蘇 醒 李 鴻 姜俊彤

(長沙理工大學電氣與信息工程學院 湖南 長沙 410114)

0 引 言

地鐵列車在解決城市交通問題中扮演著重要角色，成為最受人們歡迎的出行方式之一。地鐵列車由于其相對封閉、人流量大的環(huán)境特點，使得地鐵列車火災與地面火災相比，更具有危險性和復雜性[1-2]。因此需要對地鐵列車火災隱患或現(xiàn)象進行檢測和監(jiān)控，迅速實現(xiàn)火災報警，減少人員傷亡和財產損失。地鐵列車火災報警系統(tǒng)既要滿足可靠性與高靈敏度，又要有盡可能小的誤報率。隨著列車控制網絡的智能化發(fā)展，地鐵列車需要對整列車進行火災檢測，將火災信息傳送給列車控制與管理系統(tǒng)(Train Control and Management System ，TCMS)，并顯示在HMI屏，向司機室報警。最后通過無線傳輸裝置(Wireless Transmission Device ，WTD)傳送至地面車站控制室，進而聯(lián)動相應的火災應急救援模式程序，減少火災造成的損失。傳統(tǒng)的火災檢測裝置也存在抗干擾能力差、不易于擴展、易出現(xiàn)漏報和誤報等情況。

針對現(xiàn)有列車火災檢測報警系統(tǒng)存在的問題，本文將從列車控制網絡、提高系統(tǒng)可靠性、減小誤報率三個角度出發(fā)，研究和設計一款基于CAN總線和模糊推理的地鐵列車火災報警系統(tǒng)。

1 總體設計

1.1 系統(tǒng)結構

地鐵列車火災報警系統(tǒng)主要由火災報警控制器和火災復合探測器構成。以6編組地鐵列車為例，其中火災報警控制器安裝在司機室，共兩臺，互為熱備冗余，當其中一臺發(fā)生故障時，系統(tǒng)仍能正常運行[3]?；馂膹秃咸綔y器在每節(jié)車廂均有安裝，具體安裝數(shù)量、位置、間距參考相關規(guī)范說明，此處不再贅述。地鐵列車火災報警系統(tǒng)結構拓撲圖如圖1所示。

圖1 地鐵列車火災報警系統(tǒng)結構拓撲圖

整個火災報警系統(tǒng)網絡呈分布式，當任何一個節(jié)點發(fā)生故障時，不會影響其他線路，具有較高可靠性。此外，分布式網絡結構靈活性好，易于擴充，當需要添加新的探測器節(jié)點時，只需向總線上掛接即可。探測器與控制器之間采用雙路CAN總線連接?？刂破魍ㄟ^多功能車輛總線(Multifunction Vehicle Bus，MVB)與列車TCMS網絡通信。

1.2 雙路冗余CAN總線

火災探測器需將傳感器感應數(shù)據(jù)等傳至火災控制器進行邏輯處理判斷，火災控制器也對火災探測器進行控制，因此這條數(shù)據(jù)傳輸線路的安全性與可靠性尤為重要。工業(yè)上常用的總線有CAN總線和RS485總線。CAN總線與RS485總線相比，有以下優(yōu)點：(1) 在傳輸速度和距離上，高速傳輸距離相近，低速傳輸距離CAN總線遠大于RS485總線；(2) 在總線利用率上，RS485總線單主從，CAN總線多主從，利用率更高；(3) 在數(shù)據(jù)安全性上，CAN控制器具備錯誤檢測機制，RS485沒有數(shù)據(jù)鏈路層，無法識別錯誤。因此采用CAN總線作為火災報警控制器與探測器之間的通信總線最合適。

為了進一步保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，系統(tǒng)采用雙路冗余CAN總線。正常情況下系統(tǒng)只讀取一路CAN總線數(shù)據(jù)，當一路CAN總線發(fā)生故障時，程序自動切換讀取另一路，并上報故障。雙路CAN總線連接示意圖如圖2所示，其中：MCU(Microcontroller Unit)為微控制器；CAN_H和CAN_L分別為CAN總線的高、低位數(shù)據(jù)線。

圖2 雙路CAN總線拓撲連接圖

2 火災復合探測器設計

2.1 多傳感器融合

由于火災復雜多變，單物理量瞬時值具有隨機性和不確定性，傳統(tǒng)火災檢測使用單一傳感器進行火災判斷，會產生較高誤報率。因此考慮多種物理指標，采用多傳感器數(shù)據(jù)融合，可以在一定程度上減少誤報率。系統(tǒng)采用了火災發(fā)生時產生的溫度、煙霧濃度、CO濃度三個火災特征量作為火災判斷依據(jù)，并選擇合適型號的傳感器，設計復合火災探測器。

2.2 火災復合探測器結構

探測器作為火災信息采集終端[4]，主要功能有：采集溫度、煙霧濃度、CO濃度傳感器數(shù)據(jù)，執(zhí)行相應動作，數(shù)據(jù)傳輸，設備編碼等。根據(jù)功能設計出探測器結構框圖如圖3所示，主要模塊有傳感器模塊、動作模塊、CAN總線接口模塊、編碼模塊。其中：編碼模塊是為了給探測器設備在列車網絡中編號和便于確認火災發(fā)生的位置；動作模塊是在確認火災發(fā)生后執(zhí)行的相關動作如發(fā)出警報聲等；探測器不單獨設電源模塊，直接由火災控制器供電，以便在列車上安裝。

