基于人工智能算法的壓縮機(jī)廠房綜合安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

［關(guān)鍵詞］人工智能；紅外檢測(cè)；泄漏

1 概述

焦?fàn)t煤氣壓縮機(jī)作為工業(yè)中的重要組成部分，其穩(wěn)定與高效運(yùn)轉(zhuǎn)關(guān)乎整體生產(chǎn)流程，因此，其巡視工作至關(guān)重要。然而，目前的傳統(tǒng)人工巡檢方式，不僅浪費(fèi)了人力資源，而且檢測(cè)結(jié)果通常缺乏直觀性和準(zhǔn)確性，給巡檢人員的安全也帶來(lái)了不小的隱患。因此，需要一種更加高效、準(zhǔn)確且安全的檢測(cè)手段來(lái)改進(jìn)現(xiàn)有的巡視方式。

在此背景下，開發(fā)一款融合紅外測(cè)溫與可視化氣體管路泄漏監(jiān)測(cè)的先進(jìn)平臺(tái)及裝置，對(duì)于實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守與遠(yuǎn)程監(jiān)控具有重要意義。這款技術(shù)的核心，匯聚了完全自主的聲學(xué)計(jì)算、邊緣計(jì)算、分布式存儲(chǔ)、傳感器接入及加密等尖端物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。

2 焦?fàn)t煤氣壓縮機(jī)組氣體泄漏聲學(xué)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

焦?fàn)t煤氣壓縮機(jī)組氣體泄漏聲學(xué)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以焦?fàn)t煤氣壓縮機(jī)組廠房?jī)?nèi)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的噪聲，以及管路、閥門等氣體泄漏噪聲為監(jiān)測(cè)對(duì)象，以非接觸式、網(wǎng)絡(luò)化聲學(xué)及熱成像為主要信息獲取手段，基于聲場(chǎng)傳播的全息特性，利用自適應(yīng)濾波技術(shù)、現(xiàn)代譜分析、統(tǒng)計(jì)信號(hào)分析等分析方法，構(gòu)造以時(shí)域、空域、頻域?yàn)榛A(chǔ)的多維聲學(xué)特征。利用煤氣壓縮機(jī)組機(jī)房?jī)?nèi)出現(xiàn)氣體泄漏前后的聲學(xué)特征差異，實(shí)現(xiàn)氣體泄漏的檢測(cè)。

依據(jù)工作流程的多樣性，系統(tǒng)可大致劃分為傳感端、信息處理平臺(tái)及顯控端這三大板塊。焦?fàn)t煤氣壓縮機(jī)組氣體泄漏聲學(xué)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的工作流程如圖1所示。

傳感端采集并傳輸寬帶聲學(xué)數(shù)據(jù)，將焦?fàn)t煤氣壓縮機(jī)組的聲學(xué)數(shù)據(jù)上傳至信息處理平臺(tái)。這套焦?fàn)t煤氣壓縮機(jī)組氣體泄漏聲學(xué)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，采用了創(chuàng)新的分布式、網(wǎng)絡(luò)化聲學(xué)傳感器布署方案。

信息處理平臺(tái)在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)泄漏檢測(cè)的功能上起著核心作用的系統(tǒng)組件。針對(duì)焦?fàn)t煤氣壓縮機(jī)組氣體泄漏問題，聲學(xué)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用聲光聯(lián)合信號(hào)處理的方式，結(jié)合自適應(yīng)降噪技術(shù)和干擾抑制技術(shù)，對(duì)采集到的聲學(xué)信號(hào)進(jìn)行深度挖掘和優(yōu)化處理。目的是突出并增強(qiáng)與泄漏相關(guān)的有用聲場(chǎng)信息，同時(shí)有效抑制背景噪聲和其他無(wú)關(guān)干擾，提高信號(hào)的信噪比，確保泄漏事件能夠被精準(zhǔn)、穩(wěn)定地檢測(cè)到。

空時(shí)聯(lián)合處理技術(shù)和自適應(yīng)感知技術(shù)的應(yīng)用，使得系統(tǒng)具備了對(duì)未知異常聲學(xué)信號(hào)和微弱聲學(xué)信號(hào)的強(qiáng)大檢測(cè)與提取能力。這些技術(shù)能夠在多維數(shù)據(jù)特征空間中構(gòu)造出基于時(shí)域、空域及頻域的立體監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，通過對(duì)海量聲學(xué)數(shù)據(jù)的深度學(xué)習(xí)與模式識(shí)別，精確鎖定并分析出可能存在的泄漏源位置及程度。

