（安全技术及工程专业论文）城市轨道交通火灾报警系统研究.pdf

西南交通道学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t a st h ed e v e l o p m e n to fs o c i e t ya n de c o n o m y , o u r c o u n t r y su r b a n i z a t i o np r o c e s si s v e r yf a s t ，t h ec i t ye x p a n d sg r a d u a l l ya n dt h ep o p u l a t i o nr i s e sq u i c k l y , t h eu r b a n t r a f f i cc a l ln o tm e e tt h en e e do f t h el a r g ea m o u n to f t r i p sa n df r e i g h t 田舱e x p e r i e n c e i nt h ef o r e i g nc i t i e ss h o w st h a tt h ea n s w e rt ot h eu r b a nt r a f f i cp r o b l e mi st h e c o m p r e h e n s i v et r a n s p o r t a t i o ns y s t e mt h a tm a i n l yc o n s i s t so fp u b l i ct r a n s p o r t a t i o n i n c l u d i n gu r b a nr a i lt r a n s i t ，s u c h a sm e t r oa n dl i g h tr a i lt r a n s i t b u tt h er a p i d d e v e l o p m e n to fu r b a nr a i lt r a n s i th a sa l s ob r o u g h tal o to fp o t e n t i a ls a f e t yp r o b l e m s ， s l l c ha st h ef i r ed i s a s t e r a c c o r d i n gt ot h ef i r ec o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n a l y s i s ，i no r d e rt oe f f e c t i v e l y c o n t r o lt h ef i r e p r o b a b i l i t y , r e d u c i n gt h e l o s so fl i v e sa n dp r o p e r t y , t h em o s t f u n d a m e n t a lw a yi sa c c u r a t ed e t e c t i o ni nt h ee a r l yf i r ea n dt i m e l yi m p l e m e n t a t i o no f s e c u r i t ym e a s u r e st op r e v e n tt h ef i r ee x p a n d i n g t h e r e f o r e ，t h ef i r ea l a r ms y s t e m t e c h n o l o g yr e s e a r c hh a sg r e a tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h e u r b a nr a i lt r a n s i ts y s t e ma n dt h er i s ko ff i r e ，a n dt a k i n gi n t oa c c o u n tt h ef u z z yc o n t r o l t h e o r ya n dn e u r a ln e t w o r kt e c h n o l o g y , t h i sp a p e rp r i m a r i l yc o n d u c tr e s e a r c hf r o mt h e f i r ed e t e c t o r sc h o i c ea p p l i c a t i o n ，f i r es i g n a lp r o c e s s i n gm e t h o d sa n do t h e ra r e a