不同預置數量氣體傳感器的洩漏氣體測試狀態下所述最優第二目標函數進行標準化處理的步驟包括：標準化每一預置數量氣體傳感器的洩漏氣體測試狀態下所述最優第二目標函數的傳感器覆蓋均衡度和傳感器覆蓋報警濃度點的覆蓋度；分別計算標準化後的每一預置數量氣體傳感器的洩漏氣體測試狀態下所述最優第二目標函數的傳感器覆蓋均衡度和傳感器覆蓋報警濃度點的覆蓋度的比重；計算在每一預置數量氣體傳感器的洩漏氣體測試狀態下所述最優第二目標函數的傳感器覆蓋均衡度的信息熵和傳感器覆蓋報警濃度點的覆蓋度的信息熵；根據每一預置數量氣體傳感器的洩漏氣體測試狀態下所述最優第二目標函數的傳感器覆蓋均衡度的信息熵和傳感器覆蓋報警濃度點的覆蓋度的信息熵，計算信息熵的冗餘度；根據每一預置數量氣體傳感器的洩漏氣體測試狀態下所述最優第二目標函數的傳感器覆蓋均衡度的信息熵的冗餘度和傳感器覆蓋報警濃度點的覆蓋度的信息熵的冗餘度，計算所述第一目標函數中傳感器覆蓋的權重和傳感器覆蓋所述報警濃度點的權重。
於本發明的一實施例中，所述根據標準化處理後的所述最優第二目標函數和預設迭代次數，採用所述預置優化方式，計算出所述第一目標函數的最小值，以根據所述第一目標函數的最小值，推算出在設置任意數量氣體傳感器的洩漏氣體測試狀態下每個氣體傳感器最優部署位置的步驟包括：將任意數量氣體傳感器的初始位置集、任意數量氣體傳感器的隨機部署位置集、任意數量氣體傳感器移動速度集、任意數量氣體傳感器隨機部署的自適應第一目標函數值集、及任意數量氣體傳感器隨機部署的最小自適應第一目標函數值組成的集合定義為粒子；將計算出的所述第一目標函數中傳感器覆蓋的權重和傳感器覆蓋所述報警濃度點的權重代入任意數量氣體傳感器的洩漏氣體測試狀態下所建立的第一目標函數；在任意數量氣體傳感器的洩漏氣體測試狀態下，初始化預置數量粒子的位置；利用初始化後的預置數量粒子中的任意數量氣體傳感器的隨機部署位置集，計算所述第一目標函數，以獲取任意數量氣體傳感器隨機部署的自適應第一目標函數值集；從任意數量氣體傳感器隨機部署的自適應第一目標函數值集中，查找任意數量氣體傳感器隨機部署的最小自適應第一目標函數值；更新初始化後預置數量粒子中任意數量氣體傳感器移動速度集，及更新初始化後預置數量粒子的位置；通過預設迭代次數的迭代初始化至更新的步驟，獲取任意數量氣體傳感器的洩漏氣體測試狀態下最優第一目標函數，及其任意數量氣體傳感器的洩漏氣體測試狀態下每個氣體傳感器最優部署位置。
本發明另一方面提供一種氣體傳感器的部署優化系統，應用於覆蓋多個氣體傳感器的檢測區域，以檢測該檢測區域內氣體的洩漏，所述氣體傳感器的部署優化系統包括：模擬模塊，用於將該檢測區域劃分為網格狀，並模擬該檢測區域內氣體擴散態勢；採集模塊，用於採集劃分成網格狀的檢測區域中不同網格點處的洩漏濃度值，與報警濃度點的坐標位置；所述報警濃度點為洩漏濃度值大於預定氣體報警濃度閾值的網格點處；目標函數建立模塊，用於根據不同網格點處的洩漏濃度值和大於氣體報警濃度閾值的報警濃度點的坐標，建立用於描述傳感器覆蓋狀況和傳感器覆蓋報警濃度點狀況的第一目標函數和第二目標函數；第一處理模塊，用於採用預置優化方式和預設迭代次數計算在不同預置數量氣體傳感器的洩漏氣體測試狀態下最優第二目標函數，並對不同預置數量氣體傳感器的洩漏氣體測試狀態下所述最優第二目標函數進行標準化處理；第二處理模塊，用於根據標準化處理後的所述最優第二目標函數和預設迭代次數，採用所述預置優化方式，計算出所述第一目標函數的最小值，以根據所述第一目標函數的最小值，推算出在設置任意數量氣體傳感器的洩漏氣體測試狀態下每個氣體傳感器最優部署位置。
於本發明的另一實施例中，所述模擬模塊通過預置的計算流體動力法模擬所述檢測區域內氣體擴散態勢。
