（控制理论与控制工程专业论文）多传感器信息融合火灾探测器及算法研究.pdf

摘要 摘要 本文结合火灾信号的特点，在分析了现代火灾探测技术中存在的问题的基础上，提 出一种基于模糊神经网络的智能火灾探测器。该探测器采用凌阳公司最新推出的1 6 位单 片机s p c e 0 6 l a 作为控制核心，对火灾发生时特征比较明显的温度、烟雾、c o 气体三 种传感器信息进行融合，利用智能算法，得出火灾发生的可能性；同时为了简化系统结 构、合理布线，提高系统的可靠性，探测器通讯采用c a n 总线结构。这样充分利用了 s p c e 0 6 1 a 处理速度快，易扩展和c n 总线数据传输的可靠性、开放性，在硬件上保证 了火灾探测的实时性和准确性。可有效地降低误报率。在控制算法上，利用神经网络的 自学习能力和模糊逻辑易于理解的特点，将二者结合起来，采用模糊神经网络控制。为 了突出火灾发生时传感器信息的信号特征，在神经网络前后均串联有模糊系统。考虑到 火灾信号的渐变特性，将控制论中的反馈思想和火灾信号特征持续时间也引入到火灾探 测算法上，以一段时间内探测信号的整体变化趋势作为判断依据，因此达到了提早报警 和进一步降低误报率的目的。仿真结果表明该模糊神经网络能够准确探测各种标准火和 试验火，有很强的抗干扰能力，从而验证了系统的有效性和可行性。 关键词：火灾探钡4 多传感器信息融合 s p c e 0 6 1 ac a n 总线 模糊神 经网络 河南理工大学硕士学位论文 a b s 打a c t i nm i sp 印e rc o m b m m gw i t ht h ec h a r a c t e ro ff i f es i 掣l a l ，r ，a f c e ra n a l y z i n g 也ep r o b l e mo f m o d c m 衙ea l a r ms y 啦m ，ak i n do f n e wi d l 枷g e n t 缶ed 咖c t o r b a s e do n 如z 巧n e u 谳n 咖o r k i sp r o p o s e d t h j sf h 冶d e t e c t o ra d o p t s1 6b y t es i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e ro fl i n g y 砒培c o m p a n y n e w r e l e a s i n gt 0b ec o n 拄o lc o r e ，m 出g1 h r e es e n s o rd a t ai n c l u m n gt e 】n p 吲l n 聆，s m o k ea n dc o a i rw h i c hh a v eo b v i o u sc h a 豫c t e ri i l 觚，矗r ep r o b a b i l 谛o b t a i n e db y 缸e m g e n ta r i t l l m e t i co f f l l z z yn e u r a ln e 聃o r k ；a t 也es a m et i m ef o rr a i s es p e e d 趿da c c u r a c yo fd a t ad e l i v e d l l g ， d e t e c t o rc a 咖呱c a t i o nl l s e sc a nb l l ss 协】咖r e t h u s 砌li 删n gu s eo fs p c e 0 6 1 a 删c h y p r o c e s s i n gs p e e d ，e x p a n de 嬲i l ya n d 也ec r e d i b i i 时a i l do p e no fc a nb i l sd e l i v e rd a t a ，l e v e r a c i 母o fq u i c kf i r ed e t e c t o ri s 昏咖瑚妣e do nh f 呱1 w a r e ，c a na v a i l a b l yl o w e rn l em i s w 蚵n g r 出o nc o n n 口la r i 讥船e t i c ，u s i n gt h ec l l a r a c t e r i s t i c so fn c u r a l 咖r ks e l f - 忸l 唱h ta n df l l z z y l o 百ce a s yc o m p r e h e n d ，c o n l b i n i n g 州t h 也ea d v a n t a g eo f n e u r a ln 出0 r ka n d 血z z yl o g i c ，f o r o u t s t a n d i n gs e n s o ri 1 1s i g 删c h a r a c 钯r i s t i c ，e s t a b l i s h e sf | l z z ) rs y s t e mi n 肋n ta n d b a c k0 f n e 删 n e t w o r k i i lc o n s i d e r a d o no fa 矗r cs