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海卜平台消防系统研究 摘要 随着对石油能源需求的不断增大，海洋石油开采日益受到人们重视。现如今海上平 台可以2 4 小时不问断采油，这种情况下，海上平台消防系统所扮演的保障平台正常工 作的角色就显得尤为重要。本文针对海上平台的特点，并结合陆上消防系统，对海上平 台的消防系统进行了研究，为后续研究及工程应用起到了一定的参考性作用。 首先，本文阐述了国内外海上平台消防系统的作用、意义及发展现状，根据海上平 台的特点确定了消防系统的总体结构。分别对消防系统的火灾自动报警系统与灭火系统 进行了研究，并针对海上平台的实际情况进行了设计。 尽早的发现火情，可以为后续的火灾报警、实施灭火等工作争取时间，鉴于此考虑， 为海上平台火灾自动报警系统设计了感温、感烟和c o 三种类型的火灾探测器，重点对 火灾初始阶段进行探测。设计了自动报警控制器，主要包括传感器模块和数据处理模块。 在发现火情时，火灾自动报警控制器通过联动控制系统，联动消防栓、防排烟等设备进 行灭火。 其次，利用火灾探测器对海上平台进行实时监测，同时还构造了传感器数据融合的 结构模型和功能模型。对火灾数据处理模块建立了b p 神经网络，运用m a t l a b 神经 网络模块，使用传感器数据对b p 神经网络进行训练，所得结果和实际数据相比较，根 据设定值即可判断当前环境下是否有火情发生。 最后，分别计算了c 0 2 灭火系统和七氟丙烷灭火系统的灭火剂用量和管网流量， 分析了两种灭火系统的优缺点，进而提出将七氟丙烷灭火系统和水喷雾冷却系统联合实 施灭火，达到比较理想的效果。 关键词：海上平台；消防；数据融合；神经网络 海f = 平台消防系统研究 a bs t r a c t w i t ht h ed e m a n do fp e t r o l e u mi si n c r e a s i n g l ya u g m e n t e di nt h ew o r l d ，p e o p l eb e g i n st o p a yt h e i ra t t e n t i o nt ot h ed e e p - s e ao i le x p l o i t a t i o n n o w d a y st h eo f f s h o r ep l a t f o r mc a nk e e p 2 4 - h o u ru n i n t e r r u p t e do i le x p l o i t a t i o n u n d e rt h i sc i r c u m s t a n c e ，t h eo f f s h o r ep l a t f o r m sf i r e f i g h t i n gs y s t e mt h a tp l a y sar o l eo fe n s u r i n gt h en o r m a lo p e r a t i o ni sp a r t i c u l a r l yi m p o r t a n t t h i sp a p e ra i m sa td e s i g n i n gt h ef i r ef i g h t i n gs y s t e mw h i c hi su s e di nt h eo f f s h o r ep l a t f o r mb y c o n s i d e r i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h eo f f s h o r ep l a t f o r ma n dt h eo n s h o r ep l a t f o r m ，f o rp o i n t i n g o u tt h ed i r e c t i o nf o rt h ef o l l o w - u ps t u d ya n de n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n f i r s to fa l l ，t h i sp a p e re x p o u n d so ns i g n i f i c a n c ea n dt h ec u r r e n ts i t u a t i o no ft h eo f f s h o r e p l a t f o r m sf i r ef i g h t i n gs y s t e mi nt h ew o r l d b yc o n s i d e r i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h eo f f s h o r e p l a t f o r m ，t h eg e n e r a ls t r u c t u r eo ft h eo f f s h o r ef n ef i g h t i n gs y s t e mi sd e f i n e d a f t e