一种考虑可靠性因素的气体探测器离散选址优化方法技术

本发明专利技术公开了一种考虑可靠性因素的气体探测器离散选址优化方法，解决了现有技术中基于经验和标准的气体探测器布置方法总体预警效果不理想的问题，具有提高气体探测器选址优化方案稳定性和安全性效果；其技术方案为：建立三维CFD模型，设置监测层，划分平面网格，取网格节点为监测点；构建危险气体泄漏场景集，对三维CFD模型进行模拟；设定危险气体检测报警浓度阈值，提取任意监测点达到报警浓度所需时间；定义气体探测器在任意监测点发生故障的状态空间、状态转移矩阵和状态初始概率，预测在监测点处发生不同故障的概率；计算气体探测器的可靠性概率；建立不同策略下的离散选址优化模型，对优化模型进行求解，在备选点中优选出最佳选址方案。

A discrete location optimization method for gas detectors considering reliability factors

The invention discloses a discrete location optimization method of gas detector considering reliability factors, which solves the problem that the overall early warning effect of the gas detector layout method based on experience and standard in the prior art is not ideal, and has the effect of improving the stability and safety of the gas detector location optimization scheme. 3-D CFD model is established, monitoring layer is set up, plane grid is divided, and grid node is taken as monitoring point; dangerous gas leakage scene set is constructed to simulate the 3-D CFD model; dangerous gas detection alarm concentration threshold is set, and the time required to reach the alarm concentration at any monitoring point is extracted; gas detector is defined in any monitoring point. The state space, state transition matrix and initial state probability are used to predict the probabilities of different faults at the monitoring points, calculate the reliability probability of gas detectors, establish discrete location optimization models under different strategies, solve the optimization models, and select the best location scheme among the alternative points.

