基于模型的艦艇火災(zāi)紅外超早期探測方法

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(中國船舶重工集團(tuán)公司第七二六研究所，上海 201108)

艦艇火災(zāi)發(fā)展初期階段是艦艇火災(zāi)防治的關(guān)鍵時(shí)期，其火災(zāi)探測性能對后續(xù)火災(zāi)撲救具有重大影響。為獲得良好的艦艇消防安全保障，需要在火災(zāi)發(fā)生的初始階段，即在異常故障或熱解階段及時(shí)進(jìn)行有效的預(yù)警、報(bào)警，以及必要的滅火聯(lián)動，以求在發(fā)生損失前消滅火險(xiǎn)。

國內(nèi)專門針對艦艇火災(zāi)特征及應(yīng)用的研究開展較少，對于艦艇火災(zāi)超早期探測技術(shù)的研究尚屬起步。文中提出了一種基于熱成像分析原理的火災(zāi)超早期探測方法，以提高對艦艇高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域的保護(hù)，為實(shí)現(xiàn)智能化異常預(yù)警、早期報(bào)警以及快速滅火聯(lián)動的目標(biāo)奠定技術(shù)基礎(chǔ)。首次提出基于模型設(shè)計(jì)的紅外系統(tǒng)硬件在環(huán)(hardware-in-loop, HIL)[1-2]設(shè)計(jì)平臺，實(shí)現(xiàn)了一種應(yīng)用基于模型的系統(tǒng)工程(MBSE)[3]及基于模型的設(shè)計(jì)(MBD)[4]的系統(tǒng)開發(fā)方案。通過焦平面紅外系統(tǒng)的數(shù)字化設(shè)計(jì)過程，可以大幅提高艦艇火災(zāi)超早期探測系統(tǒng)的研究和開發(fā)能力。

1 研究目的

艦艇火災(zāi)的發(fā)展分為4個(gè)階段：初始階段、可見煙階段、明火階段和劇烈燃燒階段[5]。根據(jù)每個(gè)階段的燃燒特性及防護(hù)要求，分別選用不同類型的火災(zāi)探測器?；鹧嫣綔y器適用于探測明火階段和劇烈燃燒階段火情，紅外光束感煙探測器用于探測可見煙階段后期和明火階段的火情，點(diǎn)型感煙、感溫探測器探測的是初始階段后期和可見煙階段的火情。見圖1。

圖1 各類探測器性能比較

火災(zāi)探測方式由于工作機(jī)理的限制，都依賴于火災(zāi)煙氣羽流擴(kuò)散，只能對火災(zāi)中后期(可見煙、陰燃火)、早期階段(可燃分子相變)的現(xiàn)象產(chǎn)生響應(yīng)，適用于一般場所的應(yīng)用需求。在艦艇環(huán)境下，火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)多、發(fā)展快，火災(zāi)形式可能會表現(xiàn)為瞬間突變，即在潛伏期(初始階段)過后突然發(fā)生明火或爆炸，若未能在早期發(fā)現(xiàn)異常，在后期普通探測設(shè)備即使發(fā)生報(bào)警，損失也已形成。

艦艇火災(zāi)紅外超早期探測技術(shù)是一種比較好的技術(shù)途徑，可以大幅度突破傳統(tǒng)探測設(shè)備的限制，在很大程度上滿足艦艇消防的需求。通過監(jiān)測目標(biāo)物體內(nèi)能(溫度)的分布及變化，特別是針對處在工作狀態(tài)的重要設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)設(shè)備異常狀態(tài)(不正常的內(nèi)能聚集、溫度上升及擴(kuò)散過程)的實(shí)時(shí)監(jiān)測和判別，在事故醞釀階段即能夠察覺。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及趨勢分析

目前，軍用艦艇超早期探測技術(shù)只有少數(shù)發(fā)達(dá)國家在進(jìn)行研究開發(fā)，研究方向如下。

1)注重從系統(tǒng)層面將多種功能進(jìn)行集成的研究思路。將熱圖像、通訊、定位、火場分析等艦艇火災(zāi)探測所需的功能進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，采用系統(tǒng)工程學(xué)理念，在實(shí)現(xiàn)多種功能的同時(shí)充分考慮實(shí)際使用的特殊要求。

2)注重設(shè)備性能參數(shù)的場景優(yōu)化。由于消防探測設(shè)備的特殊使用環(huán)境，要求其具有高穩(wěn)定性和可靠性，國外對于消防探測設(shè)備的研究通常以最終應(yīng)用環(huán)境為研究出發(fā)點(diǎn)和目標(biāo)，對所研制設(shè)備的功能模塊及整機(jī)性能進(jìn)行優(yōu)化。