於本發明的另一實施例中，所述第一目標函數＝傳感器覆蓋的權重×傳感器覆蓋均衡度+傳感器覆蓋所述報警濃度點的權重×傳感器覆蓋報警濃度點的覆蓋度；所述第二目標函數＝傳感器覆蓋均衡度+傳感器覆蓋報警濃度點的覆蓋度。
於本發明的另一實施例中，所述第一處理模塊包括：第一定義單元，用於將預置數量氣體傳感器的初始位置集、預置數量氣體傳感器的隨機部署位置集、預置數量氣體傳感器移動速度集、預置數量氣體傳感器隨機部署的自適應第二目標函數值集、及預置數量氣體傳感器隨機部署的最小自適應第二目標函數值組成的集合定義為粒子；第一初始化單元，用於在每一預置數量氣體傳感器的洩漏氣體測試狀態下，初始化預置數量粒子的位置；第一計算單元，用於利用初始化後的預置數量粒子中的預置數量氣體傳感器的隨機部署位置集，計算所述第二目標函數，以獲取預置數量氣體傳感器隨機部署的自適應第二目標函數值集；第一查找單元，用於從預置數量氣體傳感器隨機部署的自適應第二目標函數值集中，查找預置數量氣體傳感器隨機部署的最小自適應第二目標函數值；第一更新單元，用於更新初始化後預置數量粒子中預置數量氣體傳感器移動速度集，及更新初始化後預置數量粒子的位置；第一迭代處理單元，用於通過預設迭代次數的迭代運行所述第一初始化單元、第一計算單元、第一查找單元、及第一更新單元，獲取每一預置數量氣體傳感器的洩漏氣體測試狀態下所述最優第二目標函數，及其對應的每一預置數量氣體傳感器的洩漏氣體測試狀態下氣體傳感器的最優坐標位置，以每一預置數量氣體傳感器的洩漏氣體測試狀態下所述最優第二目標函數。
於本發明的另一實施例中，所述第一處理模塊還包括與所述第一迭代單元連接的第一標準化處理單元；所述第一標準化處理單元用於標準化每一預置數量氣體傳感器的洩漏氣體測試狀態下所述最優第二目標函數的傳感器覆蓋均衡度和傳感器覆蓋報警濃度點的覆蓋度；分別計算標準化後的每一預置數量氣體傳感器的洩漏氣體測試狀態下所述最優第二目標函數的傳感器覆蓋均衡度和傳感器覆蓋報警濃度點的覆蓋度的比重；計算在每一預置數量氣體傳感器的洩漏氣體測試狀態下所述最優第二目標函數的傳感器覆蓋均衡度的信息熵和傳感器覆蓋報警濃度點的覆蓋度的信息熵；根據每一預置數量氣體傳感器的洩漏氣體測試狀態下所述最優第二目標函數的傳感器覆蓋均衡度的信息熵和傳感器覆蓋報警濃度點的覆蓋度的信息熵，計算信息熵的冗餘度；根據每一預置數量氣體傳感器的洩漏氣體測試狀態下所述最優第二目標函數的傳感器覆蓋均衡度的信息熵的冗餘度和傳感器覆蓋報警濃度點的覆蓋度的信息熵的冗餘度，計算所述第一目標函數中傳感器覆蓋的權重和傳感器覆蓋所述報警濃度點的權重。
於本發明的另一實施例中，所述第二處理模塊包括：第二定義單元，用於將任意數量氣體傳感器的初始位置集、任意數量氣體傳感器的隨機部署位置集、任意數量氣體傳感器移動速度集、任意數量氣體傳感器隨機部署的自適應第一目標函數值集、及任意數量氣體傳感器隨機部署的最小自適應第一目標函數值組成的集合定義為粒子；第二初始化單元，用於將計算出的所述第一目標函數中傳感器覆蓋的權重和傳感器覆蓋所述報警濃度點的權重代入任意數量氣體傳感器的洩漏氣體測試狀態下所建立的第一目標函數，並在每一預置數量氣體傳感器的洩漏氣體測試狀態下，初始化預置數量粒子的位置；第二計算單元，用於利用初始化後的預置數量粒子中的任意數量氣體傳感器的隨機部署位置集，計算所述第一目標函數，以獲取任意數量氣體傳感器隨機部署的自適應第一目標函數值集；第二查找單元，用於從任意數量氣體傳感器隨機部署的自適應第一目標函數值集中，查找任意數量氣體傳感器隨機部署的最小自適應第一目標函數值；第二更新單元，用於更新初始化後預置數量粒子中任意數量氣體傳感器移動速度集，及更新初始化後預置數量粒子的位置；第二迭代處理單元，用於通過預設迭代次數的迭代運行所述第二初始化單元、第二計算單元、第二查找單元、及第二更新單元，獲取任意數量氣體傳感器的洩漏氣體測試狀態下最優第一目標函數，及其任意數量氣體傳感器的洩漏氣體測試狀態下每個氣體傳感器最優部署位置。
