關(guān)于實(shí)體火災(zāi)實(shí)驗(yàn)信息處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)方案設(shè)計(jì)的研究

張強(qiáng) 馮文菁

摘 要 本文結(jié)合消防救援實(shí)體火災(zāi)實(shí)驗(yàn)室、煙熱訓(xùn)練室等建設(shè)需求，首先將火災(zāi)實(shí)驗(yàn)信息按照采集方式、實(shí)驗(yàn)參數(shù)類型及所使用測量設(shè)備進(jìn)行分級，然后依次針對各級信息的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，從實(shí)驗(yàn)信息采集、加工、存儲和輸出四個(gè)方面對五級實(shí)驗(yàn)信息的處理方式依次進(jìn)行闡述，直接支持火災(zāi)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)綜合分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)。

關(guān)鍵詞 實(shí)體火災(zāi);實(shí)驗(yàn)信息;消防應(yīng)急救援

引言

建立適用的處理技術(shù)，完成從測量設(shè)備到實(shí)驗(yàn)參數(shù)的測量從而完成火災(zāi)實(shí)驗(yàn)信息的獲取，進(jìn)而保存、輸出信息以完成實(shí)驗(yàn)研究，這是火災(zāi)實(shí)驗(yàn)信息處理技術(shù)的需求所在。

在設(shè)計(jì)實(shí)體火災(zāi)實(shí)驗(yàn)信息處理技術(shù)的過程中，著眼于客觀存在，即綜合實(shí)體火災(zāi)實(shí)驗(yàn)室涉及的火災(zāi)實(shí)驗(yàn)信息類型特征，兼顧實(shí)驗(yàn)室發(fā)展要求，從實(shí)驗(yàn)研究內(nèi)容、數(shù)據(jù)信息組成、類型等不斷變化的角度考慮，進(jìn)而提高實(shí)體火災(zāi)實(shí)驗(yàn)信息處理技術(shù)的兼容性。

1火災(zāi)實(shí)驗(yàn)信息級別劃分

圖1所示的火災(zāi)實(shí)驗(yàn)信息處理過程的特征圖。從圖1中可以看出，在火災(zāi)實(shí)驗(yàn)信息處理過程中，其信息類型不同致使處理方式（采集、加工、存儲和輸出各環(huán)節(jié)）也不相同。而相關(guān)系統(tǒng)研發(fā)需要詳細(xì)、具體地闡明火災(zāi)實(shí)驗(yàn)信息處理技術(shù)，所以，本文按測量設(shè)備的獨(dú)立性、自動(dòng)化程度以及信息處理方式異同，對火災(zāi)實(shí)驗(yàn)信息進(jìn)行了分級，以便火災(zāi)實(shí)驗(yàn)信息處理技術(shù)內(nèi)容覆蓋實(shí)體火災(zāi)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)目標(biāo)。具體分級結(jié)果見表1。信息級別劃分主要是依據(jù)火災(zāi)實(shí)驗(yàn)信息的采集方式、信息類型及所使用測量設(shè)備類別進(jìn)行的[1]。

本文按信息級別分別闡述處理技術(shù)四個(gè)環(huán)節(jié)的實(shí)現(xiàn)方案。

2一級信息的處理技術(shù)

通過單參數(shù)測量設(shè)備可實(shí)現(xiàn)一級信息的采集、加工。

2.1 單參數(shù)測量設(shè)備工作原理

單參數(shù)測量設(shè)備核心部件是傳感器。按照內(nèi)部工作原理的不同可劃分為兩種類型。一種是利用物理效應(yīng)，例如壓電、光電、熱電和磁化效應(yīng)等。另一種是利用化學(xué)效應(yīng)，例如同離子效應(yīng)、化學(xué)吸附效應(yīng)等。二者工作原理不同，但最后都能將被測參數(shù)的恒定狀態(tài)或細(xì)微改變對應(yīng)轉(zhuǎn)換，獲取相應(yīng)的動(dòng)態(tài)電信號。

傳感器技術(shù)應(yīng)用范圍日益擴(kuò)大，精度和智能化程度不斷加深，是測量設(shè)備未來發(fā)展的方向。而目前火災(zāi)實(shí)驗(yàn)中所使用的大部分是比較基礎(chǔ)的傳感器，必須配合相應(yīng)儀器設(shè)備才能完成實(shí)驗(yàn)參數(shù)的采集工作。

單參數(shù)測量設(shè)備工作原理：針對傳感器送出的電信號，通過轉(zhuǎn)換設(shè)備將該電信號變換得到數(shù)字，然后輸出轉(zhuǎn)換結(jié)果。

2.2 采集與加工技術(shù)

