1.3 危化氣體物聯網智慧監測定位

要想對危化品突發泄漏或偷排偷放實現有效的治理和監管，就需要首先確定危化品的泄漏源，然后再基于物聯網技術，結合危化品泄漏和擴散的相應機理，進行安全、可靠的危化品智慧監測與定位。這些監測與定位方法的研究在近年受到了越來越多的關注[18-20]。多年以來，研究人員針對危化品泄漏源的定位問題進行了不懈的努力并取得了一定的成果，其中以危化氣體泄漏監測定位研究更具代表性。不管是危化品突發泄漏還是日常生產中的偷排偷放，危化品以氣態在空氣中擴散是非常重要的方式。目前，危化品氣體泄漏定位可以通過生物監測、移動機器人、傳感網絡等方法實現，這些研究成果有利于對危化品泄漏事故進行快速預警和監控，同時也可以有效地治理和監管有害氣體的偷排偷放，這對保障人們的生命和財產安全、改善生態環境具有重大的現實意義。

基于物聯網的危化氣體源定位是傳感網絡技術在環境監測領域的一個典型應用，具有重要的現實意義[21-22]。氣體在空氣中的物理擴散過程通常可描述為一個隨機過程，因此采用基于物聯網技術的分布式信息融合算法對氣體泄漏參數進行預測估計是一種可行的解決方法。該方法一般采用概率估計算法進行實現，所以通常也被看作對環境中氣體物理擴散模型構建的逆向求解問題，即利用已知（或者假設）的氣體擴散模型和氣體濃度信息對氣體泄漏的參數進行反向求解[23]。考慮到物聯網中傳感網絡結點所具有能量有限性和因大量傳感結點部署所造成的網絡拓撲結構具有高度動態性等特點，所以物聯網危化氣體監測定位所采用的信息融合算法就必須結合實際環境以及物聯網中的其他各種約束條件來具體實現。

按網絡拓撲結構的不同，物聯網危化氣體監測定位可分為靜態拓撲網絡定位和動態拓撲網絡定位兩大類。

（1）基于靜態拓撲的危化氣體物聯網監測定位。在已知的固定環境中，通常需要在感興趣的已知區域部署靜態固定物聯網監測結點，各監測結點會上傳各自的測量值到融合中心，然后通過分析計算這些數據得出泄漏源的各種參數，這種氣體源監測定位的方法稱為靜態拓撲物聯網監測定位法。然而，在單純使用靜態拓撲物聯網對氣體源進行定位時，結點位置需要提前預知，一旦泄漏位置周圍沒有安裝監測結點或者結點失效，就會大大降低定位的精度，甚至導致定位失敗；另外，在使用靜態物聯網對氣體源定位的過程中，若想獲得較高的定位精度，就需要在已知環境中布置大量的結點并存儲其位置信息，這將會增加實現成本。

（2）基于動態拓撲的危化氣體物聯網監測定位。為了彌補靜態拓撲物聯網氣體監測定位方法的上述缺陷，在移動機器人技術的幫助下，人們提出了在移動機器人上安裝相應的傳感器，構成移動監測結點的方法，這些移動機器人可以自主移動并實現動態拓撲部署，多個相同的移動監測結點還可構成動態拓撲物聯網絡。這種物聯網絡可以固定在某個位置作為固定結點對環境進行監測。在氣體源緊急泄漏情況下，根據結點的測量值進行路由規劃并完成結點的運動控制，快速、合理地覆蓋氣體泄漏區域，實現較為精確的監測定位。

根據兩種不同的網絡拓撲結構，物聯網多結點協作信息處理技術可以采用集中式和分布式兩種方法具體實現。

（1）集中式物聯網協作信息處理技術。如圖1-2所示為基于物聯網的集中式協作信息處理系統，網絡中被激活的監測結點首先對危化氣體泄漏環境進行測量并對得到的信息進行預處理，得到一個局部融合結果，這些融合結果會被傳遞給融合中心（Fusion Center, FC），最后由融合中心把監測區域內所接收的所有信息用信息融合算法進行計算并得到最終的結果。該方法的優點是可以很容易地得到全局最優解，缺點是由于各監測結點與融合中心之間存在一定傳輸距離，無線通信對比數據運算占用的資源更大，特別是在進行遠距離通信時情況更加嚴重，這影響了整個網絡的生命周期。由此可見，集中式協作信息處理在實際應用中具有很多局限性，只適用一些小規模的物聯監測網絡[24]。

（2）分布式物聯網協作信息處理技術。分布式物聯網協作信息處理技術一般有兩類實現方法：基于序貫分布式估計（Sequential Distributed Estimation）的實現方法和基于分簇分散式估計（Cluster Based Decentralized Estimation）的實現方法。

文獻[25-26]給出了序貫分布式物聯網信息融合系統的理論框架，在序貫分布式信息融合系統中，網絡中的監測結點往往依次形成串行的拓撲結構。首先，起始結點對所采集的自身位置周圍的環境信息進行初步的處理，然后傳給下一個結點，被選擇的結點需要將本地觀測值和前一個結點所發送來的處理結果進行信息融合并得到新的估計結果，然后再發給它所選擇的下一個結點，最后直至發送給最終接收結點，如圖1-3所示。

序貫分布式物聯網信息融合方法在實現過程中往往只需要在各監測結點間進行短距離的單跳或多跳傳輸，不需要發送給融合中心，有些情況下，甚至不需要融合中心。因此，可很大程度上降低通信能耗，有效提高整個傳感網絡系統的壽命并增加網絡利用率。若執行過程中的某中間結點發生故障或者失效將會導致整個系統信息傳遞中斷，同時由于每個結點都需要對觀測值進行融合并壓縮成少量的數據才進行傳遞，在某種程度上也會造成原始數據的部分信息丟失。因此，序貫分布式信息融合方法很容易受到連接故障與結點狀態的影響，其魯棒性和可靠性會隨著系統中監測結點的增多而變差，網絡延時也會增大。

分簇分散式物聯網信息融合[27]通常是基于分簇（Cluster）的傳感網絡系統進行實現，即將網絡中的結點通過某種方式靜態或者動態的劃分為多個簇，每個簇通常都包含一個簇頭結點（Cluster Head Node），簇內其他結點被稱為普通結點或簇成員結點（General Node），如圖1-4所示。

首先，簇內普通結點將原始測量值進行簡單處理，然后傳送給簇頭，簇頭會基于所收集的簇內結點信息完成所在單元的信息融合，得到融合結果并傳遞給下一個分簇的簇頭或者直接發送給融合中心，由融合中心根據各簇頭所傳遞的判決結果做出最終系統判決[28]。分簇的傳感網絡系統通常不需要所有監測結點都與融合中心直接建立通信關系，因此可節省大量通信能耗，同時，其在簇內又利用了集中式信息融合方法增強了系統的整體性能。簇內簇頭結點的選擇可由多種方式實現，如采取固定結點法等[29]。在固定結點法，每個簇的簇頭總是負責與匯聚中心遠距離通信，其能量衰減很快，在一定程度上會降低系統壽命，因此低功耗自適應的分簇協議（Low Energy Adaptive Clustering Hierarehy, LEACH）應運而生[30]，此協議下的簇頭選擇采取輪換機制。這種選擇機制的優點是可以有效防止個別結點能量的迅速耗盡，提高網絡的可靠性。