數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)在電動汽車火災(zāi)預(yù)防和調(diào)查中的應(yīng)用

程高平 熊高峰

（寧波市寧?？h消防救援大隊，浙江寧波 315600）

0.引言

隨著社會的發(fā)展，人類發(fā)明了各式各樣的新能源汽車，數(shù)量與日俱增，并逐步替代傳統(tǒng)汽車。電動汽車是新能源汽車的一種，社會保有量極速增長。電動汽車相對傳統(tǒng)汽車更加環(huán)保，但是發(fā)生故障導(dǎo)致火災(zāi)的風(fēng)險仍然存在，特別是動力電源故障導(dǎo)致火災(zāi)的事故頻發(fā)。因此研究電動汽車火災(zāi)，分析查找火災(zāi)規(guī)律，建立完善預(yù)防措施十分必要。

1.電動汽車的基本結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 電動汽車的基本機構(gòu)

電動汽車的結(jié)構(gòu)主要由電力驅(qū)動控制系統(tǒng)、汽車底盤、車身以及各種輔助裝置等部分組成。除了電力驅(qū)動控制系統(tǒng)，其他部分的功能及其結(jié)構(gòu)組成基本與傳統(tǒng)汽車相同。核心部分為電力驅(qū)動控制系統(tǒng)，電力驅(qū)動控制系統(tǒng)分為車載電源模塊、電力驅(qū)動主模塊和輔助模塊三大部分。

車載電源模塊，是電動汽車的能量來源，它除了供給汽車驅(qū)動行駛所需的電能外，也是供應(yīng)汽車上各種輔助裝置的工作電源。車載電源的主要是蓄電池，主要的蓄電池種類有，鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池、鈉硫電池、二次鋰電池，如今主流的電動車基本上都是采用鋰電池。

電力驅(qū)動主模塊主要由中央控制單元、驅(qū)動控制器、專用電動汽車電機、機械傳動裝置等組成。輔助模塊與傳統(tǒng)燃油汽車基本相似，有輔助動力源、動力轉(zhuǎn)向、空調(diào)、導(dǎo)航、收音機、照明等。

1.2 電動汽車的工作原理

電動汽車的以蓄電池為能量來源，根據(jù)加速踏板、制動踏板的輸入信號，汽車的中央控制器控制電源的電流輸出，向驅(qū)動控制器發(fā)生相應(yīng)的控制指令，對電動機進行起動、加速、降速、制動控制。驅(qū)動控制器按中央控制單元的指令，控制電動汽車電機的速度、電流反饋信號，對電動機的速度、驅(qū)動轉(zhuǎn)矩及旋轉(zhuǎn)方向進行控制。汽車電機根據(jù)驅(qū)動控制器的控制指令和輸入的電流等，把電能轉(zhuǎn)換為機械能，通過機械傳動裝置，驅(qū)動汽車運行[1]。

2.電動汽車火災(zāi)現(xiàn)狀分析

隨著電動汽車市場保有量的不斷增加，電動汽車火災(zāi)事故也越來越多。2020年全年有媒體報道的電動汽車火災(zāi)事故達124起，同比2019年事故起數(shù)上升近50%。電動汽車消防安全問題成為了當(dāng)前社會高度關(guān)注的問題之一。

2.1 電動汽車火災(zāi)的特點

（1）電動汽車引發(fā)火災(zāi)因素多。電動汽車較傳統(tǒng)動力車輛引發(fā)火災(zāi)的因素更多，如動力電池等產(chǎn)品缺陷產(chǎn)品缺陷，充電樁過充等異常情況，托底磕碰動力電池損傷等。

（2）電動汽車動力電池火災(zāi)發(fā)展速度快。電動汽車電池故障發(fā)生火災(zāi)，從冒煙到自燃時間短，從幾秒鐘到幾分鐘不等，擴大蔓延速度非?？臁?/p>