rt h a t ，t h e r e i sad i s c u s s i o no nt h ea u t o m a t i cf i r ea l a r ms y s t e ma n df i r ee x t i n g u i s h i n gs y s t e mr e s p e c t i v e l y , t h e nd e s i g n st h e ma c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h eo f f s h o r ep l a t f o r m f i n d i n gt h ef i r es i t u a t i o na se a r l ya sp o s s i b l e ，c a l lg a i nt h es u f f i c i e n tt i m ef o rt h ef i r e a l a r ma n df i r eq u e n c h i nv i e wo ft h i sc o n s i d e r , t h et e m p e r a t u r ed e t e c t o r , s m o k ed e t e c t o ra n d c a r b o nm o n o x i d ed e t e c t o ra r ed e s i g n e df o rt h ea u t o m a t i cf i r ea l a r ms y s t e m ，e m p h a s i s e so nt h e e a r l yf i r es t a g ed e t e c t i o n t h en e x tp a r td e s i g n st h ef i r ea u t oa l a r mc o n t r o l l e r ，i n c l u d i n gt h e s e n s o rm o d u l ea n dd a t ap r o c e s s i n gm o d u l e w h e nf n ei sf o u n d ，t h ef 沁a u t oa l a r mc o n t r o l l e r l i n k st h ef i r eh y d r a n ta n ds m o k ec o n t r o ls y s t e mt op u to u tt h ef i r eb yl i n k a g ec o n t r o ls y s t e m s e c o n di su s i n gt h ef i r ed e t e c t o rt or e a l i z et h er e a l - t i m em o n i t o r i n go ft h eo f f s h o r e p l a t f o r m ，a n ds t r u c t u r i n gt h es t r u c t u r em o d e la n df u n c t i o nm o d e lo ft h es e n s o rd a t af u s i o n s i m u l t a n e o u s l y t h e nh e r ec r e a t e st h eb pn e u r a ln e t w o r kf o rt h ef i r ed a t ap r o c e s s i n gm o d u l e ， a p p l i e sm a t l a bn e u r a ln e t w o r km o d u l e ，t r a i n st h eb pn e u r a ln e t w o r kb yu s i n gs e n s o rd a t a , c o m p a r e st h er e s u l t sa n da c t u a ld a t a , t h e nj u d g e sw h e t h e rt h e r ei saf i r ei nt h ec u r r e n t e n v i r o n m e n ta c c o r d i n gt ot h es e t t i n gv a l u e f i n a l l y , t h ep a p e rc a l c u l a t et h es u p p l yq u a n t i t ya n dp i p en e t w o r k sf l o wf o rt h ec a r b o n d i o x i d ee x t i n g u i s h i n gs y s t e ma n dh e p t a f l u o r o p r o p a n ee x t i n g u i s h i n gs y s t e m ，a n a l y z e st h e m e r i ta n dd e m e r i to fb o t hs y s