王艷秋 ，王彥文 ，裴春梅 ，楊秀清

（1.北京電子科技職業(yè)學(xué)院，北京 100029；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，北京 100083）

智能算法是智能火災(zāi)報(bào)警控制器判斷火災(zāi)的一種算法，要想通過(guò)智能算法最大可能地減少對(duì)火災(zāi)的誤報(bào)率和漏報(bào)率，提高火災(zāi)報(bào)警的準(zhǔn)確性，首先要了解火災(zāi)探測(cè)信號(hào)的特征。

1 火災(zāi)探測(cè)信號(hào)的特征

火災(zāi)探測(cè)的原理是火災(zāi)探測(cè)器或傳感器通過(guò)火災(zāi)發(fā)生時(shí)產(chǎn)生的各種物理和化學(xué)變化特征來(lái)間接探測(cè)火災(zāi)，例如通過(guò)探測(cè)火災(zāi)產(chǎn)生的煙霧、火災(zāi)引起的高溫、火焰和氣體等。

火災(zāi)探測(cè)器或傳感器的輸出信號(hào) x0（t）隨火災(zāi)的發(fā)展而變化，火災(zāi)的早期特征狀態(tài)不穩(wěn)定，并且具有不同的表現(xiàn)形式，如慢速陰燃、明火和快速發(fā)展的火焰等，這些火災(zāi)信號(hào)的變化量不一樣，并且火災(zāi)為偶然事件，很少有觀察數(shù)據(jù)，因此，x0（t）是事先未知的或不確定的信號(hào)。此外，環(huán)境變化如氣候、濕度、灰塵、電子噪聲和人為的其他活動(dòng)都有可能引起 x0（t）的變化，而這種變化的特征與火災(zāi)參數(shù)變化的特征基本相似。盡管檢測(cè)x0（t）是困難的，但它們的變化還是表現(xiàn)了火災(zāi)早期的一些特征，有時(shí)可以把 x0（t）近似看作是一種非平穩(wěn)的隨機(jī)過(guò)程，主要由火災(zāi)信號(hào)和非火災(zāi)信號(hào)兩部分組成：

式中，xh（t）表示火災(zāi)信號(hào)，xu（t）表示由其他因素引起的非火災(zāi)信號(hào)，xh（t）與 xu（t）互不影響，在火災(zāi)發(fā)生時(shí)無(wú)法從 x0（t）中分離出 xh（t），但是在非火災(zāi)情 況下，xu（t））卻有可能產(chǎn)生類似 xh（t）的變化。 要想從中有效地檢測(cè)出火災(zāi)信號(hào) xh（t），就要用到智能算法。

2 智能算法的組成

所謂智能是指辨析判斷及自適應(yīng)的能力，充分利用模擬量探測(cè)器所提供的豐富信息，采用具有一定判斷分析能力和應(yīng)變能力的智能算法最大可能地減少對(duì)火災(zāi)的誤報(bào)率和漏報(bào)率，提高火災(zāi)報(bào)警的準(zhǔn)確性。

智能算法的關(guān)鍵是要充分利用模擬量探測(cè)器所能提供的各種信息，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)在時(shí)間上、變化上的全方位分析，消除環(huán)境干擾等對(duì)探測(cè)器的各種影響，正確區(qū)分真假火災(zāi)情況，實(shí)現(xiàn)正確報(bào)警。智能算法的組成如圖1所示。

