基于云聚合遠(yuǎn)程監(jiān)控的瓶裝液化石油氣流轉(zhuǎn)跟蹤系統(tǒng)

許 琦

(中海油能源發(fā)展珠海石化銷售有限公司，天津 300450)

0 引言

作為一種清潔性強(qiáng)、效率高的能源，瓶裝液化石油氣在人們?nèi)粘Ｉ?、餐飲以及各企事業(yè)單位食堂等都得到了廣泛應(yīng)用[1]。近幾年以來，瓶裝液化石油氣爆燃事故經(jīng)常發(fā)生，暴露出裝有液化石油氣的鋼瓶不合格以及石油氣的質(zhì)量摻假等行為[2]。對(duì)于政府部門而言，也暴露出傳統(tǒng)液化石油氣流轉(zhuǎn)跟蹤系統(tǒng)在實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性方面無法滿足管理要求的缺點(diǎn)，對(duì)液化石油氣監(jiān)督和管理的安全性缺乏監(jiān)督，當(dāng)事故發(fā)生之后，沒有可以使用的技術(shù)手段追溯事故的責(zé)任方，加大了責(zé)任落實(shí)的難度[3]。遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)的出現(xiàn)，為瓶裝液化石油氣流轉(zhuǎn)跟蹤提供了必要的手段，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)瓶裝液化石油氣流轉(zhuǎn)跟蹤系統(tǒng)的不足，因此，設(shè)計(jì)瓶裝液化石油氣流轉(zhuǎn)跟蹤系統(tǒng)，對(duì)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)使用后達(dá)到預(yù)期目標(biāo)具有重要作用。

在國(guó)內(nèi)的相關(guān)研究中，姜立標(biāo)等[4]利用B樣條曲線，設(shè)計(jì)了一種路徑跟蹤算法，在研究車輛行駛過程的基礎(chǔ)上，為汽車構(gòu)建了運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，應(yīng)用B樣條曲線的相關(guān)理論，建立了泊車路徑的優(yōu)化函數(shù)，給出了車輛運(yùn)動(dòng)分析的約束條件，實(shí)現(xiàn)了路徑的跟蹤控制，最后采用仿真驗(yàn)證的方式，發(fā)現(xiàn)該算法的合理性更高，且具有更好的跟蹤效果，但是跟蹤精度較低，無法滿足實(shí)際應(yīng)用；包震洲等[5]提出了基于GIS的路徑跟蹤控制系統(tǒng)，利用雷達(dá)傳感器計(jì)算了跟蹤過程中的障礙物距離，定位到障礙物的位置，利用GIS建立了空間數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換并展現(xiàn)，根據(jù)轉(zhuǎn)換結(jié)果設(shè)計(jì)了路徑跟蹤流程，雖然該系統(tǒng)可以將瓶裝液化石油氣流轉(zhuǎn)跟蹤誤差控制在5%以內(nèi)，但是其耗時(shí)較長(zhǎng)，工作效率較低。

為了彌補(bǔ)現(xiàn)有方法的不足，本文利用云聚合遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)，設(shè)計(jì)了瓶裝液化石油氣流轉(zhuǎn)跟蹤系統(tǒng)，提高系統(tǒng)的整體性能，實(shí)現(xiàn)瓶裝液化石油氣的流轉(zhuǎn)跟蹤。

1 瓶裝液化石油氣流轉(zhuǎn)跟蹤系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 瓶裝液化石油氣流轉(zhuǎn)跟蹤系統(tǒng)架構(gòu)

瓶裝液化石油氣流轉(zhuǎn)跟蹤系統(tǒng)的總體架構(gòu)由4部分組成，包括信息采集客戶端、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、流轉(zhuǎn)跟蹤客戶端以及遠(yuǎn)程監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[6]，具體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 液化石油氣流轉(zhuǎn)跟蹤系統(tǒng)架構(gòu)

a.信息采集客戶端。該部分主要是利用數(shù)據(jù)儲(chǔ)存技術(shù)采集液化石油氣的充裝信息、檢驗(yàn)信息、配送信息和流轉(zhuǎn)跟蹤信息，在每個(gè)環(huán)節(jié)驗(yàn)證氣瓶的標(biāo)簽，并對(duì)液化石油氣流轉(zhuǎn)閉環(huán)進(jìn)行嚴(yán)格控制，防止出現(xiàn)串瓶的問題。