t e m s ，a n dt h e np u t sf o r w a r dan e we x t i n g u i s h i n gm e t h o dt h a ti s c o m b i n e sh e p t a f l u o r o p r o p a n ee x t i n g u i s h i n gs y s t e ma n dw a t e r s p r a yc o o l i n gs y s t e m ，a c h i e v e s 海上平台消防系统研究 a l li d e a le f f e c t k e yw o r d s ：o f f s h o r ep l a t f o r m ；f i r ef i g h t i n g ；d a t af u s i o n ；n e u r a ln e t w o r k 筇l 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题研究的目的及意义 1 1 1 课题研究的目的 2 1 世纪，随着陆地石油资源的逐渐减少甚至枯竭，人们对能源的需求同益增长，世 界各个国家都开始将石油资源开采的重点转向浩瀚的大海，因此海洋石油的开采成了国 际海洋工程的热点。海上平台就应运而生，海上平台的主要作用是钻采和储油，其主要 产品为石油、天然气等易燃易爆物质，在钻采和储油的过程中，极易引起火灾和爆炸事 故。但是海上平台往往离陆地很远，有的更是在深海，加上自身空间狭小，管线设备又 高度集中【l 】【2 1 ，这样一旦发生火灾或者爆炸事故，很难及时从陆地得到帮助，面对大量 易燃易爆物质无能为力，在平台上工作的人员更加难以逃生，后果不堪设想，因此海上 平台的消防系统十分重要。图1 1 为海上平台。 图海上平台 1 1 2 课题研究的意义 2 1 世纪以来，国内外的海上平台每年平均都会有几十次大大小小的起火和爆炸事故 发生，并造成巨大的财产损失和人员伤亡pj 。为此有关专家专门做过了调查，发现造成 海上平台火灾的事故最多的是石油天然气燃料，表面温度较高是引起事故的主要原因， 而其大多数的火灾的起源是小火，只有少数是由爆炸引起的火灾，大多数的火灾和爆炸 事故是可以避免的。今年，位于澳大利亚金伯利海岸以北约2 5 0 公里帝汶海的一个钻井 平台燃起大火，掘当地官员说，这个由泰国能源公司p t t e p 运营的平台原油泄漏已达 1 0 周，从1 1 月lh 丌始引起火灾，幸运的事，所有工作人员都已经安全撤离，但每同 哈尔滨_ l 程大学硕士学位论文 有多达2 0 0 0 桶原油漏入大海，油污范围最少达1 5 万平方公里，这样的话就有大量海洋 生物面临死亡的威胁。图1 2 为一海上平台发生火灾。 图1 2 发生火灾的海上平台 海上平台的火灾有如下几点特点【4 】【5 】： ( 1 ) 结构复杂。为了节省空间同时满足日常的生活、生产的需要，往往将一个大 空间分成多个小房间，这就造成了内部舱室的紧凑、过道狭窄，每层之间距离非常小， 出入口小。一旦发生火灾，火势会沿着室内、舱内的机器设备、电缆线、管线、过道、 楼梯、出入口以及具有良好传导性能的钢板，迅速扩大蔓延，以至于火势会在短时间内 由小面积、单层次的燃烧扩展为大面积、多层次的立体式燃烧。图1 3 为海上平台的工 作人员在实施灭火工作。 图1 3 ：作人员正在实施灭火 ( 2 ) 可燃物多。海上平台的舱室在装修的过程中，使用了大量的可燃材料。在生 产的过程中，又需要大量接触石油，扩大了平台的火灾危险区，很容易发生火灾。如果 发生火灾，会释放出大量的一氧化碳、二氧化碳以及氯化氢等有害气体和烟雾。另外， 在燃烧时所产生的夹杂着毒害气体的烟雾阻碍人们的视线，不但会对人员直接构成生命 第1 覃绪论 威胁，而且会影响到灭火人员i 找火源、疏散人员物资以及灭火一j _ ：作的展丌。 ( 3 ) 电机设备多。海上平台j ：各种类型的钻井电机及生产辅助设备繁多，空间又 比较有限，因此生活电器集中安放，部分电器线路还敷设嵌置在装饰层中，一旦电机设 备、生活电器等发生故障或电线超荷载、短路等，就会使海上平台的指挥中心丧失功能， 很容易造成火灾。i 冬l1 4 为海卜卜台的火灾。 ，i 弘 o 。 幽1 4 海上平台火火 ( 4 ) 人员密集，相对孤立，易造成重大伤亡。海上平台工作人员登上平台，平台 空间有限，居住十分拥挤。一旦发生火灾，容易产生惊慌失措的情绪，相互拥挤，工作 人员很难及时得到疏散。另外，海上平台远离陆地，孤立作战。发生火灾时，人员逃生 困难，易造成二次伤亡。 1 2 国内外发展现状 目前，在我国海上平台大致可分为两类：一个是我国和国外合资经营的，这些平台 基本都是由国外建造的，像中同、中法和中美合资经营的平台就属于这一类；二是我自 行设计的平台，如2 0 0 9 年6 月2 8 日建造成功的“s e v a nd r i l l e r ”( 塞旺钻井) ，是现 在世界上最先进的首座圆筒形超深水海洋钻探储油平台。 1 2 1 国外发展现状 在中外合资经营的平台上1 6 1 1 7 1 ，国外在各个方面都有着丰富的经验，而且对消防系 统格外的重视，再加上较为完善的设备，如各种类型的火灾探测器、报警指示装置以及 自动灭火装置。