圖1 智能算法的組成

探測(cè)器發(fā)出的脈寬信號(hào)經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換處理成數(shù)字量信號(hào)，經(jīng)過(guò)數(shù)字濾波，濾去高頻脈沖干擾信號(hào)，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行平滑處理，然后將信號(hào)分別與火警閾值、預(yù)警閾值和故障閾值進(jìn)行數(shù)值比較?；鹁撝?、預(yù)警閾值和故障閾值分別等于各自的設(shè)定值加上修正值。修正值由兩部分組成，一部分為靈敏度自動(dòng)調(diào)整，它根據(jù)時(shí)間的變化進(jìn)行數(shù)值調(diào)整；另一部分為漂移自動(dòng)補(bǔ)償，由時(shí)漂的積累得出。當(dāng)測(cè)量值超過(guò)預(yù)警閾值時(shí)，再經(jīng)過(guò)時(shí)間積累確定是否為預(yù)警；當(dāng)測(cè)量值超過(guò)火警閾值時(shí)，再經(jīng)過(guò)上升速率分析和時(shí)間積累，確定是否為火警；當(dāng)測(cè)量值低于故障閾值時(shí)，經(jīng)時(shí)間積累確定是否為故障。

3 智能算法原理

3.1 數(shù)字濾波

探測(cè)器的安裝現(xiàn)場(chǎng)通常強(qiáng)電設(shè)備較多，因此在數(shù)據(jù)采集的過(guò)程中，不可避免地會(huì)產(chǎn)生脈沖干擾，這種干擾一般持續(xù)時(shí)間短，峰值大，對(duì)這樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波處理時(shí)，僅僅采用算術(shù)平均或移動(dòng)平均濾波時(shí)，盡管對(duì)脈沖干擾進(jìn)行了1/n的處理，但其剩余值仍然較大。這種場(chǎng)合最好的策略是：將被認(rèn)為是受干擾的信號(hào)數(shù)據(jù)去掉，這就是防止脈沖干擾的平均值濾波法的原理。采用平均值濾波方法的作用是去掉信號(hào)中的脈沖干擾，同時(shí)對(duì)信號(hào)進(jìn)行平滑處理。

數(shù)字濾波方法：對(duì)連續(xù)n個(gè)信號(hào)數(shù)據(jù)累加求和，從累加和中減去其中最大值和最小值，將剩下（n-2）個(gè)數(shù)據(jù)的平均值作為有效值。實(shí)質(zhì)是求一次巡檢時(shí)間內(nèi)所有采樣值的平均數(shù)。這里采樣周期T的確定非常重要，T過(guò)小時(shí)n增大，靈敏度降低；T過(guò)大時(shí)會(huì)出現(xiàn)漏報(bào)。T的倒數(shù)f是采樣頻率，f的大小與實(shí)際火災(zāi)信號(hào)的頻率范圍有關(guān)。由實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)知道，火災(zāi)產(chǎn)生時(shí)的溫度變化最大頻率 fm約為60 MHz。根據(jù)奈奎斯特（Nyquist）采樣定理規(guī)定，采樣周期因此，設(shè)計(jì)火災(zāi)報(bào)警控制器的數(shù)字濾波程序時(shí)，模擬量感溫探測(cè)器的采樣周期T為8.3 s，或者說(shuō)，模擬量感溫探測(cè)器的采樣頻率 f應(yīng)大于0.12 Hz。

設(shè)數(shù)字濾波程序的截止頻率為fT，它是有效頻帶的極點(diǎn)頻率。對(duì)于低通濾波器而言，fT是上限頻率；對(duì)高通濾波器而言，fT則是下限頻率?；馂?zāi)探測(cè)系統(tǒng)的數(shù)字濾波屬于低通濾波范疇。當(dāng)采樣周期T和一次巡檢時(shí)間內(nèi)的采樣次數(shù)n確定后，則fT也就定了，

3.2 靈敏度自動(dòng)調(diào)整

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，預(yù)先設(shè)置火災(zāi)探測(cè)器的靈敏度，在探測(cè)器運(yùn)行的過(guò)程中再根據(jù)時(shí)間來(lái)調(diào)整靈敏度的數(shù)值，也就是說(shuō)，控制器在進(jìn)行火警判斷時(shí)將會(huì)根據(jù)時(shí)間的進(jìn)程、環(huán)境的變化自動(dòng)調(diào)整探測(cè)器的靈敏度。