本發明又一方面提供一種伺服器，所述伺服器包括：所述的氣體傳感器的部署優化系統，以便任意數量的氣體傳感器安裝於所述氣體傳感器的部署優化系統設定好的最優部署位置。
如上所述，本發明的氣體傳感器的部署優化方法、系統及伺服器，具有以下有益效果：
通過本發明所述的氣體傳感器的部署優化方法、系統及伺服器提高了氣體傳感器覆蓋到氣體報警濃度點的數量，同時達到氣體傳感器覆蓋均衡，使得在化工園區氣體洩漏時能夠迅速高效進行報警，以便工作人員採取對應措施。
附圖說明
圖1顯示為本發明的氣體傳感器的部署優化方法於一實施例中的流程示意圖。
圖2顯示為本發明的氣體傳感器的部署優化方法中步驟S4的流程示意圖。
圖3顯示為本發明的氣體傳感器的部署優化方法中步驟S5的流程示意圖。
圖4顯示為本發明的氣體傳感器的部署優化系統於一實施例中原理結構示意圖。
圖5顯示為本發明的氣體傳感器的部署優化系統中第一處理模塊的原理結構示意圖。
圖6顯示為本發明的氣體傳感器的部署優化系統中第二處理模塊的原理結構示意圖。
圖7顯示為本發明的伺服器於一實施例中的原理結構示意圖。
元件標號說明
1 氣體傳感器的部署優化系統
11 模擬模塊
12 採集模塊
13 目標函數建立模塊
14 第一處理模塊
15 第二處理模塊
141 第一定義單元
142 第一初始化單元
143 第一計算單元
144 第一查找單元
145 第一更新單元
146 第一迭代處理單元
147 第一標準化處理單元
151 第二定義單元
152 第二初始化單元
153 第二計算單元
154 第二查找單元
155 第二更新單元
156 第二迭代處理單元
S1～S5 步驟
S41～S47 步驟
S51～S57 步驟
具體實施方式
以下通過特定的具體實例說明本發明的實施方式，本領域技術人員可由本說明書所揭露的內容輕易地了解本發明的其他優點與功效。本發明還可以通過另外不同的具體實施方式加以實施或應用，本說明書中的各項細節也可以基於不同觀點與應用，在沒有背離本發明的精神下進行各種修飾或改變。需說明的是，在不衝突的情況下，以下實施例及實施例中的特徵可以相互組合。
需要說明的是，以下實施例中所提供的圖示僅以示意方式說明本發明的基本構想，遂圖式中僅顯示與本發明中有關的組件而非按照實際實施時的組件數目、形狀及尺寸繪製，其實際實施時各組件的型態、數量及比例可為一種隨意的改變，且其組件布局型態也可能更為複雜。
本發明所述的氣體傳感器的部署優化方法、系統及伺服器
實施例一
本實施例提供一種氣體傳感器的部署優化方法，應用於覆蓋多個氣體傳感器的檢測區域，以檢測該檢測區域內氣體的洩漏，所述氣體傳感器的部署優化方法包括以下步驟：
將該檢測區域劃分為網格狀，並模擬該檢測區域內氣體擴散態勢；
採集劃分成網格狀的檢測區域中不同網格點處的洩漏濃度值，與報警濃度點的坐標位置；所述報警濃度點為洩漏濃度值大於預定氣體報警濃度閾值的網格點處；
根據不同網格點處的洩漏濃度值和大於氣體報警濃度閾值的報警濃度點的坐標，建立用於描述傳感器覆蓋狀況和傳感器覆蓋報警濃度點狀況的第一目標函數和第二目標函數；
採用預置優化方式和預設迭代次數計算在不同預置數量氣體傳感器的洩漏氣體測試狀態下最優第二目標函數，並對不同預置數量氣體傳感器的洩漏氣體測試狀態下所述最優第二目標函數進行標準化處理；
根據標準化處理後的所述最優第二目標函數和預設迭代次數，採用所述預置優化方式，計算出所述第一目標函數的最小值，以根據所述第一目標函數的最小值，推算出在設置任意數量氣體傳感器的洩漏氣體測試狀態下每個氣體傳感器最優部署位置。
