面向超重型火箭發(fā)射場(chǎng)的多氣體濃度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王 健

（東方空間技術(shù)（山東）有限公司，北京 100010）

0 引言

北京時(shí)間2023 年4 月20 日晚，美國(guó)太空探索技術(shù)公司（SpaceX） 超重型火箭“星艦”憑借30 臺(tái)猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)[1]的大約6800 t 推力離開地表，同時(shí)釋放出大量燃料和氧氣，這些物質(zhì)可能會(huì)在大氣中產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，形成臭氧等有害氣體；此外火箭的排放物中可能還包括如CO、氮氧化物和硫化物[2]等有害物質(zhì)，給發(fā)射場(chǎng)周圍環(huán)境帶來巨大污染和破壞。我國(guó)超重型運(yùn)載火箭“長(zhǎng)征九號(hào)”雖然目前還在工程研制階段，但根據(jù)“星艦”的首飛情況來看，面向超重型火箭發(fā)射場(chǎng)的多氣體濃度[3]精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)技術(shù)研究意義重大。

事實(shí)上，多類型氣體濃度監(jiān)測(cè)技術(shù)在超重型運(yùn)載火箭發(fā)射前和發(fā)射中、著陸以及回收[4]過程中都有重要的應(yīng)用價(jià)值：發(fā)射前，火箭的燃料和氧化劑在儲(chǔ)存、裝填和加注過程中都需要進(jìn)行氣體濃度監(jiān)測(cè)[5]，以確保這些物質(zhì)不會(huì)泄漏或其濃度超出安全范圍；發(fā)射后，需要對(duì)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)釋放的尾氣和廢氣中可能包含的有害氣體和顆粒物進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和濃度控制，在確保不會(huì)對(duì)環(huán)境和人體健康造成影響的同時(shí)，為超重型火箭發(fā)射對(duì)環(huán)境污染程度規(guī)則的制定提供數(shù)據(jù)支撐[6]；在著陸和回收過程中，也需要對(duì)火箭可能產(chǎn)生的廢氣和尾氣進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制。目前國(guó)內(nèi)極少有針對(duì)超重型火箭發(fā)射場(chǎng)的氣體環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究?；谝陨犀F(xiàn)狀，本文開展了面向超重型火箭發(fā)射場(chǎng)的多氣體濃度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

多氣體濃度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由火箭發(fā)射場(chǎng)后端地面測(cè)控大廳數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)中心的判讀終端和發(fā)射現(xiàn)場(chǎng)區(qū)域氣體感知端的多類型氣體測(cè)試節(jié)點(diǎn)兩大部分組成（如圖1 所示）。在發(fā)射場(chǎng)氣體感知端選用電化學(xué)傳感器[7]、紅外氣體傳感器、光離子式PID 氣體傳感器對(duì)混合摻雜場(chǎng)景下的多類型氣體進(jìn)行全發(fā)射流程下各階段的濃度數(shù)據(jù)采集；采集后的信息經(jīng)過基于遺傳算法和粒子群算法[8]混合優(yōu)化后的反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法（GA-PSO-BP）進(jìn)行溫濕度補(bǔ)償，然后通過節(jié)點(diǎn)路由匯聚再轉(zhuǎn)發(fā)至火箭發(fā)射場(chǎng)測(cè)控大廳的上位機(jī)瀏覽終端供實(shí)時(shí)判讀，同時(shí)進(jìn)行基于DAT 格式的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。本文研究主要從傳感器選擇優(yōu)化、數(shù)據(jù)處理與融合、系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間優(yōu)化等幾方面著手，最大程度地提高非常態(tài)場(chǎng)景下的氣體監(jiān)測(cè)精度。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)Fig.1 Overall design of the system

多氣體濃度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用節(jié)點(diǎn)化設(shè)計(jì)，各個(gè)節(jié)點(diǎn)又選用分屜式架構(gòu)。單個(gè)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)框圖如圖2所示，其中用于溫濕度補(bǔ)償?shù)腉A-PSO-BP[9]通過硬件邏輯描述語言（VHSIC hardware description language, VHDL）在圖2 中的AGLN250-VQ100 中心控制邏輯模塊實(shí)現(xiàn)。

圖2 系統(tǒng)單個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)框圖Fig.2 Block diagram of the single node design for the system

2 系統(tǒng)主要硬件設(shè)計(jì)

2.1 測(cè)試節(jié)點(diǎn)主控模塊設(shè)計(jì)