美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究中心(NIST)，自2005年以來進(jìn)行了一系列研究實(shí)驗(yàn)，分別通過小尺寸模擬臺和實(shí)景模擬的方法，對不同火源、場景，以及不同滅火方式下民用消防探測熱像設(shè)備的性能進(jìn)行分析和評定，以建立符合實(shí)際應(yīng)用要求的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，并在2010年形成ANSI/NFPA 1801-2010標(biāo)準(zhǔn)。

國內(nèi)對于早期探測報(bào)警技術(shù)的研究，大部分著眼于煙氣產(chǎn)生早期。具有較高集成度以及火場環(huán)境適用性的早期探測技術(shù)在國內(nèi)還沒有相關(guān)研究，使得現(xiàn)有技術(shù)在面臨火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)較高的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)時(shí)，產(chǎn)生功能失靈等嚴(yán)重故障，導(dǎo)致戰(zhàn)機(jī)延誤而造成嚴(yán)重?fù)p失。

紅外熱像技術(shù)從上世紀(jì)末誕生以來，其應(yīng)用領(lǐng)域持續(xù)擴(kuò)展，從起初的國防、電力領(lǐng)域，正逐步擴(kuò)大到醫(yī)療、安防、化工、電子等行業(yè)[6]。隨著其應(yīng)用范圍的不斷拓展，使得新領(lǐng)域的未知問題不斷涌現(xiàn)，問題的復(fù)雜程度不斷升級，應(yīng)用的智能化要求不斷提高，對熱像設(shè)備的特殊需求和特性約束不斷增加。針對特定問題的具體解決方案個(gè)性化明顯，無法大批量生產(chǎn)，使得研發(fā)機(jī)構(gòu)越來越難以平衡研發(fā)成本和市場價(jià)格競爭之間的矛盾。紅外熱像技術(shù)作為可見光譜范圍外一種視覺化感知周圍世界的方式，其面向未來智能制造和智慧城市的應(yīng)用需求很大，正如所有面向未來發(fā)展的技術(shù)所面臨的現(xiàn)實(shí)問題一樣，現(xiàn)代紅外熱像系統(tǒng)正變得越來越復(fù)雜，研發(fā)難度也越來越大。因此，怎樣才能適應(yīng)未來智能化、模塊化、小批量的發(fā)展要求，構(gòu)建一種快速、高效、質(zhì)量可靠的產(chǎn)品開發(fā)系統(tǒng)，就成了必須要解決的核心問題。

未來的紅外熱像設(shè)備將變得更復(fù)雜、更智能，意味著紅外熱像設(shè)備需要更加精確的功能定義，更靈活的系統(tǒng)架構(gòu)以及更復(fù)雜的軟件算法。如果采用傳統(tǒng)的開發(fā)模式，應(yīng)用需求與系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)之間將會存在著巨大的鴻溝。產(chǎn)品設(shè)計(jì)問題越晚發(fā)現(xiàn)，則進(jìn)行修正的成本就會越高(甚至呈指數(shù)上升)。目前紅外焦平面設(shè)備的開發(fā)模式無法擺脫硬件對軟件開發(fā)的束縛，設(shè)計(jì)中產(chǎn)生的軟件實(shí)現(xiàn)(算法代碼等)都需要在實(shí)際硬件中運(yùn)行才能完成最終調(diào)試和測試，使得研發(fā)工作呈先硬后軟的串行模式，導(dǎo)致很多設(shè)計(jì)問題只有在硬件基本形成后，進(jìn)行子系統(tǒng)級(系統(tǒng)-子系統(tǒng)-部件-組件-零件)調(diào)試時(shí)才被發(fā)現(xiàn)(甚至更后期才能發(fā)現(xiàn))，對產(chǎn)品的研發(fā)成本、交付時(shí)間產(chǎn)生極為不利的影響。在對設(shè)備功能進(jìn)行擴(kuò)展或需求變更時(shí)，傳統(tǒng)開發(fā)方法一般是修改數(shù)據(jù)類型，提取接口，直接對代碼結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，需要手工編碼和調(diào)試。這就使得開發(fā)效率受開發(fā)人員能力的限制，在開發(fā)過程中很可能產(chǎn)生引入版本混亂的問題，甚至是潛在的軟件缺陷，造成嚴(yán)重的質(zhì)量問題[7-8]。