（1）設(shè)備的選擇

傳感器可根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要進(jìn)行選擇，目前使用過的傳感器由溫度、輻射、壓力、流量，種類雖然多，但工作原理基本相同。

為了滿足軟件系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化需要，適應(yīng)儀器設(shè)備發(fā)展，選擇Modbus TCP/IP數(shù)據(jù)采集器作為傳感器的配套儀器，共同組成單參數(shù)測量設(shè)備。圖2所示為Modbus TCP/IP數(shù)據(jù)采集器，圖3所示為Modbus TCP/IP數(shù)據(jù)采集器的工作電源。

（2）采集與加工的原理

將電源、Modbus TCP/IP數(shù)據(jù)采集器和傳感器設(shè)備三者的正負(fù)極導(dǎo)線兩兩連接，然后通過網(wǎng)線連接Modbus TCP/IP數(shù)據(jù)采集器和路由器的網(wǎng)線連接端口，設(shè)置Modbus TCP/IP數(shù)據(jù)采集器的信號轉(zhuǎn)換公式，最后，利用網(wǎng)線將路由器與計(jì)算機(jī)主機(jī)連接。

傳感器實(shí)現(xiàn)電信號的采集并傳輸至采集器;Modbus TCP/IP數(shù)據(jù)采集器利用設(shè)定的轉(zhuǎn)換公式將電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并傳輸?shù)街付ㄎ恢谩?/p>

（3）采集與加工技術(shù)示例

溫度、壓力、流量、輻射熱強(qiáng)度等傳感器設(shè)備的輸出的信號形式主要分為兩種、即電流信號和電壓信號，而針對這兩種形式的信號，利用兩種型號的Modbus TCP/IP數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行加工兼容：選用DAM-E3039F型號數(shù)據(jù)采集器對電流信號進(jìn)行線性轉(zhuǎn)換，選用DAM-E3058F型號的數(shù)據(jù)采集器對電壓信號進(jìn)行線性轉(zhuǎn)換。如圖4所示。兩種數(shù)據(jù)采集卡都能將所采集的信號量程對應(yīng)轉(zhuǎn)化為0～65535的數(shù)值量程。因此，對于實(shí)驗(yàn)者而言，將各個(gè)傳感器設(shè)備所采集參數(shù)數(shù)值的量程范圍與數(shù)據(jù)采集卡所輸出的0～65535的數(shù)值范圍做線性轉(zhuǎn)化，就可獲取相應(yīng)的參數(shù)數(shù)據(jù)信息。其工作原理是：首先，通過K型鎧裝熱電偶、熱流密度傳感器等電子傳感探測裝置得到實(shí)驗(yàn)所需的電信號;然后經(jīng)過信號平滑電路，利用智能單片機(jī)（16位）對該電信號依次進(jìn)行程控放大、阻抗轉(zhuǎn)換、高精度A/D采集轉(zhuǎn)換的處理;最后得到具有EIARS-232接口通訊功能，且適用于計(jì)算機(jī)提取運(yùn)算和加工的串行信號。以流量參數(shù)轉(zhuǎn)換公式為例：

對于其他不需加載負(fù)載電阻的傳感器裝置，將設(shè)備所測量參數(shù)的量程與Modbus TCP/IP數(shù)據(jù)采集器輸出數(shù)值的量程進(jìn)行線性轉(zhuǎn)化，即可加工獲取所測參數(shù)的數(shù)值。

2.3 存儲技術(shù)與輸出方式

一級信息的存儲內(nèi)容按照數(shù)據(jù)類別區(qū)分，主要包含設(shè)備信息和實(shí)驗(yàn)參數(shù)，設(shè)備信息表示數(shù)據(jù)的信息來源，實(shí)驗(yàn)參數(shù)表示采集獲取的結(jié)果。數(shù)據(jù)的格式是量化的信息參數(shù)，即以數(shù)字表格的方式截獲，選擇數(shù)據(jù)庫表格形式進(jìn)行存儲。信息輸轉(zhuǎn)、輸出內(nèi)容應(yīng)用數(shù)據(jù)庫表存儲的數(shù)據(jù)，輸出方式選擇以數(shù)據(jù)表格、根據(jù)數(shù)據(jù)表繪制的曲線圖方式輸出，輸出內(nèi)容可以導(dǎo)出[2]（見圖4）。

3二級信息的處理技術(shù)

3.1 采集與加工技術(shù)

二級信息采集與加工由多參數(shù)測量設(shè)備完成，該測量設(shè)備一般為多傳感器組成，是多個(gè)單參數(shù)測量設(shè)備的集成，這也是測量設(shè)備的發(fā)展趨勢。

