本發(fā)明涉及環(huán)境安全監(jiān)測(cè)領(lǐng)域,具體為基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的地鐵環(huán)境安全預(yù)警系統(tǒng)及其方法。
背景技術(shù):
近年來(lái),隨著城市化進(jìn)程的加快,城市人口越來(lái)越密集。目前,我國(guó)多數(shù)大中城都面臨著交通擁堵問(wèn)題。修建地鐵能夠充分利用地下空間資源,有效解決交通擁擠問(wèn)題。然而,由于地鐵建于地下,空間相對(duì)封閉,一旦發(fā)生災(zāi)害,如毒氣泄漏、地鐵停電、地鐵通信信號(hào)系統(tǒng)故障,將很大程度地限制救援工作的開(kāi)展,給人類生命和財(cái)產(chǎn)帶來(lái)巨大損失。因此,地鐵運(yùn)營(yíng)環(huán)境的安全問(wèn)題,已經(jīng)成為城市社會(huì)公共安全的重要組成部分,應(yīng)當(dāng)引起社會(huì)各界廣泛的重視。
本發(fā)明將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)引入到地鐵環(huán)境安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中,通過(guò)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)采集地鐵沿線環(huán)境數(shù)據(jù)并通過(guò)通信網(wǎng)關(guān)無(wú)線傳送到遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng),具有布點(diǎn)分布廣、成本低、容錯(cuò)性好、可遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、便于維護(hù)等眾多優(yōu)點(diǎn)。同時(shí),本發(fā)明還提出了一種地鐵環(huán)境安全預(yù)警算法,及時(shí)發(fā)現(xiàn)安全隱患并及時(shí)消除,以保障地鐵安全運(yùn)行。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
本發(fā)明的目的在于提供基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的地鐵環(huán)境安全預(yù)警系統(tǒng)及其方法,所述的一種基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的地鐵環(huán)境安全預(yù)警系統(tǒng)包括地鐵環(huán)境參數(shù)采集節(jié)點(diǎn)、通信網(wǎng)關(guān)和遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng);若干個(gè)地鐵環(huán)境參數(shù)采集節(jié)點(diǎn)和1個(gè)通信網(wǎng)關(guān)組成一個(gè)子監(jiān)測(cè)區(qū)域,整個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域由若干個(gè)子監(jiān)測(cè)區(qū)域組成;地鐵環(huán)境參數(shù)采集節(jié)點(diǎn)每隔一定時(shí)間負(fù)責(zé)對(duì)地鐵環(huán)境數(shù)據(jù)采集進(jìn)行一次采集,并通過(guò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)將采集到的信息發(fā)送到通信網(wǎng)關(guān);通信網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)將各個(gè)地鐵環(huán)境參數(shù)采集節(jié)點(diǎn)的信息進(jìn)行匯總和處理,通過(guò)gprs網(wǎng)絡(luò)將信息發(fā)送到遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)負(fù)責(zé)對(duì)各個(gè)子監(jiān)測(cè)區(qū)域所采集的整個(gè)地鐵環(huán)境監(jiān)測(cè)區(qū)域的地鐵環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和分析和預(yù)警,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。同時(shí),本發(fā)明提出了一種地鐵環(huán)境安全預(yù)警方法,通過(guò)地鐵環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行安全預(yù)警,提高了地鐵運(yùn)行的安全性能。
本發(fā)明的技術(shù)方案:基于無(wú)線傳感網(wǎng)的地鐵環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng),包括地鐵環(huán)境參數(shù)采集節(jié)點(diǎn)、通信網(wǎng)關(guān)和遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng);
所述的地鐵環(huán)境參數(shù)采集節(jié)點(diǎn)有一個(gè)正方形外殼,在地鐵環(huán)境參數(shù)采集節(jié)點(diǎn)外殼上方設(shè)有1個(gè)采集節(jié)點(diǎn)zigbee天線插槽和1個(gè)傳感器數(shù)據(jù)線輸入插槽,在地鐵環(huán)境參數(shù)采集節(jié)點(diǎn)外殼內(nèi)裝有一塊地鐵環(huán)境采集電路板,所述的地鐵環(huán)境采集電路板包括主處理器電路、射頻驅(qū)動(dòng)電路和信號(hào)調(diào)理電路;所述的地鐵環(huán)境采集電路板上的主處理器電路包括msp430芯片及其外圍電路,所述的射頻驅(qū)動(dòng)電路包括芯片cc2420及其外圍電路;所述的地鐵環(huán)境采集電路板上的射頻驅(qū)動(dòng)電路上設(shè)有1個(gè)采集節(jié)點(diǎn)zigbee天線接線端子,通過(guò)采集節(jié)點(diǎn)zigbee信號(hào)線與采集節(jié)點(diǎn)zigbee天線相連;所述的地鐵環(huán)境采集電路板上的信號(hào)調(diào)理電路由阻容器件組成,負(fù)責(zé)對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行調(diào)理;所述的地鐵環(huán)境采集電路板上的信號(hào)調(diào)理電路上設(shè)有1個(gè)傳感器數(shù)據(jù)線接線端子,通過(guò)傳感器數(shù)據(jù)線與地鐵環(huán)境采集傳感器相連,所述的傳感器數(shù)據(jù)線接線端子位于地鐵環(huán)境參數(shù)采集節(jié)點(diǎn)外殼上方的傳感器數(shù)據(jù)線輸入插槽處;
