孫永強(qiáng)

(重慶翰森建筑工程有限公司,重慶 409000)

城市建設(shè)和工業(yè)文明的不斷發(fā)展,各項(xiàng)生產(chǎn)活動(dòng)對(duì)能源的高度集中利用,使起火因素逐漸變得多元化,在這一形勢下消防安全也越來越被重視,不僅對(duì)消防安全設(shè)施的完備程度、消防疏散通道、排煙系統(tǒng)等提出了較為明確的標(biāo)準(zhǔn),還逐步提高火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)性能,防患于未然?；馂?zāi)預(yù)警系統(tǒng)能夠在火災(zāi)發(fā)生早期進(jìn)行預(yù)報(bào)和提醒,在可控制范圍內(nèi)有效保障人身及財(cái)產(chǎn)安全,最大程度避免損失發(fā)生。

為此文獻(xiàn)[1]研究了一種差分閾值法,利用平滑濾波技術(shù)完成對(duì)環(huán)境數(shù)據(jù)的檢測和預(yù)處理,以此檢測容易產(chǎn)生火災(zāi)情況的異常信號(hào)點(diǎn),綜合環(huán)境因素分析數(shù)據(jù)中火災(zāi)情況,實(shí)現(xiàn)火災(zāi)檢測和預(yù)警;文獻(xiàn)[2]研究了一種煙霧檢測法,通過視頻圖像捕捉煙霧的紋理特征及形狀變化,分辨火災(zāi)源頭情況并發(fā)出預(yù)警信號(hào)。但這兩種方法均未能通過多重?cái)?shù)據(jù)融合計(jì)算綜合考慮火災(zāi)情況,因此具有一定的局限性,并不能完全達(dá)到理想預(yù)警效果。

通過PLC控制器在完成系統(tǒng)語言編程的同時(shí),將編程語言邏輯轉(zhuǎn)換成軟件,存儲(chǔ)用戶系統(tǒng)當(dāng)中,增加系統(tǒng)適用范圍廣泛,在此基礎(chǔ)上組建系統(tǒng)硬件,利用集成電路單片機(jī)完成火災(zāi)信號(hào)的采集工作,使用溫度和煙霧探測傳感器分別從溫度、煙霧和一氧化碳濃度三方面測量環(huán)境信息,通過總線傳輸?shù)娇刂破鞑⒎治鰯?shù)據(jù)指標(biāo),系統(tǒng)對(duì)三維數(shù)據(jù)以及火災(zāi)發(fā)生概率的融合計(jì)算,準(zhǔn)確完成火災(zāi)預(yù)警提醒,經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明系統(tǒng)具備預(yù)警準(zhǔn)確、時(shí)效性好的優(yōu)點(diǎn)。

1 基于PLC編程控制器的硬件設(shè)計(jì)

通過對(duì)現(xiàn)有火災(zāi)報(bào)警裝置及系統(tǒng)的調(diào)研分析[3-5],提出一種基于PLC編程控制器的無線火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案,集成電路芯片是采集火災(zāi)信號(hào)的模塊控制器[6],溫度傳感器選擇DS18B20,選擇MQ-2作為煙霧探測傳感器,利用總線協(xié)議轉(zhuǎn)換通信技術(shù),將傳感器采集到的空氣溫度、煙霧濃度等信息傳送到PLC控制器,再由控制器將數(shù)據(jù)信息與設(shè)定數(shù)值進(jìn)行對(duì)比分析,判斷空氣溫度、煙霧濃度等數(shù)據(jù)是否超過正常指標(biāo),若超標(biāo)的情況下,預(yù)警系統(tǒng)通過聲光方式發(fā)出警報(bào),利用GPRS無線通信模塊及時(shí)向相關(guān)人員傳送預(yù)警信息,提醒相關(guān)人員進(jìn)行火災(zāi)預(yù)處理和及時(shí)撤離,避免發(fā)生火災(zāi)和人員傷亡,保障財(cái)產(chǎn)安全。系統(tǒng)控制方案如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)控制方案