在焦?fàn)t煤氣壓縮機(jī)組運(yùn)行噪聲的數(shù)據(jù)分析與建模過程中，通過聲學(xué)特征的統(tǒng)計(jì)分析，提取出聲場(chǎng)傳播全息特性的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，形成特征譜。接著在時(shí)域、頻域及空域3個(gè)維度上進(jìn)行細(xì)致的統(tǒng)計(jì)分析，以全面理解聲學(xué)特征在不同工況下的表現(xiàn)。時(shí)域統(tǒng)計(jì)包括均值、方差、峰值等參數(shù)的計(jì)算；頻域統(tǒng)計(jì)則關(guān)注頻率成分的分布、能量密度等特性；空域統(tǒng)計(jì)則涉及聲源位置、傳播路徑等因素對(duì)噪聲的影響。

顯控端作為人機(jī)交互的核心載體，其主要功能是實(shí)時(shí)接收并處理來(lái)自焦?fàn)t煤氣壓縮機(jī)組等關(guān)鍵設(shè)備的各種運(yùn)行參數(shù)與狀態(tài)信息，通過直觀易用的界面展示給操作人員，以便于其能夠迅速了解和掌握設(shè)備的運(yùn)行狀況。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到可能存在泄漏風(fēng)險(xiǎn)并觸發(fā)報(bào)警機(jī)制時(shí)，顯控端會(huì)迅速響應(yīng)，通過系統(tǒng)軟件以醒目的方式向使用者展示詳細(xì)的報(bào)警內(nèi)容，包括泄漏部位、泄漏程度及可能存在的安全隱患等信息，從而確保操作人員能夠第一時(shí)間察覺并采取相應(yīng)的應(yīng)急措施。

3 系統(tǒng)組成

3.1 系統(tǒng)硬件

3.1.1 防爆紅外聲學(xué)成像儀

防爆紅外聲學(xué)成像儀由防爆聲學(xué)成像儀、防爆紅外成像儀、防爆云臺(tái)3部分組成。

防爆聲學(xué)成像儀用于監(jiān)測(cè)焦?fàn)t煤氣壓縮機(jī)房?jī)?nèi)的聲學(xué)信號(hào)，氣體泄漏信號(hào)一般處于超聲頻段范圍，具有中心頻率高、頻段范圍寬、信號(hào)強(qiáng)度差異大的特點(diǎn)。

防爆紅外成像儀用于監(jiān)測(cè)焦?fàn)t煤氣壓縮機(jī)的實(shí)時(shí)溫度，采用高分辨率384×288像素，測(cè)溫范圍–20～+550℃。

防爆云臺(tái)支持水平連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)360°垂直轉(zhuǎn)動(dòng)+90°～–90°，支持128個(gè)預(yù)置點(diǎn)。

3.1.2 防爆控制箱

防爆控制箱是聲學(xué)傳感器的供電和信號(hào)信息傳輸?shù)闹修D(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)，同時(shí)負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)千兆以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)。

3.1.3 客戶端計(jì)算機(jī)

客戶端計(jì)算機(jī)是系統(tǒng)指定用戶登錄主服務(wù)器的端口。用戶利用客戶端計(jì)算機(jī)瀏覽查詢軟件運(yùn)行信息，對(duì)軟件進(jìn)行操作。同時(shí)，系統(tǒng)通過客戶端計(jì)算機(jī)向用戶顯示系統(tǒng)監(jiān)控信息和報(bào)警信息。

3.2 系統(tǒng)軟件

焦?fàn)t煤氣壓縮機(jī)組氣體泄漏聲學(xué)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件依據(jù)系統(tǒng)的工作流程，采用模塊化設(shè)計(jì)的方法，將系統(tǒng)的功能分成若干模塊。系統(tǒng)軟件的主要模塊包括：數(shù)據(jù)傳輸控制模塊、泄漏狀態(tài)判定模塊、系統(tǒng)配置模塊、文件管理模塊與用戶界面模塊。

3.2.1 數(shù)據(jù)傳輸控制模塊

該模塊對(duì)接數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議，可實(shí)現(xiàn)多通道聲學(xué)傳感器信號(hào)的實(shí)時(shí)接收，對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行解包、重排，放入原始數(shù)據(jù)隊(duì)列，可對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行排列、分幀，以便后續(xù)分析處理。

3.2.2 泄漏狀態(tài)判定模塊

該模塊將聲像圖與陣列上配裝的攝像頭所拍的視頻圖像以透明的形式疊合在一起，形成了一個(gè)直觀且易于分析的聲場(chǎng)。

3.2.3 系統(tǒng)配置模塊

配置系統(tǒng)參數(shù)能夠?qū)ο到y(tǒng)中采集、分析的參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。

3.2.4 文件管理模塊

該模塊主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)過程中各類數(shù)據(jù)的保存、回放，用戶可瀏覽指定時(shí)間段內(nèi)所有異常信息。

3.2.5 用戶界面模塊

該模塊為用戶提供交互式操作界面，提供各類數(shù)據(jù)的可視化顯示窗口與模式，實(shí)時(shí)顯示陣列采集時(shí)域信號(hào)、頻譜。當(dāng)氣體泄漏發(fā)聲時(shí)，可顯示報(bào)警信息。