【技术实现步骤摘要】
一种考虑可靠性因素的气体探测器离散选址优化方法
本专利技术涉及气体泄漏安全监测
，尤其涉及一种考虑可靠性因素的气体探测器离散选址优化方法。
技术介绍
在近年来的行业背景下，中上游企业对海上油气的开发量和原油的炼化加工量明显提升，且生产过程中在海洋平台、炼化装置区等场所伴随的危险气体泄漏风险也呈现上升态势，这对气体探测器的选址布局策略和成功检测效率提出了更高的要求。目前，国内外普遍依靠气体探测器来检测危险气体泄漏工况，且相关技术标准从总体上规定了气体探测器的安装规范和检测报警要求，且传统基于经验和标准的探测器布置方法在长期的实践应用过程中，总体的预警效果并不理想。现有结合危险气体泄漏扩散规律和数学规划策略的改进选址方法，重点考虑了泄漏源、泄漏概率、气象条件、探测器不可用性以及冗余表决系统等多种复杂因素的影响，但未能有效考虑真实情况下探测器可靠性变化规律，大多假设探测器处于理想的安全运行状态。在实际生产过程中气体探测器并不是理想的工作状态，存在误报警和不报警的状况。由于维护和维修不利，气体检测报警仪容易出现功能失效、输出不稳定等一系列失效模式，大大削减了探测器布置方案的安全性能。因此，通过现有优化方法获取的探测器选址方案在运行可靠性方面略显不足。
技术实现思路
为了克服现有技术的不足，本专利技术提供了一种考虑可靠性因素的气体探测器离散选址优化方法，提出两种策略方法，其具有提高了气体探测器选址优化方案的稳定性和安全性的效果。本专利技术采用下述技术方案：一种考虑可靠性因素的气体探测器离散选址优化方法，包括以下步骤：步骤(1)建立三维CFD(ComputationalFluidDynamics，计算流体力学)模型，在设定高度设置监测层，并以设定布置间距划分平面网格，取所述平面网格的网格节点为监测点，所述监测点即为气体探测器的备选点；步骤(2)构建危险气体泄漏场景集，计算各泄漏场景的发生概率，并对所述三维CFD模型进行数值模拟，记录危险气体在各个监测点处的“检测时间-泄漏浓度”数据序列；步骤(3)设定符合现场需求的危险气体检测报警浓度阈值，并提取所有泄漏场景下任意监测点j达到报警浓度所需要的时间；步骤(4)定义气体探测器在任意监测点j发生故障的状态空间、状态转移矩阵和状态初始概率，并预测气体探测器在监测点j处发生不同故障的概率；步骤(5)将气体探测器在任意监测点j的故障状态根据严重程度分为不可用状态和可用状态，计算气体探测器的可靠性概率Rj；步骤(6)建立不同策略下的气体探测器离散选址优化模型，并对所述优化模型进行求解，在所有备选点中优选出最佳选址方案。进一步的，所述步骤(1)中，根据目标优化区域装置的位置和几何参数，利用CFD前处理软件建立的三维网格模型。进一步的，所述步骤(2)中，采用采用CFD求解器对所述三维CFD模型进行数值模拟；泄漏场景集包括由泄漏源集和风场集自由组合出的大量泄漏场景。进一步的，所述步骤(4)中，根据目标优化区域内气体探测器发生故障的历史数据，定义Markov链三元组并建立Markov模型以预测真实情况下探测器的可靠性变化规律。进一步的，所述步骤(6)中，气体探测器离散选址优化模型的建立以决策方案的场景概率加权累积检测时间最小为优化目标，同时考虑气体探测器在不同布置需求下的可靠性影响策略，并以气体探测器的布置数量为约束条件，以备选点的选择与否作为二元决策变量。进一步的，所述策略包括策略一和策略二，其中，策略一为仅考虑布置独立气体探测器的情形，当失效时以一个较大的检测时间作为优化附加值的决策方法；策略二为当最佳位置的气体探测器失效时，考虑优选周围性能表现次佳的气体探测器作为备用，并以该备用气体探测器的检测时间作为优化附加值的决策方法。进一步的，根据策略一建立的气体探测器离散选址优化模型为：其中，表示选址方案为的累积检测时间期望；Pi表示危险气体泄漏场景i的发生概率；表示在泄漏场景i下气体探测器j检测到危险气体泄漏工况的时间，此时气体探测器成功检测的浓度指标为C'；Rj表示气体探测器布置在不同位置时的相对可靠性概率；Yi,j表示决策变量；表示当在泄漏场景i下j点的气体探测器发生失效时，赋予的一个时间惩罚值。进一步的，决策变量Yi,j为气体探测器成功检测到危险气体泄漏工况的标志，当在泄漏场景i下探测器j率先成功检测报警时取值为1，否则为0。进一步的，Rj的取值由Markov链模型中定义的故障空间数量和预测结果决定。进一步的，根据策略二建立的气体探测器离散选址优化模型为：其中，表示在泄漏场景i下备用气体探测器b检测到危险气体泄漏工况的时间，此时备用气体探测器成功检测的浓度指标为C'；Rb表示即将布设在备用探测点b处的气体探测器相对可靠性概率；Yi,b表示决策变量。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：(1)本专利技术相比传统的未考虑探测器可靠性因素或仅假设探测器处于理想状态的探测器选址优化方法，通过结合目标优化区域气体探测器运行故障的历史数据，利用Markov算法有效预测了气体探测器在真实情况下的可靠性变化规律，提高了气体探测器选址优化方案的真实性和可靠性；(2)本专利技术在考虑气体探测器可靠性变化因素的前提下，进一步考虑了独立气体探测器发生失效的情况，考虑优选性能表现次佳的气体探测器作为备用装置，并以备用气体探测器的检测时间作为优化附加值的决策方法，有效解决了失效附加值的均衡设置问题，极大提高了气体探测器选址优化方案的稳定性和安全性。具体实施方式应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属
的普通技术人员通常理解的相同含义。需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。正如
技术介绍
所介绍的，现有技术中存在传统基于经验和标准的气体探测器布置方法总体的预警效果并不理想的不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种考虑可靠性因素的气体探测器离散选址优化方法。本申请的一种典型的实施方式中，提供了一种考虑可靠性因素的气体探测器离散选址优化方法，综合考虑了气体探测器可靠性因素对其选址方案的影响，有效实现了对真实情况下任意监测点处气体探测器可靠性变化规律的预测；同时，以决策方案的场景概率加权累积检测时间最小为优化目标，以气体探测器备选点的选择与否作为0-1决策变量，建立了考虑探测器可靠性的场景概率加权累积检测时间最小化模型(MinimalCumulativeDetectionTimeP-MedianModelincludingScenarioProbabilityandReliability，MITP-SPR)，共包含两种策略。具体步骤如下：步骤1：根据目标优化区域装置的位置和几何参数，利用CFD前处理软件建立三维CFD模型，针对危险气体的特性在在设定高度设置监测层，并以标准规定的布置间距划分平面网格，取所述平面网格的网格节点为监测点，所述监测点即为气体探测器的备选点。步骤2：构建本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种考虑可靠性因素的气体探测器离散选址优化方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤(1)建立三维CFD模型，在设定高度设置监测层，并以设定布置间距划分平面网格，取所述平面网格的网格节点为监测点，所述监测点即为气体探测器的备选点；步骤(2)构建危险气体泄漏场景集，计算各泄漏场景的发生概率，并对所述三维CFD模型进行数值模拟，记录危险气体在各个监测点处的“检测时间‑泄漏浓度”数据序列；步骤(3)设定符合现场需求的危险气体检测报警浓度阈值，并提取所有泄漏场景下任意监测点j达到报警浓度所需要的时间；步骤(4)定义气体探测器在任意监测点j发生故障的状态空间、状态转移矩阵和状态初始概率，并预测气体探测器在监测点j处发生不同故障的概率；步骤(5)将气体探测器在任意监测点j的故障状态根据严重程度分为不可用状态和可用状态，计算气体探测器的可靠性概率Rj；步骤(6)建立不同策略下的气体探测器离散选址优化模型，并对所述优化模型进行求解，在所有备选点中优选出最佳选址方案。