靈敏度自動(dòng)調(diào)整的方法是：將靈敏度需要調(diào)整的時(shí)間點(diǎn)和數(shù)值預(yù)先給控制器，控制器隨時(shí)檢測(cè)實(shí)時(shí)時(shí)鐘，當(dāng)時(shí)鐘到了設(shè)定的時(shí)間點(diǎn)，則使探測(cè)器的靈敏度等于設(shè)定的靈敏度值I。可以根據(jù)需要設(shè)定多個(gè)時(shí)間點(diǎn)和對(duì)應(yīng)的靈敏度值。

3.3 漂移自動(dòng)補(bǔ)償

漂移是指系統(tǒng)受環(huán)境變化、溫度等影響使系統(tǒng)工作點(diǎn)不能穩(wěn)定在零點(diǎn)（原始點(diǎn)）的現(xiàn)象，漂移有時(shí)漂和溫漂之分，對(duì)于火災(zāi)探測(cè)器，主要表現(xiàn)為與時(shí)間有關(guān)的時(shí)漂。如果探測(cè)器長(zhǎng)期漂移的話，其靈敏度數(shù)值將偏高，因此會(huì)導(dǎo)致火警誤報(bào)。

由于漂移的影響，探測(cè)器的測(cè)量值會(huì)向某一個(gè)方向緩慢地變化，經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)的一段時(shí)間后，探測(cè)器的測(cè)量值與初始工作時(shí)的測(cè)量值將產(chǎn)生偏差，這個(gè)偏差就是漂移補(bǔ)償值。

漂移補(bǔ)償?shù)姆椒ㄊ牵菏紫扰袛啾敬螠y(cè)量值是否在補(bǔ)償范圍內(nèi)，若是，則計(jì)算最新幾個(gè)測(cè)量值的累加值，即將上次的累加值加本次測(cè)量值減去前第（n-m）個(gè)測(cè)量值：然后求最新的幾個(gè)測(cè)量值的平均值 D，即 D=ΣXn/m，用平均值 D減去探測(cè)器的基準(zhǔn)測(cè)量值X0，其差就是漂移補(bǔ)償值。最后對(duì)本次測(cè)量值進(jìn)行修正計(jì)算，修正值=Xn-漂移補(bǔ)償值。

3.4 上升速率分析

在對(duì)探測(cè)器信號(hào)進(jìn)行靈敏度的自動(dòng)調(diào)整和測(cè)量值的自動(dòng)漂移補(bǔ)償修正之后，接下來(lái)進(jìn)行火警判斷。當(dāng)測(cè)量值≥火警閾值時(shí)，對(duì)測(cè)量值從預(yù)警閾值到火警閾值這一段曲線進(jìn)行上升速率分析。上升速率分析就是對(duì)超過(guò)火警閾值的探測(cè)器信號(hào)的上升速率進(jìn)行分析，當(dāng)上升速率超過(guò)速率上限時(shí)，先暫時(shí)不報(bào)火警，而是經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的延時(shí)，如果測(cè)量值不超過(guò)火警閾值，則判斷是干擾引起的，不能報(bào)火警。當(dāng)上升速率小于速率下限時(shí)，判斷是因?yàn)殚L(zhǎng)期緩慢漂移引起的，只有上升速率在規(guī)定范圍內(nèi)的，才確認(rèn)為火警。上升速率分析流程圖如圖2所示。

在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)采樣值達(dá)到火警閾值時(shí)，該時(shí)刻tm對(duì)應(yīng)閾值為ym，超過(guò)火警預(yù)警那一時(shí)刻t1對(duì)應(yīng)閾值為y1，此時(shí)上升速率為：

圖2 上升速率分析流程圖

智能算法充分應(yīng)用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)大規(guī)模的數(shù)據(jù)處理能力，對(duì)火災(zāi)數(shù)據(jù)進(jìn)行多種補(bǔ)償、修正、判斷，提高了火災(zāi)探測(cè)器區(qū)分真假火警的能力，從而減少了對(duì)火災(zāi)的誤報(bào)率和漏報(bào)率，提高了火災(zāi)報(bào)警的準(zhǔn)確性。

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