基于數據融合算法的GIS防塵棚環境智能監控系統

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發布時間：2024-10-31 15:13:41 瀏覽：121

基于數據融合算法的GIS防塵棚環境智能監控系統
技術領域
本發明屬于GIS安裝環境環境參數的信息管理、監測網絡、和智能監控技術領域，尤其涉及一種基于數據融合算法的GIS防塵棚環境智能監控系統。

背景技術
隨著大電網的建設，電壓等級越來越高。目前已經達到500kV、220kV等電壓等級。而電壓等級越高，GIS設備閃絡故障率越高。電力GIS放電閃絡故障是GIS故障的主要因素，發生該現象的原因往往是GIS安裝過程中環境清潔度低，空氣濕度大。塵埃粒子雜物等進入GIS設備內部從而導致放電閃絡。
因此現有技術規范規定了GIS設備安裝過程中，溫濕度、塵埃粒子個數、壓差值必須滿足一定指標。所以，實現對GIS安裝環境的監控，對GIS安裝過程中及時發現環境是否達標、安裝是否合規以及后續的環境調控具有重要意義。

發明內容
為了克服現有技術的缺陷和不足，本發明提供一種基于數據融合算法的GIS防塵棚環境智能監控系統，實現GIS安裝環境溫濕度、塵埃顆粒個數、壓差值的高質高效監控與管理，適用于各種等級GIS安裝環節中。
包括分散式環境監測點陣、中央處理單元、新風系統控制單元、GIS棚環境監測終端。環境監測單元通過內置的溫濕度傳感器、顆粒度傳感器、壓差計采集環境信息，所采集的數據通過通訊模塊傳送至中央處理單元。中央處理單元經過融合處理后，將數據傳送至位于防塵棚棚體內的本地顯示終端并通過遠程通訊模塊傳送至遠程顯示顯示終端。用戶能夠實時清晰的得知防塵棚棚體內的實時情況。將數據傳送至位于棚外的新風系統控制單元，實現對新風系統的自動控制。滿足對GIS安裝棚內部環境監測控制的需要以及智慧工地遠程監控的需求。
其具體采用以下技術方案：
一種基于數據融合算法的GIS防塵棚環境智能監控系統，其特征在于：在GIS防塵棚內設置由多個顆粒度傳感器構成的分散式環境監測點陣；
針對顆粒度傳感器的誤差，將所有顆粒度傳感器當中的采集到的顆粒度數據進行數據融合，以監控棚內的顆粒度數量。
進一步地，所述將所有顆粒度傳感器當中的采集到的顆粒度數據進行數據融合，以監控棚內的顆粒度數量的具體步驟為：
步驟S1：顆粒度傳感器數值模糊化：
設分散式環境監測點陣共有n個顆粒度傳感器，某一時刻第i個顆粒度傳感器所采集到的顆粒度數值為Xi
，各個顆粒度傳感器相互獨立互不干擾，求得在該時刻，所有顆粒度傳感器采集到的顆粒度數值的平均值：

則在該時刻，第i個顆粒度傳感器所采集的數值標準方差為：

顆粒度傳感器的模糊隸屬函數選擇為三角型，將第i個顆粒度傳感器的采集數值作為三角形中心，將四倍標準方差作為三角形的范圍，在該時刻，第i個顆粒度傳感器采集的模糊數值為：
Ai
＝{A1i
,A2i
,A3i
}＝{Xi
-2σ2
，Xi
，Xi
+2σ2
}；
步驟S2：各顆粒度傳感器數值權重計算：
根據模糊數的距離計算公式：