单火灾探测器来说，就有感温、感雾、紫外线、红外线、接触燃烧式的 可燃气体探测器、半导体式可燃气体探测器和毒性气体探测器等等。为了防止井喷，水 上水下也都安装了防喷器。而且在灭火手段方面，都装备了最新的海浪灭火系统。此外 还有c 0 2 、水喷淋灭火系统，在公共场所，由于人员相对比较集中，需要迅速灭火，过 哈尔滨：。f ：程大学石贝士学位论文 去选用c 0 2 的较多，其缺点是对人体有害，灭火速度慢，而且容易造成人员窒息死亡， 后来采用卤化烷灭火剂，达到2 0 秒之内灭火，但是卤代烷对大气臭氧层有明显的破坏 作用，因此开始使用哈龙替代灭火剂，比如七氟丙烷。另外，还配备了干粉、泡沫等手 提式灭火器。 1 2 2 国内发展现状 在我国自行设计的海上平台上，消防设施还不够完善，再加上管理经验不足等诸多 原因，曾经发生了多起火灾，直接经济损失就有数十万元，人员也有伤亡。 图1 5 埕岛中心二号平台 埕岛中一g - - 号平台如图1 5 所示，是我国自主设计制造的，是我国现在较大的固定 式海上石油生产平台【8 】，位于渤海湾南部浅海和极浅海海域( 水深约1 0 1 2 m ) ，其年生 产规模为1 5 0 万吨。埕岛中一g - 号平台是胜利埕岛油田主体区块内的第二座中心平台， 主要接收埕北2 2 区以北区块的卫星平台来油，各卫星平台来油经海底管线送至中一g - - 号平台，处理后的低含水原油再通过登陆海底管线上岸进一步处理。平台的主要功能包 括油气处理、污水处理、海水处理、注水、原油外输、供配电、供水、供热等。 由于埕岛中心二号平台的主体结构采用的是梯形旧导管架，因此给平台工艺系统的 设备布置和管道敷设增加了很多限制，也给消防系统的设计带来了很大的困难。最后， 针对海上平台消防设计与陆地油气田消防设计的不同，又陆地油气田消防的经验，埕 岛中心二号平台消防系统按照独立的消防系统进行设计，消防用水就近采用海水，系统 的操作应该简便可靠，消防泵及消防系统的控制阀门既能就地开启，也能远距离遥控开 启。根据不同的消防对象，消防方式分别采用固定式、半固定式、移动式灭火及冷却方 式：消防系统可分为水消防系统、泡沫灭火系统、c 0 2 灭火系统。除以上系统外，埕岛 中心二号平台还配备有移动式灭火器，包括推车式干粉灭火器和各类手提式灭火器，用 4 第1 錾绪论 于初期火灾或局部的小型火灾。 图1 6 胜利油田第六号平台 胜利油田第六号平台如图1 6 所示，该平台安全工作与其它海域的采油平台一样【9 】， 主要有两方面；一是工作人员的生命安全，二是平台设施的安全。主要内容有：防爆、 防火、探火和灭火、平台结构安全、防毒、防雷、防静电以及设备的安全操作等。这其 中可能发生事故几率最大的还要属防爆、防火、探火和灭火这几个部分，也就是大家通 常所说的消防系统。因此，胜利油田采油平台的消防系统总体设计分为三个层面控制， 第一是防爆、第二防火、第三是探火和灭火。 胜利油田现有几十个采油丌发平台分为固定式和移动式两种基本形式，这两种平 台都是针对胜利油f f j 滩海的特点研制的，最大特点是工程造价较低，海上生产设备相对 简单。实践证明，这两种平台适合滩海油f f j 特点，是成功的。虽然生产流程简单但消 防系统的配备是按较高标准配备的。 移动式采油平台的消防方案：首先，平台总体布局上采用分区布置，将主甲板分为 生活区、动力区和生产区三个区域，生活区和动力区留有1 5 m 的距离，动力区和生产区 两者之间留有1 5 m 以上的距离，简化生产设施，井口出来的油气只进行两相分离处理， 输油臂只有一个简单的人工操作装置：其次，自动化程度要求不宜过高，着重在提高人 员素质，加强人员安全意识；最后，对所参照的陆地石油设施、海上平台等规范，认真 选择。遇到不同的规范要求不一样时，尽可能取严格的，指标尽可能取大的，确保平台 安全。 固定式采油平台的消防方案：首先，依据国内新规范进行整体改造，包括防爆、防 火、探火和灭火，目前的规范中，滩海石油建设工程安全规则( s y 5 7 4 7 9 5 ) 中对消 防系统的要求较具体，指标也最高；其次，平台组考虑一个平台的一处起火，并且一个 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 平台起火后、平台组消防系统仍能正常工作。水消防系统、泡沫消防系统等分别在两个 平台各设一套。这与中国船级社滩海固定平台检验指南的要求一致，保证平台之间 可以互救；再次，拆除井口生产平台的2 0 0 0 m 3 的原油储罐和油气处理设备，减少危险 区的范围，消防设备的控制和安全报警系统集中布置在生活平台的安全区内，消防设备 的控制采用遥控和就地控制两种形式；最后，对与平台消防系统有关的设备也进行了相 应的改造，比如电站的配套、应急电站和主电站的重新规划、通风系统改造、防火分隔 改造等等。 由于国家对消防工作的逐渐重视【l o 】，7 0 8 所己开始在新设计的海上平台采用火灾自 动探测器、报警指示等装置，但产品还是多选用国外的居多，其价格叶十分昂贵，如一 支紫外线火灾探测器就售价为7 千英镑，一支红外线火灾探测器售价也有1 5 0 0 英镑。 