（3）電動汽車動力電池火災(zāi)撲救時間長。電動汽車火災(zāi)中動力電池內(nèi)部反應(yīng)比較難中止，內(nèi)部反應(yīng)是在密閉空間中發(fā)生的，不需要氧氣的參與，撲救時冷卻降溫的水只能打到電池包的外部，撲救時往往需要破拆，對動力電池進行灌水操作，因此撲救難度大，火災(zāi)易復(fù)燃，撲救時間較長。

（4）電動汽車火災(zāi)痕跡破壞嚴重判斷困難。火災(zāi)撲救時間長，撲救時部分需要破拆，對痕跡的破壞嚴重。另外，電動汽車動力電池往往布置于底盤部位，在使用過程中容易發(fā)生托底、磕碰等情形，但動力電池的托底、磕碰對火災(zāi)的影響因素難以簡單直接判斷，痕跡判斷困難。

2.2 電動汽車火災(zāi)調(diào)查現(xiàn)狀

2016年，我國已發(fā)布（GB/T 32960-2016）《電動汽車遠程服務(wù)與管理系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》[2]，要求建立國家、政府、企業(yè)三級新能源汽車監(jiān)控平臺，實現(xiàn)電動汽車數(shù)據(jù)的實時采集與傳輸。截至2020年底，新能源汽車監(jiān)控平臺累計接入新能源汽車超400萬輛，基本實現(xiàn)了車輛全覆蓋。國內(nèi)電動汽車火災(zāi)調(diào)查時，已開始結(jié)合現(xiàn)場勘驗，探索新能源汽車監(jiān)控平臺數(shù)據(jù)的分析，并為現(xiàn)場勘驗做好輔助判斷。

國外電動汽車未建立統(tǒng)一的監(jiān)控平臺，沒有有效的數(shù)據(jù)支持電動汽車火災(zāi)的分析，電動汽車火災(zāi)的調(diào)查停留在現(xiàn)場痕跡分析和物證鑒定分析相結(jié)合的方式，相比較而言，國外電動汽車火災(zāi)調(diào)查時間較長。

2.3 電動汽車后臺數(shù)據(jù)應(yīng)用存在的問題

目前國內(nèi)電動汽車后臺數(shù)據(jù)挖掘應(yīng)用仍在探索中，數(shù)據(jù)采集和應(yīng)用也面臨著一些技術(shù)難題，未實現(xiàn)對電動汽車火災(zāi)調(diào)查和預(yù)防的有效支撐。

（1）后臺數(shù)據(jù)采集不全。電動汽車在行駛和充電過程中能夠?qū)崟r上傳數(shù)據(jù)到后臺，但是部分電動汽車在處于休眠狀態(tài)下，數(shù)據(jù)無法實時上傳到后臺，后臺數(shù)據(jù)存在部分缺失，無法進行有效分析。

（2）后臺數(shù)據(jù)分析難度大。電動汽車后臺數(shù)據(jù)量大，數(shù)據(jù)分析主要還是依靠人工分析，對于調(diào)查人員專業(yè)要求也很高，既要懂電動汽車數(shù)據(jù)傳輸要求、數(shù)據(jù)項關(guān)系等車輛開發(fā)專業(yè)知識，又要懂火災(zāi)專業(yè)知識，后臺數(shù)據(jù)分析難度大。

（3）后臺數(shù)據(jù)對應(yīng)規(guī)律不明顯。電動汽車因充電樁異常過充、動力電池碰撞擠壓等外部原因引發(fā)火災(zāi)，后臺數(shù)據(jù)表征不夠明顯，火災(zāi)現(xiàn)場痕跡特征與后臺數(shù)據(jù)規(guī)律對應(yīng)關(guān)系不清晰，無法有效指導(dǎo)火災(zāi)現(xiàn)場勘驗。

