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DE10327675B4 - Method for determining the location xo, the intensity qo and the start of action to the emission of an emission source Eq - Google Patents

Method for determining the location xo, the intensity qo and the start of action to the emission of an emission source Eq Download PDF

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DE10327675B4
DE10327675B4 DE2003127675 DE10327675A DE10327675B4 DE 10327675 B4 DE10327675 B4 DE 10327675B4 DE 2003127675 DE2003127675 DE 2003127675 DE 10327675 A DE10327675 A DE 10327675A DE 10327675 B4 DE10327675 B4 DE 10327675B4
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Abstract

Verfahren zur Bestimmung des Ortes x0, der Intensität q0 und des Wirkungsbeginns t0 der Emission einer Emissionsquelle EQ mittels Messung der Konzentration Ci des emittierten Stoffs an mehreren, räumlich verteilten Messstellen i und rechnergestützter Verarbeitung der Messwerte Ci,
bestehend aus den Verfahrensschritten:
Aufzeichnen der Konzentration Ci(t) an den einzelnen Sensoren i und Ableiten des Konzentrationsanstiegs, der Konzentrationskonstanz oder des Konzentrationsabfalls an den Sensoren/Messstellen i,
Messen der Strömungsgeschwindigkeit v der Emission nach Betrag und Richtung,
entweder
bei Konzentrationsanstieg an den Sensoren i kurz nach einem Wirkungsbeginn:
Schätzen des Wirkungsbeginns t0 mit einer ausgangsfehlerbasierten Schätzung anhand des Messwertes Ci des/der am stärksten messenden Sensors/Messstelle i,
Schätzen eines skalierbaren Abstands Emissionsquelle-Sensor ri für jeden Sensor i mit ausgangsfehlerbasierter Schätzung anhand des jeweiligen zeitlichen Konzentrationsverlaufs Ci(t);
oder
bei annähernd stationärer Konzentration an den Sensoren i: Berechnung eines skalierbaren Abstands ri Emissionsquelle-Sensor für jeden Sensor i...
Method for determining the location x 0 , the intensity q 0 and the start of action t 0 of the emission of an emission source E Q by measuring the concentration C i of the emitted substance at a plurality of spatially distributed measuring points i and computer-aided processing of the measured values C i ,
consisting of the process steps:
Recording the concentration C i (t) at the individual sensors i and deriving the concentration increase, the concentration constant or the concentration drop at the sensors / measuring points i,
Measuring the flow velocity v of the emission by amount and direction,
either
in the case of an increase in concentration at the sensors i shortly after a start of action:
Estimating the start of action t 0 with an output error-based estimation on the basis of the measured value C i of the / the highest-measuring sensor / measuring point i,
Estimating a scalable distance emission source sensor r i for each sensor i based on output error based on the respective temporal concentration curve C i (t);
or
at approximately stationary concentration at the sensors i: calculation of a scalable distance r i emission source sensor for each sensor i ...

Figure 00000001
Figure 00000001

Description

Die Erfindung betrifft ein rechnergestütztes Verfahren zur Bestimmung des Ortes x0, der Intensität q0 und des Wirkungsbeginns t0 der Emission einer Emissionsquelle EQ mittels Messung der Konzentration Ci des emittierten Stoffs an mehreren, räumlich verteilten Messstellen i und rechnergestützter Verarbeitung der Messwerte Ci.The invention relates to a computer-aided method for determining the location x 0 , the intensity q 0 and the start of action t 0 of the emission of an emission source E Q by measuring the concentration C i of the emitted substance at a plurality of spatially distributed measuring points i and computer-aided processing of the measured values C i .

