粮食物流仓储甲醇颗粒爆炸浓度监控方法研究

当前对粮食物流仓储安全性的要求逐渐增强, 智能化粮食物流仓储安全性检测技术呈现快速发展的趋势, 粮食物流仓储中的安全性检测成为粮食仓储安全研究的关键问题[1,2]。粮食物流仓储环境中, 随着仓储时间的增加, 会出现粮食甲醇挥发问题, 导致可燃性甲醇气体颗粒扩散到周围空气中, 在粮食物流仓储空间中, 对甲醇等可燃性气体都有相应的浓度规范要求, 如果在粮食仓储过程中, 空间中的可燃性气体浓度高于浓度阀值, 将导致甲醇等可燃性气体颗粒燃烧, 严重威胁粮食物流仓储的安全。当前粮食物流仓储空间发生爆炸的事件逐渐增加, 给我国的粮食安全储备带来了较高的安全隐患, 因而产生了相关的智能化仓储可燃性检测方法[3,4]应用范围较广的方法是依据传感器浓度阀值报警的粮食仓储可燃气体颗粒危险度检测方法。但是该方法在应用中存在一定弊端。

粮食在存储过程中挥发出的甲醇等可燃性气体颗粒存在于空气中, 可依据其浓度和规范浓度的关系, 分析粮食仓储中可燃性危险大小。然而在特定的粮食物流仓储条件下, 包含多种类型的可燃性气体颗粒, 这些可燃性气体颗粒在空气中会出现混合现象, 自身的浓度也会出现波动, 传统的粮食物流仓储主要依据单一可燃性气体颗粒浓度分析危险性的方法不能解决甲醇与多种可燃性气体颗粒浓度混合后导致的检测弊端[5,6], 不能准确地对粮食仓储空间中的可燃性气体浓度进行评估, 无法满足新型粮食仓储安全性检测的要求。

当前较为流行的粮食物流仓储可燃性气体危险程度检测方法, 是通过检测物流仓储空间区域中某种气体 (主要是甲醇) 颗粒的浓度, 分析其浓度特征所属的危险程度大小, 最终实现对粮食仓储中可燃性气体颗粒危险程度的检测, 检测原理图用图1描述。

检测过程的原理如下:

待检测的粮食物流仓储区域中, 设置N用于描述甲醇气体颗粒的种类, 一般都取值为1, p用于描述空气中甲醇气体颗粒燃烧系数, (a, b) 表示仓储空间位置坐标, v表示指定区域的体积。甲醇气体在固定粮食仓储空间中的浓度参数D的运算公式为:

采用上述分析的公式能够获取粮食物流仓储空间甲醇气体颗粒可燃性参数, 进而获取甲醇气体的浓度状态。

明确粮食物流仓储区域中甲醇颗粒危险程度判断指标, 通过公式 (3) 检测可燃性气体颗粒危险程度:

通过上述方式可以检测粮食物流仓储区域中甲醇气体颗粒危险程度。

通过以上的检测原理可知, 传统的粮食物流仓储甲醇可燃性检测主要依据某种可燃性气体颗粒浓度分析其危险大小。但是, 在一些复杂粮食物流仓储中, 往往包含不同类型的可燃性气体颗粒, 不同类型的可燃性气体颗粒融合后, 会导致某种类型的可燃性气体种类出现畸变。采用公式 (1) 可得, 一旦粮食存储中的混合可燃性气体颗粒种类的增大, 会导致可燃性气体颗粒混合参数的增大。按照公式 (2) 可得, 可燃性气体颗粒混合参数的增大, 会导致混合可燃性气体颗粒浓度的减少。最终使得按照式 (3) 进行危险检测会产生误判问题。

因此, 为了解决传统方法对不同类型可燃性气体颗粒混合产生的弊端, 提出了依据局部特征值相似性聚合算法的粮食仓储可燃性气体颗粒危险程度检测方法。

获取粮食物流仓储空间中, 可燃性气体颗粒仓储区域位置相关数据, 依据局域离散相关原理, 得到不同物流仓储空间的可燃性气体浓度排列状态, 方法如下:

设置yj, j=1, 2, ..., N, yj表示类型i的可燃性气体颗粒浓度, j为第j种气体, 气体的种类不超过N。运用 描述混合可燃性气体颗粒浓度的物流仓储区域位置均值参数, 通过公式 (3) 可以获取可燃性气体颗粒均值方差:

其中, B=[φ1, φ2, ..., φN]。

通过公式 (3) 对可燃性气体颗粒浓度进行加权, 能够得到可燃性气体颗粒的浓度排列比例:

采用公式 (4) 可以得到可燃性气体颗粒的排列比例, 进而反映物流仓储区域中不同类型可燃性气体颗粒浓度比例情况。

粮食物流仓储局部区域中, 通过离散变换公式获取可燃性气体颗粒排列系数:

采用公式 (5) 可以得到可燃性气体颗粒排列系数, 其中函数h (*) 表示气体a、b的浓度差, 进而获取可燃性气体颗粒在指定物流仓储区域中的排列状态, 详细的排列状态用图2描述。

将获取的粮食仓储空间中的可燃性气体颗粒特征值塑造成一个特征值数据集, 用{a1, a2, ⋯, ai, ⋯, an}描述。对特征矩阵进行降维操作后, 气体浓度特征值数据集为V={V1, V2, ⋯, Vi, ⋯, Vn}。

通过公式 (6) 得到粮食物流仓储局部空间浓度特征值相似性矩阵T:

通过式 (9) 获取粮食物流仓储区域中可燃性气体颗粒局部特征值相似性最小系数:

运用gi (m) 描述第m个特征值方差隶属度, 通过公式 (8) 获取物流仓储区域中可燃性气体颗粒中心点空间位置:

其中, ai表示气体间的距离特征。通过式 (8) 获取粮食物流仓储区域中可燃性气体颗粒中心点同指定范围中心点的欧氏距离:

采用公式 (10) 运算物流仓储区域中可燃性气体颗粒的爆炸系数:

按照运算的结果分析粮食物流仓储空间中气体的易燃易爆大小, 对可燃性气体颗粒的危险度进行分析。

可采用对比分析的方法完成仿真实验过程, 首先需要构建相似的实验环境。在物流仓促环境中, 除了正常的粮食氧化产生的酒精外, 构建混合性可燃气体环境, 环境采用不同可燃气体按照不同比例混合而成。分别采用传统方法以及本文分析的检测方法, 对粮食物流仓储区域中的混合多类型可燃性气体颗粒进行检测分析。

检测过程中, 由于可燃性气体颗粒种类的不断增多, 对气体的浓度分析规范要求的随机性逐渐增强。获取两种方法下的检测准确率, 同时给出相应的准确率折线图, 用图3描述。

通过以上实验结果对比可以看成, 传统的以传感器配合检测算法为主的粮食仓储危险气体检测方式中, 对于气体发生混合, 风向不定等因素的影响, 检测的准确率降低。本文的方法引入了信号分类机制, 可以对混合状态下的检测状态进行细化。结果表明本文方法的检测准确率高于传统方法的检测准确率, 符合人们对粮食物流仓储区域易燃性检测高精度的要求。

本文提出了粮食物流仓储空间可燃特征分类聚合的化学品物流仓储危险评估方法。对传统的传感器检测方法进行了进一步的改进, 并且运用了实验对比的方法说明了本文方法的优势, 但是, 本文的方法对实验环境有着较为严格的限制, 应用存在较大的局限性, 这也是下一步需要解决的问题。