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基于人工智能与激光诱导击穿光谱的森林火灾烟雾原位探测与溯源研究

申报人:翟若宇 申报日期:2023-03-19

基本情况

2023
基于人工智能与激光诱导击穿光谱的森林火灾烟雾原位探测与溯源研究 盲选
创新训练项目
工学
电子信息类
B、学生来源于教师科研项目选题
创新类
2023-04
2024-04
本项目以森林火灾的产物作为主要的研究分析对象,通过激光诱导击穿光谱装置,获取火灾产物的光谱。通过光谱与人工智能算法及CF-LIBS分析方法的结合,追溯火灾来源,并实时在线计算出火灾中释有害元素的含量。本项目对火情判断、防控及环境污染评估有重要意义。溯源可行性及半定量分析已通过团队负责人发表的SCI论文证实。预期通过深入研究完成火灾产物有害元素的定量分析。

1、负责人曾进行激光诱导击穿光谱在森林火灾探测上的应用研究。通过激光诱导击穿光谱对树木燃烧产物的元素信息进行原位采集,并获取其光谱信息。结合降维分类算法(PCA)与人工智能算法(BP-ANN)对激光诱导击穿光谱在烟雾来源中的识别可行性进行证明。该成果以第一作者SCI三区期刊 OPTIK 中发表。

2、负责人曾运用本项目使用的光电检测平台以“基于CN自由基光谱的振动量子化能级测量实验仪”为题参加了第八届全国大学生物理实验竞赛,为本项目中的定量测量部分做出经验积累,并以第二负责人身份获得了第八届全国大学生物理实验竞赛全国二等奖

3、负责人曾运用激光技术自行设计了一套物理实验教学用具“一种基于激光技术的运动演示仪”目前,以第一发明人身份已经申请实用新型专利,目前正在受理阶段。

4、以第一作者的身份,设计并编写了一套电路检测系统,已获得软件著作权。软件著作:“AL-1型电路检测仪测试系统V1.00.00 登记号:2022SR0644380

1.    国家重点研发计划项目(子课题),“大气颗粒物重金属铅及同位素的在线探测和分析技术”,120万,2017.12-2021.11,主持人;

2.    国家自然科学基金,“大气VOCs的飞秒量级超快系间窜越动力学研究”,57万,2020.01-2022.12,主持人;

3.  国家自然科学基金,“飞秒时间尺度研究氟利昂在紫外辐射下的解离动力学”,26万,2014.01-2016.12,主持人;

4.    欧盟玛丽居里基金(Marie Curie Fellowship)Study on ultrafast dynamics of radicals via time-resolved coincidence velocity map imaging(2011.12-2013.12),主持人;

5.    江苏省自然科学基金(面上项目),“利用光电子成像技术研究大气VOCs的超快光物理动力学”,10万, 2019.07-2022.06,主持人;

6.    江苏省教育厅自然科学基金(重大项目),“大气挥发性有机物二甲苯的超快光物理光化学动力学研究”,30万,2018.07-2021.06,主持人

7.    江苏省产学研合作项目,“光电子成像仪和重金属激光检测设备研制”,30万,2018.11-2019.10,主持人;

8.    北京大学人工微结构和介观物理国家重点实验室开放课题,“强场电离分子离子量子态探测”,8万,2018.06-2018.12,主持人;

9.    江苏省省级人才“六大人才高峰”项目,“高时间分辨光离子光电子成像仪的研制”,5万,2015.12-2018.11,主持人;

10.  江苏省“双创计划”科技副总项目,“大气颗粒物重金属激光检测设备研制”,2018.11-2020.10,主持人;

1.       指导教师完全有能力和经验指导学生开展完成本项目相关研究工作,并取得预期成果。指导教师从事大气与环境光学研究,对大气污染物光谱有丰富的研究经验,在国际权威期刊发表SCI收录论文90余篇),同时拥有30余项专利。将科研与教学紧密结合,贯彻科教融合教学理念。连续3年指导本科生获得江苏省普通高校本专科优秀毕业设计(论文)一等奖;指导4项国家级大学生创新项目;近三年指导本科生为第一作者发表SCI论文18篇(含4JCR一区&国际TOP期刊论文),本科生为第一作者发表核心论文19篇,本科生为第一发明人的授权专利8项,近三年指导本科生省级竞赛获奖达100余人次。