圖3 火災復合探測器結構圖

3 火災控制器設計

火災控制器是火災報警系統(tǒng)的核心，協(xié)調整個火災報警系統(tǒng)的運轉，主要功能是接收探測器發(fā)送的傳感器數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)處理和判斷，產生報警信號上報列車TCMS網絡，以及故障、數(shù)據(jù)記錄等?；馂目刂破鞯慕Y構框圖如圖4所示。火災報警系統(tǒng)所有的微控制器(MCU)均采用Freescale公司的K60DN512，該芯片資源豐富、功耗低、穩(wěn)定性好，廣泛應用于工業(yè)設計。

圖4 火災控制器結構圖

火災控制器包含了多種通信接口模塊。CAN總線接口模塊用于控制器和探測器通信；MVB模塊用于控制器和列車TCMS網絡的通信；以太網模塊和串口通信模塊均可用于軟件調試和程序下載更新等；電源模塊給控制器提供電源，由列車上110 V DC轉換而來；動作模塊用于驅動火災報警的相關執(zhí)行動作；FLASH模塊用于存儲數(shù)據(jù)。豐富的通信接口便于列車控制系統(tǒng)的網絡化控制和軟件人員的開發(fā)調試。

4 火災檢測算法研究與設計

4.1 研究火災檢測算法的必要性

在實際應用環(huán)境中，傳感器由于受到環(huán)境等各種因素的干擾，其數(shù)據(jù)往往會出現(xiàn)隨機誤差，而誤差可能會引起系統(tǒng)的誤報，所以在讀取到傳感器之后，需對數(shù)據(jù)進行數(shù)字濾波處理，排除偶然因素引起的噪聲和干擾。

由于火災的復雜性，傳統(tǒng)的火災檢測拿探測到的單一信號值與某一固定值比較，超過即為火災，這種方法簡單直接，但依賴于傳感器的靈敏度，容易產生漏報或誤報。模糊控制可以自我調整火災中不同物理量的權重系數(shù)，具有很好的適應性。且模糊控制不需要知道控制對象的數(shù)學模型，只需經驗規(guī)則，易于接受，也易于軟件實現(xiàn)。

系統(tǒng)使用數(shù)字濾波和模糊控制，以提高火災檢測報警的準確性，火災檢測算法流程如圖5所示。取得3種傳感器數(shù)據(jù)后，先分別進行數(shù)字濾波，然后經模糊推理得出火災發(fā)生的概率，最后經決策層輸出是否發(fā)生火災。

圖5 火災檢測算法流程

4.2 復合數(shù)字濾波法

數(shù)字濾波具有靈活、成本低、易于編程、準確度高、魯棒性好等優(yōu)點。常見數(shù)字濾波方法有很多，如算術平均值濾波、滑動平均值濾波、加權平均值濾波、防脈沖干擾平均值濾波、限幅濾波等[5]。在實際應用中，最常見的可歸為兩類，一是消除大幅度脈沖干擾，二是求均值使數(shù)據(jù)平滑。可以結合這兩種方法使用，形成復合數(shù)字濾波。

首先采集N個采樣值，去除最大值和最小值，然后將剩下的采樣值放在數(shù)組變量X中，則處理后結果為：

(1)

這種復合數(shù)字濾波，既防脈沖干擾，又增加新采樣值在平均值中的比重，使得有效值更加接近實際值。

4.3 火災檢測模糊推理

火災檢測模糊推理的系統(tǒng)結構如圖6所示。將3種經數(shù)字濾波處理后的傳感器數(shù)據(jù)作為輸入，火災概率為輸出[6-8]。其中歸一化是為了消除單位量綱不同的影響。通過模糊化、模糊邏輯推理、去模糊化得出火災發(fā)生的概率。

圖6 火災模糊推理結構圖

輸入輸出的論域均設為[0,1]，模糊子集均選擇{PB,PM,PS,NO}。模糊化將輸入的精確數(shù)值轉化成模糊量。去模糊化將模糊推理出的模糊量轉化為精確數(shù)值。模糊規(guī)則由實驗數(shù)據(jù)和經驗總結得來，火災檢測模糊規(guī)則共設計64條，采用“if A and B and C then D”的形式，如表1所示，其中:PB為正大，PM為正中，PS為正小，NO為零，用來表示輸入變量溫度、煙霧濃度、CO濃度的大小，或輸出變量火災發(fā)生概率的大小。

表1 火災檢測模糊規(guī)則

4.4 決策輸出

5 火災模糊控制仿真

使用MATLAB模糊邏輯工具箱進行仿真測試，模糊推理系統(tǒng)建立如圖7所示。隸屬度函數(shù)使用高斯函數(shù)，去模糊化使用重心法，選取6組樣本數(shù)據(jù)(見表2)做測試，結果如表3所示(歸一化后的數(shù)據(jù))。可以看出，經模糊推理出的火災發(fā)生概率與期望值(數(shù)據(jù)結果)很接近，最大誤差不超過2%，效果滿足火災檢測要求。

圖7 MATLAB模糊推理系統(tǒng)建立

表2 樣本數(shù)據(jù)

表3 模糊仿真結果

6 結 語

地鐵列車火災報警系統(tǒng)應用場景特殊，事關乘客和工作人員的生命財產安全，設計安全可靠的火災報警系統(tǒng)非常重要。本文依托列車智能控制網絡的發(fā)展，設計基于CAN總線的火災報警系統(tǒng)，通過冗余設計和分布式結構，提高火災報警系統(tǒng)的可靠性。針對現(xiàn)有火災檢測存在較多誤報和漏報的問題，考慮多傳感器數(shù)據(jù)融合，提出了通過復合數(shù)字濾波和模糊推理的方法，以提高火災檢測的準確性。仿真測試結果顯示，該方法可以有效提高火災檢測的準確率。該系統(tǒng)設計考慮了列車網絡環(huán)境、系統(tǒng)可靠性、算法的可實施性等因素，符合列車安全化、智能化發(fā)展的需要，具有一定的應用前景。