榮祖蘭，張 霞

（長(zhǎng)沙職業(yè)技術(shù)學(xué)院，長(zhǎng)沙 410217）

0 引言

近年來，客車火災(zāi)事故、爆炸事件時(shí)有發(fā)生，給國(guó)家和人民的生命財(cái)產(chǎn)造成不應(yīng)有的損失。對(duì)于這類緊急情況，客車上一般都有應(yīng)急窗口，乘客從車門或應(yīng)急窗逃生。如果緊急情況下司機(jī)來不及打開車門，乘客只能從應(yīng)急窗口逃生，有些乘客就會(huì)無(wú)法脫離危險(xiǎn)。當(dāng)發(fā)生危險(xiǎn)情況，如果車門不需要司機(jī)干預(yù)能夠自動(dòng)打開，就增加乘客逃生的出口，減少乘客的傷亡。

本文提出的基于信息融合的控制系統(tǒng)可對(duì)客車出現(xiàn)緊急情況進(jìn)行可靠的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，并且不需要司機(jī)干預(yù)在滿足一定的條件下能使車門自動(dòng)打開。客車出現(xiàn)緊急情況包括火災(zāi)事故，爆炸事故等。本系統(tǒng)能采集客車多種參數(shù)，預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)火災(zāi)和爆炸事故、車速識(shí)別、聲光報(bào)警及發(fā)生險(xiǎn)情時(shí)關(guān)閉相關(guān)設(shè)備和開啟車門供乘客逃生等功能，解決的關(guān)鍵問題是對(duì)車內(nèi)環(huán)境狀況的識(shí)別。

1 多傳感器信息融合理論

多傳感器信息融合是對(duì)多種信息的獲取、表示其內(nèi)在聯(lián)系進(jìn)行綜合處理和優(yōu)化的技術(shù)，從多信息的視角進(jìn)行處理、綜合，得到各種信息的內(nèi)在聯(lián)系和規(guī)律，從而剔除無(wú)用和錯(cuò)誤的成分，保留正確和有用的成分，最終實(shí)現(xiàn)信息的優(yōu)化，使之能夠完善、準(zhǔn)確地反映環(huán)境特征。

多傳感器信息融合主要有貝葉斯估計(jì)、卡爾曼濾波、概率統(tǒng)計(jì)法、D-S證據(jù)推理、模糊推理和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法。這些理論和方法都有各自的優(yōu)點(diǎn)和不足，它們應(yīng)用于不同的融合層次，以期滿足特定的應(yīng)用背景的要求。車內(nèi)環(huán)境狀態(tài)具有較強(qiáng)的模糊性，如，客車內(nèi)溫度，煙度等環(huán)境的安全狀態(tài)、輕微狀態(tài)和危險(xiǎn)狀態(tài)之間沒有明確的界限，因此，適合采用模糊分類方法對(duì)其進(jìn)行識(shí)別。針對(duì)傳統(tǒng)環(huán)境檢測(cè)方法信息損失量大這一不足，本文采用模糊集理論與信息融合技術(shù)相結(jié)合。模糊技術(shù)和信息融合技術(shù)各有自己的優(yōu)點(diǎn)，二者有機(jī)結(jié)合，可有效發(fā)揮其各自的優(yōu)勢(shì)，并彌補(bǔ)其不足。

1.1 多傳感器模糊信息融合理論

模糊集的基本思想是把普通集合中的絕對(duì)隸屬關(guān)系靈活化，使元素對(duì)集合的隸屬度可以取[0，1]區(qū)間中的任一數(shù)值，因此，很適合用于傳感器信息的不確定性進(jìn)行描述和處理。在應(yīng)用多傳感器信息融合時(shí)，模糊集理論用隸屬度函數(shù)表示各傳感器信息的不確定性，然后利用模糊變換進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

為了確定各傳感器所觀測(cè)的特征值相對(duì)于客車環(huán)境各狀態(tài)的隸屬函數(shù)形式，將環(huán)境狀態(tài)劃分為三種模糊狀態(tài)，即正常、輕微和危險(xiǎn)。分別用H0、H1、H2表示，采用i、j分別表示不同傳感器和客車環(huán)境狀態(tài)。采用柯西模糊集來構(gòu)造隸屬函數(shù)，定義隸屬函數(shù)μij(x)，其中：i＝1, 2, 3；j＝1,2, 3，隸屬函數(shù)可以表示為：