从国外和国内海洋石油平台上的消防设备对比上看，我国的海上石油平台的消防设 施极需加强和完备。从国外生产消防产品的厂家和国内生产消防产品的厂家的产品对比 上，更不难看出我们的落后和不足。上述的差距应引起我国的科研和生产厂家的重视。 作为消防科研，消防产品的生产厂家，船舶设计生产使用单位更要协起手来，共同努力， 尽早实现我国海洋石油系统的消防现代化。 一 1 3 论文主要研究工作 本文主要分以下几个方面进行研究： ( 一) 总体结构研究 结合海上平台的特点确定了消防系统的总体结构，然后分别对消防系统的火灾自动 报警系统和灭火系统进行了介绍，并针对海上平台的特点进行选择。 ( 二) 火灾自动报警系统 根据海上平台的特点设计火灾自动报警系统，这里包括差定温感温探测器的设计、 光电式感烟探测器的设计、c o 探测器的设计，完成分析这三种火灾探测的在海上平台 的可行性，设计其传感器模块和数据处理模块，并分析联动控制系统在海上平台的应用。 ( 三) 火灾信息处理 根据多传感器数据融合技术将海上平台火灾探测器所测数据进行融合，构建出数据 融合模型，然后通过应用m a t l a b 的神经网络模块，构建b p 神经网络模型，并应用 改进算法对火灾探测器所测数据进行训练、仿真及模拟。 ( 四) 灭火系统 说明灭火系统的发展现状及主要应用的灭火剂，根据海上平台的特点，设计灭火系 6 第1 章绪论 统，这里包括c 0 2 灭火系统、七氟丙烷和水喷雾冷却联合灭火系统。 7 哈尔滨工程大学硕十学位论文 第2 章消防系统总体结构 海上平台的消防系统不仅保护现场工作人员的生命安全，而且保障着海上平台稳定 持久的作业，在各个海上平台系统中扮演着举足轻重的角色，随着以人为本的理念的深 化，消防系统越来越得到人们的重视。 海上平台消防系统根据平台的工作环境分为两个部分：生活区和生产区。生活区相 对于生产区要安全，消防系统也要根据两个部分不同的特点来进行设置。消防系统的总 体结构是火灾探测器发现火灾，向总控制室发出火灾信号，总控制室对火灾信号进行分 析，判断是否为火灾误报，若确认火灾发生，则发出报警，同时联动灭火设备进行灭火， 直到火灾被扑灭，停止灭火，完成消防系统的工俐1 1 i 。 2 1 火灾自动报警 2 1 1 火灾自动报警 通常火灾自动报警系统是由控制盘、火灾探测器以及手动报警按钮等组成。控制盘 主要由设置在控制室的火灾自动报警主控盘和安置在平台各个舱室的火灾自动报警显 示盘等组成。火灾探测器是火灾自动报警系统的火灾感测元件，它对火灾发生时产生的 物理和化学现象，如烟雾、温度、可燃气体、火焰等进行探测，然后将探测所得的火灾 信息转化为相应的输出信号，输入给火灾自动报警控制器，经分析后判断是否需要开启 火灾报警装置。在火灾现场附近舱室的工作人员若发现火灾也可以直接按下设置在附近 的火灾手动报警按钮，向火灾自动报警控制器发出报警信号，接下来的过程是和得到火 灾探测器火灾信号后一样的，不同的是，手动报警是可以完全确认火灾的发生，自动报 警信号还是存在一定的误报率的。 火灾的探测是火灾自动报警系统的第一个程序，海上平台的结构复杂，舱室比较多， 一旦发生火灾，工作人员是不能够第一时间赶到火灾现场进行灭火的，所以火灾探测器 这个时候起着重要的作用，如果能够第一时间发现火灾，并实施灭火，火灾被扑灭的概 率就非常大。 现在的火灾自动报警系统都是以微型计算机为基础的l l ，其中火灾探测器和消防联 动设备都是通过各种输入输出接口与微处理器相连，如图2 1 所示。其中，数据采集器 一般设置在舱室内能够第一时间得到火灾信息，也可以设置在控制器内。数据采集器不 仅接收火灾探测器测得数据，经过转换后送往微处理器进行计算分析，而且还要接收来 自微处理器的指令信息，经转换后送往火灾现场。当然，除了核心的火灾自动报警控制 3 第2 章消防系统总体结构 器外，还要有消防备用电源、打印机、液晶显示器等外围设备，以及手动按钮、消防栓 按钮、水流指示器等。 厂一一一一一一一一一一一一一一 图2 1 现代火灾自动报警系统 按照国家标准火灾自动报警系统设计规范的规定，海上平台为一级保护对象， 因此海上平台的火探测器的安置采用局部重点保护的原则，各区域都需要安置火灾探测 器。 一般将一个舱室或者同一层甲板的舱室划分为一个火灾报警区域。 一个火灾探测区域一般不超过5 0 0m l ，如果一个舱室从入口能够看清楚内部情况， 也可以将这个舱室视为一个火灾探测区域，但是该舱室的面积不能够超过1 0 0 0 胛。感 烟火灾探测器的探测区域的长度不宜大于l o o m ，感温火灾探测器的探测区域的长度不 宜大于2 0 0 m ，空气管差温火灾探测器的探测区域长度需控制在2 0 一l o o m 。 符合下列条件任意一个的也可以划分为一个探测区域： ( 1 ) 相邻舱室不超过5 间，但总面积不要超过4 0 0m l ，需要在舱室入1 ：3 处设置灯 光显示装置； ( 2 ) 相邻舱室不超过1 0 间，但总面积不要超过1 0 0 0m 2 ，在入口处要能够看清楚 舱室内部情况，并且设置灯光显示装置； ( 3 ) 敞开或者封闭的楼梯； ( 4 ) 防烟楼梯，消防电梯，管道井，电缆隧道； ( 5 ) 舱室夹层。 火灾探测器安置的位置应该根据舱室的高度来进行选择，如表2 1 所示。 