求得第i個顆粒度傳感器與第j個顆粒度傳感器的模糊數距離，從而列出所有顆粒度傳感器與其他顆粒度傳感器的模糊數距離矩陣：

取模糊距離的倒數為真實度：

則真實度矩陣為：

則一個顆粒度傳感器在所有顆粒度傳感器的權重由下式求得：

步驟S3：根據權重計算最符合的傳感器數值：
在求得各個顆粒度傳感器的權重后，則由：
X＝α1
X1
+α2
X2
+…+αn
Xn

求得在該時刻，最接近真實值的顆粒度傳感器數值。
進一步地，所述分散式環境監測點陣通過ZigBee模塊連接MCU；所述MCU連接新風系統；當棚內的顆粒度數量超出預設的閾值時，啟動新風系統。
進一步地，在GIS防塵棚內還設置有溫度傳感器、濕度傳感器和壓差計，分別經信號調理濾波電路和ZigBee模塊連接MCU。
進一步地，所述MCU經NB-IOT模塊利用基站與物聯網云平臺建立連接和數據通信。
進一步地，所述MCU連接有聲光報警模組、棚內點陣顯示屏和棚外點陣顯示屏。
進一步地，采用太陽能電池板和蓄電池供電。
進一步地，所述分散式環境監測點陣由多個環境監測單元組成，每一所述環境監測單元包括顆粒度傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、壓差計、蓄電池、控制板和短距離收發天線；所述控制板上設置有一個信號處理濾波電路和一個ZigBee模塊。
進一步地，所述控制板通過ZigBee模塊連接中央處理單元；所述MCU設置在中央處理單元上，中央處理單元上還設置有一個ZigBee模塊、一個電源模塊和一個NB-IOT模塊。
進一步地，所述新風系統的控制單元包括一個ZigBee模塊、一個單片機和一個紅外線發射模塊；所述單片機對所接收到的信息進行判斷，選擇新風系統設置信號通過紅外線發射模塊對新風系統進行設置；
還設置有GIS棚環境監測終端，由本地監測終端以及遠程監測終端組成；
所述本地監測終端對于接收到中央處理單元的數據進行判別，并控制聲光報警模組是否工作，以及棚內外點陣顯示屏的數據顯示；以及將融合后的環境信息通過NB-IOT與基站通訊的方式，將數據傳輸至物聯網云平臺；通過物聯網云平臺連接遠程監測終端，實現GIS安裝棚棚內環境遠距離實時監測。
與現有技術相比，本發明及其優選方案具有以下有效效果：通過分散式環境監測點陣中多個低成本的顆粒度傳感器以及基于模糊算法的數據融合算法，推算出更符合實際情況的顆粒度個數。逼近高端顆粒度傳感器的性能，大大降低了成本。與此同時，通過對環境中多個探測點的探測也更符合棚內的實際情況，增強了數據可信度。
可以通過紅外線發射模塊對新風系統進行控制，實現測量、控制、反饋的閉環控制系統。能讓GIS防塵棚更加快速節能的達到施工要求。
進一步還可以通過物聯網云平臺實現低成本的遠程監控功能，在聲光報警顯示單元中通過采用DB9一拖二的方式、減少點陣顯示屏驅動的數量，降低了成本。

附圖說明
下面結合附圖和具體實施方式對本發明進一步詳細的說明：
圖1是本發明實施例GIS防塵棚內各模塊布局圖；
圖中：1-防塵棚棚體，2-環境監測單元，3-中央處理單元，4-聲光報警顯示單元，5-棚內點陣顯示屏，6-棚外點陣顯示屏，7-天線，8-聲光報警模組，9-新風系統，10-新風系統控制單元。
圖2是本發明實施例環境監測單元的電路結構圖；
圖3是本發明實施例中央處理單元的電路結構圖；
圖4是本發明實施例本地監測終端的電路結構圖；
圖5是本發明實施例新風系統控制單元的電路結構圖；
圖6是本發明實施例完整系統流程示意圖。

具體實施方式
為讓本專利的特征和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，作詳細說明如下：
如圖1-圖6所示，本實施例提供的基于數據融合算法的GIS防塵棚環境智能監控系統，其主要設計包括：
分散式環境監測點陣的各個環境監測單元2通過內置的溫濕度傳感器、顆粒度傳感器、壓差計采集環境信息，所采集的數據通過通訊模塊傳送至中央處理單元3。中央處理單元3經過融合處理后，將數據傳送至位于防塵棚棚體1內的本地檢測終端并通過遠程通訊模塊傳送至遠程顯示終端。實現棚內環境的實時智能監測。將數據傳送至位于防塵棚棚體1外的新風系統控制單元10，通過紅外線控制新風系統9對防塵棚棚體1內的環境進行調控。
具體地，在本實施例中：
分散式環境監測點陣，由多個環境監測單元2組成，環境監測單元2由外殼、溫濕度傳感器、顆粒度傳感器、壓差計、太陽能充電板、蓄電池、控制板、短距離收發天線7組成?？刂瓢逵尚盘柼幚頌V波電路、ZigBee模塊、其他外圍附屬電路組成。
中央處理單元3，由ZigBee模塊、電源模塊、單片機、NB-IOT模塊、其他外圍附屬電路組成。其中中央處理單元3對分散式環境監測點陣獲取的顆粒度個數進行基于模糊算法的數據融合。
新風系統控制單元10，由ZigBee模塊、單片機、紅外線發射模塊及其他外圍附屬電路組成。其中單片機對所接收到的信息進行判斷，選擇最合適的新風系統設置信號通過紅外線發射模塊對新風系統9進行設置。
GIS棚環境監測終端，：由本地監測終端以及遠程監測終端組成，本地監測終端對于接收到中央處理單元3的數據，進行判別并控制聲光報警模組8是否工作，以及棚內外點陣顯示屏的數據顯示。將融合后的環境信息通過NB-IOT與基站通訊的方式，將數據傳輸至物聯網云平臺。在物聯網云平臺開發遠程監測終端，實現GIS安裝棚棚內環境遠距離實時智能監測。
在本實施例中，分散式環境監測點陣由8個環境監測單元2組成。
首先環境監測單元2開始工作，采集當前時間點防塵棚內部的溫濕度、壓差值、顆粒度數值。并將其打包好通過ZigBee通訊將數據傳送給中央處理單元3。
中央處理單元3在接收到分散式環境監測點陣所采集到的數據后，對顆粒度數值建立模糊算法的數據融合模型，推算出目前空間最合理的顆粒度數值。
采用的模糊算法的數據融合模型，主要設計如下：
①顆粒度傳感器數值模糊化
設分散式環境監測點陣共有n個環境監測單元2，某一時刻第i個顆粒度傳感器所采集到的顆粒度數值為Xi
，各個顆粒度傳感器相互獨立互不干擾，可以求得在該時刻，所有顆粒度傳感器采集到的顆粒度數值的平均值：