s b y t h ei m p r o v e m e n t si np a r a m e t e r s ，s u c ha sh i d d e nl a y e ra n dn o d en u m b e r , a n d r e g u l a t i n gi na l g o r i t h mo ft h eb pn e u r a ln e t w o r k , e s t a b l i s hav a r i e t yo fp r a c t i c a l a p p l i c a t i o nm o d e la n dp r o v e di t sv i a b i l i t yb ys i m u l a t i o ns t u d i e s f i n a l l y , s e t1 巾a s e r i e so fp r o p o s a l sa n dm e a s u r ef o rt h ea u t o m a t i cf i r ea l a r ms y s t e ms t r u c t u r e ， e l e m e n t sa n ds e t t i n gp r i n c i p l e ，a n ds u l n n l a r i z et h ed e v e l o p m e n tp r o s p e c t sa n d d e f i c i e n c i e sw i t ht h ew a y so f i m p r o v e m e n t k e y w o r d s ：u r b a nr a i lt r a n s i t ；f i r ea l a r ms y s t e m ；f u z z yc o n t r o l ； n e u r a ln e t w o r k ；s i m u l a t i o n 西南交通道学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 论文研究背景 第1 章绪论 1 1 1 城市轨道交通火灾现状 中国国家标准城市公共交通常用名词术语中，将城市轨道交通定义为： 通常以电能为动力，采取轮轨运转方式的快速大运量公共交通之总称”，包括地 铁、轻轨、市郊铁路、有轨电车及悬浮列车等，可通过高架桥、地面和地下隧 道运行。文中城市轨道交通系统指的是涉及到一条线路或某一区域内为保证城 市轨道交通正常运营的所有固定、移动设备及场所的总和，或者认为是包括在 整个火灾自动报警监测网络系统内的所有与城市轨道交通有关的设备及场所 等。城市轨道交通不管从能源节省、环境保护，还是运行速度、安全舒适等方 面，都较其他公共交通方式有很大优势，因此对我国这个人多地少、资源紧缺， 城市交通状况堪忧的国家，大量发展城市轨道交通是解决城市交通难题，推进 城市化进程，促进经济发展的最有效手段之一【。我国城市轨道交通建设发展 迅速，在建或准备建设的轨道交通线网总长超过4 0 0 0 公里，但人们体会着城市 轨道交通带来便利同时，也面对各种潜在危险，火灾就是伤害比较严重的一种。 2 0 世纪9 0 年代以来世界各国就发生了多起火灾事故，见表1 - 1 2 捌。 表1 - 12 0 世纪9 0 年代以来各国城市轨道交通火灾事故统计 西南交通道学硕士研究生学位论文第2 页 1 1 2 城市轨道交通火灾危害 人们生活中会遇到多种灾害，如水灾、旱灾、风灾、地震、污染等，其中火 灾发生率最高，伤害面最广。火灾的种类很多，尤其易发生的是建筑火灾，且 造成的损失最为严重，包括住宅、医院、超市、娱乐场所、车站等【4 】。 城市轨道交通在事故发生的比例上虽然远远低于路面交通方式，但是在火灾 的控制方面又处于极大的劣势，尤其近年来的大量火灾事故的发生，以及带来 的巨大财产损失和人员伤亡，使我们不得不重新审视城市轨道交通的安全【1 。卦。 城市轨道交通不管是地铁、轻轨、市郊铁路、有轨电车以及悬浮列车，都可以 采取高架、地面和隧道三种形式。一般情况下，城市轨道交通通过市区时，考 虑拆迁、土地资源、景观保护震动噪声等因素，大都采用下穿隧道式，而隧道 内发生火灾明显比地面式和高架式在火灾控制和救援等方面都要复杂的多，因 此，我们所说的城市轨道交通火灾一般情况下是指城市轨道交通隧道内及地下 车站的火灾。其危害性，主要有以下几个方面【m 1 ： 1 火灾诱发因素多 城市轨道交通的建筑、设备和运营生产活动设有大量的机电设备和一定数量 的易燃和可燃物质，运行过程中有较多的乘客和工作人员，因此，存在着很多 火灾的潜在因素，包括技术层面的、管理层面的、以及人为因素等。 2 空间狭小封闭 城市轨道交通隧道狭长，出入口少，内部空间相对封闭，空气供应量不足。 