In der US 5 604 299 wird ein Verfahren zur Bestimmung des Ortes P(x,y) und auch der Intensität der Emission einer Emissionsquelle beschrieben mittels Messung der Konzentration des emittierten Stoffs an mehreren, räumlich verteilten Messstellen A ... F und rechnergestützten Verarbeitung der Messwerte mit den Verfahrensschritten:

  • – Aufzeichnen der Konzentration an den einzelnen Sensoren A ... F, Messen der Strömungsgeschwindigkeit der die Emission tragenden Strömung (Wind) nach Betrag und Richtung, woraus eine Massenflussrichtungsverteilung an jedem Sensorort A ... F ermittelt wird, und
  • – der wahrscheinlichste Ort der Emissionsquelle der Emission anhand aller Massenflussrichtungsverteilungen (an den Orten A ... F) mittels numerischer Verfahren berechnet wird und
  • – das Ergebnis auf einem Datensichtgerät (computer display system) mit Angabe der Wahrscheinlichkeit des Ortes der Emissionsquelle zur Weiterverwendung ausgegeben wird.
In the US 5,604,299 A method for determining the location P (x, y) and also the intensity of the emission of an emission source is described by measuring the concentration of the emitted substance at a plurality of spatially distributed measuring points A ... F and computer-aided processing of the measured values with the method steps:
  • - recording the concentration at the individual sensors A ... F, measuring the flow velocity of the emission-carrying flow (wind) by magnitude and direction, from which a mass flow direction distribution at each sensor location A ... F is determined, and
  • - the most probable location of the emission source of the emission is calculated by means of numerical methods on the basis of all mass flow direction distributions (at the locations A ... F), and
  • The result is output on a computer display system indicating the likelihood of the location of the emission source for further use.

In der US 5 185 529 ist ein Verfahren zur Bestimmung des Ortes x der Emission einer (radioaktiven) Emissionsquelle beschrieben, und zwar mittels Messung der Intensität der Emission an mehreren räumlich verteilten Messstellen (Detektoren) und rechnergestützter Verarbeitung der Messwerte mit Aufnahme der Messwerte durch Sensoren, Erzeugen von Funktionen aus Messwerten, wobei die Art der jeweiligen Funktion von der Reihenfolge der Sensoren hinsichtlich der Größe des jeweiligen Messwerts abhängt, und Berechnen des Ortes x der Emissionsquelle mittels numerischer Verfahren.In the US 5,185,529 A method for determining the location x of the emission of a (radioactive) emission source is described, by means of measuring the intensity of the emission at a plurality of spatially distributed measuring points (detectors) and computer-aided processing of the measured values with recording of the measured values by sensors, generating functions from measured values , wherein the type of the respective function depends on the order of the sensors with respect to the size of the respective measured value, and calculating the location x of the emission source by means of numerical methods.

Mehmet E. Alpay und Molly H stellen in dem Aufsatz „Model based Solution Techniques for the Source Localization Problem" drei Verfahren: "Intelligent brute force method", "Discretization method" und "Dual system approach" vor. Die "Intelligent brute force method" klassifiziert zwischen a priori bekannten Quellorten anhand von Referenzmustern. Die "Discretization method" erzeugt auf der Basis eines analytischen mathematischen Modells, Diffusions-Advektionsgleichung, eine grobe Näherung in Form eines diskreten Zustandsraummodells durch zeitliche und örtliche Diskretisierung. Dabei wird die Annahme getroffen, dass sich sowohl die Quellen als auch die Sensoren auf den Gitterpunkten befinden. Dieses vereinfachte Modell wird zur Bestimmung des Quellortes genutzt. Beim "Dual system approach" kann sich die Emissionsquelle beliebig im Raum befinden. Auf der Basis stationärer Endwerte der Lösung der Ausbreitungsgleichung, Diffusions-Advektionsgleichung, wird der Quellort bestimmt.Mehmet E. Alpay and Molly H in the article "Model based Solution Techniques for the Source Localization Problem "three methods:" Intelligent Brute Force Method "," Discretization Method "and" Dual System Approach. "The" Intelligent Brute Force method "classified between known a priori source locations based on reference patterns. The "Discretization method "generated on the basis of an analytic mathematical model, diffusion advection equation, a rough approximation in the form of a discrete state space model by time and place Discretization. The assumption is made that both the sources as well as the sensors are located on the grid points. This simplified model is used to determine the source location. When "dual system approach "can become the emission source is located anywhere in the room. On the basis of steady-state end values the solution the propagation equation, diffusion advection equation, becomes the source location determined.