則在該時刻，第i個顆粒度傳感器所采集的數值標準方差為：

防塵棚內影響顆粒度數值的因素眾多，從而導致不同位置的顆粒度傳感器往往與真實顆粒度數值存在一定誤差，這些因素往往無法量化、但可以肯定的是，所有的顆粒度數值均會靠近真實顆粒度數值。因此，與真實顆粒度數值數值差越大的傳感器，與其他點陣傳感器的數值差也越大。因此，顆粒度傳感器的模糊隸屬函數選擇為三角型，將第i個顆粒度傳感器的采集數值作為三角形中心，將四倍標準方差作為三角形的范圍，因此可以寫出在該時刻，第i個顆粒度傳感器采集的模糊數值為:
Ai
＝{A1i
,A2i
,A3i
}＝{Xi
-2σ2
，Xi
，Xi
+2σ2
}
②各顆粒度傳感器數值權重計算
在獲得各個顆粒度傳感器的模糊數值后，因為所有的顆粒度數值均在真實數值附近，與真實顆粒度越遠的顆粒度傳感器，與其他顆粒度傳感器的距離也會越遠，因此衡量一個顆粒度傳感器的數值是否有較高的真實度，可以從該顆粒度傳感器與其他傳感器的相似度來衡量。當顆粒度傳感器的數值與其他的顆粒度傳感器數值越接近，則代表該顆粒度傳感器與之更相似。
根據模糊數的距離計算公式：

可以求得第i個顆粒度傳感器與第j個顆粒度傳感器的模糊數距離，從而可以列出所有顆粒度傳感器與其他顆粒度傳感器的模糊數距離矩陣:

衡量一個顆粒度傳感器數值的真實度，可以從該顆粒度傳感器數值與所有顆粒度傳感器的距離得知，當該數值越真實，則與所有顆粒度傳感器數值的距離越小，為了方便運算，取模糊距離的倒數為真實度：

則真實度矩陣為：

則一個顆粒度傳感器在所有顆粒度傳感器的權重可由下式求得：

③根據權重計算最符合的傳感器數值
在求得各個顆粒度傳感器的權重后，則可以由：
X＝α1
X1
+α2
X2
+…+αn
Xn

求得在該時刻，最接近真實值的顆粒度傳感器數值。
中央處理單元3通過ZigBee模塊將數據傳送給本地監測終端，本地監測終端在接收到防塵棚環境數據后，判斷數據是否達到安全數值。如果數據超出安全數值，則控制聲光報警模組8報警，并在聲光報警顯示單元4上進行提示。同時，防塵棚環境數據傳送到棚內點陣顯示屏5和棚外點陣顯示屏6顯示。
中央處理單元3通過ZigBee模塊將數據傳送給新風系統控制單元10，新風系統控制單元10在接收到防塵棚環境數據后，根據測量到的環境參數，如果濕度高于一定閾值，控制新風系統開啟除濕功能，如果溫度高于一定閾值，保存當前溫度，并調低新風系統溫度等級，經過一段時間重新測量并比較保存的溫度，如果溫度依然高于一定閾值且溫度變化低于一定閾值，則繼續降低新風系統溫度等級直至最低級。如果溫度低于一定閾值，則保存當前溫度，調高新風系統溫度等級，經過一段時間重新測量并比較保存的溫度，如果溫度依然低于于一定閾值且溫度變化低于一定閾值，則繼續提高新風系統溫度等級直至完全關閉空調功能。如果顆粒度參數高于一定閾值，則控制新風系統的通風等級。
中央處理單元3通過NB-IOT模塊將數據通過基站傳送給物聯網云平臺，在物聯網云平臺上開發的遠程監測顯示終端將實時遠程顯示GIS防塵棚內部環境狀態，并實時保存環境狀態數據，生成每日環境狀態報表。
本實施例的具體工作流程參照圖6。
本領域技術人員根據本實施例的記載可以結合本領域公知常識進行改進調整或簡化，比如，分散式環境監測點陣的最簡設計應當是僅包含顆粒度傳感器及對應的通信模塊即可，溫濕度傳感器和壓差計等屬于實現發明目的的次要結構。
本專利不局限于上述最佳實施方式，任何人在本專利的啟示下都可以得出其它各種形式的基于數據融合算法的GIS防塵棚環境智能監控系統，凡依本發明申請專利范圍所做的均等變化與修飾，皆應屬本專利的涵蓋范圍。