发生火灾时，热量和烟雾无法迅速排散，内部空间温度上升很快，有害气体浓 度迅速升高，能见度降低，人员安全撤离时间短。 3 人员不易疏散 主要是垂直高度深、疏散途径少，逃生距离长，人员疏散只能步行通过出入 口或联络通道，地面建筑火灾时使用的云梯车之类的消防救助工具无能为力。 客流量大，高峰时车站及列车都非常拥挤，一旦发生火灾时，乘客发生心理恐 慌和行动混乱，可能会瘫倒在地或盲目逃跑，容易相互挤倒、踩伤，造成不必 要的伤亡。 4 消防救火难度大 主要体现在无法直观火场，火灾点定位困难，灭火线路少，高温浓烟情况使 消防人员很难靠近着火点等。 5 社会影响深远 由于城市轨道交通的属于大容量的公交系统，火灾造成的较大人员伤亡，不 西南交通道学硕士研究生学位论文第3 页 仅造成较大的经济损失，而且对伤者、死伤者亲属或公众都会造成严重的精神 伤害，对家庭和社会产生深远影响，也不利于整个城市轨道交通产业的发展。 i 1 3 城市轨道交通火灾原因 城市轨道交通是现代化的电动的交通运输方式，电器线路十分复杂，有通讯 用电、照明用电、动力用电、空调通风用电等，人员众多，管理也难免出现纰 漏。因此，火灾的原因有很多方面，隧道中常见的有：明火、电火花、静电、 摩擦和撞击等。具体归纳有以下几点【1 3 】： ( 1 ) 动车组出轨或碰撞导致的事故； ( 2 ) 各种电器设备的故障或线路老化短路； ( 3 ) 乘客吸烟或携带易燃易爆品； ( 4 ) 人为故意纵火或恐怖袭击活动； ( 5 ) 自然灾害。 1 2 国内外火灾监测技术研究现状 火灾监测技术起源于1 9 世纪4 0 年代，至今经历了4 个阶段1 1 0 - l l 】。 1 起步阶段 1 9 世纪4 0 年代至2 0 世纪4 0 年代，火灾探测技术以感温为主，感温探测器 占主导地位，信号处理为阈值型。其中1 8 9 0 年，英国研制的感温火灾探测器开 创了历史上火灾探测技术的先例。 2 初级阶段 2 0 世纪4 0 年代至7 0 年代，感烟火灾探测技术发展迅速，感温火灾探测技 术处于次要地位。其中在1 9 4 1 年，离子感烟探测器面世并成为主流，但由于其 抗干扰能力及稳定性差，误报率高，新兴的光电式感烟探测器也逐渐占据半壁 江山，火灾信号传输多为线制，判断为阂值型。 3 发展阶段 2 0 世纪7 0 年代至8 0 年代的十几年。随着单机片技术的发展应用，火灾自 动报警系统信号传输采用总线制，克服了多线制施工不方便的缺点，也提高了 报警定位的精确性。其中以瑞士西伯乐斯开发的f 9 0 0 离子感烟探测总线型产品 为代表。 西南交通道学硕士研究生学位论文第4 页 4 智能阶段 从2 0 世纪8 0 年代后期，由于模拟技术出现以及对火灾规律的认识，加之微 处理器、计算机和传感技术的飞速发展，使火灾探测技术产生了革命性的变革， 进入智能化时代。初期系统是一个初级智能系统，智能功能只存在于控制机中， 且只是按照固定算法和程序运行，没有自学习和和自适应能力。随后出现了集 中智能系统、分布智能系统以及依托两种系统发展而来的网络通信系统结构。 另外，智能系统还突破了火灾报警的范畴，与空调、供电、照明、防盗等其它 公共设施以及安全、管理等系统合并为一个整体，从而发挥更大的作用。 1 3 论文主要研究内容 本论文主要包含了以下4 个部分。 第一部分详细介绍了模糊理论及人工神经网络技术，包括了概念、特点、 原理、模型、应用范围及优缺点等，从而为随后的应用提供理论基础。 第二部分分析了各种火灾探测器的结构原理、选用原则、影响因素和火灾数 据处理方法，分析火灾信号特征，比较各种算法的优缺点。运用模糊神经网络 技术，建立火灾探测器选用模型及火灾识别模型，进行仿真计算及改进创新。 第三部分介绍火灾报警系统的组成、工作原理、功能要求及结构设计形式等， 分析城市轨道交通的特点，举例分析，给出推荐方案。 第四部分工作总结及展望。 西南交通道学硕士研究生学位论文第5 页 第2 章火灾自动报警系统综述 2 1 火灾自动报警系统基本组成 火灾自动报警系统( f a s ) 由火灾监测和联动控制两部分组成，也叫火灾自 动报警监测系统。根据国际标准i s o t c 2 1 7 2 4 0 1 ：1 9 9 8 ( e ) 火灾探测与报警 系统规定，火灾探测与报警系统基本设计如图2 - l 所采5 9 1 。 a 一火灾探测器b - 控制和指示设各c 一报警装置d 一手动报警点e 一火警发布装置f 一火警接受装置g 一自动 消肪设备控制装置h 一自动消防设备j 一故障报警装置k 一故障报警接收站l 一电源x 组一近处报警要求设备y 组- # t - 援用附加设备z 组一近处自动消防设备要求的附加设备 图2 - 1 火灾探测与报警系统组件图 我国国家标准火灾自动报警系统设计规范规定火灾自动报警系统的基本 组成是：触发器、报警装置、警报装置和电源。 