2.       指导教师在江苏省大气海洋光电探测重点实验室工作,任激光光谱科研团队负责人,实验室内有大型固体激光器、四通道高分辨率光谱仪、配套光学镜片和支架等硬件设施,足以支持本项目的开展,能够提供本项目需要的各种硬件设施,能保证该项目的顺利完成。

3.       指导教师在指导学生开展大学生创新训练项目上经验丰富,近年已成功指导并结题国家级大创项目四项,有能力保障本创新训练项目的成功开展与顺利结题。

4.       指导教师与其所指导的相关项目团队在往年大学生创新训练项目中取得了优异成绩。其中团队项目荣获2020年,全国大学生创新创业年会最佳创意奖(指导教师)(国创计划专家组);指导教师荣获2020年,全国大学生创新创业年会优秀指导教师国创计划专家组)。
国家级

项目成员

序号 学生 所属学院 专业 年级 项目中的分工 成员类型
翟若宇 教师教育学院(南信大基础教育集团总校) 物理学(师范) 2020 负责协调和安排项目成员之间的分工,控制项目开展的进度,设计气溶胶在线检测的实验方案并参与实验,设计相关程序对数据进行处理,撰写论文并投稿,参与论文修改工作。
唐静 教师教育学院(南信大基础教育集团总校) 物理学(师范) 2021 参与气溶胶在线检测实验、数据处理与论文润色。
江一航 教师教育学院(南信大基础教育集团总校) 物理学(师范) 2021 参与气溶胶在线检测实验、文献查找、科普写作。
蔡津竺 教师教育学院(南信大基础教育集团总校) 物理学(师范) 2020 协调项目进展,文献整理、理论建模、计算分析与论文撰写。

指导教师

序号 教师姓名 教师账号 所属学院 是否企业导师 教师类型
刘玉柱 002360 教师教育学院(南信大基础教育集团总校)

立项依据

完成对森林火灾场景下火灾产物的原位在线测量,并溯源至火灾源头;定量实时测量火灾产物中的元素组成,并评估其中重金属元素成分对大气的污染情况。

利用LIBS技术探测树木燃烧的烟雾,得到燃烧产物的LIBS光谱;结合降维分类算法(PCA)与人工智能算法(BP-ANN)对LIBS光谱在烟雾来源中的识别可行性进行证明;利用利用CF-LIBS方法,定量计算出污染物的元素组成。

近年来,由于全球变暖的趋势,世界各地发生的明火失控事件越来越多。明火包括了山火、煤矿火灾和由“刀耕火种”引起的燃烧。明火失控可能直接与人类活动有关[1]或间接与气候变化有关[2]。从明火的分类可以看出,大多数的明火源于树木的燃烧。树木的燃烧会排放大量的空气污染物,如颗粒物(PM)、多环芳烃和挥发性有机化合物[3]PM2.5PM10会随着燃烧气体的凝结和不完全燃烧而增加。NO2浓度也将随着空气中氮的高温氧化和燃料氮的一些贡献而增加。可见,树木燃烧对环境的危害非常严重。有研究表明,明火烟雾会增加心肺疾病的风险,包括心脏骤停、哮喘、高血压和呼吸道感染[4,5]。所以,森林火灾是一个值得研究的课题。