以下將結合圖示對本實施例所提供的氣體傳感器的部署優化方法進行詳細說明。本實施例所述的氣體傳感器的部署優化方法應用於覆蓋多個氣體傳感器的檢測區域，於實施例中所述檢測區域可以為化工工業園區。通過運行本實施例所述的氣體傳感器的部署優化方法，為欲安裝的氣體傳感器設置最優部署位置，達到氣體傳感器覆蓋到的報警濃度點越多，所達到的覆蓋度越高，而且覆蓋的越均衡。請參閱圖1，顯示為氣體傳感器的部署優化方法於一實施例中的流程示意圖。如圖1所示，所述氣體傳感器的部署優化方法具體包括以下幾個步驟：
S1，將該檢測區域劃分為網格狀，並模擬該檢測區域內氣體擴散態勢。在本實施例中，檢測區域範圍為50m×50m×10m，洩漏源為1m×1m×2m，洩漏源強度為10.98kg/s，風速為1.5m/s，風向從園區左側吹向右側，氣體擴散時間為30s的情況下，將仿真區域高度為0.6m的水平面劃分為5m×5m的網格，利用CFD理論(預置的計算流體動力法)進行氣體擴散態勢模擬。
S2，採集劃分成網格狀的檢測區域中不同網格點處的洩漏濃度值，與報警濃度點的坐標位置；所述報警濃度點為洩漏濃度值大於預定氣體報警濃度閾值的網格點處。如表1所示報警濃度點為洩漏濃度值大於預定氣體報警濃度閾值的網格點處的位置坐標。表1中，X，Y，Z為報警濃度點的三個維度，C表示報警濃度點的洩漏濃度值。
S3，根據不同網格點處的洩漏濃度值和大於氣體報警濃度閾值的報警濃度點的坐標，建立用於描述傳感器覆蓋狀況和傳感器覆蓋報警濃度點狀況的第一目標函數和第二目標函數。
在本實施例中，
所述第一目標函數＝傳感器覆蓋的權重×傳感器覆蓋均衡度+傳感器覆蓋所述報警濃度點的權重×傳感器覆蓋報警濃度點的覆蓋度；
所述第二目標函數＝傳感器覆蓋均衡度+傳感器覆蓋報警濃度點的覆蓋度。
假設本實施例中化工工業園區內的報警濃度點為M個，用ei表示，i為第i個報警濃度點，i∈(1,2,…,M)，報警濃度點的位置坐標分別為[(X1,Y1)；(X2,Y2)；…；(XM,YM)]，氣體傳感器數量為N個，用sj表示，j為第j個氣體傳感器，j∈(1,2,…,N)，傳感器的感知半徑為r，位置坐標分別為[(xs1,ys1)；(xs2,ys2)；…；(xsN,ysN)]。
傳感器覆蓋報警濃度點的覆蓋度定義為：氣體的報警濃度點與傳感器節點的距離小於感知半徑r，即滿足公式d(ei,sj)＜r，其中d(ei,sj)為報警濃度點與傳感器之間的距離。相對而言，當報警濃度點與所有傳感器的距離都大於感知半徑r時，說明這個報警濃度點沒有被任何氣體傳感器覆蓋到，如果沒有被覆蓋到的報警濃度點的個數最小則部署方案最優。
傳感器覆蓋均衡度需要滿足的條件是：其中c(sj)表示被第j個氣體傳感器覆蓋到的報警濃度點的個數，E(s)表示所有氣體傳感器覆蓋到的報警濃度點的數量的平均值。
具體所述第一目標函數和第二目標函數的數學表達式為：
其中，I(d(ei,s1)＞r∩(d(ei,s2)＞r…∩d(ei,sN)＞r)＝1表示報警濃度點ei不在氣體傳感器的覆蓋範圍內，即
其中，N為傳感器個數，M為報警濃度點個數，表示傳感器覆蓋均衡度，表示傳感器覆蓋報警濃度點的覆蓋度，α和β表示目標函數中A和B兩部分的權重。
S4，採用預置優化方式和預設迭代次數計算在不同預置數量氣體傳感器的洩漏氣體測試狀態下最優第二目標函數，並對不同預置數量氣體傳感器的洩漏氣體測試狀態下所述最優第二目標函數進行標準化處理。在本實施例中，所述預置優化方式為PSO，即粒子群優化算法。具體地，利用粒子群優化算法計算在5個、8個、11個、14、17個氣體傳感器的洩漏氣體測試條件下第二目標函數中傳感器覆蓋均衡度和傳感器覆蓋報警濃度點的覆蓋度，即A和B兩部分的函數值。請參閱圖2，顯示為步驟S4的流程示意圖。如圖2所示，所述步驟S4具體包括以下幾個步驟：
