全隧道气体成分监测方法及系统
阅读说明：本技术 全隧道气体成分监测方法及系统 (Method and system for monitoring gas components in whole tunnel ) 是由 胡阳 董海颖 于 2021-06-10 设计创作，主要内容包括：本申请涉及一种全隧道气体成分监测方法及系统,属于隧道环境监测的技术领域,其包括安装在隧道内的轨道钢缆、安装于钢缆轨道上的钢缆轨道机器人、安装于钢缆轨道机器人上的检测系统和安装于主机上的控制系统,所述检测系统包括气体检测模块、位置检测模块、移动控制模块和机器人无线模块；所述控制系统包括主机无线模块、存储模块、启动模块、点阵图生成模块、曲线图生成模块和数据显示模块,本发明具有能够通过钢缆轨道机器人实现全隧道气体成分的自动监测,节省人力物力的效果。(The application relates to a method and a system for monitoring gas components of a whole tunnel, belonging to the technical field of tunnel environment monitoring and comprising a rail steel cable arranged in the tunnel, a steel cable rail robot arranged on a steel cable rail, a detection system arranged on the steel cable rail robot and a control system arranged on a host, wherein the detection system comprises a gas detection module, a position detection module, a mobile control module and a robot wireless module; the control system comprises a host wireless module, a storage module, a starting module, a dot-matrix diagram generation module, a curve diagram generation module and a data display module.)
技术领域
本发明涉及隧道环境监测的
技术领域
，尤其是涉及一种全隧道气体成分监测方法及系统。背景技术
目前，对于隧道的巡检方式主要以人工巡检为主，巡视人员定期巡检，巡视工作内容单一且巡视工作效率较低。通常情况下巡检主要是为了监测隧道内有无障碍物和各种气体浓度。根据隧道内各种气体浓度的监测除了可以判断隧道内有毒气体聚集的位置，也可以通过气体浓度判断火灾等灾害发生情况。为了实现隧道内的实时监控，现有技术有通过在隧道中安装多个摄像头、传感器等进行监测的方法。
上述中的现有技术方案存在以下缺陷：由于隧道体积一般都不小，目前的监测方法不是需要大量人力就是需要大量的传感器，会浪费大量人力物力。
发明内容
为了节省人力物力，本申请提供一种全隧道气体成分监测方法及系统。
一方面，本申请提供的一种全隧道气体成分监测方法采用如下的技术方案：
一种全隧道气体成分监测方法，包括以下步骤：
搭建轨道：在隧道内沿隧道搭建轨道钢缆；
安装机器人：根据需要检测的气体选择气体检测装置，将气体选择装置安装在钢缆轨道机器人上，将钢缆轨道机器人安装在钢缆轨道上；
检测启动：接收输入的启动信号后控制钢缆轨道机器人沿钢缆轨道循环移动，同时启动气体检测装置；
数据记录：定时获取钢缆轨道机器人的位置信息和气体检测装置检测的各气体浓度值；