i g n a lc h a n g e s 血ec h a r a c t e r i s t i c 髓狃u a l l y ，l e a d i n gm e c ) ，b e m e t i cc o n t r o lt i l e o r ) ra b o mf e e d b a c k 也o u g h ta n dh o l d i n gt i 】【i l eo f 蠡r es i g i l a lc h a r a c t e r i s t i c s i n t of h ed e t e c t i o nc a l c u l a t ew a y ，i t sj u d 霉n e n tb 笛i si s 也ew h o l ev a r i e 哆t 嘲媳0 ft h cd 酏e c t i v e s i 弘a li naw 扯l e ，s oc o m et ot 1 1 e 妇0 fe a r l yw 砌n g 趾dr e d l l c em i s - w 舡i l i n gj h e s i m l 】l i n k r e s u i ts h o w st l l a t 也i 8n 蜘r kc a nd e t e c td i 矗打e ms t a 】帕a r dt e s tf j r ea c c i l r a t e l y 姐dh a ss 订o n g a m i - i n t e m r e n c ec a p a b i l i 锣，蛆dp f o v e s 也ef e 鹤i b i l 姆a n dv a l i d 畸o f t h e 矗r ed e t e c t i l l gs y s t e m 磁朔饼d s ：舭d e t e c t i o n m 1 1 l t i - s e n s o ri n f b r m a t i o nf u s i o ns p c e 0 6 1 ac a n b u s 向垤珂n e u r a ln e t 、i p 0 r k i i 河南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是我个人在导师指导下进行 的研究工作及取得的研究成果。论文中除了特别加以标注和致谢的地 方外，不包含任何其他个人或集体己经公开发表或撰写过的研究成果。 其他同志对本研究的启发和所做的贡献均已在论文中作了明确的声明 并表示了谢意。 本人学位论文与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。 学位论文作者签名 刀口r 年簟月沙日 河南理工大学 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻 读学位期间论文工作的知识产权单位属于河南理工大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论 文被查阅和借阅。学校可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编 本学位论文。 保密论文待解密后适用本声明。 、 学位论文作者签名 分干d r年4 月移日 指导教师签名 矽。f 年斗月2 ，口日 第1 章引言 1引言 1 1 课题的背景及选题的意义 火灾是种频繁发生而又损失惨重的灾难，一直是各个国家和部门关注而又 要求预防、遏制的灾祸。在人类同火灾做斗争的漫长岁月里，一直在寻找着各种 有效的方法去发现和扑灭火灾，以求最大限度地减少由于火灾而造成的损失。由 于一旦发生火灾，周围环境会立刻产生各种变化，这些变化将有助于察觉火灾的 发生。从1 9 世纪中期开始，人类就不断发明了各种机械、电气和电子装置进行火 灾探测和自动灭火。大量的火灾案例说明，特别是火灾早期报警是预防火灾、及 时扑灭火灾、降低火灾损失的一条有效的手段，发现越早，扑教越及时，形成灾 害的可能性就越小。近年来，我国发生的一些特大恶性火灾，如沈阳商业城火灾、 吉林中百商厦火灾、洛阳大火、焦作3 2 9 火灾、衡阳1 1 3 火灾等火灾事故，均造 成了大量人员伤亡和巨大的经济损失。随着各种高层、超高层建筑的出现，人员 越来越集中、结构越来越复杂，不仅发生火灾后扑救困难、危险大，而且损失惨 重，因此现代化建筑和企业对消防系统及其可靠性提出了更高的要求。 近代电子工业和计算机技术的快速发展，大大缩短了火灾早期报警时间、提 高了准确度，火灾自动报警系统和自动灭火系统已经形成了探测和扑灭不同火灾 的现代消防自动化系统，使各类工业建筑、高层民用建筑、地下建筑等得到了更 有效的保护。而火灾探测技术是有效避免灾难性火灾的重要保障，智能火灾探测 技术的宗旨就是要在火灾发生的早期，准确的判断火灾、预报火警，从而保障人 民的生命财产安全。 1 2 火灾报警技术的发展概况 火灾报警系统发展至今有一百多年的历史，经历了四个阶段。 第一个阶段，从1 9 世纪4 0 年代到2 0 世纪4 0 年代，以感温火灾探测技术为 代表。1 8 4 7 年美国牙医c h a r i n i n g 和缅因州大学教授f 釉e r 研究出世界上第一台城 镇火灾报警发送装置，使人类进入了开发火灾自动报警系统的时代。