b.數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器。數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器負(fù)責(zé)液化石油氣流轉(zhuǎn)跟蹤數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)， 利用服務(wù)器強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力[7]，將跟蹤結(jié)果傳輸?shù)娇蛻舳恕?/p>

c.流轉(zhuǎn)跟蹤客戶端。流轉(zhuǎn)跟蹤客戶端是將采集到的信息存入數(shù)據(jù)庫(kù)中，并將流轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)匯總到數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器中，實(shí)現(xiàn)液化石油氣的流轉(zhuǎn)跟蹤。

d.遠(yuǎn)程監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。遠(yuǎn)程監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是利用云聚合遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)將采集到的信息發(fā)送到監(jiān)控中心[8]，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，加強(qiáng)了液化石油氣流轉(zhuǎn)跟蹤的力度。

1.2 瓶裝液化石油氣流轉(zhuǎn)信息采集模塊

在瓶裝液化石油氣流轉(zhuǎn)信息采集模塊中，先將RFID標(biāo)簽貼在液化石油氣瓶上，采用非接觸的方式實(shí)現(xiàn)信息的采集[9]。云聚合遠(yuǎn)程監(jiān)控終端可以將液化石油氣的充裝信息標(biāo)注在RFID標(biāo)簽的指定位置，大大提高了液化石油氣的流轉(zhuǎn)速度，可以有效解決流轉(zhuǎn)過程中各部門之間的信息不通暢問題。

基于RFID標(biāo)簽機(jī)制，在采集瓶裝液化石油氣流轉(zhuǎn)信息時(shí)，需要先驗(yàn)證液化石油氣氣瓶是否合法有效，等待驗(yàn)證通過之后，才能采集瓶裝液化石油氣流轉(zhuǎn)信息，否則不會(huì)進(jìn)入到流轉(zhuǎn)環(huán)節(jié)，這樣可以有效避免串瓶充氣的現(xiàn)象發(fā)生，保證了瓶裝液化石油氣流轉(zhuǎn)的安全性。

1.3 設(shè)計(jì)瓶裝液化石油氣流轉(zhuǎn)跟蹤模塊

瓶裝液化石油氣流轉(zhuǎn)跟蹤流程主要包括用戶登記注冊(cè)、氣體充裝、交通運(yùn)輸、銷售以及檢驗(yàn)等環(huán)節(jié)。對(duì)于液化石油氣的充裝單位而言，其處于流轉(zhuǎn)跟蹤的中心位置，與其他幾個(gè)單位之間都會(huì)存在一定聯(lián)系，并進(jìn)行登記注冊(cè)、充裝及檢驗(yàn)等工作。

瓶裝液化石油氣流轉(zhuǎn)跟蹤流程如圖2所示。

圖2 瓶裝液化石油氣流轉(zhuǎn)跟蹤流程

2 瓶裝液化石油氣流轉(zhuǎn)跟蹤系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 液化石油氣流轉(zhuǎn)跟蹤節(jié)點(diǎn)

當(dāng)液化石油氣流轉(zhuǎn)跟蹤節(jié)點(diǎn)o的誤差數(shù)據(jù)為FA時(shí)，任意一個(gè)跟蹤節(jié)點(diǎn)o的能量損耗為

(1)

(2)

在確定跟蹤周期之后，計(jì)算了液化石油氣流轉(zhuǎn)跟蹤滯留期，即

ln=minlo

(3)

如果定義N={n1,…,n|N|}為液化石油氣流轉(zhuǎn)跟蹤節(jié)點(diǎn)集合，那么就需要先獲取|N|的元向量(y1,…,y|N|)[10]，其中，yo在{0,1}范圍內(nèi)，同時(shí)還要滿足以下3個(gè)條件：

a.滿足mino∈Nyolo的最大化。

上述條件中，F(xiàn)AT的值通常情況下都是根據(jù)液化石油氣流轉(zhuǎn)跟蹤的需求而設(shè)定的，k為流轉(zhuǎn)跟蹤節(jié)點(diǎn)的最小值。