S41，將預置數量氣體傳感器的初始位置集預置數量氣體傳感器的隨機部署位置集(粒子的當前位置坐標，即N個氣體傳感器的當前位置坐標)、預置數量氣體傳感器移動速度集預置數量氣體傳感器隨機部署的自適應第二目標函數值集及預置數量氣體傳感器隨機部署的最小自適應第二目標函數值gbest組成的集合定義為粒子。所述粒子用P表示，本實施例粒子的預置數量用F表示。
S42，在每一預置數量氣體傳感器的洩漏氣體測試狀態下，初始化預置數量粒子的位置。初始化的預置數量粒子的位置為：
S43，利用初始化後的預置數量粒子中的預置數量氣體傳感器的隨機部署位置集，計算所述第二目標函數以獲取預置數量氣體傳感器隨機部署的自適應第二目標函數值集
S44，從預置數量氣體傳感器隨機部署的自適應第二目標函數值集中，查找預置數量氣體傳感器隨機部署的最小自適應第二目標函數值gbest。
S45，更新初始化後預置數量粒子中預置數量氣體傳感器移動速度集，及更新初始化後預置數量粒子的位置。
更新初始化後預置數量粒子中預置數量氣體傳感器移動速度集的速度更新公式為：
vhdk+1＝wk*vhdk+c1ξ(phdk-xhdk)+c2η(gk-xhdk) 公式(4)
更新初始化後預置數量粒子的位置的位置更新公式為：
xhdk+1＝xhdk+Rvhdk+1 公式(5)
其中，h為第h個粒子，d為粒子的第d維變量，k為第k次迭代；c1表示粒子對自身的認知，通常設為2；c2表示粒子對粒子群的整體認知，通常設為2；ξ和η是[0,1]區間內隨機分布的隨機數；R表示在位置更新的時候的約束因子，通常設為1；vhd為粒子的速度，範圍在[vmin,vmax]；當vhd＞vmax，取vhd＝vmax，當vhd＜vmin，取vhd＝vmin；wk表示慣性權重。
S46，通過預設迭代次數(於本實施例中，所述預設迭代次數為5000)的迭代S42至S45，直至收斂獲取每一預置數量氣體傳感器的洩漏氣體測試狀態下所述最優第二目標函數，及其對應的每一預置數量氣體傳感器的洩漏氣體測試狀態下氣體傳感器的最優坐標位置，即獲取到5個、8個、11個、14、17個氣體傳感器下的最優坐標位置，以代入第二目標函數F2中，得到第二目標函數中兩部分的函數值，即A和B的值，見表2，同時可以計算出目標函數值每一預置數量氣體傳感器的洩漏氣體測試狀態下所述最優第二目標函數MINF2。
表2：不同氣體傳感器對應的A和B值
S47，對不同預置數量氣體傳感器的洩漏氣體測試狀態下所述最優第二目標函數進行標準化處理，以獲取所述第一目標函數中傳感器覆蓋的權重α和傳感器覆蓋所述報警濃度點的權重β。具體標準化不同預置數量氣體傳感器的洩漏氣體測試狀態下所述最優第二目標函數的過程如下：
標準化每一預置數量氣體傳感器的洩漏氣體測試狀態下所述最優第二目標函數的傳感器覆蓋均衡度和傳感器覆蓋報警濃度點的覆蓋度，即標準化步驟S36計算的A和B值。
具體地，標準化每一預置數量氣體傳感器的洩漏氣體測試狀態下所述最優第二目標函數的傳感器覆蓋均衡度和傳感器覆蓋報警濃度點的覆蓋度的公式如下：
其中，l1表示每一預置數量氣體傳感器的情況，於本實施例中，每一預置數量氣體傳感器的情況為5個、8個、11個、14、17個氣體傳感器的情況；l2表示A和B；Xl1l2'表示標準化的A或B值；Xl1l2表示步驟S36計算的A或B值。通過公式(6)將表2中的A和B的值標準化後的A和B值請見表3。
表3：標準化的A和B值
分別計算標準化後的每一預置數量氣體傳感器的洩漏氣體測試狀態下所述最優第二目標函數的傳感器覆蓋均衡度和傳感器覆蓋報警濃度點的覆蓋度的比重。