这期间感温 探测器占主导地位，根据感温探测器采集的温度信号是否超过某一阈值，判断是 否有火灾发生，火灾自动报警系统处于初级阶段。 第二个阶段，从2 0 世纪5 0 年代到7 0 年代，以感烟火灾探测技术为代表。瑞 士物理学家e m s tm e i l i 博士研究出离子式感烟探测器。火灾探测技术主要根据感 河南理工大学硕士学位论文 烟探测器采集的烟雾信号，判断它是否起过某一闽值。7 0 年代以前由于器件上的 原因，火灾信号传输采用多线制，一般要求每个探测器采用两条或多条导线与火 灾报警控制器相连接，以确保从每个火灾探测点发出较为确切的火灾报警信号。 多线制系统是基于工业生产过程点对点控制方式开发的传统型系统，其结构特点 是火灾报警控制器采用直流信号巡检各个探测器，探测器和控制器之间采用硬线 对点连接关系，一般系统线制为a n + b ( n 是探测器，a - l ，2 ；b = 1 ，2 ，4 ) ，先进 的多线制系统采用数字编码技术，最少线制为n + l 。这种系统火灾探测装置简单， 成本费用较低。 第三个阶段，2 0 世纪8 0 年代至今。探测器输出模拟信号，由控制器对这些信 号进行处理，判断是否发生了火灾，它不仅解决了由探测器零点漂移而引起的误 报问题和探测器的检查问题，也提高了系统的可靠性。多线制系统由于工程设计、 旄工布线和系统维护复杂己逐步淘汰。随着单片机技术的普遍应用，人们将单片 机应用于火灾监控系统中，同时对每个探测点设置单独的地址编码，火灾报警控 制器通过巡检的方式采集各点的信息，即采用总线制的信号传输方式。总线制系 统结构是在多线制基础上发展起来的，其核心是采用数字脉冲信号巡检和数据压 缩传输，通过收发电码电路和微处理机实现火灾探测器与控制器的协议通信和整 个系统的监测控制。总线制的结构特点是系统线制为a n + b ( n 是探测器，a = o b = 2 ， 3 ，4 等) ，一般是二总线或三总线制，可实现系统集成、灵活布线，系统抗干扰能 力强、误报率低、总功耗小。虽然总线制系统在控制技术上有了较大的改进，但 对探测器的工作状况几乎没有改进，对火警的判断和发送仍由探测器决定。 第四个阶段，从8 0 年代后期开始至今。随着人们对火灾规律的认识进一步加 深及微处理器、计算机和传感器技术的迅速发展，使火灾报警技术进入智能时代， 先后出现了集中智能系统、分布智能系统及网络通讯系统。同时智能系统还突破 了火灾探测报警的范畴，与建筑物内的空调、供电、照明、防盗系统等公共设施 以及其它公共安全和管理系统合并为一个整体，组成楼字自动化管理系统，提供 中央监控和智能分散管理，发挥更大的作用。 集中智能系统结构一般是采用二总线制和大容量通用火灾报警控制器，其特 点是火灾探测器主要完成火灾参数的采集和传输，火灾报警控制器不停的处理每 个火灾探测器送回的数据，并采用计算机技术实现火灾信号识别、数据集中处理 储存、系统巡检、报警灵敏度调整、火灾判定和消防设备联动等功能，并配以区 域显示器完成分区声光报警。显然，建立在总线制基础上的集中智能系统能满足 2 第l 章引言 智能建筑中系统集成的基本要求。但是，系统中火灾报警控制器要及时处理每个 探测器送回的数据并完成一系列设定功能，当建筑规模庞大、探测器及消防设备 较多时，单一主机可能出现系统应用软件复杂庞大、火灾探测器巡检周期过长、 系统可靠性降低和使用维护不便等不足。 分布智能系统结构是在集中智能系统优势基础上形成的，它将火灾探测信息 的基本处理、环境补偿、探头污染监测和故障判断等功能由火灾报警控制器返还 给现场火灾探测器，免去控制器大量的信号处理负担，使之能从容实现火灾模式 识别、系统巡检、设备监控、数据通信等功能，提高了系统巡检速度、稳定性和 可靠性。显然，分布智能系统结构强调总线上有效数据传输，对火灾探测器设计 提出了及时性和可靠性方面的更高要求，通常是采用专用集成电路设计( a s i c ) 技术来降低分布智能系统中高性能探测器成本，提高性能价格比。 网络通信系统结构可在集中智能或分布智能系统基础上形成，特殊之处是将 计算机数据通信技术应用于火灾报警控制器，使控制器之间能够通过各种通信协 议，以及专用通信线或总线交换数据信息，实现火灾监控系统层次功能设定、远 程数据调用管理和网络通信服务等功能。显然，网络通信系统结构既可专用通信 网络实现，也可基于开放式的现场总线技术实现，再配以分布智能数据处理方式， 能适应高性能火灾监控系统的发展需要。为城市消防数据信息网络系统建设奠定 基础并满足未来发展需要。f ，2 】 1 3 传统火灾报警系统和现代火灾报警系统的对比 火灾报警系统按用途、探测技术方式、信号处理、系统连线以及智能化程度 分类有诸多类型，现行火灾自动报警系统可粗略分为传统火灾自动报警系统和现 代火灾自动报警系统两大类。 传统火灾自动报警系统与现代火灾自动报警系统之间的区别主要在于探测器 ( 敏感元件) 本身的性能。传感器由开关量探测器改为模拟量传感器，这是一个质的 飞跃。将烟气浓度、浓度上升速率或其他感受参数以模拟数值形式传给控制器， 使系统确定火灾状况的精确率、数据处理能力和智能化程度大为增加，减少了误 报率。区别之二在于改进了信号处理方法，按周期将探测器的模拟量信号送到中 央控制器进行运算、评估或判断，控制器用一定算法辨别虚假或真实火警，判断 火灾发展程度和探测器受污染的状态。