目前，基于模型的系統(tǒng)工程(MBSE)和基于模型設(shè)計(jì)(MBD)的開發(fā)技術(shù)，有助于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)模型快速搭建、自動代碼生成、算法仿真與自動化測試以及產(chǎn)品設(shè)計(jì)交付等功能[9]，能夠大幅降低研發(fā)工作量與開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，并且使產(chǎn)品設(shè)計(jì)與產(chǎn)品生產(chǎn)、產(chǎn)品使用及維護(hù)等整個(gè)產(chǎn)品生命周期的各個(gè)環(huán)節(jié)有機(jī)銜接，可以在一定程度上解決紅外熱像設(shè)備開發(fā)遇到的現(xiàn)實(shí)問題。

3 總體設(shè)計(jì)方案

在紅外超早期火災(zāi)探測方法研究中，應(yīng)用紅外熱像等前沿技術(shù)，滿足艦艇火災(zāi)安全超早期預(yù)警和報(bào)警的需求；采用非制冷紅外成像及熱檢測技術(shù)作為技術(shù)途徑，監(jiān)測船舶環(huán)境中容易引發(fā)火災(zāi)的風(fēng)險(xiǎn)源，如電氣柜、輪機(jī)、各類管線等。對于故障導(dǎo)致的突然發(fā)熱，或者熱分布的異常變化等故障的前期表征，可以被及時(shí)發(fā)現(xiàn)和判別，實(shí)現(xiàn)超早期火災(zāi)預(yù)警和報(bào)警的功能。

非制冷紅外熱像系統(tǒng)由光學(xué)鏡頭模塊、紅外傳感模塊、偏置電源、控制模塊,以及信號處理模塊構(gòu)成，見圖2。光學(xué)鏡頭模塊用于過濾光譜以及構(gòu)造光路，將視場范圍內(nèi)的屬于特定光譜范圍內(nèi)的紅外光線聚焦于紅外傳感模塊；紅外傳感模塊用來實(shí)現(xiàn)從紅外光信號到電信號的變換，并根據(jù)特定的時(shí)序關(guān)系將電信號傳輸?shù)娇刂颇K和信號處理模塊；控制模塊和信號處理模塊進(jìn)行系統(tǒng)的時(shí)序控制以及信號算法的運(yùn)行，并通過控制和數(shù)據(jù)接口與其他設(shè)備連接，是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分；電源模塊將電源輸入進(jìn)行變壓、穩(wěn)壓后送至各電子模塊，以提供其正常工作所必需的偏置電壓。

圖2 非制冷紅外成像及熱檢測系統(tǒng)構(gòu)成

非制冷紅外成像及熱檢測技術(shù)的系統(tǒng)構(gòu)成相對固定，對于不同的應(yīng)用環(huán)境、目標(biāo)任務(wù)以及使用場景，具體的技術(shù)實(shí)現(xiàn)會有較大的差異，需要根據(jù)系統(tǒng)的具體要求，開發(fā)符合其特點(diǎn)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)方法和系統(tǒng)架構(gòu)。

在以研究艦艇火災(zāi)紅外超早期探測方法技術(shù)的基礎(chǔ)上，還需要在開發(fā)過程中引入新方法、新技術(shù)，應(yīng)對目前紅外系統(tǒng)研發(fā)中，軟硬件開發(fā)過程相互制約，研發(fā)周期長的問題。需要保證系統(tǒng)具有較好的可擴(kuò)展性，以應(yīng)對紅外系統(tǒng)行業(yè)內(nèi)硬件同質(zhì)化嚴(yán)重，競爭力日趨體現(xiàn)在軟件和算法的趨勢要求。

為解決以上問題，進(jìn)一步提高研發(fā)競爭力，引入了比較前沿的基于模型的系統(tǒng)工程(MBSE)和基于模型的設(shè)計(jì)(MBD)研發(fā)理念，采用螺旋增量開發(fā)模型(迭代V模型)，建立一種可以覆蓋“設(shè)計(jì)-仿真-實(shí)現(xiàn)-測試”全開發(fā)周期的紅外熱像系統(tǒng)半實(shí)物硬件在環(huán)(HIL)系統(tǒng)作為原理樣機(jī)，作為后續(xù)技術(shù)和產(chǎn)品開發(fā)的研發(fā)及測試平臺。該系統(tǒng)平臺完全滿足項(xiàng)目任務(wù)書中內(nèi)容和指標(biāo)的要求，有利于紅外系統(tǒng)算法的設(shè)計(jì)能力和系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)能力，大幅提高研發(fā)效率。