"The intelligent brute force method" kann nur zwischen a priori bekannten Quellorten klassifizieren, aber nicht einen beliebigen Quellort finden. Zudem lassen sich damit unbekannte Quellintensitäten nicht berücksichtigen. Durch die grobe Diskretisierung bei der "Discretization method" und der Annahme, dass sich sowohl die Quellen als auch die Sen soren auf den Gitterpunkten des Diskretisierungsgitters befinden, ist nur eine sehr grobe Lokalisierung möglich. Die Voraussetzung von stationären Lösungen der Ausbreitungsgleichung (Diffusions-Advektions- Gleichung) beim "Dual system approach" ist in vielen Fällen nicht erfüllt, z.B. impulsförmige Quellintensität über der Zeit. Dort ist das Verfahren nicht anwendbar."The intelligent brute force method " classify only between a priori known source locations, but do not find any source location. In addition, it can be with it unknown source intensities do not consider. Due to the gross discretization in the "Discretization method" and the assumption that both the sources and the sensors are on the grid points of the discretization grid is just a very rough localization possible. The Condition of inpatient solutions the propagation equation (diffusion advection equation) in the "dual system approach" is in many cases not Fulfills, e.g. pulsed Source intensity over the Time. There the procedure is not applicable.

In einem beliebigen Punkt des zu überwachenden Bereichs (Chemikalienlager oder verfahrenstechnische Anlage) kann zu einem beliebigen Zeitpunkt eine Emissionsquelle mit unbekannter Intensität zu wirken beginnen.In any point of the monitored Area (chemical storage or process plant) can at any one time an emission source with unknown intensity to start working.

Daraus ergab sich die Aufgabe die der Erfindung zugrunde liegt, nämlich ein neues/verbessertes rechnergestütztes Verfahren bereit zu stellen, mit dem der Ort, die Intensität und der Wirkungsbeginn der Emission mittels räumlich verteilter Messung der Konzentration des emittierten Stoffs an mehreren Messstellen bestimmt werden kann.from that gave the object of the invention is based, namely a new / improved computerized To provide a method by which the place, the intensity and the Inception of the emission by spatially distributed measurement of the concentration of the emitted substance can be determined at several measuring points.

Die Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Verfahrensschritte gelöst.The The object is achieved by the method steps indicated in claim 1 solved.

Zunächst wird die Konzentration Ci(t) an den einzelnen Sensoren i aufgenommen und der Konzentrationsanstieg, die Konzentrationskonstanz oder der Konzentrationsabfall an den Sensoren/Meßstellen i festgestellt.First, the concentration C i (t) is recorded at the individual sensors i and the increase in concentration, the concentration constant or the concentration drop at the sensors / measuring points i are detected.

Die Strömungsgeschwindigkeit v der Emission nach Betrag und Richtung wird gemessen.The flow rate v the emission by amount and direction is measured.

Es gibt zwei Wege:
entweder bei Konzentrationsanstieg an den Sensoren i kurz nach einem Wirkungsbeginn:
es wird der Wirkungsbeginns t0 mit einer ausgangsfehlerbasierten Schätzung anhand des Messwertes Ci des/der am stärksten messenden Sensors/Messstelle i geschätzt, anschließend wird ein skalierbarer Abstand Emissionsquelle-Sensor ri für jeden Sensor i mit ausgangsfehlerbasierter Schätzung anhand des jeweiligen zeitlichen Konzentrationsverlaufs Ci(t) ermittelt;
oder bei annähernd stationärer Konzentration an den Sensoren i:
es wird eine skalierbarer Abstand ri, Emissionsquelle-Sensor, für jeden Sensor i mit ausgangsfehlerbasierter Schätzung anhand des jeweiligen stationären Endwerts der Konzentrationen Ci berechnet.
There are two ways:
either at an increase in concentration at the sensors i shortly after a start of action:
the start of action t 0 is estimated using an output-error-based estimation based on the measured value C i of the strongest measuring sensor / measuring point i, then a scalable distance of the emission source sensor r i for each sensor i with output error-based estimation based on the respective temporal concentration curve C i (t) determined;
or at approximately stationary concentration at the sensors i:
a scalable distance r i , emission source sensor, for each sensor i based on output error based estimation is calculated from the respective steady state end value of the concentrations C i .