多氣體濃度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在平衡考慮強(qiáng)穩(wěn)定度、高可靠性、長(zhǎng)時(shí)工作、低功耗等性能指標(biāo)要求的基礎(chǔ)上，選用可編程邏輯器件AGLN250-VQ100 芯片進(jìn)行節(jié)點(diǎn)主控模塊電路設(shè)計(jì)（如圖3 所示）。其中，32管腳FCLE、33 管腳FALE 分別表示節(jié)點(diǎn)主控模塊對(duì)存儲(chǔ)顆粒介質(zhì)的多氣體濃度數(shù)據(jù)命令寫入使能、地址寫入使能，命令使能、地址使能與數(shù)據(jù)使能的隔離設(shè)計(jì)能夠保障經(jīng)算法優(yōu)化后的多氣體濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行混合編幀存儲(chǔ)時(shí)的強(qiáng)邏輯性，為超重型火箭發(fā)射現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境數(shù)據(jù)的可靠收集進(jìn)行了有效底層設(shè)計(jì)。

圖3 節(jié)點(diǎn)主控模塊電路設(shè)計(jì)Fig.3 Circuit design of the node main control module

2.2 測(cè)試節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)電路設(shè)計(jì)

雖然火箭發(fā)射場(chǎng)環(huán)境中氣體濃度數(shù)據(jù)通過節(jié)點(diǎn)路由匯聚轉(zhuǎn)發(fā)至測(cè)控大廳后會(huì)進(jìn)行基于DAT 格式的文件存儲(chǔ)[10]，但為防止因數(shù)據(jù)傳輸鏈路故障導(dǎo)致的信息丟失或錯(cuò)誤，本系統(tǒng)在各節(jié)點(diǎn)端設(shè)計(jì)有存儲(chǔ)電路，用于發(fā)射全流程中各環(huán)節(jié)下的多氣體濃度原始數(shù)據(jù)可靠性記錄。節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)電路如圖4 所示。

圖4 節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)電路設(shè)計(jì)Fig.4 Node storage circuit design

與現(xiàn)有的串行數(shù)據(jù)處理方式相比，本研究設(shè)計(jì)的D0～D7 八位I/O 口用于混合編幀后的多氣體濃度數(shù)據(jù)的并行寫入存儲(chǔ)，極大程度上優(yōu)化了系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

火箭發(fā)射場(chǎng)后端測(cè)控大廳的系統(tǒng)上位機(jī)軟件基于圖層嵌套類程序[11]開發(fā)環(huán)境LabVIEW 設(shè)計(jì)。圖5 所示為多氣體濃度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)上位機(jī)軟件數(shù)據(jù)存儲(chǔ)程序框圖，通過該程序可將發(fā)射場(chǎng)前端各節(jié)點(diǎn)多氣體濃度數(shù)據(jù)以DAT 文件格式按照火箭發(fā)射流程順序存儲(chǔ)至測(cè)控大廳數(shù)據(jù)中心的指定文件路徑中。圖5 中：“歷史數(shù)組”表示上個(gè)時(shí)間單元下的混合編幀濃度數(shù)據(jù)；“讀取新數(shù)組”表示當(dāng)前時(shí)間單元下的數(shù)據(jù)；相鄰時(shí)間單元間隔為20 ms，對(duì)火箭發(fā)射場(chǎng)環(huán)境下的多氣體濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行及時(shí)處理與融合，提升了監(jiān)測(cè)靈敏性與時(shí)效性。

圖5 系統(tǒng)上位機(jī)軟件數(shù)據(jù)存儲(chǔ)程序框圖Fig.5 Program block diagram of data storage for upper computer software

傳統(tǒng)BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)收斂速度慢且容易陷入局部極值，粒子群算法優(yōu)化后的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（PSO-BP）極易出現(xiàn)早熟的現(xiàn)象，本文的系統(tǒng)設(shè)計(jì)所提出的GAPSO-BP 混合優(yōu)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法旨在結(jié)合粒子群算法與遺傳算法的優(yōu)點(diǎn)，在粒子群進(jìn)行迭代時(shí)對(duì)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值和閾值[12]進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)粒子進(jìn)行交叉、變異運(yùn)算，以達(dá)到訓(xùn)練樣本輸出誤差最小化的目的，提高火箭發(fā)射場(chǎng)復(fù)雜環(huán)境下的多氣體監(jiān)測(cè)精度。圖6 所示為系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)GA-PSO-BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法流程。

圖6 GA-PSO-BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法流程Fig.6 Flow chart of GA-PSO-BP neural network algorithm