式中：μiH0，μiH1，μiH2為由傳感器 vi測(cè)定的客車環(huán)境屬于正常、偏危、危險(xiǎn)三種狀態(tài)的隸屬度值；xi表示傳感器測(cè)量系統(tǒng)實(shí)際測(cè)得特征值；αH0，αiH1，αiH2為傳感器i測(cè)定客車環(huán)境屬于三種狀態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)特征值，βiH0，βiH1，βiH2為控制系數(shù)，均為大于零的常數(shù)。顯然0≤ij≤1，根據(jù)μij可得模糊關(guān)系矩陣R*＝{μij*}。

設(shè)各傳感器的權(quán)重模糊向量A＝{a1, a2, a3}，對(duì)該模糊向量進(jìn)行歸一化處理得到模糊向量：

按照線性變換有：

B中個(gè)元素Bj(1, 2, 3)即為客車環(huán)境監(jiān)測(cè)時(shí)三種傳感器信息融合后判斷客車環(huán)境屬于狀態(tài)j的可能性[1]。

1.2 信息融合系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

將多傳感器模糊信息融合理論引入到客車安全環(huán)境監(jiān)測(cè)上。由于客車的環(huán)境受諸多因素影響，為了研究方便，選用幾種與客車安全檢測(cè)相關(guān)的傳感器，例如：溫度傳感器、煙度傳感器、感光傳感器等。

在目標(biāo)識(shí)別級(jí)的融合中包括決策級(jí)融合、特征級(jí)融合、數(shù)據(jù)級(jí)融合。特征級(jí)融合必須使用并聯(lián)處理將特征向量分成有意義的群組；數(shù)據(jù)級(jí)融合必須所有傳感器是同類型的；本文采用決策級(jí)融合[2,3]。決策級(jí)融合具有很高的靈活性，系統(tǒng)對(duì)信息傳輸帶寬要求較低，能有效地反映環(huán)境或目標(biāo)各個(gè)側(cè)面的不同類型信息。當(dāng)一只或幾只傳感器出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)，通過適當(dāng)?shù)娜诤?，系統(tǒng)還能獲得正確的結(jié)果，所以具有容錯(cuò)性，通信量小，抗干擾能力強(qiáng)；對(duì)傳感器依賴性小，傳感器可以是同質(zhì)的，也可以是異質(zhì)的。在此方法中，首先要對(duì)源傳感器進(jìn)行預(yù)處理，以獲得各自的判定結(jié)果。圖1為客車多傳感器模糊信息融合系統(tǒng)融合結(jié)構(gòu)。

在該結(jié)構(gòu)中，采用溫度傳感器、煙度傳感器、感光傳感器來獲取被測(cè)環(huán)境的信息。對(duì)每只傳感器來講，被測(cè)環(huán)境屬于哪一種狀態(tài)的可能性用隸屬度值來表示，則可得到3組共12個(gè)模糊隸屬度值。應(yīng)用多傳感器模糊融合理論對(duì)三組隸屬度值進(jìn)行融合處理，得到三種傳感器融合以后被測(cè)環(huán)境的狀態(tài)隸屬度值，再根據(jù)一定的決策規(guī)則對(duì)被測(cè)環(huán)境進(jìn)行判定。

圖1 模糊信息融合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 模糊信息融合算法實(shí)驗(yàn)

在試驗(yàn)中，將決策級(jí)等級(jí)分為正常、輕微和危險(xiǎn)三個(gè)等級(jí)。由于溫度傳感器，煙度傳感器和感光傳感器在系統(tǒng)中的位置和精度不同，根據(jù)客車實(shí)際情況和試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，分配傳感器的權(quán)重向量為（＝ 0.43，＝ 0.35，＝ 0.22）。

三只傳感器將數(shù)據(jù)傳送到融合中心，融合中心的危險(xiǎn)判決過程如下：首先對(duì)每只傳感器的局部判決結(jié)果進(jìn)行歸一化，由各歸一化的結(jié)果組成判決矩陣，對(duì)傳感器向量和判決矩陣進(jìn)行合成運(yùn)算，然后對(duì)合成運(yùn)算結(jié)果采用最大隸屬度方法，得出對(duì)危險(xiǎn)狀態(tài)的綜合判斷。

在融合系統(tǒng)中，某一時(shí)刻的各傳感器歸一化后的判決結(jié)果如表1所示。

表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

在試驗(yàn)中，取融合中心合成運(yùn)算的算子為模糊集并交運(yùn)算（∨∧），則b合成運(yùn)算的結(jié)果為：

表2給出了3種傳感器各自的隸屬度值以及其按照判決規(guī)則得到的客車環(huán)境狀態(tài)監(jiān)測(cè)結(jié)果，同時(shí)，給出融合后的隸屬度值和按照同一判決規(guī)則得到的監(jiān)測(cè)結(jié)果。