在選擇流轉(zhuǎn)跟蹤節(jié)點(diǎn)的增量時(shí)，通常將收益函數(shù)設(shè)置為J[11]，確定流轉(zhuǎn)跟蹤節(jié)點(diǎn)的集合為N={n1,…,n|N|}，那么液化石油氣流轉(zhuǎn)跟蹤節(jié)點(diǎn)no的收益函數(shù)為

J(no)=lo

(4)

通過分析液化石油氣流轉(zhuǎn)安全性的影響因素，建立流轉(zhuǎn)跟蹤節(jié)點(diǎn)之間的依賴關(guān)系，在保證流轉(zhuǎn)跟蹤節(jié)點(diǎn)穩(wěn)定性的前提下，根據(jù)液化石油氣流轉(zhuǎn)跟蹤節(jié)點(diǎn)的收益函數(shù)，選取液化石油氣流轉(zhuǎn)跟蹤節(jié)點(diǎn)。

2.2 液化石油氣流轉(zhuǎn)跟蹤算法

將瓶裝液化石油氣流轉(zhuǎn)路徑的密度定義為分布的集中度[12]，液化石油氣的流轉(zhuǎn)空間e定義為

(5)

s為流轉(zhuǎn)相似度；E為不同種類液化石油氣的流轉(zhuǎn)空間；u為液化石油氣流轉(zhuǎn)路徑概率；bd為流轉(zhuǎn)路徑的差異性；A和B為流轉(zhuǎn)路徑。

對(duì)液化石油氣的流轉(zhuǎn)空間進(jìn)行劃分，即

(6)

?s為液化石油氣流轉(zhuǎn)空間內(nèi)的信息熵；Ew為流轉(zhuǎn)路徑的組織結(jié)構(gòu)。

根據(jù)液化石油氣流轉(zhuǎn)空間的劃分結(jié)果，利用云聚合原理，對(duì)液化石油氣的流轉(zhuǎn)過程進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控[13]，提取出流轉(zhuǎn)路徑的特征值K，公式為

(7)

aij為任意一條液化石油氣流轉(zhuǎn)路徑；vij為任意一條流轉(zhuǎn)路徑值；h為流轉(zhuǎn)路徑數(shù)量；kg為在第g個(gè)窗口內(nèi)含有k個(gè)流轉(zhuǎn)路徑，其中有m條流轉(zhuǎn)路徑屬于z類別。

將流轉(zhuǎn)路徑aij的支持度定義為Qaij，z類流轉(zhuǎn)路徑的支持度定義為Qz，置信度為R，基于此，構(gòu)建液化石油氣流轉(zhuǎn)路徑之間的時(shí)空關(guān)系矩陣，即

(8)

Eaij為流轉(zhuǎn)路徑aij支持度Qaij的計(jì)數(shù)；Ez為z類流轉(zhuǎn)路徑支持度Qz的計(jì)數(shù)。

在液化石油氣流轉(zhuǎn)路徑之間的時(shí)空關(guān)系矩陣中，利用云聚合遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)，遠(yuǎn)距離監(jiān)控液化石油氣的流轉(zhuǎn)狀態(tài)[14]，對(duì)流轉(zhuǎn)路徑進(jìn)行分類，即

(9)

W為分類窗口中流轉(zhuǎn)路徑不屬于z類別的準(zhǔn)確率；Xg為第g個(gè)窗口中存在X升液化石油氣的流轉(zhuǎn)路徑；μc為分類結(jié)果的平均分類誤差；hg為流轉(zhuǎn)路徑在g個(gè)窗口內(nèi)的數(shù)量。

由于采用云聚合遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)對(duì)瓶裝液化石油氣的流轉(zhuǎn)進(jìn)行跟蹤時(shí)，流轉(zhuǎn)路徑特征值之間會(huì)存在時(shí)空相關(guān)性[15]，描述為

(10)

ω為液化石油氣種類；Re為流轉(zhuǎn)空間置信度。

根據(jù)流轉(zhuǎn)路徑特征值之間會(huì)存在時(shí)空相關(guān)性，構(gòu)造流轉(zhuǎn)路徑分類器，描述為

(11)

