基于多源感知數(shù)據(jù)融合的危化場(chǎng)所火災(zāi)預(yù)警與保護(hù)研究

王亮

摘要：為貫徹“預(yù)防為主、防消結(jié)合”的消防方針，實(shí)現(xiàn)對(duì)?；瘓?chǎng)實(shí)時(shí)的監(jiān)控，且當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)能夠及時(shí)預(yù)警并滅火的目的，本文以油庫為仿真背景，研究并設(shè)計(jì)了一個(gè)基于多源感知數(shù)據(jù)融合的?；瘓?chǎng)所火災(zāi)預(yù)警與保護(hù)系統(tǒng)。首先闡述了多源數(shù)據(jù)融合的相關(guān)內(nèi)容，并從油品特性等方面分析了油庫的危險(xiǎn)性，其次分析了單一傳感器在石油罐區(qū)安全監(jiān)控中容易受到外界因素從而產(chǎn)生較大誤差，驗(yàn)證了多源感知信息融合在?；瘓?chǎng)所應(yīng)用的必要性，最后介紹該系統(tǒng)的整體軟硬件設(shè)計(jì)，得到石油罐區(qū)安全監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)融合模型，為進(jìn)一步實(shí)踐打下了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：多源數(shù)據(jù) 融合 ?；瘓?chǎng)所 火災(zāi)

中圖分類號(hào)： TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2016）05-0000-00

傳統(tǒng)對(duì)于?；瘓?chǎng)所區(qū)域的安全監(jiān)控，如對(duì)場(chǎng)所內(nèi)存儲(chǔ)罐的液位、溫度、壓力和可燃?xì)怏w等的監(jiān)控和檢測(cè)，都是通過單一的傳感器完成的。單一傳感器在復(fù)雜的罐區(qū)環(huán)境下很容易受到外界的干擾，或是由于設(shè)備的老化而導(dǎo)致測(cè)量上的誤差，這樣管理人員將很難判斷出罐區(qū)的安全狀態(tài)。此外，傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方法未對(duì)消防設(shè)備的自檢功能有所要求，這樣可能因消防設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間不啟動(dòng)而造成腐蝕、老化等后果，為火災(zāi)埋下了安全隱患。所以將多源數(shù)據(jù)融合的技術(shù)應(yīng)用于?；瘓?chǎng)所的火災(zāi)預(yù)警與保護(hù)的系統(tǒng)中，研究如何進(jìn)一步提高油庫消防系統(tǒng)的安全預(yù)警與應(yīng)急保障能力，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1相關(guān)研究工作

1.1 多源數(shù)據(jù)融合

多源數(shù)據(jù)融合（multi-source data fusion）又稱為多傳感器信息融合（multi-sensor information fusion），是20世紀(jì)70年代提出來的。多源數(shù)據(jù)融合技術(shù)研究的是如何將多源的數(shù)據(jù)信息或相關(guān)的輔助數(shù)據(jù)整合在一起，以得到比用單一的數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確、可靠的結(jié)果。

多源數(shù)據(jù)融合按融合的層次分為數(shù)據(jù)級(jí)融合，特征級(jí)融合和決策級(jí)融合。本文中主要用到就是數(shù)據(jù)級(jí)的融合，首先利用多傳感器采集油罐周圍的環(huán)境信息，然后通過處理單元進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，提取目標(biāo)的數(shù)據(jù)特征，得到屬性信息，最后輸出相應(yīng)的決策信息并且驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。特征級(jí)融合首先需要通過各個(gè)傳感器收集原始信息，然后對(duì)于每一組信息都提取一組特征信息，形成特征矢量，在聯(lián)合各個(gè)特征向量做出屬性判決。決策級(jí)融合是高層次的融合，先由每個(gè)傳感器基于自身所采集的數(shù)據(jù)作出決策，然后在融合中心完成的是局部決策的融合處理。

1.2 ?；瘓?chǎng)所火災(zāi)預(yù)警與保護(hù)

在油庫火災(zāi)預(yù)警與保護(hù)系統(tǒng)中，采用多源數(shù)據(jù)融合技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)相結(jié)合，利用多個(gè)傳感器采集油庫信息，可以有效的減小誤差，提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性和靈敏度。整個(gè)系統(tǒng)由以下幾部分構(gòu)成：火源自動(dòng)檢測(cè)部分、信息處理部分、監(jiān)測(cè)部分、人機(jī)交互部分以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)。分別起到檢測(cè)火災(zāi)信息、對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理、實(shí)時(shí)顯示油庫情況、方便工作人員操控以及對(duì)火災(zāi)預(yù)警和消防的作用。