火灾探测器安置在舱室的顶棚处，如果棚项有凸出来超过6 0 0 m m 的物体应认为被 分割开来的部分为一个探测区域，要分别安置火灾探测器。 9 哈尔滨：1 ：程大学硕十学位论文 表2 1 不同高度舱室内火灾探测器的选择 感温探测器 舱室高度感烟探测器c o 探测器 一级二级三级 h 4 适合适合适合 适合 适合 4 啊，c 二= 0 ； ( 2 ) = ，z + 研+ 口，式中，m 是输入神经元个数，z 为输入单元个数，口为【1 ，1 0 】 之间的常数； ( 3 ) 传= l 0 9 2 甩，式中，n 3 0 输入单元个数。 现设而为输入层神经元输出，乃为隐层神经元输出，刁为输出层神经元输出。为 输入层神经元与隐层神经元之间的权值，v f ，为隐层神经元与输出层神经元之间的权值， f ，为输出层输出期望值。模型的计算公式如下： 隐层节点的输出为 乃= 厂阵毛一嘭) = 小p 。) 3 ) l 输出节点的输出为 2 1 = f ( y ，v , j y , - o , = f ( n e t ，) 4 ， = li = ( 4 4 ) l ， e = 去( f ，一刁) 2 = 三莩( 一厂( 莩b 厂( 军而一巳) 一b ) 2 误差函数对输出节点求导，e 是气的函数，各个气之间是相互独立的， 个刁和v ，相关，即 8 e 一= 嘞 如i l = - 2 ( t - = 一( f ，- z t ) x f ( ，z p r ，) ，o 3 7 ( 4 5 ) 其中只有 ) ( 南等 6 ， 11 锄一嘞瓴一锄 丝锄引 丝眩针 ，捌娃 呤匀；浜i 样大学坝十字何论又 误差函数对隐层节点求导，e 是z ，的函数，和所有的刁都相关，一个对应一个 乃，即 a e = yy 丝堕盟 籼j l 厶娩l 砂j 籼i i = 髀卜训铷( 毫等 ( 告鬻 7 ， = 一( f ，一刁) 厂( 嘲) 屹厂( 以p o ) 薯 = 一z a , , j ( ，z e o ) 由于权值的修正屹、正比于误差函数沿梯度下降，则有 t ( 胎。) 军弛2 1 焉诵乃 叱一喏耐t 鼍 啊( 尼+ 1 ) = b ( 七) + 吻= 屹( 七) + 7 7 4 乃 ( 七+ 1 ) = ( 七) + = ( 七) + 町t 式中，隐层节点的误差分中西为输出节点刁的误差6 ，通过权值吻向节点乃反 向传播，作为隐层节点的误差。 误差函数对输出节点闽值求导有 丝= 丝互塑 一= 一x o o o ,锄o n e t i o o ( 4 8 ) = ( f ，- z ，) x f ( ，z p f ，) = 4 误差函数对输出节点的阈值日为一个变化值，需要进行修正，即 烨叼着稍 q ( 七+ 1 ) = q ( 七) + ，7 4 误差函数对隐层节点阈值求导为 ( 4 9 ) 第5 荦海上平台的消防系统 醒一a e 。l8 z l 。? 砖j 。? 翻e t j 一= ，o l o a o , z l 砖ja n e t ja o , = 一( ，一z 1 ) xf ( ，z p o ) 吻厂。( ，z p o ) ( 一1 ) ( 4 1 0 ) = 嘞厂。( 刀p o ) t 误差函数对输出节点的阈值9 阈值也是一个变化值，需要进行修正，即 传递函数为s 型的对数函数( x ) = i 之了，如图4 1 。所示 对其求导，结果为 对输出节点 对隐层节点 a jl + 1 一一一 。 07 - 1 图4 1 0s 型的对数函数 ( 4 1 1 ) n e 卜t k ) 侧f ( n e l t 5 掣，) 2 ， i 厂( = 。) ( 1 一( 聆p “) ) 乃= f ( n e t _ f ) f ( 玎p f ，) = z tx ( 1 - z ，) y j = f ( n e t - ) 厂( 甩e t j - y j ( 1 - y ，) 拶， t + m d丝哪朝， ，刮 斗 畛舡 脚 巳 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 4 3 3b p 神经网络算法的改进 b p 神经网络也有它的局限性，在训练的过程中，为了保证系统的稳定性，往往学 习率都很小，这就使梯度下降法训练的非常缓慢。有的时候由于权值没有调整好导致激 活函数达到饱和，进而使网络权值的调整不能够进行。b p 神经网络可以使网络权值最 终收敛到一个值，但是这并不能保证就是全局的最优解，有可能是局部的一个最小值。 针对b p 神经网络的学习算法有着与输入样本顺序有关、收敛速度慢、易陷入局部 最小点的缺点，有如下几个改进方法： ( 1 ) 附加动量。在方向传播的基础上，通过在每个网络权值的调整量后加上一个 正比于上次网络权值的调整量的值，进而产生一个新的网络权值调整量。网络权值的调 整公式为 a w ( k + 1 ) = ( 1 - m ) r l v f ( w ( k ) ) + m 。( w ( k ) - w ( k - 1 ) ) ( 4 1 3 ) 式中w 网络权值； k 训练次数； 动量因子，在区间 0 ，1 】内，一般去o 9 5 ； 叼学习速率。 