表2 傳感器單獨(dú)識(shí)別和多傳感器融合識(shí)別結(jié)果

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可看出：若僅以單傳感器判決，其結(jié)果由于傳感器的限制可能導(dǎo)致狀態(tài)的誤判。如在輕微危險(xiǎn)狀態(tài)下，傳感器v3在最大隸屬度方法判決規(guī)則下判決結(jié)果為正常即環(huán)境處于安全狀態(tài)，而用信息融合的方法判決結(jié)果為輕微危險(xiǎn)狀態(tài)。因此，在基于模糊信息融合算法中，融合了來自多傳感器的軟判決結(jié)果，進(jìn)行多級(jí)別、多方而、多層次的融合處理，從而增加狀態(tài)監(jiān)測(cè)的置信程度，提高并改善了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的性能。可見采用多傳感器模糊信息融合可大大減少由單傳感器信息量限制引起的誤報(bào)和錯(cuò)報(bào)，降低了不確定性，有效提高了環(huán)境監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確率。

3 車門控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

針對(duì)某客車設(shè)計(jì)了車門控制系統(tǒng)。由于客車貨倉(cāng)內(nèi)的環(huán)境狀況（如發(fā)生火災(zāi)）乘客和司機(jī)察覺不到，因此，在貨倉(cāng)內(nèi)裝有溫度傳感器，煙度傳感器和感光傳感器，此三種傳感器感知貨倉(cāng)的環(huán)境變化，并把信號(hào)發(fā)送到單片機(jī)內(nèi)，單片機(jī)運(yùn)用信息融合的方法對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行處理，如果判斷出現(xiàn)危險(xiǎn)情況則發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，當(dāng)檢測(cè)到車速為零時(shí)，執(zhí)行器動(dòng)作，如果此時(shí)司機(jī)打開了車門，則此動(dòng)作無(wú)效；如果司機(jī)沒有打開車門，則使車門自動(dòng)打開。

3.1 硬件設(shè)計(jì)

該控制系統(tǒng)采用Freescale HS12微處理器，它具有Freescale高度節(jié)能型S12核，支持5V應(yīng)用；帶有內(nèi)部EEPROM、定時(shí)捕獲模塊、穩(wěn)壓器、輸入/輸出（I/O）復(fù)用器、看門狗電路與模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、CAN總線控制器；具有業(yè)內(nèi)最佳的EMC性能等。整個(gè)系統(tǒng)包括基本的電源電路、復(fù)位電路、晶振電路，具有模擬量采集電路，定時(shí)捕獲電路，車門執(zhí)行器電路和聲光報(bào)警電路等。其中模擬量采集電路時(shí)采集傳感器的模擬信號(hào)，定時(shí)捕獲電路采集車速，車門執(zhí)行器電路驅(qū)動(dòng)車門打開執(zhí)行器。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

為了便于軟件的編寫、測(cè)試、修改和維護(hù)，在軟件設(shè)計(jì)中采用了模塊化、結(jié)構(gòu)化和參數(shù)化的設(shè)計(jì)方法，并用C語(yǔ)言來實(shí)現(xiàn)。車門控制系統(tǒng)的主要包括以下模塊：?jiǎn)纹瑱C(jī)外圍初始化、環(huán)境信息檢測(cè)、環(huán)境信息融合算法實(shí)現(xiàn)、車速檢測(cè)、聲光報(bào)警和執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)等。車門控制流程如圖2所示。

圖2 車門控制流程

4 結(jié)束語(yǔ)

文中以某客車車門控制設(shè)計(jì)為例說明了整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程，經(jīng)過實(shí)車驗(yàn)證，其效果令人滿意。

此信息融合的原理還可以應(yīng)用到其他需要考慮安全環(huán)境的系統(tǒng)。

[1] 付華, 高婷, 劉洋. 多傳感器信息融合在煤礦安全中的應(yīng)用[J]. 傳感器與微系統(tǒng), 2008, 27(5): 115-116.

[2] 朱大奇, 于盛林. 應(yīng)用模糊數(shù)據(jù)融合實(shí)現(xiàn)電與電路的故障診斷[J]. 小型計(jì)算機(jī)系統(tǒng), 2002, 23(5): 633-635.

[3] 何友, 王國(guó)宏. 多傳感器信息融合及應(yīng)用[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2000: 48-76.