1 触发器 火灾自动报警系统中产生报警信号的器件称为触发器，主要包括火灾探测器 和手动火灾报警按钮。火灾探测器是火灾自动报警系统中应用量最大、应用面 最广、最基本的触发器件，不同类型适用不同火灾及不同场所，实际应用中按 有关标准合理选择。手动火灾报警按钮是手动方式产生报警信号、启动自动报 警系统的器件，也是火灾自动报警系统中不可缺少的组成部分。 2 火灾报警装置 火灾报警装置是火灾自动报警系统核心部分，主要接收、显示、传递火灾报 警信号，发出各种指令，实现消防自动控制及其他辅助功能，最基本一种是火 灾报警控制器。 西南交通道学硕士研究生学位论文第6 页 3 火灾警报装置及电源 火灾自动报警系统中，发出区别于环境声、光的火灾警报信号装置称为火灾 警报装置。火灾警报器是最基本的火灾警报装置，它以声、光及音响等方式向 报警区域发出火灾警报信号，警示人们采取安全疏散、灭火救灾措施。 火灾自动报警系统属于消防用电设备，其主电源应当采用消防电源，备用电 源采用蓄电池。系统电源除为火灾报警控制器供电外，还为与系统相关的消防 控制设备等供电。 这样对火灾自动报警系统而言，主要研究方向就集中到火灾探测器、火灾报 警装置和火灾报警系统结构设计形式几个方面。 2 2 火灾探测器 2 2 1 火灾探测器基本特征 2 2 1 1 火灾探测器基本功能 火灾探测器指用来响应其附近区域由火灾产生的物理或化学现象的探测器 件，结构形式有两种，点形火灾探测器主要响应传感器附近火灾产生的物理或 化学现象，而线性火灾探测器响应某一连续线路附近火灾产生的物理或化学现 象【5 1 。 火灾探测器在火灾发生时接收的火灾信息，与火灾参数、火灾发展过程、测 量点位置以及周围环境有关。火灾信号测量就是探测器内部敏感元件与燃烧产 生的火灾参数起作用，并在探测器内部发生能量转换，经电子或机械方式处理， 最后将处理结果直接或判断后传输给报警控制器的过程。 火灾探测器工作原理如图2 2 5 】。火灾信号f 借助传感器或测量元件转换成 测量值m ，经过测量信号处理电路生成用于火灾判断的数据处理结果量y ，最 后由判断电路产生开关报警信号s 。对于某些直接产生模拟信号的火灾探测器， 产生的模拟量信号y 直接传输火灾报警控制器，由火灾报警控制器实现判断功 能。但是某些无火灾环境下，环境噪声可能影响火灾传感器或测量元件输出信 号，产生较大环境噪声测量值m ，引起误报警，因此火灾探测器要有一定自适 应能力。 西南交通道学硕士研究生学位论文第7 页 2 2 1 2 火灾探测器种类 火灾探测器种类取决于火灾探测方法，而火灾探测方法又以燃烧时各种火灾 现象为依据。普通燃烧首先产生燃烧气体，并阴燃产生烟雾，再逐步达到完全 燃烧，产生火焰、光，释放大量的热，过程如图2 3 1 9 1 。 驾一i 八 撩虢 7i ；吲 一 一潜伏一 i 时间 - 一初起- 阴燃十_ 火焰燃烧 图2 3 可燃物典型起火过程 可见火灾初起和阴燃阶段时间较长，产生大量烟雾，但环境温度不高。火焰 燃烧阶段火势迅速蔓延，形成火灾，烟雾量相对减少并趋于饱和，燃烧热量使 周围环境温度产生较大变化。全燃烧阶段产生强烈火焰辐射，含有大量红外线 和紫外线。 另外某些环境下，油品、液化烃等非普通可燃物起火迅速，瞬间达到全燃阶 段，很少有烟雾遮蔽。而可燃气体或易燃液体蒸汽更是在合适浓度范围内，由 点火源作用会轰燃或爆炸。 分析火灾特点，以燃烧中能量转换和物质转换为基础，并考虑其他因素，就 有烟雾探测、温度探测、可燃气体探测和火焰光探测等不同探测方法。还有根 据烟雾、火焰形状或燃烧声音探测火灾的图像、声音探测法。具体火灾探测器 西南交通道学硕士研究生学位论文第8 页 种类如图2 4 【5 。 图2 - 4 火灾探测器类别 2 2 2 火灾探测器结构原理 2 2 - 2 1 感烟火灾探测器 1 粒子感烟火灾探测器 粒子感烟探测器利用放射性同位素释放c i 射线，将空气电离产生正、负离子， 使电离室内空气具有一定导电性，在电场作用下形成离子电流。当烟雾进入电 离室，表面积较大烟雾粒子吸附带电离子，产生离子电流变化，这种离子电流 变化与烟浓度有直接线性关系，并用电子线路加以检测，从而获得与烟浓度有 直接关系电信号，用于火灾确认和报警。其核心传感器件感烟电离室其结构及 电流特性如图2 - 5 。其典型结构有双源式和单源式两种【5 。9 1 。 双源式电路原理及工作特性如图2 - 6 ，开、闭室结构反向串联，检测电离室 工作在特性灵敏区，补偿电离室工作在其特性饱和区。火灾探测器无烟时工作 点为a ，烟雾进入时，火灾探测器工作点为b ，形成电压差v ，其大小反映烟 雾粒子浓度大小，进而确认火灾发生和报警。此结构可以减少环境温度、湿度、 气压等变化对离子电流的影响，提高火灾探测器环境适应能力和工作稳定性。 