【技术特征摘要】
1.一种考虑可靠性因素的气体探测器离散选址优化方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤(1)建立三维CFD模型，在设定高度设置监测层，并以设定布置间距划分平面网格，取所述平面网格的网格节点为监测点，所述监测点即为气体探测器的备选点；步骤(2)构建危险气体泄漏场景集，计算各泄漏场景的发生概率，并对所述三维CFD模型进行数值模拟，记录危险气体在各个监测点处的“检测时间-泄漏浓度”数据序列；步骤(3)设定符合现场需求的危险气体检测报警浓度阈值，并提取所有泄漏场景下任意监测点j达到报警浓度所需要的时间；步骤(4)定义气体探测器在任意监测点j发生故障的状态空间、状态转移矩阵和状态初始概率，并预测气体探测器在监测点j处发生不同故障的概率；步骤(5)将气体探测器在任意监测点j的故障状态根据严重程度分为不可用状态和可用状态，计算气体探测器的可靠性概率Rj；步骤(6)建立不同策略下的气体探测器离散选址优化模型，并对所述优化模型进行求解，在所有备选点中优选出最佳选址方案。2.根据权利要求1所述的一种考虑可靠性因素的气体探测器离散选址优化方法，其特征在于，所述步骤(1)中，根据目标优化区域装置的位置和几何参数，利用CFD前处理软件建立三维CFD网格模型。3.根据权利要求1所述的一种考虑可靠性因素的气体探测器离散选址优化方法，其特征在于，所述步骤(2)中，采用CFD求解器对所述三维CFD模型进行数值模拟；泄漏场景集包括由泄漏源集和风场集自由组合出的大量泄漏场景。4.根据权利要求1所述的一种考虑可靠性因素的气体探测器离散选址优化方法，其特征在于，所述步骤(4)中，根据目标优化区域内气体探测器发生故障的历史数据，定义Markov链三元组并建立Markov模型以预测真实情况下探测器的可靠性变化规律。5.根据权利要求1所述的一种考虑可靠性因素的气体探测器离散选址优化方法，其特征在于，所述步骤(6)中，气体探测器离散选址优化模型的建立以决策方案的场景概率...

【专利技术属性】
技术研发人员：章博，慕超，王志刚，陈曦，宁志康，赵日彬，刘颖，
申请(专利权)人：中国石油大学华东，
类型：发明
国别省市：山东,37