余岑

（安徽軍工集團(tuán)控股有限公司 安徽省合肥市 230001）

易燃易爆氣液體作為縱火的助燃劑，容易引發(fā)火災(zāi)甚至引發(fā)爆炸，給人們的生活帶巨大的經(jīng)濟(jì)損失及心理創(chuàng)傷。本文目針對人口密集、客流量大的汽車客運樞紐站，開展系統(tǒng)研究并在西安城東客運站重點開展易燃物揮發(fā)氣體檢測。

1 研究內(nèi)容及目標(biāo)

本文分析典型客車易燃易爆物品，研究日常容易獲得用于易燃易爆氣液體特性，實地考察并采集環(huán)境氣體數(shù)據(jù)，得出易燃易爆氣液體揮發(fā)物識別需求。以MEMS 薄膜半導(dǎo)體氣敏傳感器陣列為基礎(chǔ)[1]，從氣體進(jìn)樣、傳感器信號處理、識別算法和報警輸出四個環(huán)節(jié)對易燃易爆氣液體識別系統(tǒng)展開總體設(shè)計，得出總體設(shè)計方案。

通過研究，形成一套技術(shù)先進(jìn)、便裝實用、成本可控的易燃易爆品檢測裝備，應(yīng)用于人口密集且人流量大的汽車客運樞紐站，提升行業(yè)發(fā)現(xiàn)危險品的能力，保障人民群眾生命財產(chǎn)安全，為健全我國公共安全體系、全面提升全國道路客運行業(yè)安全防范技術(shù)水平和能力、減少人員傷亡提供堅強(qiáng)保障。

2 易燃液體揮發(fā)物識別需求分析

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展及貧富差距的加大，發(fā)展過程中所積累的矛盾致使報復(fù)社會的事件時有發(fā)生，客車常見的縱火案件[2]。如圖1 所示。

縱火案中犯案人員由于對社會不滿或宣泄極端情緒，多以客車（人員密集區(qū)域）、地鐵，廣場等場所作為實施犯罪活動的目標(biāo)，從而達(dá)到擴(kuò)大影響面和報復(fù)社會等目的。

縱火案件使用液態(tài)燃料為主，易流淌擴(kuò)散，起火后蔓延迅速。所使用的液態(tài)燃料以常見且難以管制的汽油、松香水、香蕉水和酒精為主。汽車客運樞紐，僅有X 光機(jī)等常規(guī)安檢手段，主要用于檢測刀、槍等金屬管制物品，對容器或行李包裹沾染等方式攜帶易燃液體進(jìn)站伺機(jī)作案缺乏一種快速、有效、實用的安防檢測手段。

3 易燃易爆氣液體揮發(fā)物檢測裝置總體設(shè)計

易燃易爆氣液體揮發(fā)物檢測裝置將乘客通道中的氣體吸入到MEMS 薄膜半導(dǎo)體氣敏傳感器陣列表面，通過傳感器信號處理電路獲得氣敏傳感器陣列的電導(dǎo)率值，輸入到識別算法模型中分析比對，判斷是否為特征數(shù)據(jù)庫中的某類易燃液體揮發(fā)氣體，如果是且濃度超過該類氣體的設(shè)定報警閾值則發(fā)出報警。

3.1 系統(tǒng)設(shè)計目標(biāo)

易燃易爆氣液體揮發(fā)物檢測裝置與金屬安檢門集成應(yīng)用于汽車客運樞紐站進(jìn)站口，有頂棚，處于非露天環(huán)境，可不考慮防淋雨設(shè)計。預(yù)計工作環(huán)境溫度-20℃～75℃，濕度5%～95%RH，存在一定的灰塵、顆粒物和飛絮等。

裝置安裝布置方式如圖2 所示，立于行人通道兩側(cè)，不得阻礙通行，無尖銳突起或鋒利邊緣，不得對人體有安全隱患，不容易鉤住衣物或行李。

檢測距離不小于10cm；檢測氣體種類：汽油、酒精、松節(jié)油、環(huán)乙烷、正已烷、四氫呋喃、石油醚和乙酸乙酯；檢測準(zhǔn)確率不小于80%；響應(yīng)時間小于3 秒；檢測濃度（汽油）小于20mg/m3。