λ為時(shí)間窗口長(zhǎng)度；φ為時(shí)間窗口的權(quán)值；γ為最遠(yuǎn)時(shí)間窗口的流轉(zhuǎn)路徑；σ為基本窗口w1向當(dāng)前窗口滑動(dòng)的時(shí)刻；χ為流轉(zhuǎn)路徑權(quán)值矢量。

基于流轉(zhuǎn)路徑分類器，利用云聚合理論對(duì)瓶裝液化石油氣流轉(zhuǎn)過程進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，得到流轉(zhuǎn)跟蹤結(jié)果為

(12)

ξ為與流轉(zhuǎn)路徑對(duì)應(yīng)的監(jiān)控窗口；β為流轉(zhuǎn)路徑與遠(yuǎn)程監(jiān)控窗口之間的關(guān)聯(lián)信息。

根據(jù)以上過程，設(shè)計(jì)了液化石油氣流轉(zhuǎn)跟蹤算法，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。

3 測(cè)試分析

3.1 設(shè)置測(cè)試參數(shù)

系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)采用輕量級(jí)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，可利用軟件對(duì)測(cè)試的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境進(jìn)行定義，具有部署方便的特點(diǎn)，系統(tǒng)測(cè)試過程中，相關(guān)參數(shù)的設(shè)置如表1所示。

表1 系統(tǒng)測(cè)試參數(shù)

3.2 設(shè)定測(cè)試指標(biāo)

在系統(tǒng)功能測(cè)試中，以用戶模塊為測(cè)試用例，測(cè)試系統(tǒng)的用戶模塊功能是否滿足用戶需求。利用跟蹤成功率和吞吐量作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，成功率指標(biāo)指的是成功跟蹤到的液化石油氣流轉(zhuǎn)路徑占總流轉(zhuǎn)路徑的比例，成功率越高說明跟蹤性能越好；吞吐量指標(biāo)指的是單位時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)成功傳送的數(shù)據(jù)量，吞吐量越高說明跟蹤性能越好。

3.3 結(jié)果分析

在系統(tǒng)性能測(cè)試方面，引入基于滑?？刂频母櫹到y(tǒng)和基于GIS的跟蹤系統(tǒng)作對(duì)比，測(cè)試了3個(gè)系統(tǒng)的跟蹤成功率和吞吐量。

3個(gè)系統(tǒng)的跟蹤成功率測(cè)試結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同系統(tǒng)跟蹤成功率測(cè)試結(jié)果

由圖3可知，隨著跟蹤節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加，3個(gè)系統(tǒng)的跟蹤成功率都呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)，其中基于滑?？刂频母櫹到y(tǒng)和基于GIS的跟蹤系統(tǒng)在跟蹤成功率方面得到的結(jié)果較低，最低跟蹤成功率分別為23%和50%；然而基于云聚合遠(yuǎn)程監(jiān)控的跟蹤系統(tǒng)在瓶裝液化石油氣流轉(zhuǎn)跟蹤時(shí)的成功率較高，始終高于80%，因此說明本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)在跟蹤成功率方面具有更好的性能。

3個(gè)系統(tǒng)的吞吐量測(cè)試結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同系統(tǒng)吞吐量測(cè)試結(jié)果

由圖4可知，采用基于滑模控制的跟蹤系統(tǒng)和基于GIS的跟蹤系統(tǒng)時(shí)，每秒請(qǐng)求數(shù)低于500 req/s的吞吐量基本一致，但是隨著每秒請(qǐng)求數(shù)的加快，基于GIS的跟蹤系統(tǒng)的吞吐量更高，達(dá)到了6 400 KB/s。而本文提出的基于云聚合遠(yuǎn)程監(jiān)控的瓶裝液化石油氣流轉(zhuǎn)跟蹤系統(tǒng)的吞吐量始終高于基于滑?？刂频母櫹到y(tǒng)和基于GIS的跟蹤系統(tǒng)，最大吞吐量達(dá)到了7 600 KB/s，因此說明本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)在吞吐量方面具有更好的性能。

4 結(jié)束語

本文提出了基于云聚合遠(yuǎn)程監(jiān)控的瓶裝液化石油氣流轉(zhuǎn)跟蹤系統(tǒng)研究，經(jīng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)不僅功能測(cè)試中可以滿足用戶需求，還具有更好的性能。