紅外系統(tǒng)HIL平臺能夠基于一定的硬件資源，為UFPA提供必要的偏置電壓和工作時(shí)序，實(shí)現(xiàn)對非制冷焦平面陣列器件(UFPA)的驅(qū)動，獲得紅外視頻信號數(shù)據(jù)，并在監(jiān)視器上進(jìn)行顯示，將信號數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈路與開發(fā)終端的工作環(huán)境進(jìn)行連接，以支持開發(fā)人員開展基于模型的開發(fā)(MBD)過程，實(shí)現(xiàn)圖像增強(qiáng)算法、溫度測量算法以及故障檢測及報(bào)警算法的設(shè)計(jì)和仿真工作，當(dāng)算法設(shè)計(jì)滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求后，算法設(shè)計(jì)可以進(jìn)行自動代碼生成并與手工代碼進(jìn)行集成，再通過以太網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈路或USB Blaster串行連接將算法加載到目標(biāo)硬件，通過硬件資源的運(yùn)行來測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)，完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作。

系統(tǒng)平臺的硬件資源，包括紅外鏡頭、紅外器件(UFPA)、紅外目標(biāo)(用于標(biāo)定及測試)以及硬件開發(fā)目標(biāo)板等部分。

硬件開發(fā)目標(biāo)板采用SoC架構(gòu)，通過單片SoC器件提供的ARM多核微處理器(HPS)及FPGA可編程資源的作為系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的核心，運(yùn)行操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對資源管理和過程控制。同時(shí)，目標(biāo)板還包含高速存儲器、通用IO以及必要的數(shù)字信號處理資源，共同構(gòu)成比較完整的在線可配置硬件資源[10-11]，見圖3。

圖3 在線可配置硬件資源

基于以上硬件資源的支持，典型的硬件資源配置，見圖4。系統(tǒng)平臺應(yīng)用HPS多核微處理器作為控制端，在系統(tǒng)啟動時(shí)自動配置FPGA資源，通過對FPGA資源的配置，產(chǎn)生UFPA Controller模塊，Data RW Controller模塊，Onchip RAM模塊，以及FPGA DDR3橋接模塊。UFPA 控制模塊通過GPIO接口與外部資源連接，負(fù)責(zé)配置UFPA工作電壓，提供UFPA工作時(shí)序，并根據(jù)時(shí)序關(guān)系采集相應(yīng)的傳感數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)所需的各種算法。Data RW Controller數(shù)據(jù)讀寫控制模塊，負(fù)責(zé)兩部分工作：①通過DDR3橋接器讀寫算法運(yùn)算所需圖像數(shù)據(jù)；②控制數(shù)據(jù)按照奇偶幀的乒乓順序分別存入Onchip RAM片上存儲模塊1或片上存儲模塊2。HPS控制端內(nèi)嵌ARM Cortex-A9 雙核微處理器，系統(tǒng)啟動后自動加載嵌入式Linux操作系統(tǒng)及驅(qū)動程序，運(yùn)行系統(tǒng)平臺應(yīng)用程序后，由Core 2 內(nèi)核2運(yùn)行程序，通過Lightweight HPS to FPGA Bridge橋接器讀寫FPGA端的Data RW Controller模塊以及UFPA Controller模塊中的控制寄存器，實(shí)現(xiàn)對其行為的控制，通過HPS to FPGA Bridge 高速橋接器按照乒乓時(shí)序?qū)?shù)據(jù)寫入DDR3存儲器。Core 1 內(nèi)核1上運(yùn)行程序，監(jiān)聽特定IP地址的以太網(wǎng)端口，當(dāng)開發(fā)終端發(fā)起會話請求時(shí)，與開發(fā)終端建立連接，并通過TCP協(xié)議將數(shù)據(jù)經(jīng)千兆以太網(wǎng)傳輸至開發(fā)終端。

圖4 硬件資源典型配置

紅外系統(tǒng)硬件在環(huán)HIL開發(fā)和測試平臺模型的開發(fā)過程見圖5。

圖5 系統(tǒng)HIL平臺開發(fā)過程

在開發(fā)終端包含了開展本地開發(fā)所需要的所有工具，開發(fā)人員可以進(jìn)行本地配置管理、模型設(shè)計(jì)、算法仿真、代碼生成等工作。通過與數(shù)據(jù)庫的交互，開發(fā)終端可以從數(shù)據(jù)庫中獲取開發(fā)所需的輸入文件(設(shè)計(jì)需求、模型模板、算法模板等)，指導(dǎo)和幫助設(shè)計(jì)工作高效開展。當(dāng)設(shè)計(jì)的產(chǎn)品組件完成、仿真、調(diào)試、測試等工作后，可以將設(shè)計(jì)輸出文件(算法模型、設(shè)計(jì)文檔、測試報(bào)告等)提交至數(shù)據(jù)庫單元，作為一下階段設(shè)計(jì)開發(fā)的輸入文件或項(xiàng)目數(shù)據(jù)歸檔使用。通過建立遠(yuǎn)程開發(fā)會話，開發(fā)終端可以將硬件配置文件分發(fā)到目標(biāo)硬件資源，完成存儲器初始化和接口驅(qū)動，部署系統(tǒng)算法代碼到可用資源，啟動仿真測試過程，控制相應(yīng)的硬件資源以完成測試過程(圖像算法測試、溫度標(biāo)定、NETD測試等)。同時(shí)，整個(gè)測試調(diào)試過程中，開發(fā)終端可以觀察、保存在線回傳的數(shù)據(jù)，對測試過程中重要參數(shù)(偏置電壓等)進(jìn)行調(diào)整。