3.電動汽車后臺數(shù)據(jù)開發(fā)應(yīng)用的對策

為了進一步加強對電動汽車后臺數(shù)據(jù)的開發(fā)應(yīng)用，有效指導(dǎo)電動汽車火災(zāi)的預(yù)防和調(diào)查處理，主要對策如下：

3.1 完善后臺數(shù)據(jù)采集

加強電動汽車“黑匣子”研發(fā)，對電動汽車的電源系統(tǒng)和電力驅(qū)動控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集，研發(fā)電動汽車休眠狀態(tài)下的關(guān)鍵部件電信號的采集，不斷完善采集的數(shù)據(jù)。

3.2 加強電動汽車火災(zāi)發(fā)生機理研究

基于汽車火災(zāi)試驗，采用加速量熱和紅外成像等測試技術(shù)，探索電動汽車火災(zāi)過程中溫度、電壓、電流、產(chǎn)熱量和壓力等參數(shù)的變化規(guī)律，研究電動汽車動力電池內(nèi)部材料的物理、化學(xué)變化，研究內(nèi)部機理與外部參數(shù)的關(guān)聯(lián)關(guān)系；在不同環(huán)境溫度，以不同濫用工況觸發(fā)機制對不同類型動力電池開展火災(zāi)試驗，研究不同因素對電動汽車火災(zāi)內(nèi)部反應(yīng)機理和外部特征參數(shù)的影響機制。

3.3 加快電動汽車火災(zāi)建模開發(fā)

充分發(fā)揮消防救援部門和電動汽車企業(yè)的專業(yè)技術(shù)特點，共同研究電動汽車火災(zāi)建模，開發(fā)后臺數(shù)據(jù)處理分析軟件?；诓煌瑸E用行為、環(huán)境溫度以及車輛老化程度對電動汽車火災(zāi)特性的影響，建立完整的電動汽車的機—電—熱耦合火災(zāi)機理模型，針對電動汽車火災(zāi)發(fā)展過程中存在的多影響因素耦合、拓展路徑及特性模糊的現(xiàn)象，構(gòu)建電動汽車多域、多尺度火災(zāi)模型，面向大數(shù)據(jù)的應(yīng)用場景，基于電動汽車熱失控前的電壓、電流、溫度等參數(shù)的異常波動情況，分析不同參數(shù)間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，提取電動汽車火災(zāi)前的特征參數(shù)。

3.4 研發(fā)典型痕跡分析判定軟件

基于大數(shù)據(jù)的電動汽車火災(zāi)現(xiàn)場診斷信息，建立電動汽車火災(zāi)痕跡數(shù)據(jù)庫，采取數(shù)理統(tǒng)計、機器學(xué)習(xí)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)獲深度學(xué)習(xí)等方法，形成對現(xiàn)場采集痕跡圖像的理解、判斷和預(yù)測的標準，建立電動汽車典型火災(zāi)痕跡分析判定方法和識別技術(shù)，開發(fā)與電動汽車后臺數(shù)據(jù)分析相配套的應(yīng)用軟件，科學(xué)有效的指導(dǎo)電動汽車火災(zāi)調(diào)查。

4.結(jié)語

電動汽車數(shù)量與日俱增，有效防范電動汽車火災(zāi)，快速準確的調(diào)查處理電動汽車火災(zāi)意義十分重大，掌握電動汽車的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，加強電動汽車火災(zāi)機理研究，完善電動汽車后臺數(shù)據(jù)采集，開發(fā)建立電動汽車火災(zāi)數(shù)據(jù)模型、應(yīng)用軟件和典型火災(zāi)痕跡分析判定系統(tǒng)，結(jié)合應(yīng)用，深入挖掘電動汽車后臺數(shù)據(jù)，厘清后臺數(shù)據(jù)和火災(zāi)痕跡的對應(yīng)關(guān)系，為電動汽車火災(zāi)預(yù)防和調(diào)查處理提供有效的技術(shù)支持，建立電動汽車的健康安全標準體系，改善電動汽車消防安全環(huán)境。