4 系統(tǒng)測(cè)試

4.1 系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)硬件測(cè)試

為對(duì)多氣體濃度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)前端GAPSO-BP 算法的優(yōu)化性進(jìn)行量化，本文在相同溫濕度條件下選擇BP、PSO-BP 和GA-PSO-BP 三種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法依次對(duì)CO、SO2、CH4和VOC 共4 種氣體進(jìn)行對(duì)比測(cè)試。本次試驗(yàn)在溫度為20 ℃、濕度為48%RH 的室溫環(huán)境下進(jìn)行，各節(jié)點(diǎn)選取9 例樣本。限于文章篇幅，下文以CH4氣體監(jiān)測(cè)結(jié)果為例進(jìn)行說明。圖7 所示為系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)前端在相同環(huán)境條件下分別采用三種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對(duì)CH4氣體濃度數(shù)據(jù)采編后，應(yīng)用MATLAB 軟件對(duì)測(cè)控大廳上位機(jī)存盤數(shù)據(jù)線性擬合后的結(jié)果。對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果可以看出：基于GA-PSO-BP 混合優(yōu)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的CH4氣體濃度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)線性擬合度更優(yōu)；樣本9出現(xiàn)濃度最大誤差，約為0.8%。

圖7 溫度20 ℃、48%RH 環(huán)境下CH4 氣體濃度監(jiān)測(cè)結(jié)果Fig.7 CH4 concentration monitoring results under 20 ℃ and 48%RH

在驗(yàn)證室溫環(huán)境條件下GA-PSO-BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的優(yōu)越性的基礎(chǔ)上，考慮到火箭發(fā)射實(shí)際場(chǎng)景下復(fù)雜多變的溫濕度條件，分別在溫度-30 ℃、濕度35%RH，溫度0 ℃、濕度25%RH，溫度30 ℃、濕度15%RH 這3 種不同發(fā)射環(huán)境下對(duì)系統(tǒng)的氣體濃度監(jiān)測(cè)精度進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖8 所示。不難發(fā)現(xiàn)：多氣體濃度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在不同作業(yè)條件下均能進(jìn)行有效溫濕度補(bǔ)償，滿足火箭發(fā)射現(xiàn)場(chǎng)室外環(huán)境下的氣體監(jiān)測(cè)需求；其中最大誤差約為1.02%，出現(xiàn)在圖8(b)中的測(cè)試樣本1。

圖8 采用GA-PSO-BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法在3 種不同發(fā)射環(huán)境下的氣體濃度監(jiān)測(cè)結(jié)果Fig.8 Gas concentration monitoring results under three launching environments with GA-PSO-BP neural network algorithm

4.2 系統(tǒng)軟件測(cè)試

為了更好地表現(xiàn)多氣體濃度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)感知端氣體傳感器測(cè)試軟件的實(shí)際測(cè)試結(jié)果，在部分溫濕度條件下對(duì)不同氣體的濃度補(bǔ)償數(shù)據(jù)及前端節(jié)點(diǎn)補(bǔ)償前、后的曲線進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖9 所示?？梢园l(fā)現(xiàn)：基于GA-PSO-BP 混合優(yōu)化算法下的多氣體濃度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在寬量程溫濕度條件下有很好的補(bǔ)償效果，按照現(xiàn)有樣本計(jì)算補(bǔ)償后的氣體濃度監(jiān)測(cè)精度可達(dá)98.88%。與圖8 中1.02%的單次測(cè)量誤差相比，該監(jiān)測(cè)精度雖略有下降，但基于大容量數(shù)據(jù)樣本的結(jié)果更具說服力，進(jìn)一步表明應(yīng)用本研究的多氣體濃度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可有效提高多類型氣體濃度的監(jiān)測(cè)精度。

圖9 多氣體濃度補(bǔ)償前、后數(shù)據(jù)界面圖Fig.9 Data interface before and after multi-gas concentration compensation

5 結(jié)束語

本文提出一種基于GA-PSO-BP 混合優(yōu)化算法的面向超重型火箭發(fā)射情景下的多氣體濃度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，有效提高了多類型氣體濃度的監(jiān)測(cè)精度。該系統(tǒng)采用節(jié)點(diǎn)化設(shè)計(jì)，前端節(jié)點(diǎn)配備存儲(chǔ)模塊，在將火箭發(fā)射全流程中不同時(shí)序段下多氣體濃度數(shù)據(jù)返送至地面后端測(cè)控大廳上位機(jī)軟件的同時(shí)，對(duì)發(fā)射前、中、后環(huán)境的實(shí)時(shí)氣體濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行不可擦除性記錄，從而可全面搜集發(fā)射場(chǎng)環(huán)境的氣體濃度變化情況，能夠?yàn)槌匦突鸺l(fā)射作業(yè)對(duì)當(dāng)?shù)丨h(huán)境破壞程度準(zhǔn)則的制定提供有效的量化數(shù)據(jù)支撐。本文中所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的中前端節(jié)點(diǎn)在基于粒子群算法和遺傳算法混合優(yōu)化后，在寬量程溫濕度作業(yè)環(huán)境下可以對(duì)多氣體濃度進(jìn)行可靠動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，補(bǔ)償后的最大濃度誤差不超過1.12%，這對(duì)于超重型火箭發(fā)射對(duì)環(huán)境影響的高精度監(jiān)測(cè)有較大意義。