王 健

（東方空間技術（山東）有限公司，北京 100010）

0 引言

北京時間2023 年4 月20 日晚，美國太空探索技術公司（SpaceX） 超重型火箭“星艦”憑借30 臺猛禽發(fā)動機[1]的大約6800 t 推力離開地表，同時釋放出大量燃料和氧氣，這些物質(zhì)可能會在大氣中產(chǎn)生化學反應，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)射場周圍環(huán)境帶來巨大污染和破壞。我國超重型運載火箭“長征九號”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)射場的多氣體濃度[3]精準監(jiān)測技術研究意義重大。

事實上，多類型氣體濃度監(jiān)測技術在超重型運載火箭發(fā)射前和發(fā)射中、著陸以及回收[4]過程中都有重要的應用價值：發(fā)射前，火箭的燃料和氧化劑在儲存、裝填和加注過程中都需要進行氣體濃度監(jiān)測[5]，以確保這些物質(zhì)不會泄漏或其濃度超出安全范圍；發(fā)射后，需要對火箭發(fā)動機釋放的尾氣和廢氣中可能包含的有害氣體和顆粒物進行數(shù)據(jù)監(jiān)測和濃度控制，在確保不會對環(huán)境和人體健康造成影響的同時，為超重型火箭發(fā)射對環(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，也需要對火箭可能產(chǎn)生的廢氣和尾氣進行監(jiān)測和控制。目前國內(nèi)極少有針對超重型火箭發(fā)射場的氣體環(huán)境監(jiān)測技術的研究?；谝陨犀F(xiàn)狀，本文開展了面向超重型火箭發(fā)射場的多氣體濃度監(jiān)測系統(tǒng)的設計。

1 系統(tǒng)總體設計

多氣體濃度監(jiān)測系統(tǒng)主要由火箭發(fā)射場后端地面測控大廳數(shù)據(jù)監(jiān)測中心的判讀終端和發(fā)射現(xiàn)場區(qū)域氣體感知端的多類型氣體測試節(jié)點兩大部分組成（如圖1 所示）。在發(fā)射場氣體感知端選用電化學傳感器[7]、紅外氣體傳感器、光離子式PID 氣體傳感器對混合摻雜場景下的多類型氣體進行全發(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)絡算法（GA-PSO-BP）進行溫濕度補償，然后通過節(jié)點路由匯聚再轉(zhuǎn)發(fā)至火箭發(fā)射場測控大廳的上位機瀏覽終端供實時判讀，同時進行基于DAT 格式的數(shù)據(jù)存儲。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)響應時間優(yōu)化等幾方面著手，最大程度地提高非常態(tài)場景下的氣體監(jiān)測精度。

圖1 系統(tǒng)總體設計Fig.1 Overall design of the system

多氣體濃度監(jiān)測系統(tǒng)采用節(jié)點化設計，各個節(jié)點又選用分屜式架構。單個節(jié)點的設計框圖如圖2所示，其中用于溫濕度補償?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現(xiàn)。

圖2 系統(tǒng)單個節(jié)點設計框圖Fig.2 Block diagram of the single node design for the system

2 系統(tǒng)主要硬件設計

2.1 測試節(jié)點主控模塊設計

多氣體濃度監(jiān)測系統(tǒng)在平衡考慮強穩(wěn)定度、高可靠性、長時工作、低功耗等性能指標要求的基礎上，選用可編程邏輯器件AGLN250-VQ100 芯片進行節(jié)點主控模塊電路設計（如圖3 所示）。其中，32管腳FCLE、33 管腳FALE 分別表示節(jié)點主控模塊對存儲顆粒介質(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)使能的隔離設計能夠保障經(jīng)算法優(yōu)化后的多氣體濃度數(shù)據(jù)進行混合編幀存儲時的強邏輯性，為超重型火箭發(fā)射現(xiàn)場環(huán)境數(shù)據(jù)的可靠收集進行了有效底層設計。

圖3 節(jié)點主控模塊電路設計Fig.3 Circuit design of the node main control module

2.2 測試節(jié)點存儲電路設計

雖然火箭發(fā)射場環(huán)境中氣體濃度數(shù)據(jù)通過節(jié)點路由匯聚轉(zhuǎn)發(fā)至測控大廳后會進行基于DAT 格式的文件存儲[10]，但為防止因數(shù)據(jù)傳輸鏈路故障導致的信息丟失或錯誤，本系統(tǒng)在各節(jié)點端設計有存儲電路，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)點存儲電路如圖4 所示。

圖4 節(jié)點存儲電路設計Fig.4 Node storage circuit design

與現(xiàn)有的串行數(shù)據(jù)處理方式相比，本研究設計的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，極大程度上優(yōu)化了系統(tǒng)的響應時間。