这种信号处理技术，意味着系统具有较高 “智能”。现代火灾自动报警系统与传统火灾自动报警系统主要性能比较，如下表 3 第l 章引言 智能建筑中系统集成的基本要求。但是，系统中火灾报警控制器要及时处理每个 探测器送回的数据并完成一系列设定功能，当建筑规模庞大、探测器及消蹄设备 较多时，单一主机可能出现系统应用软件复杂庞大、火灾探测嚣巡检周期过长、 系统可靠性降低和使用维护不便等不足。 分布智能系统结构是在集中智能系统优势基础上形成的，它将火灾探测信息 的基本处理、环境补偿、探头污染监测和故障判断等功能由火灾报警控制器返还 给现场火灾探测器，免去控制器大量的信号处理负担，使之能扶容实现火灾模式 识别、系统巡检、设备监控、数据通信等功能，提高了系统巡检速度、稳定性和 可靠性。显然，分布智能系统结构强调总线上有效数据传输，对火灾探测器设计 提出了及时性和可靠性方面的更高要求，通常足采用专用集成电路设计( a s i c ) 技术来降低分布智能系统中高性能探测器成本，提高性能价格比。 网络通信系统结构可在集中智能或分布智能系统基础上形成，特殊之处是将 计算机数据通信技术应用于火灾报警控制器，使控制器之间能够通过各种通信协 议，以及专用通信线或总线交换数据信息，实现火灾监控系统层次功能设定、远 程数据调用管理和网络通信服务等功能。显然，网络通信系统结构既可专用通信 网络实现，也可基于开放式的现场总线技术实现再配以分布智能数据处理方式， 能适应高性能火灾监控系统的发展需要，为城市消防数据信息网络系统建设奠定 基础并满足未来发展需要。m 1 3 传统火灾报警系统和现代火灾报警系统的对比 火灾报警系统按用途、探测技术方式、信号处理、系统连线以及智能化程度 分类有诸多类型，现行火灾自动报警系统可粗略分为传统火灾自动报警系统和现 代火灾自动报警系统两大类。 传统火灾自动报警系统与现代火灾自动报警系统之间的区别主要在于探测器 ( 敏感元 牛) 本身的性能。传感器由开关量探测器改为模拟量传感器，这是一个质的 飞跃，将烟气浓度、浓度上升速率或其他感受参数以模拟数值形式传给控制器， 使系统确定火灾状况的精确率、数据处理能力和智能化程度大为增加。减少了误 报率。区别之二在于改进了信号处理方法，按周期将探测器的模拟量信号送到中 央控制器进行运算、评估或判断。控制嚣用一定算法辨别虚假或真实火警，判断 火灾发展程度和探测器受污染的状态。这种信号处理技术，意味着系统具有较高 “智能”。现代火灾自动报警系统与传统火灾自动报警系统主要性能比较，如下表 “智能”。现代火灾自动报警系统与传统火灾自动报警系统主要性能比较，如下表 河南理工大学硕士学位论文 1 1 所示。口1 【4 1 表卜l 现代火灾自动报警系统与传统火灾自动报警系统主要性能比较表 t a b l e1 1t h em a i l lf u n c 廿o nc o m p a r i s o no f m o d e m 眦dt r a d i 廿o n a lf i r e sa 1 珊s ”t e m 传统火灾自动报警系统现代火灾自动报警系统 探测器( 传感器)开关量 模拟量火灾探测最佳灵敏度 火灾探测最佳灵敏度 不唯一 唯一( 随外界环境变化而自行调 整1 报警阈值单一多态( 预警、报警、故障等) 探测器灵敏度漂移无补偿“零点”自动补偿 信号处理算法简单处理各种火灾算法 自诊断能力无有 误报率高达2 0 ：1 ，例如：4 5 只年低( 至少降低一个数量级甚至几 ( 广州市统计) )乎为零) ，例如：0 6 9 只年( 瑞 士主要城市的9 5 年统计) 可靠性低高 1 4 国内外火灾报警系统的研究概况及发展趋势 近年来，国内外都对火灾的预防、报警和控制进行了大量的研究，使火灾自 动报警系统和自动灭火系统的技术和产品不断更新换代。探测器由普通探测器发 展到带地址编码的探测器、智能探测器。信号线由原来的多线制发展到总线制， 报警控制也由单一的固定开关置控制发展到人工智能模拟量控制，模糊理论、神 经网络等先进的理论方法越来越多的用于火之类的判定中。探测器的性能和系统 的联动控制日趋完善，可靠性越来越高。 国外火灾报警技术的研究开始较早，生产该类产品的公司也有很多，美国的 盛赛尔、辛普勒斯、霍尼威尔、江森、特灵口c d ：日本的能美、松下、日探、报 智机；英国的g e n t 、e i 订o n 、科艺、w 0 r m a i n 、c 删b b 、阿波罗等；瑞士 的西伯乐斯；德国的安福、安舍、西门予：加拿大的爱德华、胜安等。国外产品 在中国生产的有：西安盛赛尔( 中美合资) 、北京西伯乐斯( 中瑞合资) 、天津安福( 独 资) 、上海能美( 独资) 、哈尔滨阿波罗( 技术引进) 、北京西门子( 技术引进) ，它们的 技术先进、产品众多。如德国西门子公司较早研制出专家型智能火灾网络系统， 充分利用网络通信技术，具有全新的中央控制装置、信息与操作员界面，其庞大 的火灾算法库，几乎能为所有的应用选用探测器和算法的最佳配合，并且可以实 行网络化管理。 我国火灾自动报警系统的应用和研究起步较晚，但近年来随着半导体技术、 4 第l 章引言 计算机网络与信息技术的发展以及人工智能与模式识别理论的实用化和建筑防火 规范的实施，使火灾探测及监控、控制技术有了很大的发展。目前许多厂家和科 研单位都开发研制了自己的产品。