西南交通道学硕士研究生学位论文第9 页 厂寸i 图2 - 5 电离室结构及粒子电流特性 ( a ) 电路原理 ，1r ia 状态 l ，b 有烟 v ， 少 一一 一状态 v 2v 2 r 彻工作特性 m 图2 6 双源式粒子感烟式探测器原理图 单源式电路原理如图2 7 ，检测电离室和补偿电离室由电极板p 1 、p 2 和p 。 构成，共用放射源。火灾探测时，探测器检测电离室和补偿电离室都工作在特 性曲线灵敏区，利用p m 极电位变化量大小变化反映进入烟雾浓度大小变化，实 现火灾探测和报警。 图2 7 单源式粒子感烟式探测器原理图 单源式离子感烟探测器两个电离室结构基本敞开，受环境条件缓慢变化影响 相同，提高了对环境中微小颗粒缓慢变化的适应能力，特别是抗潮能力方面有 很大优点。 西南交通道学硕士研究生学位论文第1 0 页 2 光电感烟火灾探测器 光电感烟火灾探测器根据火灾产生的烟雾颗粒对光线的阻挡或散射作用，使 光敏元件发生特性变化，进而产生电流变化来实现火灾探测，有减光式和散射 光式两种( 图2 8 ) 5 - 9 。 广 图2 8 光电感烟火灾探测器原理图 减光式原理如图2 8 ( a ) 。进入检测暗室的烟雾粒子对光源发出的光产生吸 收和散射，使光通量减少，使受光元件上产生的光电流降低。光电流相对于初 始标定值的变化量大小，反映了烟雾的浓度大小，实现火灾探测和报警。 散射光式原理如图2 8 ( b ) 。进入暗室的烟雾粒子对发光元件发出的光产生 散射作用，使得处于一定夹角位置的受光元件( 光敏元件) 阻抗发生变化，产 生光电流。此光电流的大小与散射光强弱，烟粒子的浓度、粒径大小及着色与 否有关。当烟浓度达到定值时，散射光的能量就足以产生激励电流，可对处理 电路发出火灾信号。 2 2 2 2 感温火灾探测器 感温火灾探测器通过热敏元件与电子线路感应燃烧释放热量引起环境温度 升高或其变化率大小探测火灾。热敏元件有电子测温元件( 热敏电阻) 、双金属 片、感温膜盒、热电偶等。探测器主要有定温和差温两种【7 捌。 1 定温式火灾探测器 定温式火灾探测器是当火灾引起温度上升超过某个定值时启动报警，主要利 用不同物质材料热膨胀系数不同，当温度上升后，热传感元件产生变形，膨胀 系数越大的材料产生变形越大，从而使正常情况下分离的两个触点靠近，到达 一定程度就会接触，进而启动报警装置。这种探测器设有调整装置以满足一定 西南交通道学硕士研究生学位论文第1 l 页 范围内的调整，在环境温度恢复正常后，金属片可复原，探测器可重复使用。 还有利用低熔点( 易熔) 金属火灾时，温度升高达到熔点被熔化脱落，使机 械结构部件动作( 如弹簧弹出、项杆顶起等) ，造成电触点接通或断开，以及电 子式定温探测器利用热敏电阻受温度作用，自身特性变化来改变电路中信号特 征以实现报警功能。 2 差温式火灾探测器 差温式火灾探测器是在规定时间内，火灾引起的温度上升速率超过规定值时 启动报警。主要感温元件有空气膜盒、热敏半导体电阻元件等。 感温式火灾探测器按监测区域有点型和线型，按工作原理分机械式和电子式 等。其中电子式探测器探测部分为半导体电子电路，其反应灵敏，报警准确， 是未来发展趋势。 另外将定温和差温两种作用原理结合的差定温式火灾探测器，兼有两者功 能，若某一功能失效，则另一功能仍起作用，提高了火灾监测的可靠性。 2 2 2 3 其他火灾探测器 1 感光式火灾探测器 感光式火灾探测器是用光敏元件与电子线路感应火焰光的辐射( 红外线和紫 外线) 来探测火灾现象。这类探测方法用于火灾发展过程中火焰发展和明火燃 烧阶段【5 9 1 。 紫外感光探测器的敏感元件是紫外光敏管，就是在玻璃壳内装两根高纯度钨 丝或银丝制成的电极，并充定量氢气和氦气，当电极接收到紫外辐射时，就会 发射出电子，并在两极间电场作用下加速运行，碰撞气体分子使其电离，电离 后的正、负粒子又被加速，使更多气体分子电离，从而在极短时间内造成“血 崩”式放电过程，使紫外光敏管由截止状态变成导通状态，驱动电路启动报警 装置。紫外光敏管输出功率大、耐高温、寿命长、反应快速、可在交直流电压 下工作等特点。 红外感光探测器利用红外光敏元件的光电导或光伏效应来探测低温产生的 红外辐射，再转换成电信号，通过多级放大电路后，形成启动报警器的电流或 电压。自然界中物体高于绝对零度都会产生红外辐射，所以用红外辐射探测火 灾时，应该考虑物质燃烧时火焰间歇性闪烁现象，以区别背景红外辐射。 西南交通道学硕士研究生学位论文第1 2 页 2 可燃气体火灾探测器 可燃气体火灾探测器按传感器不同分为热催化型、热导型、气敏型和三端电 化学型。 热催化型利用可燃气体在足够氧气和高温条件下，在铂丝催化元件表面无焰 燃烧引起铂丝元件电阻变化而达到探测可燃气体浓度。 热导型利用被测气体与纯净空气导热性差异以及在金属氧化物表面燃烧特 性，将被测气体浓度转换成热丝温度或电阻变化来测定气体浓度。 气敏型利用灵敏度较高的气敏半导体元件吸附可燃气体后电阻变化特性来 测量和探测可燃气体。 