各個(gè)傳感器的參數(shù)型號(hào)如表1所示。

表1 傳感器的參數(shù)型號(hào)

通過PLC控制器、GPRS、總線通信以及無線局域網(wǎng)構(gòu)建完整的通信網(wǎng)絡(luò),利用S7-200PLC作為主要控制基站[7],以集成電路芯片數(shù)據(jù)采集模塊和GPRS無線通信模塊作為從屬基站,再利用總線協(xié)議轉(zhuǎn)換將各個(gè)通信站點(diǎn)相互連接,利用無線局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)S7-200PLC和觸摸屏的連接通信,通過以上系統(tǒng)硬件布局,可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)的控制和監(jiān)控。系統(tǒng)的整體架構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件部分包括確定預(yù)警及數(shù)據(jù)分析流程,在PCL編程控制器的基礎(chǔ)上,利用C語言完成底層驅(qū)動(dòng)邏輯和自定義程序的編寫[8],經(jīng)過無誤編譯后,將其下載到集成芯片中完成核心轉(zhuǎn)移,預(yù)警系統(tǒng)的控制邏輯主要分為系統(tǒng)初始化、啟動(dòng)狀態(tài)鎖定、信息數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)分析、信息通信及監(jiān)控預(yù)警等。

由圖3可知,數(shù)據(jù)經(jīng)過信息格式轉(zhuǎn)換,交由藍(lán)牙串口[9-10],最終傳送到LCD平臺(tái)及線上TFT平臺(tái),通過屏顯完成信息可視化展現(xiàn)。將解析后數(shù)據(jù)與預(yù)先設(shè)定的火災(zāi)預(yù)警閾值相比較[11],給預(yù)定閾值設(shè)定相應(yīng)的標(biāo)志位,數(shù)據(jù)信息一旦觸發(fā)閾值標(biāo)志位,預(yù)警裝置將發(fā)出火災(zāi)預(yù)警語音播報(bào),預(yù)警信號(hào)燈同時(shí)燈光閃爍提醒,此時(shí)線上APP出現(xiàn)顏色變換預(yù)警信號(hào),實(shí)現(xiàn)線上和線下預(yù)警信號(hào)聯(lián)動(dòng)預(yù)警,并顯示火災(zāi)目前發(fā)生概況及進(jìn)程;假設(shè)掃描檢測到的是系統(tǒng)暫停信號(hào),系統(tǒng)則進(jìn)入停止運(yùn)行階段。

圖3 系統(tǒng)軟件整體流程圖

由于所研究系統(tǒng)能夠適用于多種環(huán)境,為了防止誤報(bào)火災(zāi)信息引起不必要的騷亂,將采集的各類環(huán)境數(shù)據(jù)信息規(guī)格縮放至0～100,利用加權(quán)求和算法完成數(shù)據(jù)信息計(jì)算,通過加權(quán)后的整體數(shù)據(jù)情況判斷信息的特征值。

其中,數(shù)據(jù)的具體處理和分析模塊,主要包含A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)預(yù)處理以及算法分析部分,如圖4所示,判斷數(shù)據(jù)的具體符號(hào)特征,在處理過程中不可避免地會(huì)出現(xiàn)不符合數(shù)據(jù)要求的負(fù)數(shù),需要將負(fù)數(shù)進(jìn)行補(bǔ)碼處理[12],轉(zhuǎn)換成正數(shù)信息,利用該信息計(jì)算火災(zāi)具體情勢并進(jìn)行最終判定。

圖4 數(shù)據(jù)處理分析流程

由于各探測傳感器所處環(huán)境復(fù)雜程度不同,所采集的信息存在不確定性的信息概率,利用貝葉斯理論推理融合不確定信息[13-14],達(dá)到信息處理的目的。

