基于多傳感器信息融合技術(shù)的密閉空間環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)研究和設(shè)計(jì)

商麗娟

摘 要：密閉空間作業(yè)存在缺氧、可燃?xì)怏w爆炸、中毒等事故發(fā)生的風(fēng)險。因此，本文提出了基于多傳感器信息融合技術(shù)的密閉空間環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用基于CAN總線的三層網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，保證了信息傳輸?shù)膶?shí)時性和系統(tǒng)的可擴(kuò)展性;通過傳感器的種類配置和數(shù)據(jù)信息的融合算法，更好地還原被檢測環(huán)境的真實(shí)情況，有利于系統(tǒng)采取更準(zhǔn)確的信息判斷和控制策略。

關(guān)鍵詞：LabVIEW;多傳感器;信息融合;密閉空間

中圖分類號：TD712文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1003-5168（2021）04-0023-03

Abstract： There are risks of accidents such as lack of oxygen， flammable gas explosion， and poisoning in confined space operations. Therefore， this paper proposed a confined space environment monitoring system based on multi-sensor information fusion technology. The system adopts a three-layer network topology based on the CAN bus to ensure the real-time performance of information transmission and the scalability of the system; it can better restore the real situation of the detected environment through the configuration of sensor types and the fusion algorithm of data information， which is helpful for the system to adopt more accurate information judgment and control strategies.

Keywords： LabVIEW;multi-sensor;information fusion;confined space

密閉空間指的是進(jìn)出口狹小、作業(yè)空間狹窄、空氣不流通或流通不暢的各類場所，如大型儲罐、地下管道、糧倉、艦艇船艙、隧道乃至機(jī)艙、航空航天站等[1]。密閉空間作業(yè)具有缺氧、氣體爆炸、氣體中毒等風(fēng)險，很容易造成人身傷害?？扇夹詺怏w（甲烷、一氧化碳和揮發(fā)性有機(jī)化合物等）是造成密閉空間危險性的重要因素之一[2]。研究表明，溫度過高也是密閉空間爆炸的重要因素，影響工作的安全性[3]，所以溫濕度也是密閉空間必須監(jiān)測的參量。氧氣是維持操作人員生命的主要因素，缺氧和富氧都會對人體造成傷害。

現(xiàn)階段，相關(guān)的環(huán)境監(jiān)測設(shè)備考慮了太多的通用性，存在資源配置浪費(fèi)、技術(shù)慣性大、整合先進(jìn)技術(shù)（如信息融合、智能控制技術(shù)）成本高和周期慢等特點(diǎn)。一般的設(shè)計(jì)思路是主控制器收集各種傳感器信息并進(jìn)行簡單的分析、處理，最后進(jìn)行報警、控制外部設(shè)備、顯示和上傳信息。這種設(shè)計(jì)思路隔斷了底層各傳感器信息之間的有機(jī)聯(lián)系，丟失了信息有機(jī)組合蘊(yùn)涵的特征，造成信息資源的浪費(fèi)。

針對以上問題，本課題提出了基于多傳感器信息融合技術(shù)的密閉空間環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，旨在通過傳感器的種類配置、數(shù)據(jù)信息的融合算法以及搭建高響應(yīng)速度的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，挖掘出深層次的傳感器信息數(shù)據(jù)，更好地還原被監(jiān)測環(huán)境的真實(shí)情況，從而做出更準(zhǔn)確的信息判斷和控制決策。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)組成與工作原理

本系統(tǒng)采用三層體系結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

1.1.1 底層。底層為傳感器網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場控制層，由各種傳感器及外部設(shè)備控制模塊組成。

1.1.2 中間層。中間層為控制層，控制層使用美國National Instruments公司的CompactRIO系列NI cRIO-9039型控制器，該款控制器是基于現(xiàn)場可編程邏輯門陣列

（Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）和運(yùn)行NI Linux Real-Time操作系統(tǒng)的實(shí)時處理器，與控制器局域網(wǎng)絡(luò)（Controller Area Network，CAN）接口模塊NI-9853配合使用，可使系統(tǒng)總線通信響應(yīng)時間精確至毫秒級。

1.1.3 頂層。頂層為基于LabVIEW軟件的中心監(jiān)控層。LabVIEW是基于G語言的編程軟件，最大特點(diǎn)是圖形化、模塊化，大大提高了程序運(yùn)行效率，縮短了系統(tǒng)響應(yīng)時間。

1.2 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

從網(wǎng)絡(luò)分層來看，為保證通信的可靠性和高速性，系統(tǒng)可分為兩級CAN總線網(wǎng)絡(luò)：一級網(wǎng)絡(luò)由中心監(jiān)控服務(wù)器與控制器組成，控制器的數(shù)量根據(jù)傳感器的數(shù)據(jù)調(diào)整，采用CAN2.0B的通信協(xié)議;二級網(wǎng)絡(luò)由底層傳感器與控制器組成，每個控制器最大可輸出16路總線信號，每路總線可連接128個探測器。該網(wǎng)絡(luò)可根據(jù)系統(tǒng)大小進(jìn)行擴(kuò)充與刪減。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

傳感器數(shù)據(jù)融合的定義可以概括為把分布在不同位置的多個同類或不同類傳感器所提供的局部數(shù)據(jù)資源加以綜合，采用計(jì)算機(jī)技術(shù)對其進(jìn)行分析，消除多傳感器信息之間可能存在的冗余和矛盾，加以互補(bǔ)，降低其不確定性，獲得被測對象的一致性解釋與描述，從而提高系統(tǒng)決策、規(guī)劃、反應(yīng)的快速性和正確性，使系統(tǒng)獲得更充分的信息[4]。本系統(tǒng)軟件主要解決的問題是多傳感器信息融合技術(shù)的設(shè)計(jì)，利用多個傳感器數(shù)據(jù)共同作用的優(yōu)勢，提高整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性和有效性，降低單個傳感器數(shù)據(jù)的局限性，從而提高數(shù)據(jù)信息精度，制定更高效的控制策略。

密閉空間環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)信息融合的基本過程如圖2所示。每個傳感器采集的數(shù)據(jù)在本地進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，然后通過網(wǎng)絡(luò)傳送到控制器。在控制器內(nèi)，首先進(jìn)行異常數(shù)據(jù)篩選。為了得到更真實(shí)的數(shù)據(jù)，要對其進(jìn)行卡爾曼濾波處理，再進(jìn)行像素級的數(shù)據(jù)融合。然后，根據(jù)控制目標(biāo)的不同，對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分類整理，得出相應(yīng)的控制策略。

2.1 控制器軟件

2.1.1 異常數(shù)據(jù)篩選。異常數(shù)據(jù)篩選包含以下幾種情況：本系統(tǒng)中使用的探測器傳感原理均為模擬量連續(xù)采集，若出現(xiàn)超過5%的數(shù)據(jù)跳變，則認(rèn)為該數(shù)據(jù)受到環(huán)境等方面的影響而失真，此時應(yīng)該放棄該數(shù)據(jù)點(diǎn);若數(shù)據(jù)上傳頻率與設(shè)定頻率嚴(yán)重不符，則數(shù)據(jù)滯后，此時放棄該時間段內(nèi)所有數(shù)據(jù)點(diǎn)，填入數(shù)據(jù)故障代碼;探測器多次上傳重復(fù)數(shù)值，則傳感器或網(wǎng)絡(luò)故障，應(yīng)放棄該時間段內(nèi)所有數(shù)據(jù)點(diǎn)，填入故障代碼。