该方法增加了动量后，使网络权值的调整量向着误差的平均变化方向延伸，当动 量为零时，能够有效的帮助神经网络从局部最小点处跳出来，不仅改良了b p 神经网络 的训练时间，而且保证了系统的稳定性。 ( 2 ) 改进误差函数。当误差函数很复杂的时候，可以选用一个特定的简单函数来 代替误差函数，只要这个函数满足在输出函数为零时达到最小值即可。这种代替原误差 函数所得出的b p 神经网络除了输出层和原来有所不同外，其他各层的都和不改进前一 样。 ( 3 ) 应用共轭梯度法。共轭梯度法是介于梯度下降法和牛顿法之间，较梯度下降 法速度快，又没有牛顿法那么复杂。该方法是将前一个梯度乘上一定的比例，加到新的 梯度上去，公式为 a w ( k + 1 ) = w ( 后) + j d ( 七) s ( 七) ( 4 1 4 ) 其中 p ( 七) 最佳步长。 s ( 七) = 一w ( w ( 七) ) + v ( 七一1 ) s ( 七一1 ) 4 0 第5 章海 二平台的消防系统 v ( k - 1 ) = 共轭梯度发的收敛速度要快很多，而且只是多占用了少量的空间。 4 3 4l m 算法 这种训练函数的优点是可以获得比其他任何一种算法都小的均方误差。该算法是为 了训练中等规模的前馈神经网络( 多达数百个连接权) 而提出的最快速算法，对m a t l a b 的实现也相当的有效。 l m 算法的基本思想是在其每次迭代的时候，不再沿着单一的负梯度方向，而是允 许误差沿着恶化的方向进行搜索，同时通过在最速梯度下降法和高斯牛顿法之间自适 应调整来优化网络权值，使b p 神经网络能够进行有效的熟练，较大程度上提高了网络 的熟练速度和泛化能力。 l m 优化算法又称为阻尼最小二乘法，其权值调整公式为 a w = ( 7 j + p 盯1j r e ( 4 1 3 ) 式中p 误差向量； ，误差对权值微分的雅克比矩阵； p 标量，当“变大时，它接近于有小的学习速度的最速下降算法： w + 1 兰w i l 岛 ( 4 1 4 ) 二p t 当以下降到零的时候，此算法就变成了高斯牛顿法。l m 算法提供最速高斯牛顿 法的速度和保证收敛的最速下降法之间的折中。 l m 算法迭代步骤为： ( 1 ) 将三个火灾探测器所测数据送入网络，并且计算出网络的输出，再用误差函 数计算出训练数据中三个火灾探测器所得数据的误差平方和； ( 2 ) 通过计算，得出误差对权值微分的雅可比矩阵z ； 敏感度为误差函数e 对第m 层输入的第f 元素变化情况的敏感度，即 掣= 嚣 ( 4 1 5 ) 递推关系式为 4 l 霹= e ( 硝) ( w 肿1 ) 1 譬“ 因此可从最后一层反向递推到第一层 s 肼一s 朋一1 一s 2j s 1 然后就可以得出雅克比矩阵了 ，= = 貉磊= 盼磊= a i m r r l - 1 ( 3 ) 应用公式4 1 3 ，计算出； ( 4 ) 应用公式4 1 4 ，计算出w + l ，然后不断的重复计算误差的平方和。如果新的 误差平方和小于( 1 ) 中计算的结果，则用“除以0 ( 0 1 ) ，然后跳至( 1 ) ；否则， 用从乘以0 ，然后跳至( 3 ) 。直至误差平方和缩小到期望误差时，该算法才被确认收敛。 4 3 5 火灾信息的模拟及仿真 理论上一个三层的b p 神经网络，就能够以任意精度逼近所给定的函数。 温度 烟雾 c o 明火 阴燃 无火 图4 1 1 典型三层b p 神经网络结构图 采用三层b p 网络，如图4 1 1 所示，输入分别为温度、烟雾和c o ，输出为火灾的 三种情况即明火、阴燃和无火。根据k o l m o g o r o v 定理，输入层有 个节点，隐层节点 数则为m = 2 n + 3 = 2 3 + 3 = 9 。 这里选取了2 0 组数据作为训练样本，对b p 神经网络进行训练和学习，训练好了的 b p 神经网络还需要进行测试才可以判定是否满足预期目标，即对这2 0 组数据进行仿真， 以检测训练后的b p 神经网络的仿真能力是否满足要求。 应用m a t l a b 的n e u r a ln e t w o r k 工具箱进行试验，构建一个9 个神经元b p 神经 网络，即 n e t = n e w f f ( m i n m a x ( p ) ，【93 】， l o g s i g , l o g s i g ，t r a i n l i i l ，l e a m g d m , 溉) ； 输入和输出都已经被归一到区间【o ，l 】之间，这个可以尽可能的提高网络精度，输入 层神经元和输出层神经元的传递函数都采用的是s 型的对数函数，即l o g s i g ：训练函数 4 2 第5 章海上平台的消防系统 采用l m 的改进算法t r a i n l m ；学习函数和性能函数分别采用l e a m d m 和m s e 。 训练参数设置 n e t t r a i n p a r a m e p o c h s = 10 0 0 0 ： n e t t r a i n p a r a m g o a l = 0 0 0 01 ； 首先，对b p 神经网络分别进行训练和仿真 n e t = t r a i n ( n e t ，p ，t ) ； t j e s t = s i m ( n e t ，p ) ； p 和t 分别代表b p 神经网络的输入向量和目标向量，训练误差曲线如图4 1 2 所示， 可以看到，对b p 神经网络进行1 0 8 次训练后，网络达到了预期要求。 