所述通信網(wǎng)關(guān)有一個(gè)長(zhǎng)方形外殼,在通信網(wǎng)關(guān)外殼上方設(shè)有1個(gè)網(wǎng)關(guān)zigbee天線插槽和1個(gè)網(wǎng)關(guān)gprs天線插槽;在通信網(wǎng)關(guān)外殼內(nèi)裝有一塊通信網(wǎng)關(guān)電路板,所述的通信網(wǎng)關(guān)電路板包括微處理器電路、zigbee通信電路和gprs通信電路;所述的通信網(wǎng)關(guān)電路板上的微處理器電路由msp430處理器及其外圍電路組成,負(fù)責(zé)zigbee通信控制和gprs遠(yuǎn)程通信控制,將各個(gè)地鐵環(huán)境采集節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯集并發(fā)送到遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng);所述的通信網(wǎng)關(guān)電路板上的zigbee通信電路由無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)芯片cc2420及其外圍電路組成,負(fù)責(zé)與各個(gè)地鐵環(huán)境采集節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信;所述的zigbee通信電路上設(shè)有1個(gè)網(wǎng)關(guān)zigbee天線接線端子,通過(guò)網(wǎng)關(guān)zigbee信號(hào)線與網(wǎng)關(guān)zigbee天線相連,所述網(wǎng)關(guān)zigbee天線接線端子位于通信網(wǎng)關(guān)外殼上方的網(wǎng)關(guān)zigbee天線插槽處;所述的通信網(wǎng)關(guān)電路板上的gprs通信電路由gprs通信芯片mc39i及其外圍電路組成,負(fù)責(zé)與遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行通信;所述的gprs通信電路上設(shè)有1個(gè)gprs天線接線端子,通過(guò)gprs信號(hào)線與gprs天線相連,所述的網(wǎng)關(guān)gprs天線接線端子位于通信網(wǎng)關(guān)外殼上方的gprs天線插槽處;
所述得遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由服務(wù)器構(gòu)成,通過(guò)gprs網(wǎng)絡(luò)接收各個(gè)通信網(wǎng)關(guān)發(fā)送來(lái)的監(jiān)測(cè)區(qū)域的地鐵環(huán)境數(shù)據(jù),通過(guò)預(yù)警算法,當(dāng)?shù)罔F環(huán)境發(fā)生變化時(shí),能夠及時(shí)預(yù)警。
本發(fā)明所述預(yù)警方法如下:
本發(fā)明采用elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行預(yù)警。具體步驟為:
(1)采樣數(shù)據(jù)預(yù)處理
對(duì)于每個(gè)監(jiān)測(cè)子區(qū)域,將通信網(wǎng)關(guān)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的n組環(huán)境參數(shù)(包括本監(jiān)測(cè)子區(qū)域內(nèi)的一氧化碳濃度、二氧化碳濃度、可燃?xì)怏w濃度、溫度、相對(duì)濕度、亮度、地表沉降、水土壓力)作為樣本數(shù)據(jù),按照bessel公式計(jì)算各個(gè)參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差:若某一樣本數(shù)據(jù)的偏差
(2)確定每個(gè)監(jiān)測(cè)子區(qū)域elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)和訓(xùn)練算法
elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)學(xué)模型為:
其中
elman網(wǎng)絡(luò)通過(guò)梯度下降法進(jìn)行權(quán)值的修正,學(xué)習(xí)指標(biāo)采用誤差平方和函數(shù)來(lái)表示:
elman網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)算法為:
式中,
將每個(gè)監(jiān)測(cè)子區(qū)域歸一化處理后的r個(gè)樣本數(shù)據(jù)分成兩組:一組作為elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的初始訓(xùn)練數(shù)據(jù)集,對(duì)elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練;另一組作為校驗(yàn)數(shù)據(jù)集,用于校驗(yàn)所建立的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型,從而為每個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域建立一個(gè)elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。