二級信息的采集與加工技術(shù)與一級信息的類似，此處不重復(fù)贅述。

多參數(shù)測量設(shè)備將采集與加工功能封裝在一起，設(shè)備內(nèi)部設(shè)有獨(dú)立的信息存儲部件，可以直接在其設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)存儲位置獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)信息，并通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)街付ㄎ恢谩?/p>

3.2 存儲技術(shù)與輸出方式

二級信息可以直接在測量設(shè)備的數(shù)據(jù)存儲位置獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)信息，并通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)街付ㄎ恢?。存儲技術(shù)與一級信息的解決方案相同，只不過多個(gè)實(shí)驗(yàn)參數(shù)對應(yīng)多個(gè)列表。二級信息的存儲內(nèi)容主要包含設(shè)備信息和實(shí)驗(yàn)參數(shù)，其中，設(shè)備信息表示信息的來源，實(shí)驗(yàn)參數(shù)表示信息截獲結(jié)果。二級信息大部分屬于量化信息，以數(shù)字方式存在，選擇數(shù)據(jù)庫表格存儲方式。輸出內(nèi)容是數(shù)據(jù)庫表存儲的數(shù)據(jù)。輸出方式選擇以數(shù)據(jù)表格、根據(jù)數(shù)據(jù)表繪制的曲線圖方式輸出，輸出內(nèi)容可以導(dǎo)出[3]。

4三級信息的處理技術(shù)

4.1 采集、加工技術(shù)特點(diǎn)

三級信息主要利用攝像頭等視頻工具完成采集、加工過程，攝像頭與軟件系統(tǒng)通過網(wǎng)線連接在一起，圖片視頻數(shù)據(jù)信息通過Ethernet（10M/s）傳遞至指定的存儲位置。

三級信息的質(zhì)量取決于影像錄制系統(tǒng)的性能水平，影像錄制系統(tǒng)在出廠之前，生產(chǎn)商已經(jīng)將采集、加工技術(shù)設(shè)計(jì)并封裝在系統(tǒng)之中。實(shí)驗(yàn)室在配置此類設(shè)備時(shí)，可按照實(shí)驗(yàn)具體需求購置設(shè)備。因此，三級信息的采集、加工技術(shù)取決于影像錄制系統(tǒng)的配置水平。

4.2 存儲與輸出方式

影像類信息主要以視頻、圖像文件方式和二進(jìn)制數(shù)據(jù)庫表方式進(jìn)行存儲?；馂?zāi)實(shí)驗(yàn)中常用的影像錄制設(shè)備一般以影像文件輸出采集、加工好的信息，因此，三級信息選擇文件方式進(jìn)行存儲。其中，對于影像信息結(jié)構(gòu)的特殊性，只能選擇相應(yīng)播放器作為信息輸出方式[4]。

5四級、五級信息的處理技術(shù)

四級信息的采集與加工依賴于手工操作測量設(shè)備及其使用者。該類測量設(shè)備一般沒有數(shù)據(jù)輸出接口，只能通過人工讀取測量結(jié)果，然后將測量結(jié)果記錄或錄入到存儲媒體中。四級信息具有量化格式，其存儲和輸出方式與一級信息的相同，在此不再贅述。

五級信息的采集與加工完全依賴于實(shí)驗(yàn)者，只能通過人工采集、加工方式獲得，以文字或符號形式對實(shí)驗(yàn)狀態(tài)相關(guān)信息進(jìn)行描述，該類信息以手工錄入并保存到相應(yīng)的存儲位置或相應(yīng)的文件中。

6結(jié)束語

本文首先將火災(zāi)實(shí)驗(yàn)信息按照采集方式、實(shí)驗(yàn)參數(shù)類型及所使用測量設(shè)備進(jìn)行分級，然后依次針對各級信息的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，從實(shí)驗(yàn)信息采集、加工、存儲和輸出四個(gè)方面對五級實(shí)驗(yàn)信息的處理方式進(jìn)行了闡述，直接支持火災(zāi)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)綜合分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)。

參考文獻(xiàn)

[1] 鄭忠濤.實(shí)體房間火災(zāi)試驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)[D].南京：東南大學(xué)，2012.

[2] 百度文庫.關(guān)于事物運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)和規(guī)律的表征[EB/OL].http：//wenku.baidu.com/view/207a8ed2ce2f0066f5332287.html，2013-13-9.

[3] 國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局.火災(zāi)試驗(yàn)表面制品的實(shí)體房間火試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)：GB/T 25207.2010[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2010.

[4] 劉惠珠.實(shí)驗(yàn)教學(xué)與實(shí)驗(yàn)室管理平臺的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].濟(jì)南：山東大學(xué)，2013.