2.1.2 卡爾曼濾波?？柭鼮V波一般用于探測器低層動態(tài)數(shù)據(jù)融合，1960年由Kalman首次提出，具有線性最小方差估計(jì)的一切特點(diǎn)[5]?？柭鼮V波的基本思想是：通過采用信號與噪聲的狀態(tài)空間模型，利用前一時刻的估計(jì)值和當(dāng)前時刻的觀測值來更新對狀態(tài)變量的估計(jì)，得出當(dāng)前時刻的估計(jì)值。其涉及以下幾個方程。

2.2 上位機(jī)監(jiān)控軟件

上位機(jī)監(jiān)控軟件的作用是對數(shù)據(jù)信息進(jìn)行監(jiān)測、分類。從信息融合模型可以看出，該系統(tǒng)的控制策略群有2個，即氣體濃度控制策略群和溫度控制策略群。

2.2.1 氣體濃度控制策略群?？扇?xì)怏w探測器用于監(jiān)測密閉環(huán)境中碳?xì)浠衔餁怏w的含量。當(dāng)可燃?xì)怏w濃度超過爆炸下限20%LEL及50%LEL時，要發(fā)出低限報警與高限報警。

一氧化碳探測器用于監(jiān)測密閉環(huán)境中一氧化碳?xì)怏w的含量。當(dāng)一氧化碳濃度超過100 mg/m3或200 mg/m3時，要發(fā)出一級報警和二級報警。

氧氣探測器用于監(jiān)測密閉環(huán)境中氧氣的含量。環(huán)境氧氣的過氧報警設(shè)定值宜為23.5%VOL，欠氧報警設(shè)定值宜為19.5%VOL。

上述氣體濃度超標(biāo)后，均需要啟動風(fēng)機(jī)進(jìn)行通風(fēng)處理，直至濃度恢復(fù)正常值。氣體濃度控制策略中，可以采用模糊三角形隸屬度函數(shù)來獲取各傳感器在對應(yīng)濃度區(qū)段內(nèi)的基本概率。在實(shí)際測量中，可燃?xì)怏w、一氧化碳、氧氣對于風(fēng)機(jī)控制的權(quán)值是不一樣的，最終得出風(fēng)機(jī)控制策略。

2.2.2 溫度控制策略群。溫度探測器用于監(jiān)測環(huán)境溫度。根據(jù)《點(diǎn)型感溫火災(zāi)探測器》（GB 4716—2005）的規(guī)定，溫度報警值設(shè)定范圍為50～65 ℃。當(dāng)溫度超過限定值時，應(yīng)啟動噴淋系統(tǒng)用于滅火。同時，應(yīng)時刻監(jiān)測液位傳感器的狀態(tài)，防止由于噴淋系統(tǒng)啟動引發(fā)水位過高。

2.2.3 上位監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)。本文使用LabVIEW軟件開發(fā)了基于多傳感器數(shù)據(jù)融合的密閉空間環(huán)境監(jiān)測與控制的上位監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了傳感器的數(shù)據(jù)采集、傳輸及相應(yīng)外部設(shè)備的控制。軟件基本分為6個功能模塊：數(shù)據(jù)監(jiān)測量采集、處理、顯示與存儲模塊;外部設(shè)備控制輸出模塊;實(shí)時報警、歷史報警顯示與記錄、查詢模塊;事件管理模塊;用戶管理模塊;信息發(fā)布模塊。

3 結(jié)語

本文主要設(shè)計(jì)了基于多傳感器信息融合技術(shù)的密閉空間環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于CAN總線協(xié)議的三級網(wǎng)絡(luò)總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，與一般的總線相比，CAN總線的數(shù)據(jù)通信具有可靠性、實(shí)時性和靈活性，同時采用基于CompactRIO的LabVIEW控制系統(tǒng)的構(gòu)建方法，大大提高了系統(tǒng)的實(shí)時性和系統(tǒng)的抗惡劣環(huán)境能力。本文將多個傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行異常篩選、卡爾曼濾波處理，以提高數(shù)據(jù)的實(shí)時性與可靠性，以便制定更準(zhǔn)確的控制策略。

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