假設(shè)將A1,A2,…,An作為虛擬火災(zāi)環(huán)境D的區(qū)域劃分,且它們之間互相滿足相關(guān)條件：

Ai∩Aj=φ(i≠j)

(1)

Ai∪Aj∪…∪An=D

(2)

P(Ai)>0(i=1,2,…,n)

(3)

此時(shí)針對(duì)任一事件B,P(B)>0,其出現(xiàn)結(jié)果Ai的概率可表示為

(4)

利用貝葉斯理論對(duì)傳感器收集數(shù)據(jù)進(jìn)行信息融合時(shí),得到的決策信息相互之間是獨(dú)立存在的,預(yù)警系統(tǒng)的決策信息可以看作是A1,A2,…,An[15],經(jīng)過先驗(yàn)知識(shí)的深度判斷,可以得到先知概率P(A1)和發(fā)生條件概率P(B|Ai),通過后驗(yàn)概率計(jì)算公式,得出在已經(jīng)探測到結(jié)果B的情況下,發(fā)生Ai事件的后驗(yàn)概率為P(Ai|B)。

系統(tǒng)利用強(qiáng)跟蹤濾波,結(jié)合分布式信息融合方法,使不確定數(shù)據(jù)的融合更加完善,便于提取到相關(guān)有效信息,對(duì)局部狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行相互度信息估計(jì),將傳感器探測信息中冗余部分剔除,通過貝葉斯算法,將傳感器收集到的監(jiān)控區(qū)域溫度、煙霧、一氧化碳濃度等信息進(jìn)行數(shù)據(jù)融合,即信息特征量的三維融合,融合后的數(shù)據(jù)信息可更加詳細(xì)表達(dá)火災(zāi)現(xiàn)場的具體情況,方便做出相對(duì)準(zhǔn)確客觀的決策結(jié)果,判斷是否存在火災(zāi)情況,完成系統(tǒng)預(yù)警。

3 仿真實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)的火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)在實(shí)際操作時(shí)的有效性,對(duì)溫度、煙霧、一氧化碳三種主要火災(zāi)數(shù)據(jù)的特征量進(jìn)行融合計(jì)算。

選擇一處空曠建筑的室內(nèi)作為實(shí)驗(yàn)場所,室內(nèi)大小為4.0 m×3.0 m×5.0 m,選擇天然氣作為燃燒氣體,為保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可靠,各類探測器的預(yù)警閾值設(shè)置,須考慮正常情況下室內(nèi)溫度的升高、煙霧及一氧化碳濃度的實(shí)際情況,將閾值設(shè)定在可靠范圍內(nèi)。為了方便系統(tǒng)對(duì)火災(zāi)信息的融合應(yīng)用,將火災(zāi)初期、中期的信息數(shù)據(jù)進(jìn)行離散處理。設(shè)定仿真實(shí)驗(yàn)為60 min,在實(shí)驗(yàn)前10 min內(nèi)處于無火狀態(tài),10～15 min處于陰燃火狀態(tài),15 min之后轉(zhuǎn)為明火狀態(tài),分析數(shù)據(jù)的特征量變化,如圖5所示,計(jì)算得出的火災(zāi)特征參數(shù)離散變化區(qū)間和發(fā)生概率如表2所示。

圖5 離散點(diǎn)的特征量變化曲線

表2 火災(zāi)特征參數(shù)所在離散區(qū)間及火災(zāi)發(fā)生概率

根據(jù)圖5和表2可以看出,所提系統(tǒng)經(jīng)過對(duì)火情三維特征參數(shù)的融合計(jì)算,得出離散點(diǎn)特征變化量及概率預(yù)測與火災(zāi)實(shí)際發(fā)生時(shí)參數(shù)值的曲線擬合,可更加全面直觀地判斷火災(zāi)情況,可有效降低單一特征判斷所帶來的信息不全面問題,減少系統(tǒng)誤判,增加系統(tǒng)對(duì)火災(zāi)預(yù)測的準(zhǔn)確性。