(3)利用模型對(duì)地鐵環(huán)境安全進(jìn)行預(yù)警
將每個(gè)子監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的通信網(wǎng)關(guān)所傳輸給遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)作為輸入,利用所建立的該子區(qū)域的elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)該子區(qū)域地鐵環(huán)境安全進(jìn)行預(yù)警。
本發(fā)明的有益效果:
基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和gprs通信網(wǎng)絡(luò),設(shè)計(jì)了一種地鐵環(huán)境安全預(yù)警系統(tǒng),具有布點(diǎn)分布廣、維護(hù)方便、可遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí),本發(fā)明還提出了一種地鐵環(huán)境安全預(yù)警方法,以提高地鐵運(yùn)行的安全性。
附圖說(shuō)明
圖1為本發(fā)明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本發(fā)明地鐵環(huán)境參數(shù)采集節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為本發(fā)明通信網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4為本發(fā)明地鐵環(huán)境參數(shù)采集節(jié)點(diǎn)電路結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5為本發(fā)明通信網(wǎng)關(guān)電路結(jié)構(gòu)示意圖。
圖6為本發(fā)明通信網(wǎng)關(guān)msp430芯片電路圖。
圖7為本發(fā)明通信網(wǎng)關(guān)cc2420芯片電路圖。
圖8為本發(fā)明通信網(wǎng)關(guān)mc39i芯片電路圖。
圖9為本發(fā)明地鐵環(huán)境參數(shù)采集節(jié)點(diǎn)msp430芯片電路圖。
圖10為本發(fā)明地鐵環(huán)境參數(shù)采集節(jié)點(diǎn)cc2420芯片電路圖。
圖11為本發(fā)明地鐵環(huán)境安全預(yù)警算法流程圖。
圖中附件:1為采集節(jié)點(diǎn)zigbee天線,2采集節(jié)點(diǎn)zigbee天線插槽,3為參數(shù)采集節(jié)點(diǎn)外殼,4為傳感器數(shù)據(jù)線輸入插槽,5為網(wǎng)關(guān)zigbee天線,6為gprs天線,7為網(wǎng)關(guān)zigbee天線插槽,8為gprs天線插槽,9為通信網(wǎng)關(guān)外殼。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例
下面參照附圖并結(jié)合實(shí)例對(duì)本發(fā)明的具體工作過(guò)程進(jìn)行完整地描述。如圖1-11,基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的地鐵環(huán)境安全預(yù)警系統(tǒng)包括地鐵環(huán)境參數(shù)采集節(jié)點(diǎn)1、通信網(wǎng)關(guān)2和遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)3。
所述地鐵環(huán)境參數(shù)采集節(jié)點(diǎn)有一個(gè)正方形外殼3,在地鐵環(huán)境參數(shù)采集節(jié)點(diǎn)外殼3上方設(shè)有1個(gè)采集節(jié)點(diǎn)zigbee天線插槽2,通過(guò)采集節(jié)點(diǎn)zigbee天線插槽2連接一根采集節(jié)點(diǎn)zigbee天線。在地鐵環(huán)境參數(shù)采集節(jié)點(diǎn)外殼3的一個(gè)側(cè)面設(shè)有1個(gè)傳感器數(shù)據(jù)線輸入插槽4。在地鐵環(huán)境參數(shù)采集節(jié)點(diǎn)外殼3內(nèi)裝有一塊地鐵環(huán)境采集電路板,該地鐵環(huán)境采集電路板由主處理器電路、射頻驅(qū)動(dòng)電路、信號(hào)調(diào)理電路組成。該地鐵環(huán)境采集電路板上的主處理器電路由msp430芯片及其外圍電路構(gòu)成,射頻驅(qū)動(dòng)電路由芯片cc2420及其外圍電路構(gòu)成。所述地鐵環(huán)境采集電路板上的射頻驅(qū)動(dòng)電路上設(shè)有1個(gè)采集節(jié)點(diǎn)zigbee天線接線端子,通過(guò)采集節(jié)點(diǎn)zigbee信號(hào)線與采集節(jié)點(diǎn)zigbee天線1相連。地鐵環(huán)境采集電路板上的信號(hào)調(diào)理電路由阻容器件組成,負(fù)責(zé)對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行調(diào)理。地鐵環(huán)境采集電路板上的信號(hào)調(diào)理電路上設(shè)有1個(gè)傳感器數(shù)據(jù)線接線端子,通過(guò)傳感器數(shù)據(jù)線與地鐵環(huán)境采集傳感器相連,傳感器數(shù)據(jù)線接線端子位于地鐵環(huán)境參數(shù)采集節(jié)點(diǎn)外殼上方的傳感器數(shù)據(jù)線輸入插槽4處。地鐵環(huán)境參數(shù)采集節(jié)點(diǎn)每隔一定時(shí)間負(fù)責(zé)采集一次現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)。