3.3 系統(tǒng)布置

焦?fàn)t煤氣壓縮機(jī)組氣體泄漏聲學(xué)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是一種先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)式在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，旨在實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地檢測(cè)和預(yù)警焦?fàn)t煤氣壓縮機(jī)組在運(yùn)行過程中可能出現(xiàn)的任何微小氣體泄漏情況。該系統(tǒng)的傳感端設(shè)備配置了高性能的聲學(xué)傳感器，這種傳感器對(duì)氣體泄漏產(chǎn)生的聲波變化具有極高的敏感度和分辨率，能夠及時(shí)捕捉并轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)泄漏情況的初步感知。

每個(gè)聲學(xué)傳感器都配備了精密的傳輸控制模塊，確保采集到的信號(hào)穩(wěn)定、無(wú)損地傳輸至系統(tǒng)服務(wù)器進(jìn)行分析處理。為了適應(yīng)不同規(guī)模和復(fù)雜程度的焦?fàn)t煤氣壓縮機(jī)組監(jiān)測(cè)需求，系統(tǒng)采用了分布式布署的方式，根據(jù)被監(jiān)測(cè)對(duì)象的具體地理位置、設(shè)備布局及泄漏風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)分布情況，靈活地設(shè)置多個(gè)傳感端設(shè)備，確保監(jiān)測(cè)無(wú)死角，數(shù)據(jù)采集全面準(zhǔn)確。

系統(tǒng)的服務(wù)器和分析軟件則集中布署在用戶提供的集控室內(nèi)，通過運(yùn)用先進(jìn)的信號(hào)處理技術(shù)和模式識(shí)別算法，對(duì)匯集而來(lái)的海量數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，快速識(shí)別出可能存在的氣體泄漏事件，并生成詳細(xì)的報(bào)警信息。這種方式不僅提高了數(shù)據(jù)處理效率，也便于管理人員迅速作出應(yīng)對(duì)措施。

3.4 測(cè)試依據(jù)

焦?fàn)t煤氣壓縮機(jī)廠房不僅存在著嚴(yán)重的噪聲污染問題，而且由于設(shè)備運(yùn)行過程中產(chǎn)生的大量熱量，使得內(nèi)部溫度極高。在這樣的環(huán)境下，對(duì)任何監(jiān)測(cè)設(shè)備的性能都提出了極高的要求。為了確保設(shè)備的安全、穩(wěn)定和高效運(yùn)行，以及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決潛在的安全隱患，所需要的在線監(jiān)測(cè)設(shè)備必須具備高度的靈敏度和穩(wěn)定性，還要具備屏蔽現(xiàn)場(chǎng)噪聲和耐高溫的特殊功能。

經(jīng)過嚴(yán)格的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，防爆紅外聲學(xué)成像儀表現(xiàn)出了卓越的性能和適應(yīng)性，完全滿足焦?fàn)t煤氣壓縮機(jī)廠房的特殊需求。這款成像儀采用了先進(jìn)的聲學(xué)濾波技術(shù)，能夠有效屏蔽環(huán)境中的各種噪聲干擾，確保監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。

4 結(jié)論

焦?fàn)t煤氣壓縮機(jī)組氣體泄漏聲學(xué)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是一種先進(jìn)的監(jiān)測(cè)技術(shù)，旨在實(shí)時(shí)檢測(cè)焦?fàn)t煤氣壓縮機(jī)組廠房?jī)?nèi)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的噪聲，以及管路、閥門等可能出現(xiàn)的氣體泄漏噪聲。該系統(tǒng)采用非接觸式、網(wǎng)絡(luò)化的聲學(xué)及熱成像技術(shù)手段，可全面獲取設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和周圍環(huán)境信息。其具體優(yōu)勢(shì)如下。

（1）利用聲場(chǎng)傳播的全息特性，能精確記錄和分析聲音在空間中的傳播規(guī)律。結(jié)合自適應(yīng)濾波技術(shù)、現(xiàn)代譜分析、統(tǒng)計(jì)信號(hào)分析等先進(jìn)的分析方法，系統(tǒng)能從時(shí)域、空域、頻域等多個(gè)維度提取聲學(xué)特征，這些特征成為判斷設(shè)備狀態(tài)和氣體泄漏的重要依據(jù)。

（2）焦?fàn)t煤氣壓縮機(jī)組氣體泄漏聲學(xué)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)查詢，可對(duì)任意時(shí)間段的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢；可實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)存儲(chǔ)；可實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體泄漏事件的自動(dòng)報(bào)警，實(shí)現(xiàn)泄漏現(xiàn)場(chǎng)報(bào)警與實(shí)現(xiàn)主控室或調(diào)度室的遠(yuǎn)程同步報(bào)警；支持局域網(wǎng)互聯(lián)，以組成更大監(jiān)控系統(tǒng)，與用戶單位的上位監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)接。