圖1：公交及客車縱火爆炸案件

圖2：易燃易爆氣液體揮發(fā)物檢測裝置安裝布置方式

圖3：裝置高度示意圖

圖4：傳感器電導(dǎo)率測量電路

3.2 氣體進(jìn)樣設(shè)計

通常乘客攜帶易燃?xì)庖后w進(jìn)站，雙手或者手提的行李最容易沾染或散發(fā)出易燃?xì)庖后w揮發(fā)物，因此易燃易爆氣液體揮發(fā)物檢測設(shè)備的氣體進(jìn)樣重點區(qū)域就是人的雙手或者手提的行李附近。我國成年人的身高主要分布在160cm-180cm 之間，手臂自然下垂，雙手距離地面距離約為80cm-90cm。

圖5：系統(tǒng)總框圖

如圖3 所示，當(dāng)設(shè)備上的人體接近探頭感應(yīng)到乘客通過安檢通道時，設(shè)備氣體進(jìn)樣模塊會主動吸入通道距離地面80cm-90cm 處的空氣，對其進(jìn)行種類和濃度分析。

3.3 傳感器信號處理

MEMS 薄膜半導(dǎo)體氣敏傳感器是基于半導(dǎo)體金屬氧化物薄膜的電阻型氣體傳感器，薄膜中的半導(dǎo)體金屬氧化物成分如Fe2O3，SnO2，In2O3，WO3等，吸附目標(biāo)氣體分子，使得材料電導(dǎo)率下降，電阻上升，達(dá)到檢測氣體的目的[2]。

具體檢測機(jī)理包括表面吸附、表面反應(yīng)和材料電學(xué)性能變化三個過程。首先，環(huán)境中的氧分子以等不同形式吸附在材料表面，對于N 型半導(dǎo)體，使得其電導(dǎo)率下降，對于P 型半導(dǎo)體，使得其電導(dǎo)率上升；其次，當(dāng)遇到易燃?xì)庖后w揮發(fā)物時（一般為還原性目標(biāo)氣體），材料表面的就會和還原性氣體發(fā)生電子交換，使N 型半導(dǎo)體材料的電導(dǎo)率下降，P 型半導(dǎo)體材料的電導(dǎo)率上升；最終，目標(biāo)氣體濃度下降或消散時，材料的電導(dǎo)率逐漸恢復(fù)。

每種半導(dǎo)體金屬氧化物材料通常對應(yīng)一個最佳工作溫度，在最佳工作溫度下傳感器對一定濃度的目標(biāo)氣體表現(xiàn)出較大的靈敏度。工作溫度偏低，會導(dǎo)致傳感器的響應(yīng)時間和恢復(fù)時間變長；工作溫度過高，會縮短傳感器的使用壽命。因此需要將半導(dǎo)體金屬氧化物薄膜與一個微型加熱片通過MEMS 加工工藝疊加在一起，通過控制微加熱片的功率來使得半導(dǎo)體金屬氧化物薄膜處于最佳工作溫度。

半導(dǎo)體金屬氧化物薄膜處在最佳工作溫度時，其電阻阻值在K歐姆到百兆歐姆之間變化，目標(biāo)氣體濃度過大時，材料表面的氧分子無更多電子釋放，電導(dǎo)率相對氣體濃度曲線會產(chǎn)生較大的非線性，信號采集和處理只考慮電導(dǎo)率線性區(qū)間內(nèi)，濃度過大時直接發(fā)出報警。