具體地，計算標準化後的每一預置數量氣體傳感器的洩漏氣體測試狀態下所述最優第二目標函數的傳感器覆蓋均衡度和傳感器覆蓋報警濃度點的覆蓋度的比重的公式如下：
其中，m表示預置數量氣體傳感器的情況的數目，即5個、8個、11個、14、17個氣體傳感器的5種情況。
計算在每一預置數量氣體傳感器的洩漏氣體測試狀態下所述最優第二目標函數的傳感器覆蓋均衡度的信息熵和傳感器覆蓋報警濃度點的覆蓋度的信息熵。
在本實施例中，信息熵的計算公式如下：
其中，是指所計算的權重的係數。
根據每一預置數量氣體傳感器的洩漏氣體測試狀態下所述最優第二目標函數的傳感器覆蓋均衡度的信息熵和傳感器覆蓋報警濃度點的覆蓋度的信息熵，計算信息熵的冗餘度。
在本實施例中，信息熵的冗餘度的計算公式如下：
dl2＝1-el2 公式(9)
根據每一預置數量氣體傳感器的洩漏氣體測試狀態下所述最優第二目標函數的傳感器覆蓋均衡度的信息熵的冗餘度和傳感器覆蓋報警濃度點的覆蓋度的信息熵的冗餘度，計算所述第一目標函數中傳感器覆蓋的權重和傳感器覆蓋所述報警濃度點的權重。
在本實施例中，權重的計算公式如下：
其中，dl2為dA或dB，即
經過步驟S47後得到第一目標函數的權重，請見表4。
表4：第一目標函數的權重
S5，根據標準化處理後的所述最優第二目標函數和預設迭代次數，採用所述預置優化方式，計算出所述第一目標函數的最小值，以根據所述第一目標函數的最小值，推算出在設置任意數量氣體傳感器的洩漏氣體測試狀態下每個氣體傳感器最優部署位置。請參閱圖3，顯示為步驟S5的流程示意圖。如圖3所示，所述步驟S5具體包括以下幾個步驟：
S51，將任意數量氣體傳感器的初始位置集任意數量氣體傳感器的隨機部署位置集(粒子的當前位置坐標，即N個任意數量氣體傳感器的當前位置坐標)、任意數量氣體傳感器移動速度集任意數量氣體傳感器隨機部署的自適應第一目標函數值集及任意數量氣體傳感器隨機部署的最小自適應第一目標函數值gbest組成的集合定義為粒子。所述粒子用P表示，本實施例粒子的預置數量用F表示。
S52，將計算出的所述第一目標函數中傳感器覆蓋的權重和傳感器覆蓋所述報警濃度點的權重代入任意數量氣體傳感器的洩漏氣體測試狀態下所建立的第一目標函數F1，於本實施例中，所建立的第一目標函數F1為：
S53，在任意數量氣體傳感器的洩漏氣體測試狀態下，初始化預置數量粒子的位置。
S54，利用初始化後的預置數量粒子中的任意數量氣體傳感器的隨機部署位置集，計算所述第一目標函數，以獲取任意數量氣體傳感器隨機部署的自適應第一目標函數值集[Pbest1,Pbest2…PbestM]'。
S55，從任意數量氣體傳感器隨機部署的自適應第一目標函數值集中，查找任意數量氣體傳感器隨機部署的最小自適應第一目標函數值gbest。
S56，更新初始化後預置數量粒子中任意數量氣體傳感器移動速度集，及更新初始化後預置數量粒子的位置。
更新初始化後預置數量粒子中預置數量氣體傳感器移動速度集的速度更新公式為：
vhdk+1＝wk*vhdk+c1ξ(phdk-xhdk)+c2η(gk-xhdk)
更新初始化後預置數量粒子的位置的位置更新公式為：
xhdk+1＝xhdk+Rvhdk+1 公式(5)
S57，通過預設迭代次數的迭代S52至S56的步驟，直到收斂得到最優的全局最優值，即獲取任意數量氣體傳感器的洩漏氣體測試狀態下最優第一目標函數，及其任意數量氣體傳感器的洩漏氣體測試狀態下每個氣體傳感器最優部署位置。
通過本實施例所述的氣體傳感器的部署優化方法提高了氣體傳感器覆蓋到氣體報警濃度點的數量，同時達到氣體傳感器覆蓋度越高，覆蓋的越均衡，覆蓋均衡使得在化工園區氣體洩漏時能夠迅速高效進行報警，以便工作人員採取對應措施。
實施例二