Daraus wird über den einen oder andern Weg ein skalierbarer Sensor-Quell-Abstand ri für jeden Sensor i ermittelt.From this, one or the other way a scalable sensor-source distance r i is determined for each sensor i.

Im weiteren Verfahren wird:
entweder bei reiner Diffusion, v = 0:
der Ort x0 der Emissionsquelle und die Intensität q0 der Emission anhand aller Abstände ri Emissionsquelle-Sensor berechnet,
oder bei Diffusion und Advektion, v > 0:
der Ort x0 der Emissionsquelle und die Intensität q0 der Emission anhand aller Abstände ri Emissionsquelle-Sensor mittels numerischem Verfahren mit definierter Rechenzeit berechnet.
In the further process:
either with pure diffusion, v = 0:
the location x 0 of the emission source and the intensity q 0 of the emission calculated on the basis of all distances r i emission source sensor,
or in diffusion and advection, v> 0:
the location x 0 of the emission source and the intensity q 0 of the emission are calculated on the basis of all distances r i emission source sensor by means of a numerical method with a defined computing time.

Auf einem Datensichtgerät wird das Ergebnis aus dem einen oder andern Weg in Form der Angaben:
des Ortes der Emissionsquelle x0,
der Intensität q0 der Emission und
der Wirkungsbeginn
zur Weiterverwendung ausgegeben/dargestellt.
On a data display device, the result is one way or the other in the form of the information:
the location of the emission source x 0 ,
the intensity q 0 of the emission and
the onset of action
spent / displayed for further use.

Durch dieses Verfahren werden Lösungen der Ausbreitungsgleichung genutzt, welche die zu bestimmenden Größen: Ort, Intensität und Wirkungsbeginn der Emissionsquelle, als Parameter enthalten. Auf Basis dieser Lösungen wird durch das Verfahren ein neues, mehrstufiges Parameterschätzproblem aufgebaut und gelöst. Durch die Zerlegung des Parameterschätzproblems findet das Verfahren auch bei gestörten Messsignalen die eindeutige Lösung. Dies ist ein wesentlicher Vorteil des Verfahrens, da es nicht wie herkömmliche, numerische Verfahren bei der Lösung des Ausgangsfehler-Parameterschätzproblems in suboptimalen Lösungen hängen bleiben kann. Durch Verwenden effizienter Berechnungsmethoden ist das Verfahren online-fähig.By This procedure will be solutions of Propagation equation which determines the variables to be determined: place, intensity and start of effect of the emission source, included as a parameter. Based on these solutions the method becomes a new multi-level parameter estimation problem set up and solved. By decomposing the parameter estimation problem, the method finds even with disturbed ones Measurement signals the clear solution. This is a key advantage of the process as it does not numerical methods in solution the output error parameter estimation problem in suboptimal solutions hang can stay. By using efficient calculation methods is the process is online-enabled.

Durch das Verfahren kann eine beliebige Punktquelle der Emission mit unbekannter Intensität und unbekanntem Wirkungsbeginn in einem Chemikalienlager oder in einer verfahrenstechnischen Anlage mittels verteilter Messanordungen ermittelt werden. Dabei sind im Gegensatz zu den klassifikationsbasierten Verfahren bzw. Verfahren, die auf Diskretisierungsmethoden, z.B. Finite-Differenzen-Verfahren beruhen, im Gelände weniger Messstellen/Sensoren erforderlich. Im Extremfall genügen für eindimensionale Ausbreitung 2 Messstellen, für zweidimensionale Ausbreitung 3 Messstellen und für dreidimensionale Ausbreitung 4 Messstellen.By The method can be any point source of emission with unknown Intensity and unknown beginning of effect in a chemical storage or in a procedural system determined by means of distributed Messanordungen become. These are in contrast to the classification-based Methods and methods based on discretization methods, e.g. Finite difference methods are based, less measuring points / sensors required in the field. In extreme cases suffice for one-dimensional Spread 2 measuring points, for two-dimensional propagation 3 measuring points and for three-dimensional propagation 4 measuring points.

