尹克強(qiáng)，郭　勇，王　丹

(1.成都理工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川成都　610051；2.河北建筑工程學(xué)院，河北張家口　076550)

0　引言

現(xiàn)行的地鐵火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)由主控(控制中心)和分控(車站、車場(chǎng))兩級(jí)管理。對(duì)于地鐵車輛車載設(shè)備的火災(zāi)預(yù)警，一般采用CAN總線來(lái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程分布式設(shè)備的溫度監(jiān)測(cè)、火災(zāi)狀態(tài)識(shí)別以及報(bào)警。在此基礎(chǔ)上，文中提出了一種基于WSN，以地鐵車輛的大功率設(shè)備為主要監(jiān)測(cè)對(duì)象，低成本、易安裝、安全性高的地鐵車輛車載設(shè)備的火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)。設(shè)計(jì)免去了大量布線的復(fù)雜和高成本，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備多點(diǎn)溫度狀態(tài)采集和火災(zāi)狀況智能識(shí)別，對(duì)列車進(jìn)行全程監(jiān)測(cè)，異常情況發(fā)出報(bào)警，并聯(lián)動(dòng)相應(yīng)滅火設(shè)施和排煙設(shè)備。

1　地鐵火災(zāi)分析

通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外地鐵火災(zāi)事故案例的統(tǒng)計(jì)分析[1-2]，結(jié)果如圖1所示。

從圖中可以看出由電氣和機(jī)械故障引起的火災(zāi)事故所占比例較大，大部分火災(zāi)事故發(fā)生在列車車廂。電氣故障包括地鐵車站內(nèi)以及車輛上的各種電氣設(shè)備和線纜發(fā)生短路、過(guò)載、過(guò)熱、漏電等。例如蓄電池漏液而導(dǎo)致外部線路短路。列車的制動(dòng)電阻在工作過(guò)程中，溫度達(dá)到490 ℃，超過(guò)安全溫度，電阻片發(fā)熱會(huì)移位，變形，對(duì)電阻箱體烘烤嚴(yán)重，相對(duì)易引起火災(zāi)。動(dòng)力電纜由于長(zhǎng)期過(guò)負(fù)荷工作，導(dǎo)致絕緣老化發(fā)生短路，很容易引起火災(zāi)[3]。

圖1地鐵火災(zāi)原因及發(fā)生部位分析

地鐵火災(zāi)的發(fā)生具有復(fù)雜性和多樣性，一般包括火災(zāi)初起階段、發(fā)展階段以及熄滅階段?；馂?zāi)初期階段，起火點(diǎn)的局部溫度變化劇烈，由于可燃物燃燒性能、分布、通風(fēng)等條件影響，燃燒面積小、不穩(wěn)定?；馂?zāi)進(jìn)入發(fā)展階段后可燃物燃燒猛烈，火災(zāi)溫度上升到最高點(diǎn)。從中可看出溫度是反映火災(zāi)發(fā)生的一個(gè)非常重要的環(huán)境參數(shù)，通過(guò)在地鐵車輛車載設(shè)備表面和特殊位置溫度場(chǎng)中布置大量的溫度傳感器，利用多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)，對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，降低噪聲干擾，減小信息冗余性，提高溫度測(cè)量的精度。

2　WSN應(yīng)用于地鐵可行性

WSN是由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)大量的廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過(guò)無(wú)線方式形成一個(gè)多跳的自組織網(wǎng)絡(luò)。體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　WSN體系結(jié)構(gòu)

地鐵車輛運(yùn)行環(huán)境中電氣和電子設(shè)備較多，形成的電磁輻射對(duì)無(wú)線信號(hào)會(huì)產(chǎn)生一定干擾。通過(guò)對(duì)地鐵電磁環(huán)境的實(shí)地測(cè)試分析得知，非無(wú)線電設(shè)備電磁干擾輻射主要集中在10 MHz以下，基本上不會(huì)影響到地鐵移動(dòng)通信的正常工作[4]?，F(xiàn)行的地鐵無(wú)線通信系統(tǒng)一般使用2．4 GHz ISM頻段，該設(shè)計(jì)采用ZigBee作為系統(tǒng)通信方式。ZigBee技術(shù)是一種低功耗、低成本、傳輸速率低的近距離無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。雖然ZigBee技術(shù)的傳輸功率低，調(diào)制方式簡(jiǎn)單，但是在2．4 GHz ISM頻段表現(xiàn)了很好的抗干擾性，只要采取必要措施，ZigBee是可以和其他同頻段系統(tǒng)共存的。