本實施例提供一種氣體傳感器的部署優化系統1，應用於覆蓋多個氣體傳感器的檢測區域，於實施例中所述檢測區域可以為化工工業園區。請參閱圖4，顯示為氣體傳感器的部署優化系統於一實施例中的原理結構示意圖。如圖4所示，所述氣體傳感器的部署優化系統1包括：模擬模塊11，採集模塊12，目標函數建立模塊13，第一處理模塊14，及第二處理模塊15。
所述模擬模塊11用於將該檢測區域劃分為網格狀，並模擬該檢測區域內氣體擴散態勢。在本實施例中，所述模擬模塊11通過預置的計算流體動力法模擬所述檢測區域內氣體擴散態勢。
與所述模擬模塊11連接的採集模塊12用於採集劃分成網格狀的檢測區域中不同網格點處的洩漏濃度值，與報警濃度點的坐標位置；所述報警濃度點為洩漏濃度值大於預定氣體報警濃度閾值的網格點處。
與所述採集模塊12連接的目標函數建立模塊13用於根據不同網格點處的洩漏濃度值和大於氣體報警濃度閾值的報警濃度點的坐標，建立用於描述傳感器覆蓋狀況和傳感器覆蓋報警濃度點狀況的第一目標函數和第二目標函數。
在本實施例中，
所述第一目標函數＝傳感器覆蓋的權重×傳感器覆蓋均衡度+傳感器覆蓋所述報警濃度點的權重×傳感器覆蓋報警濃度點的覆蓋度；
所述第二目標函數＝傳感器覆蓋均衡度+傳感器覆蓋報警濃度點的覆蓋度。
與所述目標函數建立模塊13連接的第一處理模塊14用於採用預置優化方式和預設迭代次數計算在不同預置數量氣體傳感器的洩漏氣體測試狀態下最優第二目標函數，並對不同預置數量氣體傳感器的洩漏氣體測試狀態下所述最優第二目標函數進行標準化處理。具體請見圖5，顯示為第一處理模塊的原理結構示意圖。如圖5所示，所述第一處理模塊14具體包括：第一定義單元141，第一初始化單元142，第一計算單元143，第一查找單元144，第一更新單元145，第一迭代處理單元146，第一標準化處理單元147。
第一定義單元141用於將預置數量氣體傳感器的初始位置集、預置數量氣體傳感器的隨機部署位置集、預置數量氣體傳感器移動速度集、預置數量氣體傳感器隨機部署的自適應第二目標函數值集、及預置數量氣體傳感器隨機部署的最小自適應第二目標函數值組成的集合定義為粒子，
第一初始化單元142用於在每一預置數量氣體傳感器的洩漏氣體測試狀態下，初始化預置數量粒子的位置。
與所述第一定義單元141和第一初始化單元142連接的第一計算單元143用於利用初始化後的預置數量粒子中的預置數量氣體傳感器的隨機部署位置集，計算所述第二目標函數，以獲取預置數量氣體傳感器隨機部署的自適應第二目標函數值集。
與所述第一計算單元143連接的第一查找單元144用於從預置數量氣體傳感器隨機部署的自適應第二目標函數值集中，查找預置數量氣體傳感器隨機部署的最小自適應第二目標函數值。
與所述第一定義單元141和第一查找單元144連接的第一更新單元145用於更新初始化後預置數量粒子中預置數量氣體傳感器移動速度集，及更新初始化後預置數量粒子的位置；
與所述第一初始化單元142、第一計算單元143、第一查找單元144、及第一更新單元145連接的第一迭代處理單元146用於通過預設迭代次數的迭代運行所述第一初始化單元、第一計算單元、第一查找單元、及第一更新單元，獲取每一預置數量氣體傳感器的洩漏氣體測試狀態下所述最優第二目標函數，及其對應的每一預置數量氣體傳感器的洩漏氣體測試狀態下氣體傳感器的最優坐標位置，以每一預置數量氣體傳感器的洩漏氣體測試狀態下所述最優第二目標函數。