如中国科学自动化研究所研制的b k q 系列报警 装置、武汉光明仪表厂m t b g m 4 0 0 型火灾报警系统、哈尔滨东方自动化设备有 限公司d b e 6 0 0 0 火灾报警控制系统等。如南京消防集团有限公司盛华应用技术研 究院研制的南京市火灾自动报警系统监控网络( s u b - s y s t e mo fm 0 1 1 i t o r i n ga 1 1 d c o n t r o l l 堍o f a m o m 蚰cf i r ea j a ms y s t e m si nc n y ) ，它通过公用业务电话网，对城 市火灾自动报警系统进行远程实时数据采集和处理的管理，具有高可靠性、分散 控制、集中监视和管理的功能，处于国内领先水平。但总体上我国现有的火灾报 警系统存在许多不足，主要体现在： 技术落后，火灾报警判断缺乏科学性，信号处理方法单一，智能化程度低， 抗干扰性不强，可靠性、稳定性差； 火灾探测器的最佳灵敏度不唯一。未能很好解决探测器灵敏度和误报率之 间的矛盾； 火灾探测报警系统缺乏故障的自诊断、自排除的能力。 综合分析国内外火灾报警产品，可明确地看到火灾报警产品技术发展的特点： ( 1 ) 智能化：从传统型走向全总线智能型，从根本上解决火灾报警系统的误报 和漏报。 ( 2 ) 线制：从多线制走向全总线制，便于设计、施工、布线管理。 ( 3 ) 联动：从多线制的硬件组合走向全总线软件编程，便于设计、施工、管理 和现场修改。 ( 4 ) 标准化接口：从多品种的接口走向标准化接口，只用控制、监视两种模块 便可实现全部消防联动。 ( 5 ) 大屏幕汉显：主机对所有报警事件的类型、地址全部用汉字显示和提示。 ( 6 ) 联动标准化：为适应新颁布实施的消防联动设备新规范g b l 6 8 0 6 9 7 ，所有的火 灾报警控制器均要向“火灾报警控制器( 联动型) ”方向发展。 纵观国内外火灾报警产品的特点，可以明确认为，增加系统可靠性、智能化 技术的应用是消防报警控制系统技术发展的必然趋势，这将使探测性能越来越完 善，误报率不断降低。伽c 6 ) 【，】 1 5 智能型火灾报警系统 5 河南理工大学硕士学位论文 现代化的建筑需要具有象人的感官那样的高灵敏度和高可靠性的火灾探测能 力和象人脑那样的综合判断能力的多功能智能化火灾报警系统。对于火灾报警系 统来讲，如何解决“误报”和“漏报”问题一直是该系统采取各种技术措施所要 解决的一个中心问题。智能系统也不例外，其目的也在于如何从技术和方法上进 一步识别报警的真伪。为了解决“无灾误报”和“有灾不报”问题，过去人们把 注意力几乎全部集中于提高探测器的设计、制造的可靠性上，虽然这样也为解决 问题做出了一些贡献，并且提高硬件的可靠性也是十分必要的。但是由于火灾探 测器无论是离子感烟、光电感烟或其他感烟探测器其原理都是基于对被监视空间 空气中烟粒子浓度的测量，而在探测器安装的场所往往还有许多其他颗粒状的物 质存在，诸如湿度过大引起的水蒸汽颗粒、灰尘颗粒以及环境湿度变化引起的漂 移，电磁干扰引起的测量误差等，其中有些非火灾因素如水汽、灰尘等在物理特 性与几何尺寸上与烟粒子很难区别，过去系统误报或漏报并不是探测器灵敏度低 探测不到，根本问题在于系统对所获得的信息无法判断和区别。智能火灾报警系 统的问世对人们有极大的吸引力，这并不仅是当今世界已经把“智能化”当作一 种时尚，而是由于智能系统的问世为进一步解决误报和漏报问题提供了新的方法 和手段。 智能的基本要素是“信息”和“信息处理”。人类的各种智能活动( 感知、思维、 行为) 实际上都是基于对信息的获取和利用过程。各种智能特性( 自寻优、自适应、 自学习、自组织) 也都体现了系统在信息获取、传送、处理过程中的灵活性、有效 性和创造性。因此从这种意义上来讲所谓智能也可以被定义为：系统灵活地、有 效地、创造性地进行信息获取、传送、处理利用的能力。 英国消防协会f p s a ) 给智能火灾系统所下的定义是：使用探测元件将其探测 到的烟浓度或者温度以模拟量方式连同用于判断发生或未发生火灾的参数一起传 送给报警器，报警器再根据获取的数据及内部存储的数据利用火灾判据来判断火 灾是否存在的系统叫做智能火灾报警系统。【7 】嗍 由此可见智能的关键就在于它能将从探测器上获取的代表环境变化的信息与 报警器中已存储的真实火灾特性参数、误报的模拟量参数和不同的干扰参数加以 对比，并利用火灾判据判断火灾的真伪。因此智能型火灾报警系统有探测智能、 监测智能、抗干扰智能的特点。在抗干扰、系统监视和探测与判断的方法上都与 传统方式不同，它在对信息的处理、分析、判断和对非火灾因素进行补偿等方面 采用了全新的方案，因此对解决“误报”和“漏报”问题和进一步提高报警准确 6 第1 章引言 度方面都做出了创造性的贡献。 ( 1 ) 探测智能火灾探测器能够连续检测监控区域的火灾参数，将火灾特 征参数变为一些可测信号，采用现代信号检测和处理方法，通过建立数学模型和 算法，使本次采集的火灾参数与前若干次参数一起进行综合判断、处理；或将经 过大量实验验证的一般性燃烧曲线作为基础比较曲线，再配以相应的数学模型或 算法进行综合比较，即模式识别法，达到识别真实火灾的目的。这样的系统不但 能够适应各种环境情况的变化，还具有自动运行参数的自适应能力。 ( 2 ) 监控智能系统一旦开始运行，要求具有高度的可靠性，应有自诊断 故障、自排队故障的能力，必须使始保持自身的完好性能。监控智能化一般是是 通过软件( 程序块) 来完成的，监控程序( 监督故障) ，显示程序，数据库及主程 序( 执行检查) ，纠错程序等周期地运行，能给出故障信号并指示部位，并将故障 部位及时间等信息记录、打印。尤其是对程序执行状态中的错误及内存数据出错 也能及时检测和纠正。使系统始终保持良好的使用和维护状态。当火警信号和故 障信号同时存在时，还具有火警优先的功能。 ( 3 ) 抗干扰智能由于系统所处的运行环境复杂，往往环境空间和系统内 部电路中存在着严重的背景干扰，会使报警设备内部电路信号产生畸变或漂移， 易导致误报。抗干扰智能采用各种消除干扰的软硬件技术如数字滤波、零点补偿 等，可把干扰信号限制到最低，使系统的抗干扰能力大大提高，处于最佳运行状 态。f 9 1 1 6 本文的主要工作及目标 火灾自动报警系统一般由火灾探测、报警控制、联动控制以及现场布线组成。 现代火灾报警系统已全面向集成化、智能化、多功能化及总线传输化的方向发展， 火灾探测技术也开始向复合探测发展，针对目前国内火灾报警系统中存在的不足， 本课题对火灾探测器硬件及算法进行研究探讨，设计出能进行多传感器信息融合 的火灾探测器，并应用神经网络和模糊逻辑进行火灾判断，提高了系统的学习能 力和探测的快速性与准确性，大大降低了火灾误报率。本文主要工作包括以下几 个部分： 1 ) 探讨火灾探测的原理与方法。通过对传统火灾探测器的分析和比较，找到 误报率高、报警不及时的原因所在，在此基础上提出智能化多传感器信息融合的 火灾探测器。 7 河南理工大学硕士学位论文 2 ) 多传感器信息融合智能探测单元硬件设计。主要进行以凌阳1 6 位单片机 s p c e 0 6 l a 为核心的智能探测器的硬件设计和c a n 总线通信接口的设计，并简单 介绍了控制器的工作过程及选型和组成的火灾报警系统的功能及优点。 3 ) 系统软件设计思路。提出系统软件设计思路，并设计火灾探测器主程序模 块流程图和通讯程序模块流程图。 4 ) 系统算法设计。针对我国目前传统火灾探测方法存在的智能程度低、误报 率高等问题，提出一种基于模糊神经网络的智能算法，对多传感器数据进行融合 来判断火情的发生。针对火灾对象的参数特征，充分考虑了模糊控制和神经网络 的优点，将二者结合起来，在神经网络前后都串联有模糊系统，并把控制理论中 的反馈思想和火灾信号持续时间引入到探测算法中，最终得到火灾概率，达到提 早报警、有效降低误报率的目的。 5 ) 系统仿真。采用m a t l a b 软件进行算法的仿真研究，利用国家标准试验 火数据对神经网络进行训练，并在明火、阴燃火和典型干扰三种情况下进行仿真， 验证算法的可行性。 本课题的主要目标是为解决火灾探测中探测器灵敏度和准确度不高的现状， 设计出新型的多传感器信息融合的智能火灾探测器，并结合火灾对象的发生过程 以及特征参数，在神经网络和模糊逻辑的基础上，建立一个火灾探测特征模型以 及相关的智能算法，充分利用神经网络和模糊推理两种智能技术各自的优点，并 将其结合起来，对多传感器的火灾参数进行融合，引入反馈算法，给出准确的火 灾预报概率，提高火灾报警系统的灵敏度和可靠性。并将说明系统存在的问题以 及将来进一步的完善。 8 第2 章火灾探测的原理与方法 2 火灾探测的原理与方法 2 1 火灾产生的机理 火灾是一种失去人为控制的燃烧过程，产生火灾的基本要素是可燃物、助燃 物和点火源。可燃物以气态、液态和固态三种形态存在，助燃剂通常是空气中的 氧气。根据可燃气体与空气混合方式不同有两种燃烧方式：如果在燃烧前，可燃 气就与空气均匀混和称预混燃烧：如果可燃气和空气分别进入燃烧区边混合边燃 烧称为扩散燃烧。液体和固体是凝聚态物质，难与空气均匀混合，它们燃烧的基 本过程是当外部提供一定的能量时，液体或固体先蒸发成蒸汽或分解析出可燃气 体( 如c o 、h 2 等) 较大的分子团、灰烬和未燃烧的物质颗粒悬浮在空气中，粒子直 径一般在o 0 1 啪左右，这些悬浮物统称为气溶胶。几乎在产生气溶胶的同时，产 生粒子直径为0 0 l l o 嘲的液体或固体微粒，称为烟雾。气相形式的可燃物与空 气混合。在较强火源作用下产生预混燃烧。着火后，燃烧火焰产生的热量使液体 或固体的表面继续放出可燃气体，并形成扩散燃烧。同时，发出含有红外线或紫 外线的火焰，散发出大量的热量。气溶胶、烟雾、火焰和热量都称为火灾参量， 通过对这些参量的测定便可确定是否存在火灾。大量热量通过可燃物的直接燃烧、 热传导、热辐射和热对流，使火从起火部位向周围蔓延，这就是常说的火蔓延， 火蔓延导致了火势的扩大，形成火灾。 根据火灾发生时所产生现象的不同，可将火灾分为慢速阴燃、明火和快速发 展火焰等。阴燃就是在疏松或颗粒介质中形成的缓慢进行的热解和氧化反应，它 能长时间自行维持并传播，而当条件有一定变化时，或者转化为明火，或者自行 熄灭。研究表明阴燃是诱发火灾的重要原因。明火则是火灾发生时燃烧火焰产生 的热量使液体或固体的表面放出可燃气体，并形成扩散燃烧，同时发出含有红外 线或紫外线的火焰。快速发展火焰则是火灾扩散的速度特别快，这种类型的火灾 一般为空气中混有大量可燃气体。