2多源感知數(shù)據(jù)融合模型

對(duì)于底層數(shù)據(jù)級(jí)的融合過程，本文采用目前對(duì)于原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理的最優(yōu)加權(quán)平均法進(jìn)行數(shù)據(jù)級(jí)的融合過程，最優(yōu)加權(quán)平均法考慮了不同傳感器所測(cè)量數(shù)據(jù)在最終決策過程中的重要性評(píng)價(jià)，同時(shí)對(duì)于整個(gè)多源數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)的魯棒性具有較好的提升與改進(jìn)作用；此外，基于最優(yōu)加權(quán)方法的數(shù)據(jù)融合過程對(duì)于多源測(cè)量信息數(shù)據(jù)的輸入變量數(shù)量要求簡(jiǎn)單，一般以多源傳感器測(cè)量噪聲的方差進(jìn)行估計(jì)模型的構(gòu)建?？紤]有個(gè)傳感器對(duì)同一環(huán)境參數(shù)值進(jìn)行協(xié)同感知過程，假設(shè)第個(gè)傳感器的測(cè)量方差為：（），其中為待測(cè)參數(shù)的真實(shí)值，為測(cè)量的實(shí)際值，為測(cè)量的噪聲值，其中測(cè)量噪聲值的數(shù)學(xué)期望為0，方差為。令各個(gè)不同傳感器的加權(quán)因子為權(quán)值矢量為，。通過構(gòu)建加權(quán)均方差誤差最小值方差，求得加權(quán)估計(jì)的均方誤差為：

通過對(duì)上式可以看出，若測(cè)量噪聲值的方差越小，則其對(duì)應(yīng)的傳感器的權(quán)值就越大，對(duì)應(yīng)的測(cè)量數(shù)據(jù)在加權(quán)估計(jì)值中的比例就會(huì)高一些；反之，則其比例就會(huì)低一些，即就會(huì)越小。在二級(jí)數(shù)據(jù)融合過程中，采用基于PSO-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行建模過程，其中BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)屬于前饋式網(wǎng)絡(luò)，其可以以任意的精度逼近任何非線性連續(xù)函數(shù)，同時(shí)其具有較好的自適應(yīng)和容錯(cuò)能力而被廣泛應(yīng)用于故障診斷與非線性系統(tǒng)的建模與辨識(shí)中；PSO是經(jīng)典的智能優(yōu)化算法，在PSO-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中用以優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)權(quán)值，以有效提升BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的建模精度。

3系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)以油庫為仿真背景，采用多傳感器檢測(cè)油庫的各項(xiàng)環(huán)境數(shù)據(jù)，并通過多源數(shù)據(jù)融合技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，最后輸出決策信息，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)火災(zāi)預(yù)警和保護(hù)的目的，同時(shí)通過自動(dòng)巡檢，減輕并消除了傳統(tǒng)的消防設(shè)備需要定期檢修、保養(yǎng)，以及設(shè)備長(zhǎng)期不使用而帶來的潛在故障增加等問題。本系統(tǒng)主要分為前向通道、處理單元、后向通道和顯示裝置四大部分，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

3.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的硬件部分主要由火災(zāi)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)、自動(dòng)滅火系統(tǒng)、監(jiān)控顯示系統(tǒng)和消防泵自動(dòng)巡檢系統(tǒng)等多個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成，其中火災(zāi)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)由可燃?xì)怏w檢測(cè)系統(tǒng)、火焰檢測(cè)系統(tǒng)和油罐溫度檢測(cè)系統(tǒng)組成。

火災(zāi)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)：即進(jìn)行火源的探測(cè)，具備靈敏的采集信號(hào)的能力，包括溫度傳感器DS18B20、煙霧傳感器MQ2、紫外線傳感器和時(shí)間模塊DS1302。由于石油燃燒后能迅速釋放能量使環(huán)境的溫度升高，并且釋放大量煙霧，因此采用溫度傳感器、煙霧傳感器和紫外線傳感器分別采集油庫溫度、煙霧濃度和紫外線的信息。綜合這三個(gè)數(shù)據(jù)并與提前設(shè)定的閾值相比較，判斷是否有火災(zāi)發(fā)生，減小了誤報(bào)警的可能性。

數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)：?jiǎn)纹瑱C(jī)是信號(hào)處理單元，也是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分。傳感器將采集到的信息經(jīng)各自的A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)格式后輸入單片機(jī)內(nèi)，單片機(jī)根據(jù)設(shè)定的指令進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和閾值判斷，當(dāng)有數(shù)據(jù)超過閾值時(shí)，單片機(jī)發(fā)出驅(qū)動(dòng)指令使執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作，否則不動(dòng)作。本裝置采用STC12C5A60S2單片機(jī)模擬實(shí)現(xiàn)。

火災(zāi)預(yù)警和自動(dòng)滅火系統(tǒng)：包括聲光報(bào)警模塊、風(fēng)機(jī)模塊和電機(jī)模塊。當(dāng)單片機(jī)處理完數(shù)據(jù)確認(rèn)有火災(zāi)發(fā)生時(shí)，輸出驅(qū)動(dòng)命令，各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作，聲光報(bào)警模塊通過亮燈和聲響提醒人們火災(zāi)發(fā)生安全疏散。風(fēng)機(jī)模塊轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)油庫降溫，同時(shí)驅(qū)散煙霧，采用低電平驅(qū)動(dòng)小風(fēng)扇實(shí)現(xiàn)。電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)消防泵滅火，采用L298驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)電機(jī)，利用PWM波調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。消防設(shè)備還配備手動(dòng)啟停的功能，以防止檢測(cè)系統(tǒng)發(fā)生異常不能及時(shí)檢測(cè)到火災(zāi)的發(fā)生而造成無法挽回的后果。在整個(gè)預(yù)警和滅火過程中可實(shí)時(shí)監(jiān)控油庫信息，直到數(shù)據(jù)低于閾值，解除預(yù)警并停止滅火。