3　系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要包括傳感器節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)以及列車車載控制終端。在列車車廂內(nèi)以及空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)出口等地方布置煙霧傳感器，采樣點(diǎn)數(shù)符合覆蓋面積互補(bǔ)原則，避免出現(xiàn)監(jiān)測(cè)盲區(qū)，對(duì)列車煙霧進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；在蓄電池、制動(dòng)電阻、電纜等設(shè)備上放置大量溫度傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備溫度的變化。系統(tǒng)采用WSN分層路由協(xié)議中的APTEEN[5]算法。它在TEEN[6-7]和LEACH[8]算法的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，避免TEEN無(wú)法進(jìn)行周期性數(shù)據(jù)采集的缺點(diǎn)?；贏PTEEN算法，把每列車廂中所有傳感器節(jié)點(diǎn)作為一個(gè)簇，選擇一個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)簇內(nèi)數(shù)據(jù)收集整合，把所有簇頭的集合作為另外一個(gè)簇，再選出一個(gè)通信良好的簇頭與匯聚節(jié)點(diǎn)通信。匯聚節(jié)點(diǎn)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)整合處理，并發(fā)送到列車車載控制終端進(jìn)行顯示存儲(chǔ)。同時(shí)列車控制終端通過(guò)地鐵CBTC(基于通信的列車控制)系統(tǒng)，把列車運(yùn)行狀況信息發(fā)送到遠(yuǎn)程控制中心。系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)框架如圖3所示。

圖3　總體設(shè)計(jì)框圖

4　硬件單元設(shè)計(jì)

4．1傳感器節(jié)點(diǎn)

傳感器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)完成對(duì)溫度、煙霧等物理變量的數(shù)據(jù)采集和初步處理，通過(guò)無(wú)線方式發(fā)送到控制終端。節(jié)點(diǎn)采用帶有無(wú)線定位引擎的CC2431。它由2．4 GHz射頻收發(fā)器和高效的8051控制器組成，帶有8通道8～14位ADC，具有高性能、低功耗、接收靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。此外CC2431集成的模擬通道濾波器可以使工作在2．4 GHz ISM波段的不同系統(tǒng)良好共存。CC2431自帶的無(wú)線定位模塊可對(duì)地鐵車輛異常設(shè)備的位置進(jìn)行定位，方便工作人員快速、準(zhǔn)確查找到故障位置，及時(shí)采取救援措施。傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

能源模塊作為WSN節(jié)點(diǎn)的基礎(chǔ)模塊，是節(jié)點(diǎn)正常工作的重要保證。傳感器節(jié)點(diǎn)可以采用鋰電池供電、列車車載蓄電池和環(huán)境中的熱能供電。對(duì)于距離蓄電池較近的節(jié)點(diǎn)，利用蓄電池通過(guò)電平轉(zhuǎn)換芯片直接進(jìn)行供電，同時(shí)采用鋰電池作為備用電源。對(duì)于工作環(huán)境中散熱量較大的節(jié)點(diǎn)，采用能量轉(zhuǎn)換器把周圍的熱能轉(zhuǎn)化成電能供電。

圖4　傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)

4．2匯聚節(jié)點(diǎn)

匯聚節(jié)點(diǎn)具有計(jì)算能力強(qiáng)、存儲(chǔ)容量大、通信能力強(qiáng)等特性，設(shè)計(jì)采用S3C2440[9-10]作為匯聚節(jié)點(diǎn)的核心模塊，內(nèi)嵌Linux操作系統(tǒng)。S3C2440最高工作頻率達(dá)400 MHz，體積小、功耗低、擁有豐富片外資源。無(wú)線通信模塊采用CC2430外加低功耗、高性能射頻前端CC2591芯片，通信距離可達(dá)1 km左右，增強(qiáng)節(jié)點(diǎn)的無(wú)線收發(fā)能力。匯聚節(jié)點(diǎn)通過(guò)串口或網(wǎng)口與控制終端通信。匯聚節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5　匯聚節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)

由于匯聚節(jié)點(diǎn)需要長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，能量消耗較大，采用直流電源和電池相結(jié)合供電。電源管理芯片具有電平轉(zhuǎn)換以及對(duì)電池進(jìn)行充電等功能，一方面可以使用外接電源供電，另一方面也可以利用充電電池對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行供電。