【1 0 】 2 2 传统火灾探测 用于探测火灾的传感器或探钡8 器是火灾自动报警系统的“感觉器官”，它的作 用是监视探测器保护范围内有没有火灾发生。一旦出现火情，传统探测器就将表 现火灾特征的物理量，如温度、烟雾、气体和辐射光强等的变化转化成电信号， 并立即动作，向火灾报警控制器发送报警信号。 9 河南理工大学硕士学位论文 传统火灾探测器种类较多，分类方法复杂，常见的有按其结构造型分类可分为点 型火灾探测器和线型火灾探测器。点型火灾探测器只响应某一点的火灾参数，大 多数探测器属于这种类型：线型火灾探测器则可以响应某一连续线路周围火灾参 数。根据探测火灾参数的不同，传统火灾探测器又可以分为感烟、感温、感光、 气体和复合式等几大类。常见火灾探测器原理、性能对比，如表2 1 所示。娜1 2 】【】w 表2 - l 常见火灾探测器性能对比 t a b l e2 - 1c o n 订a s to f t h ef 锄i i i a rf i r ed 如c l o rf u l l c d o n 类型探测原理性能特点不足之处 分另q 利用电离后离子受1 可提前报警时间1 控制范围窄 离 烟雾粒子影响使屯离电2 光电感烟探测对2 温度性差、误报率高，灵敏度 子流减小及烟粒子对光的浅色烟雾十分敏感受环境影响大 感型散射效应的原理3 有放射性污染，生产储存、报 烟费困难 探1 不适于不透明或粒径 7 0 0 啦 1 可探测不可见区红外火焰探测器在透镜结冰、水 外 辐射能通量域火灾蒸汽浓度大及探测高压气体火 感火 2 适于突然起火、又焰时，反应不灵敏 光焰 无烟雾的易燃易爆 探 紫紫外响应波长“0 0 珊场所 紫外火焰探测易受电焊弧、雷击 测外辐射能通量3 揉测距离及保护等影响 火面积 感烟和感温 焰探测 气体多利用敏感元件遇可燃对火灾响应速度极1 可燃气体的腐蚀作用会降低 探测气体改交自身电阻的原快，可提前报警时探测器的灵敏度，需定期清理 理间 2 误报率高，受环境温度影响 声音探测1 6 h z 以下的燃烧 可除去大部分噪声噪声过大时会误报，不适合声音 探测音干扰嘈杂场所，尚在进一步研究 图像用c c d 、夜视仪、摄像 响应速度快、误报1 对不规则物体或相似色、高温 探测机等监测火灾图像率低，可准确探测或太阳光照射可能发生误报 火灾发生的地点 2 火灾早期探测和预警困难 l o 第2 章火灾探测的原理与方法 2 3 火灾探测的误报警 综上所述，传统火灾探测是建立在对光、烟、热等物理现象进行监测的基础上， 通常只监测某一种物理量，设置一定的闽值，作为火灾发生的判据。实践中发现， 以单一物理参量阈值型的方式进行火灾监测，常会不可避免地受到环境中某些相 似因素的影响，从而导致误报警( 误报警是指在非火灾情况下火灾探测器发出的 报警) 或报警不及时。表2 2 列出了上述几类火灾探测器误报警的部分环境因素。 表2 2 误报警的原因 型! ! 坌堡! 垦塑! 塑堕m i 墅型! 里i 篮 火灾中的物理量探测器类型识别模式误报警因素 解决误报警问题已成为提高火灾探测准确性的关键所在，但这个关键的突破不 在技术本身，而在基础和应用研究方面。为了减少和降低误报警，有以下几条比 较有效的途径： ( 1 ) 避免和减少环境因素对误报警的影响。该方法着眼于报警因素，通过改 进探测器结构设计和规定使用条件入手来降低误报警。 ( 2 ) 考察参量变化与实际火灾过程的比较。该方法着眼于识别方式，通过模 拟方式监测某单一物理参量的变化历程，并与实验所得火灾过程相应物理参量变 化曲线相比较，由此判断火灾是否发生。其依据是：某物理参量在火灾过程中发 生的变化与因环境因素而发生的变化大不一样。这种方法需要大量的火灾实验数 据为基础。 ( 3 ) 改单一物理参量监测为多参量复合监测。火灾发生时同时表现出许多物 理现象，因此对多参量同时进行监测，并以这些数据作为火灾判断的依据，从而 会大幅度降低火灾误报警。实行多参量复合监测要依据所在建筑探测场合及火灾 特点或火灾数据，取舍物理量，既可降低火灾误报警，又能保证经济和技术上可 河南理工大学硕士学位论文 行。 ( 4 ) 将模糊系统和人工神经网络方法应用于火灾自动报警。由于神经网绍采 用分布式存储和并行处理，通过训练学习将火灾各特征参数的关系隐含在神经元 和连接权值之中，系统可以自动地发现环境特征和规律性，具有近似人脑的功能， 能对火灾探铡器发出的信号进行智能处理，从而准确报警。而模糊系统则通过模 糊推理。生成适合的隶属函数。将人工神经网络和模糊系统两者相结合，互相取 长补短，可提高早期火灾探测的及时性和准确性。本文将在第五章对此作详细论 述。1 9 i 1 5 1 从上面的分析可以看出，火灾探测技术中提早报警和降低误报率是一对矛盾。 探测器闰值设置过低，提高灵敏度可以提早报警，但可能会产生误报警；探测器 阈值设置过高，势必会延长火灾报警的时间。为使系统能够识别真假火灾现象和 防止误报，必须合理设置各探测器的闽值，采用复杂的火灾数据处理方法，这是 传统火灾探测器所无法完成的。 2 4 多传感器信息融合火灾探测器的提出 每一种火焰的早期特征具有不同的表现形式，因此反映火灾的各种信号也呈现 出不同的特征。由于火灾事件很偶然，观察数据极少，因此火灾信号是事先未知 的或不能确定的信号。通过对火灾机理的分析，可以知道环境温度、烟雾浓度、 c 0 含量、h 2 含量等均能反映火灾的进程，大量实验观察表明，这些参量及其变化 率与火灾的状态存在着一定的映射关系。