系統(tǒng)平臺開發(fā)基于分層架構(gòu)，采用螺旋增量開發(fā)模型，見圖6。

圖6 系統(tǒng)平臺開發(fā)模型

系統(tǒng)平臺根據(jù)實(shí)現(xiàn)的抽象層次劃分為4個(gè)層次，分別為器件、邏輯及IO層，數(shù)據(jù)通訊層、操作系統(tǒng)層、應(yīng)用程序?qū)?。系統(tǒng)平臺開發(fā)分為4個(gè)原型階段：數(shù)據(jù)采集原型、數(shù)據(jù)顯示原型、算法測試原型、故障報(bào)警原型。在不同的原型階段逐步添加和細(xì)化系統(tǒng)功能，在每個(gè)原型階段的開發(fā)中都完整包含4個(gè)抽象層次的實(shí)現(xiàn)內(nèi)容，隨著開發(fā)過程的推進(jìn)逐步完善功能，完成研究的任務(wù)要求。這種開發(fā)模型的優(yōu)點(diǎn)在于，在設(shè)計(jì)開發(fā)的初期，能最大限度地對各個(gè)抽象層面可能面對的問題進(jìn)行嘗試和解決，對開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)比較有把握，使得后期的功能迭代比較順利，減少傳統(tǒng)開發(fā)過程中在系統(tǒng)功能集成階段暴露出接口沖突或參數(shù)不匹配等問題，減少變更和返工，提高研發(fā)效率。

4 結(jié)論

提出一種基于熱成像分析原理的火災(zāi)超早期探測方法。該技術(shù)突破了傳統(tǒng)探測器對于火災(zāi)煙氣羽流擴(kuò)散激勵的依賴，并可以克服視頻及光譜探測器早期探測能力的缺陷，實(shí)現(xiàn)對艦艇火災(zāi)的超早期探測，滿足艦艇消防安全對于異常預(yù)警、早期報(bào)警技術(shù)的迫切需求，為實(shí)現(xiàn)智能化異常預(yù)警、早期報(bào)警以及快速滅火聯(lián)動的目標(biāo)奠定技術(shù)基礎(chǔ)。并且于國內(nèi)首次提出了基于模型設(shè)計(jì)的紅外系統(tǒng)硬件在環(huán)(HIL)設(shè)計(jì)平臺，實(shí)現(xiàn)一種應(yīng)用基于模型的系統(tǒng)工程(MBSE)及基于模型設(shè)計(jì)(MBD)的系統(tǒng)開發(fā)方案。該開發(fā)方案可以實(shí)現(xiàn)焦平面紅外系統(tǒng)的數(shù)字化設(shè)計(jì)過程，可以大幅提高艦艇火災(zāi)超早期探測系統(tǒng)的研究和開發(fā)能力。

通過研究的技術(shù)基礎(chǔ),可以進(jìn)一步深化研究，以艦艇火災(zāi)紅外超早期探測方法為基礎(chǔ)，優(yōu)化火災(zāi)及故障熱圖像判定技術(shù)研究，結(jié)合超光譜氣體成像技術(shù)、以及分布組網(wǎng)技術(shù)等方面，對艦艇典型熱故障的紅外熱像判定算法進(jìn)行更加細(xì)致的研究，并為實(shí)現(xiàn)對艦艇火災(zāi)熱目標(biāo)捕捉提供新思路，為實(shí)現(xiàn)智能化艦艇火災(zāi)異常預(yù)警和超早期報(bào)警方法提供可行性，形成在艦艇半封閉、高設(shè)備密度的環(huán)境下的超早期火災(zāi)探測預(yù)警裝備。將紅外火場圖像、氣體組分濃度的獲取與傳輸通訊等功能集成一體，為進(jìn)一步研制潛艇火災(zāi)超早期探測裝備奠定技術(shù)基礎(chǔ)。