此外,一些研究表明,树种对区域火灾和气候反馈有影响[6-9],这表现在不同的树种引起森林火灾的概率不同[10-15]。一些研究有力地证实了这一观点:黑云杉可能是北美北方地区树冠火灾制度的主要驱动因素[16-19];纯阔叶林分在林分替代事件中燃烧的可能性比纯针叶林分低24[20-22]。在上述研究中,人们研究了树种与燃烧概率之间的相关性,在研究明火的物理损害时,对烟雾的危害进行了深刻的研究。然而,以往的研究中很少有阐述树种与烟雾之间的关系,这对调查森林火灾有重要意义。由于受地理、气候和人为因素的影响,树种在森林中呈现出聚集的特点。例如,在林业中,由不太易燃的树种组成的绿色防火带经常被人为地种植在森林中的条带中[23,24]。它们被用来分隔森林并在火灾发生时减缓火灾的蔓延。因此,识别不同树种的燃烧情况可以反映火灾火势状况,这也为森林火灾的监测和控制提出了一个新的方法。

在技术方面,许多实时检测技术已经被尝试用来检测火灾的产物。在热解的情况下,气体传感器可以应用于早期火灾检测,但当涉及到快速点火时,传感器就不占优势了[25]。据研究报道,表面增强拉曼光谱(SERS)能够分析单一气溶胶颗粒中的化学成分。但是在应用SERS进行单一气溶胶颗粒检测时仍有一些挑战。首先,在高浓度成分的情况下,拉曼移位的峰会相互重叠。此外,在拉曼光谱中不能区分含有相同键的不同有机功能团[26,27]

与上述实时监测技术不同,本项目选择了LIBS技术作为原位在线探测森林火灾产物的手段。LIBS在检测和分类气溶胶方面具有独特的优势:LIBS是一种基于原子发射光谱的光学技术,可以应用于快速多元素分析。一个高能量密度的超短脉冲激光器被聚焦在样品表面,使样品形成等离子体。随着等离子体的冷却,由等离子体发射的光谱被光谱仪收集。收集的光谱可用于分析样品的元素组成,可用于样品的识别、分类、定性和定量分析。LIBS具有多元素同时分析、样品损失少、远程控制和实时检测等优点[28-32],并被广泛用于检测固体[32-34]、液体[35-38]和气体[39,40]。同时LIBS可以与多种人工智能算法相结合,给出定量的溯源结果,也可以利用CF-LIBS方法,定量计算出污染物的元素组成。

本项目选择森林火灾为研究对象,十分具有研究意义。本项目可以反映火灾火势状况,也为森林火灾的监测和控制提出了一个新的方法。本项目关心在全球变暖趋势下逐渐增多的森林火灾事件,致力于将光谱技术运用在大气环境领域。

②这是LIBS技术首次被用于探测研究树木燃烧产物,具有方法上的创新性。

③在本项目中,人工智能算法与LIBS技术结合,提高了烟雾溯源的准确性和前沿性。

  ④这是CF-LIBS方法首次运用在气溶胶的元素定量分析上,开拓了CF-LIBS方法新的应用领域,也为气溶胶的元素定量分析做出了创新性的工作。

①探测技术——激光诱导击穿光谱(LIBS)技术

激光诱导击穿光谱(LIBS)的实验装置结构如图3所示。选择NdYAG激光器作为系统的光源,其输出波长为1064nm,经过相关光路调节后由光学透镜聚焦到样品气溶胶粒子中。采用一个聚焦透镜来整合等离子体发射,样品的等离子发射光谱由光电探头采集并耦合至4通道光纤光谱仪中,通过调节时间延迟器协调光谱仪与激光器间的脉冲延迟,提高采集效果。

②降维算法——主成分分析(PCA

PCA是一种常用的降维方法。它通过正交变换将一组潜在相关的变量转换为一组线性不相关的变量,从而降低数据的维数。

③分类算法——反向传播-人工神经网络(BP-ANN

BP-ANN是一种有监督的机器学习分类方法,它是由有向图组成的拓扑结构人工构建的动态系统。它利用前馈神经网络和误差反向传播算法,实现了输出和输入之间高度非线性的映射。