但利用传感器得到的上述物理量信号并 不只随火情而变化，环境中如气候、湿度、灰尘、电子噪声和人为的其他活动及 传感器的安装位置都可能引起信号的变化，而且这种变化的特征往往与火情特征 相似，因此火灾检测与其他典型的信号检测相比是一种十分困难的信号检测问题。 单元传统火灾探测器多采用单元探测技术，为单一参数火灾探测器( 包括阈值 触发式和模拟量式) ，这种探测器对火灾特征信号响应灵敏度的不均匀性导致它 对实际火灾的探测能力受到了限制。例如感温探测器只对明火产生的温升敏感， 对阴燃火不敏感，而且也不能区分引起温度上升的热量是火灾产生的还是香烟或 烹饪蒸汽产生的：又如目前常用的光电感烟探测器是一种对一般火情均有较高灵 敏度的火灾传感器，且对阴燃火有极好的探测效果，但对燃烧产生的不可见烟( 粒 径小于0 4 um ) 或出现明火的黑烟不敏感。正因为如此，至今仍然没有一种单一参 数火灾探测器能有效地探测各类火情，导致火警误报时有发生。 第2 章火灾探测的原理与方法 任何一种探测对象，单用一方面的信息来反映其状态都是不完整的，只有从多 方面获得关于同一对象的多维信息，并加以融合利用，才能对火灾进行准确的早 期探测。鉴于单元火灾探测技术已无法满足现实火灾报警的需要，本系统采用多 元信息融合火灾探测，它不是原有单一参数火灾探测器的简单组合，而是实施多 元同步探测，提取有用的准确的信息，根据不同类型的火灾参数。应用智能算法， 对多传感器的火灾参数进行融合，以判断是否存在火灾危险。它克服了单个传感 器测量的局限，有效地提高了辨别真实与虚假火灾的能力。【1 6 】i 】7 】 2 5 传感器的选用和布置 2 5 1 传感器的选用 一般火灾探测系统有n 个传感器，完成对监测现场的数据采集工作。在火灾 监测现场，选何种火情参数作为探测量，选多少个火情参数作为探测量是火灾探 测器中的一个重要因素。因为探测量的数目选择的过少，则无法区分不同性质的 火源和非火源；探测量的数目选择的过多，尽管可以提高探测器的灵敏度，但同 时也增加了算法的复杂程度。 一般情况下，c o 在空气中的含量极低，只有燃烧发生时才会产生大量的c 0 ， 从而使空气中c o 的浓度急剧增加。所以针对c o 气体进行检测，将会在很大程度 上反映出环境中有无燃烧现象的发生。火灾发生时往往又同时伴随着温度的升高 和烟雾浓度的增大，所以本系统的火灾探测器采用3 层多传感器融合结构，选用 温度传感器、烟雾传感器、气体传感器，将温度信号、烟雾浓度和c o 浓度做为火 灾探测信号。 1 烟雾传感器 烟雾传感器是对燃烧或热解产生的固体或液体微粒响应的传感器。气溶胶或 烟雾粒子可以改变光强、减小电离室的离子电流以及改变空气电容器的电解常数 和半导体的某些性质。此类传感器又可分为离子型、光电型、激光型、红外光束 型、电容式和半导体型等几种。离子感烟传感器在物质阴燃发生气溶胶( 即小颗 粒的烟雾) 时，就能发出报警信号；光电感应传感器则必须在较大颗粒烟雾发生 时才能反应。而实际使用时这种区别并不明显。烟雾传感器适用于火灾的前期及 早期，产生大量的烟和少量的热，很少或没有火焰辐射，且其安装高度在1 2 m 以 下的场合。 2 温度传感器 河南理工大学硕士学位论文 温度传感器一般分为定温式、差温式和差定温式三种类型。它们共同的工作原 理是：物质在燃烧过程中，释放出大量的热，使环境温度升高，探测器中的热敏 元件发生物理变化，从而将温度信号转化为电信号，传输给处理器，发出火灾报 警信号。 3 气体传感器 气体传感器适用于散发可燃气体和可燃蒸汽的场所，由于火灾烟气是火灾中对 人构成威胁最大的因素，而c o 是火灾烟气的主要产物，在人员密集的场所宣布置 c o 探测器，防止火灾情况下人们发现浓烟时已吸入过量c o 中毒而无力逃生，但 由于c o 易与还原性气体发生化学反应，因而在有还原性气体的场所可能发生误报 警。 2 5 2 传感器的布置 在每个监控区域中，都需要根据实际情况和需要布置适当数目的传感器。传感 器数目太多，则造成资金浪费；布置太少，又不能有效确保监控区域的安全。确 定监控区域的传感器数目及布置方式一般应遵循以下原则： ( 1 ) 以每种传感器的监测为依据，并使监测范围有一定的重叠； ( 2 ) 尽量使每一个监测区域都能被不同种类的传感器监测到； ( 3 ) 尽可能地避免监测死区，确保可靠的监测覆盖率。【，7 】【，1 火灾探测区域一般以独立的房( 套) 间划分，探测区域内的每个房间内至少应设 置1 只火灾探测器。敞开或封闭楼梯闻、防烟楼梯问前室、消防电梯前室、消防 电梯与防烟楼梯间合用前室、走道、坡道、管道井、电缆隧道、闷顶、夹层等场 所都应单独划分探测区域，设置相应探测器。传感器的设置一般按每只传感器保 护面积和保护半径确定，要考虑房间高度、屋顶坡度、传感器自身灵敏度3 个主 要因素的影响。在有梁的顶棚上设置感温、感烟传感器时又必须同时考虑到梁突 出顶棚的影响。另外，在设置火灾传感器时，还要考虑建筑内部走道宽度、传感 器至端墙的距离、传感器至墙壁、梁边的距离、传感器至空调通风口距离以及房 间内分隔情况等的影响。哪【9 】 2 6 本章小结 本章主要阐述了火灾产生的机理、比较了各种火灾探测器的性能特点和适用 场合，分析了它们产生误报、报警不及时的