数据整理：根据接收的位置信息和各气体浓度值生成隧道各气体浓度点阵图，将各气体浓度点阵图拟合获得各气体浓度曲线图；
数据显示：显示各气体浓度曲线图。
通过采用上述方案，能够通过钢缆轨道机器人检测全隧道气体成分，钢缆轨道机器人自动在隧道中移动，无需人工操作，传感器也只需要在钢缆轨道机器人上设置即可，能节省大量人力物力。并且能够自动生成各气体浓度曲线图，方便用户观察。
优选的，数据整理具体设置为：
单曲线图生成：根据每种气体的气体浓度值和接收的位置信息生成每种气体的气体浓度点阵图，将气体浓度点阵图拟合获得气体浓度曲线图；
曲线图整合：将所有的气体浓度曲线图叠加到一个图里形成各气体浓度曲线图。
通过采用上述方案，可以分不同气体生成气体浓度曲线图，更方便用户观察。
优选的，还包括以下步骤：
自动警示：检测各气体浓度曲线图内各曲线每段的曲率，若某段曲线的曲率超过预设值，则标注该端曲线。
通过采用上述方案，能够自动检测可能出现问题的曲线，帮助用户快速找到出现问题的区域。
优选的，还包括以下步骤：
导入钢缆轨道平面图，钢缆轨道机器人设置为多个，且全部安装在轨道钢缆上；
将钢缆轨道机器人在钢缆轨道上等距排列，获取相邻钢缆轨道机器人之间的轨道长度，记录标准轨道长度；
获取每个钢缆轨道机器人在钢缆轨道平面图的位置，截取相邻钢缆轨道机器人之间的钢缆轨道并计算钢缆轨道长度，将钢缆轨道长度于标准轨道长度对比；
若钢缆轨道长度于标准轨道长度不相同，则调整该段钢缆轨道长度两端的钢缆轨道机器人的移动速度，直至钢缆轨道长度等于标准轨道长度。
通过采用上述方案，如果隧道很大，可以设置多个钢缆轨道机器人进行监测，钢缆轨道机器人之间间距自动控制，而且不会受到隧道形状影响。
优选的，获取每个钢缆轨道机器人在钢缆轨道平面图的位置具体设置为：
在每个钢缆轨道机器人安装UWB发射装置和UWB接收装置，每个UWB发射装置均发出非正弦波窄脉冲，每个钢缆轨道机器人的UWB接收装置接收最近的UWB发射装置发出的非正弦波窄脉冲，根据接收的UWB信号计算相邻钢缆轨道机器人之间的直线距离，根据直线距离计算钢缆轨道机器人在钢缆轨道平面图的位置。
通过采用上述方案，通过UWB发射装置和UWB接收装置能够准确地计算出钢缆轨道机器人之间直线距离，然后通过钢缆轨道平面图即可算出钢缆轨道机器人的具体位置。
另一方面，本申请提供的一种全隧道气体成分监测系统采用如下的技术方案：
一种全隧道气体成分监测系统，包括安装在隧道内的轨道钢缆、安装于钢缆轨道上的钢缆轨道机器人、安装于钢缆轨道机器人上的检测系统和安装于主机上的控制系统，所述检测系统包括气体检测模块、位置检测模块、移动控制模块和机器人无线模块；
所述气体检测模块包括多个安装于钢缆轨道机器人上的气体检测装置，气体检测装置检测对应的气体浓度值，气体检测模块将所有气体浓度值发送给机器人无线模块；
所述位置检测模块检测钢缆轨道机器人的位置信息并将位置信息发送给机器人无线模块；
所述移动控制模块接收启动信号后控制钢缆轨道机器人沿钢缆轨道循环移动；
所述机器人无线模块将接收的气体浓度值和位置信息发送给控制系统，机器人无线模块将接收的启动信号传输给移动控制模块；
所述控制系统包括主机无线模块、存储模块、启动模块、点阵图生成模块、曲线图生成模块和数据显示模块；
所述主机无线模块接收机器人无线模块发送的气体浓度值和位置信息并将气体浓度值和位置信息传输给存储模块，主机无线模块将接收的启动信号传输给机器人无线模块；
所述存储模块接收输入的信息并进行存储；
所述启动模块接收输入的指令后向主机无线模块传输启动信号；
所述点阵图生成模块调用存储模块存储的气体浓度值和位置信息，并根据气体浓度值和位置信息生成隧道各气体浓度点阵图，点阵图生成模块将隧道各气体浓度点阵图传输给曲线图生成模块；
所述曲线图生成模块将接收的隧道各气体浓度点阵图拟合获得各气体浓度曲线图，曲线图生成模块将各气体浓度曲线图传输给数据显示模块；
所述数据显示模块显示接收的各气体浓度曲线图。