為進(jìn)一步評(píng)估系統(tǒng)對(duì)火災(zāi)情況的預(yù)警能力,建立火災(zāi)信息的訓(xùn)練數(shù)據(jù)集合和測試數(shù)據(jù)集合,其中包含無火、陰燃火及明火三種不同的火情狀態(tài)集合數(shù)據(jù),利用差分閾值法、煙霧檢測法及本文方法,分別對(duì)仿真實(shí)驗(yàn)中60組訓(xùn)練數(shù)據(jù)集合進(jìn)行訓(xùn)練,獲得以時(shí)間序列為基礎(chǔ)的火災(zāi)發(fā)生概率預(yù)測結(jié)果,如圖6所示。

圖6 三種方法火災(zāi)預(yù)警能力對(duì)比

從圖6中可以看出,針對(duì)同一批實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)而言,差分閾值法在火災(zāi)發(fā)生概率為60%時(shí)開始預(yù)警,而煙霧檢測法在80%概率的時(shí)候才開始預(yù)警,在實(shí)驗(yàn)場所內(nèi)火災(zāi)已經(jīng)發(fā)生,預(yù)警實(shí)時(shí)性差,沒有為消防人員留出充足的時(shí)間來處理火災(zāi)事故。而本文方法在火災(zāi)概率為40%的時(shí)候發(fā)出預(yù)警,這個(gè)指標(biāo)不會(huì)因?yàn)楦怕蔬^小而產(chǎn)生誤報(bào)警情況,同時(shí)又能夠在火災(zāi)發(fā)生前給相關(guān)人員發(fā)出火情預(yù)警,減少火災(zāi)發(fā)生概率和損失,預(yù)警效果更好。

驗(yàn)證系統(tǒng)的計(jì)算響應(yīng)耗時(shí),為了使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更精確,將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)增加到120組,三種方法的響應(yīng)耗時(shí)結(jié)果如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)平均響應(yīng)耗時(shí)對(duì)比

系統(tǒng)在特定時(shí)間內(nèi)進(jìn)行多次的預(yù)警檢測,且沒有進(jìn)行維修和保養(yǎng),所以平均耗時(shí)會(huì)逐步增加,即系統(tǒng)的耐久性不斷降低。從圖7中可以看出,差分閾值法和煙霧檢測法,隨著數(shù)組數(shù)量的增加,算法的平均響應(yīng)耗時(shí)也在不斷增加,差分閾值法耗時(shí)上升趨勢相對(duì)更快;本文方法在初始耗時(shí)就小于其他方法,雖耗時(shí)也在上漲,但是實(shí)驗(yàn)過程中整體的用時(shí)趨于平穩(wěn)。綜合來看所提系統(tǒng)響應(yīng)耗時(shí)最短,且耐久性最好,能夠給用戶提供長時(shí)間精準(zhǔn)的火災(zāi)預(yù)警服務(wù)。

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)的基于PLC控制的電氣火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng),從硬件、軟件及融合算法三方面進(jìn)行深度研究,經(jīng)過仿真實(shí)驗(yàn)證明,系統(tǒng)通過三維數(shù)據(jù)的融合計(jì)算,對(duì)火災(zāi)發(fā)生概率的預(yù)測更為精準(zhǔn),預(yù)警能力更強(qiáng),能夠在火災(zāi)發(fā)生之前及時(shí)發(fā)出警報(bào),相較于其他方法,提供了更多的救援處理時(shí)間,使相關(guān)人員能夠做出更完善的火災(zāi)應(yīng)對(duì)措施,有效性和可靠性更好,同時(shí)系統(tǒng)的響應(yīng)耗時(shí)短,耐久性高,整體的魯棒性好,能夠很好地實(shí)現(xiàn)火災(zāi)的預(yù)測和報(bào)警,可適應(yīng)性強(qiáng)。