5　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)(傳感器節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn))和列車車載控制終端軟件設(shè)計(jì)。節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)包括數(shù)據(jù)采集、處理和發(fā)送等?？刂平K端軟件設(shè)計(jì)包括數(shù)據(jù)顯示、分析處理和存儲(chǔ)，狀態(tài)異常報(bào)警以及與遠(yuǎn)程控制中心通信等。設(shè)計(jì)采用面向?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)的混合式WSN系統(tǒng)。一方面節(jié)點(diǎn)以一定的周期不斷的采集環(huán)境變量；另一方面將傳感器節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，提取監(jiān)測(cè)環(huán)境狀態(tài)的特征信息，判斷是否有異常發(fā)生。使用Vsual C++語(yǔ)言設(shè)計(jì)控制終端的管理軟件，并配備相關(guān)的計(jì)算機(jī)、操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件。節(jié)點(diǎn)(匯聚節(jié)點(diǎn)和傳感器節(jié)點(diǎn))工作流程如圖6所示。

圖6　節(jié)點(diǎn)工作流程

6　檢測(cè)數(shù)據(jù)處理

由于地鐵環(huán)境復(fù)雜多變，對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)的精確度提出了很高的要求。多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)[11]能夠充分利用多傳感器的資源，將多個(gè)傳感器在時(shí)間和空間上的互補(bǔ)或冗余通過(guò)一定的算法進(jìn)行綜合，提高了測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性和復(fù)雜環(huán)境下的可靠性。系統(tǒng)采用萊以特準(zhǔn)則法與加權(quán)平均值算法[10]的多傳感器數(shù)據(jù)融合算法，能夠獲得可靠的測(cè)量初值，提高系統(tǒng)的檢測(cè)精度。

(1)

(2)

(3)

如果Ui(i=1，2，……n)滿足式(4)，則說(shuō)明數(shù)據(jù)Xi(i=1，2，……n)含有粗大誤差應(yīng)予以剔除。

|Ui|max>3S

(4)

(5)

7　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)選擇成都地鐵作為測(cè)試環(huán)境，選取一節(jié)車廂的部分設(shè)備作為測(cè)試目標(biāo)，進(jìn)行簡(jiǎn)單的實(shí)地測(cè)試。在車廂頂部布置6個(gè)煙霧傳感器；在空調(diào)出風(fēng)口處放置4個(gè)點(diǎn)式溫度傳感器，報(bào)警溫度設(shè)為34 ℃；在蓄電池箱上安裝4個(gè)點(diǎn)式溫度傳感器，報(bào)警溫度設(shè)為50 ℃.監(jiān)控終端放置在機(jī)車車頭，利用可控的制冷加熱裝置對(duì)溫度傳感器進(jìn)行測(cè)試，隨機(jī)選取終端顯示器上8個(gè)溫度檢測(cè)值，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1和表2所示。

表1　空調(diào)出風(fēng)口溫度測(cè)試結(jié)果　℃

表2　蓄電池箱溫度測(cè)試結(jié)果　℃

從表中可以看出：溫度測(cè)量誤差最大是0．4 ℃，誤差范圍比較小。

在車廂內(nèi)利用可控人造煙霧裝置，對(duì)環(huán)境情況進(jìn)行改變，使用煙霧傳感器檢測(cè)環(huán)境中煙霧濃度。設(shè)定煙霧濃度報(bào)警值為1 000 ppm，選擇測(cè)試時(shí)間15 min，每min記錄1次煙霧濃度值。測(cè)試結(jié)果如圖7所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明煙霧濃度范圍大約在180～1 200 ppm(1 ppm=10-6)之間，當(dāng)超過(guò)設(shè)定值時(shí)將發(fā)生報(bào)警。

圖7　煙霧濃度測(cè)試結(jié)果

8　結(jié)束語(yǔ)

地鐵車輛所處的環(huán)境復(fù)雜多變，電磁干擾嚴(yán)重。必須采取一定的抗干擾處理，最大可能減小地鐵的電磁干擾對(duì)設(shè)備的影響。如選擇抗干擾能力強(qiáng)，功耗小的電子器件；在節(jié)點(diǎn)上加裝屏蔽層；采取數(shù)據(jù)冗余技術(shù)，增加數(shù)據(jù)檢錯(cuò)和糾錯(cuò)的能力；優(yōu)化線路布局等。該設(shè)計(jì)基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，通過(guò)在地鐵車輛車載設(shè)備上布置大量傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)控、火災(zāi)狀況預(yù)警，與車廂煙霧監(jiān)測(cè)相結(jié)合，完善地鐵火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)，保障地鐵列車安全運(yùn)行。

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