Das Verfahren funktioniert auch dann, wenn der Diffusionskoeffizient des Systems nicht bekannt ist.The Method works even if the diffusion coefficient the system is unknown.

Zur besseren Überschaubarkeit ist das Verfahren in seinem Ablauf mit den zwei aufeinander folgenden Weichen in dem in der Zeichnung dargestellten Flussdiagramm wiedergegeben.to better manageability the procedure is in its course with the two consecutive ones Turnouts are reproduced in the flowchart shown in the drawing.

Das Verfahren ermittelt zunächst für jeden Sensor einen skalierbaren Sensor-Quell-Abstand ri, der den Abstand des Sensors i vom Quellort in Abhängigkeit von der unbekannten Quellintensität angibt. Im Fall von Advektion ist hierfür eine Messung der Strömungsrichtung und -geschwindigkeit v notwendig.The method first determines a scalable sensor-source distance r i for each sensor, which indicates the distance of the sensor i from the source location as a function of the unknown source intensity. In the case of advection, a measurement of the flow direction and velocity v is necessary for this purpose.

In der Zeit kurz nach dem Wirkungsbeginn der Quelle, die Konzentrationen an den Sensoren steigen an, lassen sich die skalierbaren Sensor-Quellabstände durch iteratives Lösen eines ausgangsfehlerbasierten Optimierungsproblems für jeden Sensor/jede Messstelle bestimmen. Dafür ist eine Schätzung für den Wirkungsbeginn t0 der Quelle notwendig, die vorab auf Basis der Messwerte des am stärksten messenden Sensors ermittelt wird.In the period shortly after the source starts to operate, the concentrations at the sensors increase, and the scalable sensor-to-source distances can be determined by iteratively solving an output-error-based optimization problem for each sensor / measuring point. For this, an estimate is necessary for the start of action t 0 of the source, which is determined in advance on the basis of the measured values of the highest-measuring sensor.

Haben die Konzentrationen an den einzelnen Sensoren annähernd stationäre Endwerte erreicht, lassen sich die skalierbaren Sensor-Quell-Abstände in einem Schritt ohne Kenntnis des Wirkungsbeginns t0 berechnen.If the concentrations at the individual sensors have reached approximately stationary end values, the scalable sensor-source distances can be calculated in one step without knowledge of the start of action t 0 .

Anhand aller skalierbaren Sensor-Quell-Abstände ri wird schließlich der Quellort x0 und die Quellintensität q0 ermittelt. Im Fall reiner Diffusion (keine Strömung) ist dies mittels einer quasi geschlossenen Lösung möglich.Finally, the source location x 0 and the source intensity q 0 are determined on the basis of all scalable sensor-source distances r i . In the case of pure diffusion (no flow) this is possible by means of a quasi-closed solution.

Für den Advektions-Diffusions-Fall exisitiert ein numerisches Verfahren zur Ermittlung von Quellort x0 und Quellintensität q0, das eine definierte, maximale Rechenzeit erfordert.For the advection diffusion case there is a numerical method for determining source location x 0 and source intensity q 0 , which requires a defined, maximum computing time.

Erprobungen zeigen die Leistungsfähigkeit des Verfahrens. In einem Chemikalienlager wurden vier Sensoren aufgestellt und mit ihnen der Quellort einer erzwungenen, nachgestellten Leckage ermittelt. In dem Lager lag eine schwache Luftströmung vor, dessen Richtung und Stärke vorab identifiziert wurde. Innerhalb einer Zeitspanne, in der noch keine aufwendig bewahrende Maßnahmen getroffen werden mußten, wurde der Quellort x0 und Quellintensität q0 ermittelt und die Leckstelle abgedichtet.Trials show the efficiency of the process. In a chemical storage facility, four sensors were set up to determine the source of a forced, trailing leak. There was a weak airflow in the camp, the direction and strength of which had been identified in advance. Within a period of time in which no costly preserving measures had to be taken, the source location x 0 and source intensity q 0 was determined and the leak sealed.