通过采用上述方案，检测系统和控制系统能够通过钢缆轨道机器人检测全隧道气体成分，钢缆轨道机器人自动在隧道中移动，无需人工操作，传感器也只需要在钢缆轨道机器人上设置即可，能节省大量人力物力。并且能够自动生成各气体浓度曲线图，方便用户观察。
优选的，所述点阵图生成模块根据不同气体的气体浓度值和位置信息生成每种气体的气体浓度点阵图；
所述曲线图生成模块接收点阵图生成模块的气体浓度点阵图，将气体浓度点阵图拟合获得气体浓度曲线图，将所有的气体浓度曲线图叠加获得各气体浓度曲线图；
所述数据显示模块显示每个气体的气体浓度曲线图和各气体浓度曲线图。
通过采用上述方案，控制系统可以分不同气体生成气体浓度曲线图，更方便用户观察。
优选的，控制系统还包括自动警示模块，所述自动警示模块调用曲线图生成模块的各气体浓度曲线图，检测各气体浓度曲线图内各曲线每段的曲率，若某段曲线的曲率超过预设值，则标注该端曲线，检测各气体浓度曲线图内各曲线每段的曲率，若某段曲线的曲率超过预设值，则标注该端曲线，自动警示模块将标注后的各气体浓度曲线图传输给数据显示模块进行显示。
通过采用上述方案，自动警示模块能够自动检测可能出现问题的曲线，帮助用户快速找到出现问题的区域。
优选的，钢缆轨道机器人设置为多个，且全部安装在轨道钢缆上；所述检测系统还包括标准获取模块，所述控制系统还包括间距控制模块；
所述存储模块存储有钢缆轨道平面图；
所述标准获取模块接收输入的标准轨道长度，并将标准轨道长度传输给机器人无线模块，机器人无线模块将标准轨道长度发送给主机无线模块，主机无线模块将标准轨道长度传输给存储模块进行存储；
所述间距控制模块调用存储模块存储的位置信息和标准轨道长度，间距控制模块根据位置信息确定每个钢缆轨道机器人在钢缆轨道平面图的位置，截取相邻钢缆轨道机器人之间的钢缆轨道并计算钢缆轨道长度，将钢缆轨道长度于标准轨道长度对比，若钢缆轨道长度于标准轨道长度不相同，则调整该段钢缆轨道长度两端的钢缆轨道机器人的移动速度，直至钢缆轨道长度等于标准轨道长度。
通过采用上述方案，如果隧道很大，可以设置多个钢缆轨道机器人进行监测，钢缆轨道机器人之间间距自动控制，而且不会受到隧道形状影响。
优选的，所述位置检测模块包括安装于钢缆轨道机器人的UWB发射装置和UWB接收装置，每个UWB发射装置均发出非正弦波窄脉冲，每个钢缆轨道机器人的UWB接收装置接收最近的UWB发射装置发出的非正弦波窄脉冲，位置检测模块根据接收的UWB信号计算相邻钢缆轨道机器人之间的直线距离，位置检测模块将直线距离转化为位置信息；
所述间距控制模块根据直线距离和钢缆轨道平面图计算钢缆轨道机器人在钢缆轨道平面图的位置。
通过采用上述方案，位置检测模块通过UWB发射装置和UWB接收装置能够准确地计算出钢缆轨道机器人之间直线距离，然后通过钢缆轨道平面图即可算出钢缆轨道机器人的具体位置。
综上所述，本发明具有以下有益效果：
1. 能够通过钢缆轨道机器人检测全隧道气体成分，钢缆轨道机器人自动在隧道中移动，无需人工操作，传感器也只需要在钢缆轨道机器人上设置即可，能节省大量人力物力；
2. 能够自动检测可能出现问题的曲线，帮助用户快速找到出现问题的区域；
3. 如果隧道很大，可以设置多个钢缆轨道机器人进行监测，钢缆轨道机器人之间间距自动控制，而且不会受到隧道形状影响。
附图说明
图1是本申请实施例全隧道气体成分监测方法的整体逻辑图；
图2是本申请实施例全隧道气体成分监测系统的整体系统框图；
图3是本申请实施例全隧道气体成分监测系统的整体模块框图。
图中，1、轨道钢缆；2、钢缆轨道机器人；21、气体检测装置；22、UWB发射装置；23、UWB接收装置；3、检测系统；31、气体检测模块；32、位置检测模块；33、移动控制模块；34、机器人无线模块；35、标准获取模块；4、控制系统；41、主机无线模块；42、启动模块；43、存储模块；44、间距控制模块；45、点阵图生成模块；46、曲线图生成模块；47、自动警示模块；48、数据显示模块。