電導(dǎo)率測量采取如圖4。

半導(dǎo)體金屬氧化物薄膜電阻為RS，串聯(lián)一個固定阻值電阻RL，兩端施加固定電壓Vc。輸出電壓VRL與RS存在如下關(guān)系：

3.4 識別算法模型

由于半導(dǎo)體金屬氧化物薄膜對大多數(shù)還原性氣體均有響應(yīng)，并不能根據(jù)單個傳感器電導(dǎo)率ρS形成的序列判斷氣體的主要成分和該主要成分的濃度。因此需要使用多種不同材料和工藝制作的半導(dǎo)體金屬氧化物薄膜組成MEMS 薄膜半導(dǎo)體氣敏傳感器陣列，利用陣列中各個單元傳感器對多種目標(biāo)氣體的響應(yīng)差異性來判斷當(dāng)前被測氣體的主要成分種類，并計算該成分的濃度。

為更準(zhǔn)確獲得被測氣體的主要成分種類，需要采用較多的傳感器單元組成陣列，一般8 個以上，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)維度較高，并且氣體種類成分復(fù)雜，難以找到傳感器陣列的變化規(guī)律，不利于分析。采用主成分分析方法，處理高維數(shù)據(jù)序列，提取其貢獻(xiàn)率較高的一到兩個主成分向量，可以將后續(xù)的分析處理集中在這一兩個主成分上，提高計算效率和準(zhǔn)確率[3]。

要想根據(jù)主成分分析結(jié)果的一兩個主成分向量，判斷主成分對應(yīng)的氣體種類，需要解決三個問題：

（1）如何選擇區(qū)分度更好的傳感器陣列組合；

（2）已知氣體種類對應(yīng)的主成分向量如何描述和存儲；

（3）如何將待判定主成分向量與多種已知氣體種類對應(yīng)的主成分向量集合進(jìn)行比對得到分類結(jié)果。

對于第一個問題，采用傳感器貢獻(xiàn)率分析方法，對需要區(qū)分的多種目標(biāo)氣體進(jìn)行檢測，分析各個傳感器在區(qū)分這些氣體時的特性差異，將特性差異較小傳感器替換出陣列組合，直至優(yōu)化獲得一組傳感器。

對于第二個和第三個問題，采用線性判別式分析，可以對預(yù)先采集并標(biāo)記種類的數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析提取主成分向量，計算類間最有區(qū)分度并且類內(nèi)最有聚合度的特征空間，并將各類在特征空間的投影結(jié)果保存在數(shù)據(jù)庫中備查[4]。待測數(shù)據(jù)輸入后，提取主成分向量后向聚類空間投影，與數(shù)據(jù)庫中保存的標(biāo)記數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，判斷屬于待測氣體的主成分屬于哪一類。

3.5 報警輸出設(shè)計

在線性判別式分析確定主成分種類后，回到主成分分析的結(jié)果，計算主成分向量得分，即為主成分氣體的濃度。由于不同易燃?xì)庖后w的危害程度不一樣，因此分別設(shè)置報警閾值。

與金屬安檢門相似，設(shè)備通過安裝在頂部的兩個報警燈和蜂鳴器發(fā)出報警，并通過網(wǎng)口將報警氣體種類和濃度信息發(fā)送出來，可通過配套的工作站計算機(jī)顯示并記錄在數(shù)據(jù)庫中。

最終形成的系統(tǒng)總框圖如圖5 所示，氣體進(jìn)樣后到達(dá)敏感材料表面，引起電導(dǎo)率變化，通過信號處理電路轉(zhuǎn)化為電壓變化，單片機(jī)AD 采樣計算后獲得傳感器陣列的輸出向量，以此向量作為識別算法的輸入，結(jié)合特征數(shù)據(jù)庫，判斷物質(zhì)種類，如果是易燃?xì)庖后w揮發(fā)物，并且達(dá)到報警閾值，進(jìn)行報警輸出。

4 結(jié)語

隨著國內(nèi)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人民生活水平的日益提高，基礎(chǔ)設(shè)施越來越完善，公交車、火車、地鐵等已經(jīng)成為人民出行的主要選擇的交通工具，這些場所人員密集，萬一有不法分子帶有易燃易爆氣液體闖入，將會給人民帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失，也會給社會帶來恐慌，本檢測裝置的設(shè)計，可以提早發(fā)現(xiàn)危險物品，提早預(yù)警，為人民的幸福生活保駕護(hù)航。