Claims (1)

Verfahren zur Bestimmung des Ortes x0, der Intensität q0 und des Wirkungsbeginns t0 der Emission einer Emissionsquelle EQ mittels Messung der Konzentration Ci des emittierten Stoffs an mehreren, räumlich verteilten Messstellen i und rechnergestützter Verarbeitung der Messwerte Ci, bestehend aus den Verfahrensschritten: Aufzeichnen der Konzentration Ci(t) an den einzelnen Sensoren i und Ableiten des Konzentrationsanstiegs, der Konzentrationskonstanz oder des Konzentrationsabfalls an den Sensoren/Messstellen i, Messen der Strömungsgeschwindigkeit v der Emission nach Betrag und Richtung, entweder bei Konzentrationsanstieg an den Sensoren i kurz nach einem Wirkungsbeginn: Schätzen des Wirkungsbeginns t0 mit einer ausgangsfehlerbasierten Schätzung anhand des Messwertes Ci des/der am stärksten messenden Sensors/Messstelle i, Schätzen eines skalierbaren Abstands Emissionsquelle-Sensor ri für jeden Sensor i mit ausgangsfehlerbasierter Schätzung anhand des jeweiligen zeitlichen Konzentrationsverlaufs Ci(t); oder bei annähernd stationärer Konzentration an den Sensoren i: Berechnung eines skalierbaren Abstands ri Emissionsquelle-Sensor für jeden Sensor i mit ausgangsfehlerbasierter Schätzung anhand des jeweiligen stationären Endwerts der Konzentrationen Ci; woraus über den einen oder andern Weg ein skalierbarer Sensor-Quell-Abstand ri für jeden Sensor i ermittelt wird, und entweder bei reiner Diffusion, v = 0: der Ort x0 der Emissionsquelle und die Intensität q0 der Emission anhand aller Abstände ri Emissionsquelle-Sensor berechnet wird, oder bei Diffusion und Advektion, v > 0: der Ort x0 der Emissionsquelle und die Intensität q0 der Emission anhand aller Abstände ri Emissionsquelle-Sensor mittels numerischem Verfahren mit definierter Rechenzeit berechnet wird, und auf einem Datensichtgerät das Ergebnis aus dem einen oder andern Weg in Form der Angaben: des Ortes der Emissionsquelle x0, der Intensität q0 der Emission und der Wirkungsbeginn zur Weiterverwendung ausgegeben wird.Method for determining the location x 0 , the intensity q 0 and the start of action t 0 of the emission of an emission source E Q by measuring the concentration C i of the emitted substance at a plurality of spatially distributed measuring points i and computer-aided processing of the measured values C i , consisting of the Method steps: Recording the concentration C i (t) at the individual sensors i and deriving the concentration increase, the concentration constant or the concentration drop at the sensors / measuring points i, measuring the flow velocity v of the emission by magnitude and direction, either with an increase in concentration at the sensors i shortly after a start of action: estimating the start of action t 0 with an output error-based estimation based on the measured value C i of the highest-measuring sensor / measuring point i, estimating a scalable distance emission source sensor r i for each sensor i with output-error-based estimation based on the respective time concentration curve C i (t); or at approximately stationary concentration at the sensors i: calculation of a scalable distance r i emission source sensor for each sensor i with output error-based estimation based on the respective steady-state end value of the concentrations C i ; from which one or the other way a scalable sensor-source distance r i is determined for each sensor i, and either in pure diffusion, v = 0: the location x 0 of the emission source and the intensity q 0 of the emission on the basis of all distances r i emission source sensor is calculated, or in diffusion and advection, v> 0: the location x 0 of the emission source and the intensity q 0 of the emission is calculated on the basis of all distances r i emission source sensor by numerical method with a defined computing time, and on a Data display device, the result of one or the other way in the form of information: the location of the emission source x 0 , the intensity q 0 of the emission and the start of effect is spent for further use.
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Title
ALPAY, M. E., SHOR, M. H.,"Model-Based Solution Techniques für the Source Localization Problem", in: IEEE Transactions on Control Systems Technolo- gy, Vol.8/No.6 (2000) S. 895-904
ALPAY, M. E., SHOR, M. H.,"Model-Based Solution Techniques für the Source Localization Problem", in: IEEE Transactions on Control Systems Technolo-gy, Vol.8/No.6 (2000) S. 895-904 *

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