具体实施方式
以下结合附图1-3对本申请作进一步详细说明。
本申请实施例公开一种全隧道气体成分监测方法，如图1所示，具体步骤如下：
如图1所示，搭建轨道：在隧道内沿隧道搭建轨道钢缆1。
如图1所示，安装机器人：根据需要检测的气体选择气体检测装置21，将气体选择装置安装在钢缆轨道机器人2上，钢缆轨道机器人2设置为多个，且全部安装在轨道钢缆1上。导入钢缆轨道平面图。将钢缆轨道机器人2在钢缆轨道上等距排列，获取相邻钢缆轨道机器人2之间的轨道长度，记录标准轨道长度。
如图1所示，检测启动：接收输入的启动信号后控制钢缆轨道机器人2沿钢缆轨道循环移动，同时启动气体检测装置21。在每个钢缆轨道机器人2安装UWB发射装置22和UWB接收装置23，每个UWB发射装置22均发出非正弦波窄脉冲，每个钢缆轨道机器人2的UWB接收装置23接收最近的UWB发射装置22发出的非正弦波窄脉冲，根据接收的UWB信号计算相邻钢缆轨道机器人2之间的直线距离，根据直线距离计算钢缆轨道机器人2在钢缆轨道平面图的位置。截取相邻钢缆轨道机器人2之间的钢缆轨道并计算钢缆轨道长度，将钢缆轨道长度于标准轨道长度对比。若钢缆轨道长度于标准轨道长度不相同，则调整该段钢缆轨道长度两端的钢缆轨道机器人2的移动速度，直至钢缆轨道长度等于标准轨道长度。如果隧道很大，可以设置多个钢缆轨道机器人2进行监测，钢缆轨道机器人2之间间距自动控制，而且不会受到隧道形状影响。通过UWB发射装置22和UWB接收装置23能够准确地计算出钢缆轨道机器人2之间直线距离，然后通过钢缆轨道平面图即可算出钢缆轨道机器人2的具体位置。
如图1所示，数据记录：定时获取钢缆轨道机器人2的位置信息和气体检测装置21检测的各气体浓度值。
如图1所示，数据整理：根据接收的位置信息和各气体浓度值生成隧道各气体浓度点阵图，将各气体浓度点阵图拟合获得各气体浓度曲线图。数据整理具体设置为单曲线图生成和曲线图整合。单曲线图生成：根据每种气体的气体浓度值和接收的位置信息生成每种气体的气体浓度点阵图，将气体浓度点阵图拟合获得气体浓度曲线图。曲线图整合：将所有的气体浓度曲线图叠加到一个图里形成各气体浓度曲线图。
如图1所示，数据显示：显示各气体浓度曲线图。
如图1所示，自动警示：检测各气体浓度曲线图内各曲线每段的曲率，若某段曲线的曲率超过预设值，则标注该端曲线。能够自动检测可能出现问题的曲线，帮助用户快速找到出现问题的区域。
本申请实施例一种全隧道气体成分监测方法的实施原理为：能够通过钢缆轨道机器人2检测全隧道气体成分，钢缆轨道机器人2自动在隧道中移动，无需人工操作，传感器也只需要在钢缆轨道机器人2上设置即可，能节省大量人力物力。并且能够自动生成各气体浓度曲线图，方便用户观察。
本申请实施例公开一种全隧道气体成分监测系统，如图2所示，包括安装在隧道内的轨道钢缆1、安装于钢缆轨道上的钢缆轨道机器人2、安装于钢缆轨道机器人2上的检测系统3和安装于主机上的控制系统4。钢缆轨道机器人2设置为多个，且全部安装在轨道钢缆1上。
如图2和图3所示，检测系统3包括气体检测模块31、位置检测模块32、移动控制模块33、机器人无线模块34和标准获取模块35。控制系统4包括主机无线模块41、存储模块43、启动模块42、点阵图生成模块45、曲线图生成模块46、数据显示模块48、间距控制模块44和自动警示模块47。
如图2和图3所示，气体检测模块31包括多个安装于钢缆轨道机器人2上的气体检测装置21，气体检测装置21检测对应的气体浓度值，气体检测模块31将所有气体浓度值发送给机器人无线模块34。气体检测装置21包括CO2传感器、NO传感器、CO传感器、NO2传感器、H2S传感器、SO2传感器、O2传感器、NH3传感器、O3传感器、PH3传感器和EX传感器。