監(jiān)控顯示系統(tǒng)：利用LCD12864液晶顯示屏和與之匹配的按鍵模塊實(shí)現(xiàn)。能夠?qū)崟r(shí)顯示各項(xiàng)指標(biāo)，調(diào)節(jié)上限設(shè)置，當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí)也能直觀的顯示出來，方便工作人員監(jiān)控和記錄。

消防泵自動(dòng)巡檢系統(tǒng)：消防泵系統(tǒng)能夠周期性自檢，防止消防泵長(zhǎng)期不啟動(dòng)而出現(xiàn)功能性故障。本系統(tǒng)設(shè)定為每日早八點(diǎn)以低速自動(dòng)啟動(dòng)消防泵，20秒之后停止。

本系統(tǒng)由幾個(gè)模塊相互配合，從而在多源感知數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)油庫火災(zāi)的預(yù)警和保護(hù)功能。

3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用STC12C5A60SA單片機(jī)作為核心處理器，搭配各個(gè)硬件模塊最終在顯示屏上顯示，共有初始化界面、時(shí)間顯示界面、參數(shù)顯示界面、閾值調(diào)整界面以及報(bào)警界面，主要負(fù)責(zé)將采集到的初始數(shù)據(jù)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，并進(jìn)行數(shù)據(jù)融合與判別。本系統(tǒng)的軟件程序中，將各個(gè)功能的程序模塊化，每個(gè)模塊都有其對(duì)應(yīng)的子程序，再通過主程序連接貫通所有的子程序，使系統(tǒng)的各個(gè)模塊能夠結(jié)合完成所有的要求。

4仿真結(jié)果與分析

4.1 火災(zāi)預(yù)警與保護(hù)系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)工作流程

（1）信息采集：在油庫環(huán)境中，采用溫度傳感器、煙霧傳感器和紫外線傳感器檢測(cè)溫度、煙霧濃度和紫外線信息，并將該信息在顯示中心顯示。

（2）災(zāi)情確認(rèn)：當(dāng)油庫范圍內(nèi)的溫度傳感器檢測(cè)到罐體溫度過高，可燃?xì)怏w監(jiān)控系統(tǒng)檢測(cè)到某區(qū)域的煙霧濃度超限或者是紫外線探測(cè)器探測(cè)到紫外線過多時(shí)，報(bào)警信號(hào)傳送到監(jiān)控中心的報(bào)警器，發(fā)出聲光報(bào)警，確認(rèn)發(fā)生火災(zāi)。

（3）啟動(dòng)滅火：當(dāng)有災(zāi)情發(fā)生的情況下，自動(dòng)啟動(dòng)滅火控制設(shè)備、降溫設(shè)備和驅(qū)散煙霧設(shè)備；如若系統(tǒng)因故障未能及時(shí)檢測(cè)到火災(zāi)的發(fā)生，工作人員可通過手動(dòng)開啟消防泵進(jìn)行滅火。直到災(zāi)情解除，報(bào)警和滅火設(shè)備關(guān)閉。

4.2 仿真結(jié)果

本設(shè)備性能主要由動(dòng)作靈敏性和準(zhǔn)確度兩方面來衡量。分別在通風(fēng)環(huán)境下和封閉環(huán)境下進(jìn)行模擬測(cè)試。因考慮到真實(shí)制造火災(zāi)的危險(xiǎn)性，所以該實(shí)驗(yàn)僅模擬了火災(zāi)情況的高溫和煙霧環(huán)境，用打火機(jī)點(diǎn)火測(cè)試，并且設(shè)定模擬溫度報(bào)警閾值為30.0℃，模擬煙霧報(bào)警閾值為5.00%。將該設(shè)備與單一傳感器設(shè)備分別在通風(fēng)和封閉環(huán)境中進(jìn)行比較實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1和表2所示：

多源傳感器的火災(zāi)預(yù)警與保護(hù)系統(tǒng)在每日早8時(shí)自動(dòng)低速啟動(dòng)消防泵進(jìn)行自檢，20s后自動(dòng)關(guān)閉。

5 結(jié)語

本文針對(duì)危化場(chǎng)所的火災(zāi)預(yù)警與保護(hù)問題展開研究，利用多源感知數(shù)據(jù)融合技術(shù)，研究并設(shè)計(jì)了一個(gè)油庫全自動(dòng)火災(zāi)預(yù)警與保護(hù)裝置。本裝置利用多種傳感器對(duì)油庫進(jìn)行檢測(cè)，仿真模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本系統(tǒng)較單一傳感器系統(tǒng)的靈敏度有所提高，誤報(bào)率降低，并且具有自動(dòng)巡檢的功能，降低了消防系統(tǒng)的故障率。本系統(tǒng)具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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