所述通信網(wǎng)關(guān)2有一個(gè)長(zhǎng)方形外殼9,在通信網(wǎng)關(guān)外殼9上方設(shè)有1個(gè)網(wǎng)關(guān)zigbee天線插槽7和1個(gè)網(wǎng)關(guān)gprs天線插槽8。在通信網(wǎng)關(guān)外殼9內(nèi)裝有一塊通信網(wǎng)關(guān)電路板,通信網(wǎng)關(guān)電路板由微處理器電路、zigbee通信電路和gprs通信電路組成。通信網(wǎng)關(guān)電路板上的微處理器電路由msp430處理器及其外圍電路組成,負(fù)責(zé)zigbee通信控制和gprs遠(yuǎn)程通信控制,將各個(gè)地鐵環(huán)境采集節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯集并發(fā)送到遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。通信網(wǎng)關(guān)電路板上的zigbee通信電路由無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)芯片cc2420及其外圍電路組成,負(fù)責(zé)與各個(gè)地鐵環(huán)境采集節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。
zigbee通信電路上設(shè)有1個(gè)網(wǎng)關(guān)zigbee天線接線端子,通過(guò)網(wǎng)關(guān)zigbee信號(hào)線與網(wǎng)關(guān)zigbee天線相連,網(wǎng)關(guān)zigbee天線接線端子位于通信網(wǎng)關(guān)外殼9上方的網(wǎng)關(guān)zigbee天線插槽7處。通信網(wǎng)關(guān)電路板上的gprs通信電路由gprs通信芯片mc39i及其外圍電路組成,負(fù)責(zé)與遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行通信。所述的gprs通信電路上設(shè)有1個(gè)gprs天線接線端子,通過(guò)gprs信號(hào)線與gprs天線相連,該網(wǎng)關(guān)gprs天線接線端子位于通信網(wǎng)關(guān)外殼9上方的gprs天線插槽8處。通信網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)將地鐵環(huán)境參數(shù)采集節(jié)點(diǎn)每隔一定時(shí)間所采集到的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總和處理,并傳送至遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。
所述遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由服務(wù)器構(gòu)成,通過(guò)gprs網(wǎng)絡(luò)每隔一定時(shí)間接收各個(gè)通信網(wǎng)關(guān)發(fā)送來(lái)的監(jiān)測(cè)區(qū)域的地鐵環(huán)境數(shù)據(jù),通過(guò)預(yù)警算法(預(yù)警算法流程圖見(jiàn)圖11所示),當(dāng)?shù)罔F環(huán)境發(fā)生變化時(shí),能夠及時(shí)預(yù)警。
本發(fā)明采用elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行預(yù)警。具體步驟為:
(1)采樣數(shù)據(jù)預(yù)處理
對(duì)于每個(gè)監(jiān)測(cè)子區(qū)域,將通信網(wǎng)關(guān)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的n組環(huán)境參數(shù)(包括本監(jiān)測(cè)子區(qū)域內(nèi)的一氧化碳濃度、二氧化碳濃度、可燃?xì)怏w濃度、溫度、相對(duì)濕度、亮度、地表沉降、水土壓力)作為樣本數(shù)據(jù),按照bessel公式計(jì)算各個(gè)參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差:若某一樣本數(shù)據(jù)的偏差
(2)確定每個(gè)監(jiān)測(cè)子區(qū)域elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)和訓(xùn)練算法
elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)學(xué)模型為:
其中
elman網(wǎng)絡(luò)通過(guò)梯度下降法進(jìn)行權(quán)值的修正,學(xué)習(xí)指標(biāo)采用誤差平方和函數(shù)來(lái)表示:
elman網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)算法為:
式中,
將每個(gè)監(jiān)測(cè)子區(qū)域歸一化處理后的r個(gè)樣本數(shù)據(jù)分成兩組:一組作為elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的初始訓(xùn)練數(shù)據(jù)集,對(duì)elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練;另一組作為校驗(yàn)數(shù)據(jù)集,用于校驗(yàn)所建立的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型,從而為每個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域建立一個(gè)elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。
(3)利用模型對(duì)地鐵環(huán)境安全進(jìn)行預(yù)警
將每個(gè)子監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的通信網(wǎng)關(guān)所傳輸給遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)作為輸入,利用所建立的該子區(qū)域的elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)該子區(qū)域地鐵環(huán)境安全進(jìn)行預(yù)警。