三端电化学型利用恒电位电解法，在电解池安置三个电极并施加极化电压， 以透气薄膜将电解池同外部隔开，被测气体透过此薄膜达到工作电极，发生氧 化还原反应，使传感器产生与气体浓度成正比的输出电流，达到探测目的。 2 。3 火灾报警控制器 火灾自动报警系统中，火灾探测器是系统“感觉器官”，监视周围火灾情况， 火灾报警控制器则是系统的“躯体”和“大脑”，是系统的核心。火灾报警控制 器监测探测器故障状态，保证探测器长期、稳定、有效工作。发生火情后，接 受探测器报警信号，迅速、正确进行数据处理，指示报警部位及时间，执行相 应辅助控制等。 火灾报警控制器除具有控制、记忆、识别和报警功能外，还有自动检测、联 动控制、打印输出、图形显示、通信广播等功能。其功能大小是评价火灾自动 报警系统技术构成、可靠性、稳定性、性价比及整个系统先进性的重要指标。 2 3 1 火灾报警控制器分类 1 按用途分 ( 1 ) 区域火灾报警控制器。区域火灾报警控制器用于火灾探测器监测、巡 检、供电，接收监测区火灾探测器报警和故障信号，并转换为声、光报警输出， 同时显示火灾或故障位置等。主要功能有火灾信息采集与信号处理，火灾模式 识别与判断，声、光报警，故障监测与报警，火灾探测器模拟检查，火灾报警 计时，备电切换和联动控制等。 ( 2 ) 集中火灾报警控制器。集中火灾报警控制器用于接收区域火灾报警控 西南交通道学硕士研究生学位论文第1 3 页 制器报警信号或设备故障信号，显示火灾或故障部位，记录火灾信息和故障信 息，协调消防设备联动控制及构成终端显示等。主要功能包括火灾报警显示、 故障显示、联动控制显示、火灾报警计时、联动控制实现、信息处理与传输等。 ( 3 ) 通用火灾报警控制器。通用火灾报警控制器兼有区域和集中火灾报警 控制器功能，小容量可作为区域火灾报警控制器使用，大容量可独立构成中心 处理系统。形式多样，功能完备，按特点可用作各种类型火灾自动报警系统中 心控制器，完成火灾探测、故障判断、火灾报警、设备联动、灭火控制及信息 通讯传输等功能。 近年，火灾探测报警技术飞速发展，多层总线制数字网络功能的智能化火灾 探测报警监测系统逐渐应用，许多情况火灾报警控制器不再分为区域、集中和 通用三种，而统称火灾报警控制器。 2 其他分类形式 按用途分之外，还有按容量分的单路、多路火灾报警控制器，按使用环境分 的陆用、船用火灾报警控制器，按结构分的台式、柜式、壁挂式火灾报警控制 器，按防爆性能分的防爆、非防爆型火灾报警控制器等等。 2 3 2 火灾报警控制器工作原理 火灾报警控制器基本原理见图2 - 9 。对输入单元而言，集中报警控制器与区 域报警控制器有所不同。区域报警控制器处理的探测信是各种火灾探测器、手 动报警按钮或其他探测单元输出信号，而集中报警控制器处理区域报警控制器 输出信皂s 9 1 。 | 时钟显示单元 1 输输 声报警单元 入 自 出 控动控 | 光报警显示单元j 制 监制 接控接 口 盟 口 一 辅助指示单元 堕 一 苴 兀 一 一 辅助控制单元l 兀兀 一报警信息中继 i 图2 - 9 火灾报警控制器基本原理 西南交通道学硕士研究生学位论文第1 4 页 区域火灾报警控制器按一定时间周期顺序对每个火灾探测器进行检测，检测 内容包括火灾探测器工作情况是否正常、火灾探测器监测区域内是否存在火警 情况等。火灾探测器将监测到的烟、温度、火焰光等火灾信号转变成电流信号 输出给区域火灾报警控制器，经过报警控制器分析、判断处理后，确认火警或 故障信号，并将信息输给集中火灾控制器。同时启动声光等警报装置等，对某 些带有联动控制功能的区域火灾报警控制器，在确认发现火情、发出火灾报警 信号后，可启动联动系统。 集中火灾报警控制器是按一定时间周期对系统中每一台区域火灾报警控制 器进行检测，查询区域火灾报警控制器自身状态信息和存储的报警信息等。一 旦发现问题或接收到报警信息并确认后，即发出相应的联动控制指令，启动消 防联动控制设备进行火灾扑救工作等。 2 3 3 火灾报警控制器数据处理方法 火灾探测报警依据各类火灾参数敏感元件输出的电信号，采取不同火灾信息 判断处理方式或火灾模式识别方式，使系统在火灾探测与报警能力、消防设备 协调控制和管理能力以及系统本身与上级网络信息交换与管理能力等方面得到 不同的系统应用形式。 各种类型的火灾传感器可以感知各种火灾特征参数，并产生相应的火灾、非 火灾或环境噪声输出信号。火灾传感器输出信号可近似看作一个非平稳随机过 程，利用现代信号检测和处理方法并结合火灾信号的特殊性可以有效地检测出 火灾信号，而寻找合适火灾信号处理方法是首要任务。 鉴于火灾发生是随机过程，火灾参数变化更是非稳态过程，环境变化如时间、 气候、湿度、灰尘及人为其他活动等都能影响火灾参数变化。因此没有一个标 准火灾发展模型，对于火灾参数变化也只是一个大体感知。