图4 1 2b p 神经网络训练误差曲线 期望值和实际值的误差曲线绘制 p l o t ( 1 ：2 0 ，( t ( 1 ，：) + t ( 2 ，：) + t ( 3 ，0 ) 3 - ( 1 l 奠s t ( 1 ，：) + t _ t e s t ( 2 ，：) + 1 0 e s t ( 3 ，：) ) 3 ) ； 图4 1 3 期望值和实际值的误差曲线 如图4 1 3 所示，由图可见，误差可以基本控制在很小级别的范围内，满足了目标误 l 4 3 哈尔滨工程大学硕+ 学位论文 差的要求。 输出和输入都经过归一化处理，样本和仿真结果对比如表4 1 所示，可见，网络预 报的误差比较小，性能基本可以满足实际应用的要求。 表4 1 样本和仿真对比结果 明火 阴燃无火 n o 温度烟雾 c o 期望 实际 期望实际期望实际 10 1 0 00 0 0 01 0 0 00 7 0 00 7 0 2 90 2 0 00 1 9 9 20 1 0 00 1 0 3 6 20 3 0 00 3 0 01 0 0 00 9 0 00 9 0 0 80 1 0 00 0 9 9 40 0 0 00 0 0 0 1 3o 1 0 00 0 0 00 2 0 00 3 0 00 3 0 6 70 4 0 00 3 9 9 90 3 0 00 3 0 7 3 4 0 5 0 00 1 0 00 8 0 00 8 0 00 7 9 7 50 1 0 0o 1 0 1 5o 1 0 00 0 9 8 1 1 7 0 9 2 5 0 1 7 00 2 5 00 8 0 00 8 0 1 30 1 0 00 1 0 2 90 1 0 0 00 0 9 4 6 1 80 9 7 5o 1 7 00 5 0 00 9 0 00 9 0 0 10 1 0 00 0 9 9 30 0 0 00 0 0 6 0 1 9 0 9 5 00 2 0 00 7 5 0 0 9 0 0 0 8 9 9 30 0 5 0 0 0 5 1 30 0 0 00 0 0 0 0 2 00 9 0 00 2 3 01 0 0 00 9 5 00 9 5 2 80 8 0 00 7 9 9 40 0 5 00 0 0 0 0 火灾信号是一种非结构性问题，当前处理非结构性问题最有效的方法就是人工神经 网络，它的自学习功能使探测系统能适应环境的变化；它的容错能力又提高了系统的可 靠性；并行处理功能加快了系统探测速度；网络不需要固定的算法，可适应千变万化的 环境变化。这些优点对于固定程序的系统都是无法满足的，因此人工神经网络是非常有 前途的一种火灾探测方法。 4 3 本章小结 本章对火灾探测器所测数据进行了特征级数据融合，构建了数据融合模型，通过 b p 神经网络对数据进行7 u u 练仿真，从而降低了火灾探测器的误报率。火灾探测其实 是由很多个传感器组成，这里只选取了三个典型火灾探测传感器来进行试验，如果能够 将所有的火灾探测器都计算在内，那么火灾误报率将得到大大降低。 筘5 尊? “f ：、r f 巾，j ：7 f j jm 系统 第5 章海上平台的灭火系统 5 1 灭火系统的发展现状 现在幽内海卜、 台的灭火系统应用比较多的有c 0 2 灭火系统和卤代烷灭火系统1 驼i 。 卤代烷灭火剂主要是烷烃化合物中的氧原子部分或完全被卤族元素取代而生成的卤索 化合物，他们分别具有4 i 同程度的灭火能力。通常应用的卤代烷灭火剂丰要有三氟一澳 甲烷( 简称l3 0 1 ) ，二氟一氯一溴甲烷( 简称12 l1 ) 等，具有灭火快、用毓小、易汽化、 窄i 【1 j 淹没性好、町靠期储存4 i 变质等优点。但足卤代烷灭火剂对大气臭氧层有着极强的 破坏作用，根据保护臭氧层的蒙特利尔议定书以及我国淘汰哈龙战略，我困消 防行、眦f2 0 0 5 年和2 0 1 0 年分别完成对哈龙1 2 1 1 灭火剂和哈龙1 3 0 l 的淘汰任务。到目 前为止，c 0 2 灭火系统是较为理想的气体灭火系统。图5 1 为典型c 0 2 灭火系统。 ，醇，峙 茂2 ， 5 1 1 灭火系统的基本原理 图5 1 典犁c 0 2 灭火系统 火灾的基本原理主要可分为物理过程和化学过程两个种类，物理过程包括冷却灭 火、窄息灭火和隔离火火，化学过程包括化学抑制火火。 ( 1 ) 冷却灭火。火灾燃烧是i 搁为燃烧物温度升高，达到燃点，所以冷却灭火就是 通过降低宅温，使窀温低于燃点，进而控制或者使火灾熄火。大部分情况下是使j j 水来 进行冷却火火的灭火剂的，水能够i 吸收大最热量，使舱室内温度迅速下降，不仪经济而 l i 实惠，并儿没有太多的副作f 玎。可燃液体燃烧需要用泡沫火火剂。 ( 2 ) 窜息火火。任何东两燃烧都需要氧，乇，只要舱室内氧气的浓度超过2 0 ，火 火就订发乍的町能，l 俎此宅息火火就足通过隔绝氧气向燃烧物的供给，或行降低舱气i 内 瓴7e 的浓度，使j 低j i 维持燃烧所需要n 勺最低氧浓度。窒息火火手婴采川：钒