④定量分析计算方法——自由定标激光诱导击穿光谱(CF-LIBS方法

自由定标激光诱导击穿光谱(Calibration-free LIBS, CF-LIBS)1999年由Ciucci等人[8]提出的一种基于激光等离子体局部热平衡态的测量方法,具有无需或只需极少数标准样品即可对样品元素进行定量分析的独特优势。目前,CF-LIBS方法已经应用于古文物鉴定、陨石分析、铜合金分析、钢渣分析等诸多领域。在本项目中,CF-LIBS方法首次用于气溶胶分析。

拟解决烟雾溯源的问题,以及实时定量测量森林火灾产物成分。预期能通过人工智能算法,将烟雾溯源至树种,并用CF-LIBS方法,计算出火灾产物成分。

1阶段 2023.4-2023.7

调研树种,购买五到六种性质相差较大的树种。根据已有的基础实验条件,对相关的各类树木样品的燃烧产物进行实时在线原位检测,获取得到对应的LIBS光谱,并整理得到其相关数据库。


2阶段 2023.7-2023.10

着重于树木燃烧烟雾的溯源分类,将第一阶段中已经整理好的相关数据提取并进行分析,建立分类模型及树种-烟雾数据库。对LIBS光谱中谱线进行筛选,做定量分析,并不断优化结果,找到适合的误差分析方法。准备参与十月份的全国物理实验竞赛及江苏省高校大学生物理与实验科技作品创新竞赛。

 

3阶段 2023.10-2024.1

完成先前的论文投稿、修改工作。同时,参加相关物理实验竞赛。在该阶段,争取完成1项专利或完成1篇论文,1项省级及省级以上的学科竞赛奖项。

 

4阶段 2024.1-2024.4

完成森林火灾溯源及元素定量测量并整理相关成果发表。参与相关学术实践交流活动1项,争取完成1项专利。

 

预期在项目规定期限时间内以学生为第一作者在核心以上期刊发表学术论文1篇,申请1项专利或1篇软件著作权,获得1-2项省级及省级以上的学科竞赛奖项。

在前期,负责人已研究过森林火灾产物,并以第一作者SCI三区期刊 OPTIK 中发表相关论文。

团队中的三位成员利用本项目使用的实验系统参加第八届全国大学生物理实验竞赛,并获得全国二等奖的成绩。

团队中一位成员以大气污染探测为主题获得江苏省高校大学生物理与实验科技作品创新竞赛优秀奖,并以此主题申报授权实用新型专利一项。

已具备的条件:

目前,实验室中相关实验所需的仪器及设备已经基本具备。其中主要是用于采集等离子体光谱的激光诱导击穿光谱(LIBS)实验平台。同时,相关配套使用的光纤光谱仪,双通道示波器,光学配件和采集设备等齐全且性能良好,足以支撑本项目的相关研究实验工作开展。软件方面的配置也基本完善,其中包括用于数据采集方面的AvaSoft系列软件,以及可以自行编程的人工智能算法平台,能够有效地对实验数据进行处理。

相关成员已经熟练掌握了相关技术的基础原理,并且对相关实验积累了一定的实践经验。负责人已经熟练掌握了各项实验仪器的正确使用方法并积累了大量科研合作经验,在高效开展实验的同时,能够保证整个实验过程中的安全性。指导教师的引导下,有足够的能力出色完成该项目并取得相关成果。

 

尚缺少的条件及方法:

经费预算

开支科目 预算经费(元) 主要用途 阶段下达经费计划(元)
前半阶段 后半阶段
预算经费总额 10000.00 4000.00 6000.00
1. 业务费 5000.00 500.00 4500.00
(1)计算、分析、测试费 0.00 0.00 0.00
(2)会议、差旅费 1000.00 500.00 500.00
(3)文献检索费 0.00 0.00 0.00
(4)论文出版费 4000.00 0.00 4000.00
2. 实验装置试制费 2500.00 2500.00 0.00
3. 材料费 2500.00 1000.00 1500.00

项目附件

  • 教师教育学院基于人工智能与激光诱导击穿光谱的森林火灾烟雾原位探测与溯源研究翟若宇.doc
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结束