如图2和图3所示，位置检测模块32包括安装于钢缆轨道机器人2的UWB发射装置22和UWB接收装置23，每个UWB发射装置22均发出非正弦波窄脉冲，每个钢缆轨道机器人2的UWB接收装置23接收最近的UWB发射装置22发出的非正弦波窄脉冲，位置检测模块32根据接收的UWB信号计算相邻钢缆轨道机器人2之间的直线距离，位置检测模块32将直线距离转化为位置信息。位置检测模块32将位置信息发送给机器人无线模块34。间距控制模块44根据直线距离和钢缆轨道平面图计算钢缆轨道机器人2在钢缆轨道平面图的位置。UWB发射装置22能够发射出纳秒级非正弦波窄脉冲，再由UWB接收装置23接收，从而实现两者距离的精确计算。
如图3所示，标准获取模块35接收输入的标准轨道长度，并将标准轨道长度传输给机器人无线模块34。
如图3所示，移动控制模块33接收启动信号后控制钢缆轨道机器人2沿钢缆轨道循环移动。机器人无线模块34将接收的气体浓度值、位置信息和标准轨道长度发送给控制系统4，机器人无线模块34将接收的启动信号传输给移动控制模块33。
如图3所示，主机无线模块41接收机器人无线模块34发送的气体浓度值、位置信息和标准轨道长度并将气体浓度值和位置信息传输给存储模块43，主机无线模块41将接收的启动信号传输给机器人无线模块34。启动模块42接收输入的指令后向主机无线模块41传输启动信号。
如图3所示，存储模块43接收输入的信息并进行存储。存储模块43存储有钢缆轨道平面图。
如图3所示，间距控制模块44调用存储模块43存储的位置信息和标准轨道长度，间距控制模块44根据直线距离和钢缆轨道平面图计算钢缆轨道机器人2在钢缆轨道平面图的位置，截取相邻钢缆轨道机器人2之间的钢缆轨道并计算钢缆轨道长度，将钢缆轨道长度于标准轨道长度对比。若钢缆轨道长度于标准轨道长度不相同，则调整该段钢缆轨道长度两端的钢缆轨道机器人2的移动速度，直至钢缆轨道长度等于标准轨道长度。如果隧道很大，可以设置多个钢缆轨道机器人2进行监测，钢缆轨道机器人2之间间距自动控制，而且不会受到隧道形状影响。位置检测模块32通过UWB发射装置22和UWB接收装置23能够准确地计算出钢缆轨道机器人2之间直线距离，然后通过钢缆轨道平面图即可算出钢缆轨道机器人2的具体位置。
如图3所示，点阵图生成模块45调用存储模块43存储的气体浓度值和位置信息，并点阵图生成模块45根据不同气体的气体浓度值和位置信息生成每种气体的气体浓度点阵图和隧道各气体浓度点阵图，点阵图生成模块45将隧道各气体浓度点阵图和气体浓度点阵图传输给曲线图生成模块46。曲线图生成模块46将气体浓度点阵图拟合获得气体浓度曲线图，将所有的气体浓度曲线图叠加获得各气体浓度曲线图。曲线图生成模块46也可以将接收的隧道各气体浓度点阵图拟合获得各气体浓度曲线图，曲线图生成模块46将各气体浓度曲线图传输给数据显示模块48。
如图3所示，数据显示模块48显示每个气体的气体浓度曲线图和各气体浓度曲线图。自动警示模块47调用曲线图生成模块46的各气体浓度曲线图，检测各气体浓度曲线图内各曲线每段的曲率，若某段曲线的曲率超过预设值，则标注该端曲线。检测各气体浓度曲线图内各曲线每段的曲率，若某段曲线的曲率超过预设值，则标注该端曲线，自动警示模块47将标注后的各气体浓度曲线图传输给数据显示模块48进行显示。
本申请实施例一种全隧道气体成分监测系统的实施原理为：检测系统3和控制系统4能够通过钢缆轨道机器人2检测全隧道气体成分，钢缆轨道机器人2自动在隧道中移动，无需人工操作，传感器也只需要在钢缆轨道机器人2上设置即可，能节省大量人力物力。并且能够自动生成各气体浓度曲线图，方便用户观察。
本具体实施方式的实施例均为本发明的较佳实施例，并非依此限制本发明的保护范围，故：凡依本发明的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围之内。
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