與所述第一迭代處理模塊146連接的第一標準化處理單元147用於標準化每一預置數量氣體傳感器的洩漏氣體測試狀態下所述最優第二目標函數的傳感器覆蓋均衡度和傳感器覆蓋報警濃度點的覆蓋度；分別計算標準化後的每一預置數量氣體傳感器的洩漏氣體測試狀態下所述最優第二目標函數的傳感器覆蓋均衡度和傳感器覆蓋報警濃度點的覆蓋度的比重；計算在每一預置數量氣體傳感器的洩漏氣體測試狀態下所述最優第二目標函數的傳感器覆蓋均衡度的信息熵和傳感器覆蓋報警濃度點的覆蓋度的信息熵；根據每一預置數量氣體傳感器的洩漏氣體測試狀態下所述最優第二目標函數的傳感器覆蓋均衡度的信息熵和傳感器覆蓋報警濃度點的覆蓋度的信息熵，計算信息熵的冗餘度；根據每一預置數量氣體傳感器的洩漏氣體測試狀態下所述最優第二目標函數的傳感器覆蓋均衡度的信息熵的冗餘度和傳感器覆蓋報警濃度點的覆蓋度的信息熵的冗餘度，計算所述第一目標函數中傳感器覆蓋的權重和傳感器覆蓋所述報警濃度點的權重。
與所述目標函數建立模塊13和第一處理模塊14連接的第二處理模塊15用於根據標準化處理後的所述最優第二目標函數和預設迭代次數，採用所述預置優化方式，計算出所述第一目標函數的最小值，以根據所述第一目標函數的最小值，推算出在設置任意數量氣體傳感器的洩漏氣體測試狀態下每個氣體傳感器最優部署位置。請參閱圖6，顯示為第二處理模塊的原理結構示意圖。如圖6所示，所述第二處理模塊15包括：第二定義單元151，第二初始化單元152，第二計算單元153，第二查找單元154，第二更新單元155，第二迭代處理單元156。
第二定義單元151用於將任意數量氣體傳感器的初始位置集、任意數量氣體傳感器的隨機部署位置集、任意數量氣體傳感器移動速度集、任意數量氣體傳感器隨機部署的自適應第一目標函數值集、及任意數量氣體傳感器隨機部署的最小自適應第一目標函數值組成的集合定義為粒子。
與所述第二定義單元151連接的第二初始化單元152用於將計算出的所述第一目標函數中傳感器覆蓋的權重和傳感器覆蓋所述報警濃度點的權重代入任意數量氣體傳感器的洩漏氣體測試狀態下所建立的第一目標函數，並在每一預置數量氣體傳感器的洩漏氣體測試狀態下，初始化預置數量粒子的位置。
與所述第二定義模塊和第二初始模塊152連接的第二計算單元153，用於利用初始化後的預置數量粒子中的任意數量氣體傳感器的隨機部署位置集，計算所述第一目標函數，以獲取任意數量氣體傳感器隨機部署的自適應第一目標函數值集。
與所述第二計算單元153連接的第二查找單元154用於從任意數量氣體傳感器隨機部署的自適應第一目標函數值集中，查找任意數量氣體傳感器隨機部署的最小自適應第一目標函數值。
與所述第二定義單元151和第二查找單元154連接的第二更新單元155用於更新初始化後預置數量粒子中任意數量氣體傳感器移動速度集，及更新初始化後預置數量粒子的位置。
與所述第二初始化單元152、第二計算單元153、第二查找單元154、及第二更新單元155連接的第二迭代處理單元156用於通過預設迭代次數的迭代運行所述第二初始化單元、第二計算單元、第二查找單元、及第二更新單元，獲取任意數量氣體傳感器的洩漏氣體測試狀態下最優第一目標函數，及其任意數量氣體傳感器的洩漏氣體測試狀態下每個氣體傳感器最優部署位置。
本實施例還提供一種伺服器2，請參閱圖7，顯示為伺服器於一實施例中的原理結構示意圖。如圖7所示，所述伺服器2包括上述的氣體傳感器的部署優化系統1。
綜上所述，通過本發明所述的氣體傳感器的部署優化方法、系統及伺服器提高了氣體傳感器覆蓋到氣體報警濃度點的數量，同時達到氣體傳感器的覆蓋度越高，覆蓋的越均衡，使得在化工園區氣體洩漏時能夠迅速高效進行報警，以便工作人員採取對應措施。所以，本發明有效克服了現有技術中的種種缺點而具高度產業利用價值。
上述實施例僅例示性說明本發明的原理及其功效，而非用於限制本發明。任何熟悉此技術的人士皆可在不違背本發明的精神及範疇下，對上述實施例進行修飾或改變。因此，舉凡所屬技術領域中具有通常知識者在未脫離本發明所揭示的精神與技術思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應由本發明的權利要求所涵蓋。