3 系統(tǒng)軟件設計

火箭發(fā)射場后端測控大廳的系統(tǒng)上位機軟件基于圖層嵌套類程序[11]開發(fā)環(huán)境LabVIEW 設計。圖5 所示為多氣體濃度監(jiān)測系統(tǒng)上位機軟件數(shù)據(jù)存儲程序框圖，通過該程序可將發(fā)射場前端各節(jié)點多氣體濃度數(shù)據(jù)以DAT 文件格式按照火箭發(fā)射流程順序存儲至測控大廳數(shù)據(jù)中心的指定文件路徑中。圖5 中：“歷史數(shù)組”表示上個時間單元下的混合編幀濃度數(shù)據(jù)；“讀取新數(shù)組”表示當前時間單元下的數(shù)據(jù)；相鄰時間單元間隔為20 ms，對火箭發(fā)射場環(huán)境下的多氣體濃度數(shù)據(jù)進行及時處理與融合，提升了監(jiān)測靈敏性與時效性。

圖5 系統(tǒng)上位機軟件數(shù)據(jù)存儲程序框圖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（PSO-BP）極易出現(xiàn)早熟的現(xiàn)象，本文的系統(tǒng)設計所提出的GAPSO-BP 混合優(yōu)化神經(jīng)網(wǎng)絡算法旨在結(jié)合粒子群算法與遺傳算法的優(yōu)點，在粒子群進行迭代時對BP神經(jīng)網(wǎng)絡的權值和閾值[12]進行優(yōu)化，對粒子進行交叉、變異運算，以達到訓練樣本輸出誤差最小化的目的，提高火箭發(fā)射場復雜環(huán)境下的多氣體監(jiān)測精度。圖6 所示為系統(tǒng)節(jié)點GA-PSO-BP 神經(jīng)網(wǎng)絡算法流程。

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

4 系統(tǒng)測試

4.1 系統(tǒng)節(jié)點硬件測試

為對多氣體濃度監(jiān)測系統(tǒng)的節(jié)點前端GAPSO-BP 算法的優(yōu)化性進行量化，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)絡算法依次對CO、SO2、CH4和VOC 共4 種氣體進行對比測試。本次試驗在溫度為20 ℃、濕度為48%RH 的室溫環(huán)境下進行，各節(jié)點選取9 例樣本。限于文章篇幅，下文以CH4氣體監(jiān)測結(jié)果為例進行說明。圖7 所示為系統(tǒng)節(jié)點前端在相同環(huán)境條件下分別采用三種神經(jīng)網(wǎng)絡算法對CH4氣體濃度數(shù)據(jù)采編后，應用MATLAB 軟件對測控大廳上位機存盤數(shù)據(jù)線性擬合后的結(jié)果。對比試驗結(jié)果可以看出：基于GA-PSO-BP 混合優(yōu)化神經(jīng)網(wǎng)絡算法的CH4氣體濃度監(jiān)測數(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)測結(jié)果Fig.7 CH4 concentration monitoring results under 20 ℃ and 48%RH

在驗證室溫環(huán)境條件下GA-PSO-BP 神經(jīng)網(wǎng)絡算法的優(yōu)越性的基礎上，考慮到火箭發(fā)射實際場景下復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)境下對系統(tǒng)的氣體濃度監(jiān)測精度進行測試，結(jié)果如圖8 所示。不難發(fā)現(xiàn)：多氣體濃度監(jiān)測系統(tǒng)在不同作業(yè)條件下均能進行有效溫濕度補償，滿足火箭發(fā)射現(xiàn)場室外環(huán)境下的氣體監(jiān)測需求；其中最大誤差約為1.02%，出現(xiàn)在圖8(b)中的測試樣本1。

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

4.2 系統(tǒng)軟件測試

為了更好地表現(xiàn)多氣體濃度監(jiān)測系統(tǒng)節(jié)點感知端氣體傳感器測試軟件的實際測試結(jié)果，在部分溫濕度條件下對不同氣體的濃度補償數(shù)據(jù)及前端節(jié)點補償前、后的曲線進行對比，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)測系統(tǒng)在寬量程溫濕度條件下有很好的補償效果，按照現(xiàn)有樣本計算補償后的氣體濃度監(jiān)測精度可達98.88%。與圖8 中1.02%的單次測量誤差相比，該監(jiān)測精度雖略有下降，但基于大容量數(shù)據(jù)樣本的結(jié)果更具說服力，進一步表明應用本研究的多氣體濃度監(jiān)測系統(tǒng)可有效提高多類型氣體濃度的監(jiān)測精度。

圖9 多氣體濃度補償前、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)測系統(tǒng)的設計，有效提高了多類型氣體濃度的監(jiān)測精度。該系統(tǒng)采用節(jié)點化設計，前端節(jié)點配備存儲模塊，在將火箭發(fā)射全流程中不同時序段下多氣體濃度數(shù)據(jù)返送至地面后端測控大廳上位機軟件的同時，對發(fā)射前、中、后環(huán)境的實時氣體濃度數(shù)據(jù)進行不可擦除性記錄，從而可全面搜集發(fā)射場環(huán)境的氣體濃度變化情況，能夠為超重型火箭發(fā)射作業(yè)對當?shù)丨h(huán)境破壞程度準則的制定提供有效的量化數(shù)據(jù)支撐。本文中所設計系統(tǒng)的中前端節(jié)點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)境下可以對多氣體濃度進行可靠動態(tài)補償，補償后的最大濃度誤差不超過1.12%，這對于超重型火箭發(fā)射對環(huán)境影響的高精度監(jiān)測有較大意義。