其特点【5 - 8 】。 ( 1 ) 火灾信号都是随机信号，其统计特征随时间或环境变化而变化。 ( 2 ) 火灾信号被监测的情况极少出现，火灾探测器几乎总是在输出正常信 号。 ( 3 ) 火灾信号的背景噪声很强，其特征有时与被探测火灾信号极其相似。 因此，火灾传感器的输出信号是人们无法用数学语言精确描述的非结构问 题。尽管对火灾传感器输出信号检测比较困难，但其变化还是具有一定特征， 如输出信号的时间特性、频谱特性、信号代表的烟雾浓度变化和温度上升等。 西南交通道学硕士研究生学位论文第1 5 页 因此火灾传感器输出信号x ( f ) 可表示为： 荆= x r 糟j 缀 ( 2 - 1 ) 式中x ，( f ) 一火灾特征参数信号： x 。( f ) 一其他因素引起的非火灾信号。 可见，x n ( f ) 和工，( f ) 是互不影响的，在火灾发生时无法从x ( t ) 中分离出x ，( f ) ， 另外，非火灾状况下，x 。( f ) 却有可能产生类似x ，( f ) 的变化。 根据一些研究显示，火灾传感器的输出信号具有以下特征： ( 1 ) 传感器输出信号都是由一个慢变低频成分和一个不规则的快变高频成 分组成。 ( 2 ) 非火灾时，传感器输出信号有明显的稳态值。 ( 3 ) 火灾发生时信号显示出较明显的正向或负向趋势特征。 ( 4 ) 传感器输出信号的正向或负向趋势变化持续了较长时间。 在信号处理过程中，如果对信号x ( f ) 特征趋势判断有误或处理不当，则很可 能产生误报警，因此，降低火灾探测误报率的关键也就在于区别x n ( t ) 和x ，( f ) 。 一般采用现代信号检测和数据处理方法，这些现代数据处理方法与火灾信号特 殊性结合就形成了火灾探测理论与算法，而当今计算机技术和专用集成电路设 计技术为这些算法在火灾探测报警系统中的应用创造了条件。 归纳起来，目前火灾探测信号处理方法按技术发展过程分三大类：阈值比较 方法、类比判断方法和分布智能方法1 1 。 2 3 3 1 阈值比较法 阈值比较法是将传感器中敏感元件输出的火灾信号幅值或变化率与预先设 定的信号阈值或变化率进行比较，当信号幅值或变化率超过预定信号阈值或变 化率时输出火灾报警信号。此方法简便明了、易于实现，但环境适应性、抗干 扰性较差，误报警率较高，是传统、直观的火灾监测数据处理方式，主要有固 定阈值检测法和变化率检测法1 1 。 西南交通道学硕士研究生学位论文第1 6 页 1 固定阈值检测法 这种方法将火灾信号幅度( 如烟雾颗粒的光电散射信号幅度、离子电流变化 幅度或温度信号等) 与预先设定的信号阈值进行比较，当信号幅度超过预定阈 值时输出报警信号，可由公式( 2 2 ) 表示。 y ( ；) = r l ( r ) 】 。【y ( r ) 】= ：_ ! ：2 ：； ( 2 2 ) 式中 工( f ) 一火灾物理参数经传感器转换的电信号； y ( t ) 一电信号通过现代信号处理方法处理后的信号5 d ii 一判断逻辑，l 表示火灾，0 表示非火灾； s 一预先设定的闽值。 为了提高火灾探测的可靠性和抗干扰能力，对信号要采取平均和延时处理， 采取一段时间内对信号x ( f ) 进行积分，用i ( f ) 代替x ( f ) ，见公式( 2 3 ) 。 i ( f ) = = _ 一ix(t)dt(2-3) 式中t t 。选定的时间段； i ( f ) 一传感器此时间段内平均幅值。 2 变化率检测法 火灾探测信号的变化率是一个十分重要的特性，特别是火灾产生的高温使起 火点附近温度迅速上升，上升率超过一定范围时说明温度发生突变。因此可将 一定时间内感温火灾探测信号上升速率与设定阈值进行比较，判定火灾的发生。 其计算法采用微分，见公式( 2 - 4 ) 。 掣：y ( f )( 2 4 ) 班 对竺蔓掣的测算是在合适观测r 内进行，此算法是利用石( f ) 变化幅度来判 a t 断火灾。 阈值比较法能够正确探测火灾，电路简单易于实现，因此，在模拟量火灾探 测器出现之前，几乎所有火灾探测报警系统都采用阈值比较法。而且至今许多 先进模拟量或智能化火灾探测报警系统仍然延用阈值比较法的优点，将早期绝 对报警阈值改为相对阈值或多阈值判断( 即阈值补偿法) ，改变早期阈值比较信 号过于简单带来的不足。 西南交通道学硕士研究生学位论文第1 7 页 2 3 3 2 类比判断法 类比判断法就是将火灾信号特征和监测数据处理过程用完整数学表达式来 描述，利用火灾信号趋势性和火灾信号波形斜率大小，将火灾信号转换为随报 警因素的变化而连续变化的模拟量信号，并进行相应数据处理和判定火灾。类 比判断法使火灾探测器从开关报警过渡到模拟报警。其特点是： ( 1 ) 以火灾信号趋势变化为准则，平滑过滤各种干扰信号，增加“预报警” 过程，提高系统可靠性和稳定性，降低误报率。 ( 2 ) 火灾探测灵敏度可用软件设置，实现预火警、火警、联动控制等多个 输出信号、延时和非延时工作方式、白昼与夜间灵敏度自动调整、环境条件自 动补偿。 ( 3 ) 利用火灾探测器、报警控制器及消防联动控制系统中心控制器所独有 的嵌入式单片机或其组合来完成火灾监测数据处理和火灾判断。 类比判断法主要有以火灾信号变化趋势为基础的各种火灾趋势算法和以火 灾信号变化趋势及信号波形斜率为基础的斜率算法。 1 斜率算法 火灾探测信号正常条件下都有稳态值，即使考虑干扰和噪声影响，也是在稳 定值上、下波动。火灾探测信号斜率可根据此稳定值与输出信号在某一时间内 的相对差值来定义，然后根据信号斜率是否超过报警阈值来判断火灾。相对差 值函数d ( ，1 ) 见公式( 2 5 ) ，最后通过判断函数判断是否火灾。 d ( 胛) ：r w - x ( n ) ( 2 - - 5 ) 一 r 。 式中工( 玎) 一火灾传感器输出信号； 见，一稳定值。 为了在计算斜率时克服环境噪声等于扰，并考虑当信号大幅度变化时其斜率 计算才有意义，一般引入累加函数，当相对差值函数超过一定范围后进行累加 运算，提高函数的可靠性。 2 趋势算法 趋势算法是在某一时间段内设置若干探测点，比较前后时间状态上火灾参数 信号变化情况，累加计算，综合分析，判定火灾趋势性。其中k e n d a l l 丌趋势算 法是最方便实现的趋势算法，在实际中应用十分有效，可以减少计算和存储量。 基本趋势函数y ( 尼) 见公( 2 6 ) ，最后通过判断函数判断是否火灾。 西南交通道学硕士研究生学位论文第1 8 页 y ( 以) = u ( x ( n f ) 一x ( n 一瑚( 2 - - 6 ) 面i 式中押一离散时间变量； 一观测数据的窗长； 甜一单位阶跃函数，“o ) ： ：x ! 。 【u xd 型 矩形 偏 或半 特 o ：i ： ：b 大 矩形 型 分布 击 f 0j b 偏 1j 6 半梯 偏 ：匕ab 0 x 6 分布 0 j 口 由 b - a 口5j 6 1 f 爪。一 当b = c ， 问 b ) ：一 1b s j c 型 d - x c s z d 就是三角函数 【“o 。 ，d ab cd 一 西南交通道学硕士研究生学位论文第2 9 页 偏 小= ，6 1 ，、，c n 。 厶 型 、哥j 4 意6 k 次偏 ， 0 、t j4 ：垃 抛物大 b ) = - x - q l a s x 0 r 型 彳b ) = 。一p o “一。，工x 口a d o = 4 + 1 k 大 分布 型 由 口i 扛一口)x 0 间 彳g ) = l口5 x b 1 i 小， a o = 口一1 k 型 p 一b 。) j b b o = b + 1 k 偏 小 件2 x 0 小 4 0 ) = 1 4 7 分布 【1 + a b n ) 。 型 西南交通道学硕士研究生学位论文第3 0 页 偏 匠 口 0 大 特 击：；： 0 型 由 纽 口 0 间 彳g ) 2 瓦孓1 万 为正偶数 型 2 模糊判断 模糊控制器最常用结构为二维模糊控制，其输入变量一般取误差和误差变 化，输出为控制量增量。采用m 硼d a n i 控制规则，误差、误差变化及控制增量 均取7 个值：负大( n b ) 、负中( n i ) 、负小( n s ) 、零( o ) 、正小( p s ) 、正中 ( p w ) 、正大( p b ) 。模糊控制规则见表3 3 。 表3 - 3 常见模糊规则控制表 4 “口 心 n bn mn sz op s p w p b n bp bp bp b p bp mp sz o n mp b p bp wp wp sz oz o n sp bp m p wp sz oz on s z op mp sp sz 0n sn sn m p sp sz 0 z on s瑚n w n b p mz 0z on s n wn wn bn b p b z on s n l i n bn bn b n b 3 1 模糊控制原理图 西南交通道学硕士研究生学位论文第3 1 页 ( 1 ) 根据本次采样得到的系统输出值，计算所选择系统的输入变量； ( 2 ) 将输入变量的精确值变为模糊量； ( 3 ) 根据输入变量的模糊量及模糊控制规则，由模糊推理合成规则计算控 制量： ( 4 ) 将上述控制量计算为精确的控制量。 3 2 2 神经网络概述 神经网络是由大量与生物神经细胞相类似的人工神经元互连而组成的网络， 或由大量像生物神经元的处理单元并联而成，具有某些智能、仿人控制及类似 于人脑学习的功能。神经网络研究始于上世纪4 0 年代，我国虽然研究起步较晚， 但目前发展迅速。神经网络以对信息分布式存储和并行处理为基础，具有自组 织、自学习功能，在许多方面更接近人对信息的处理方法。它具有模拟人形象 思维能力，反映人脑功能的若干基本特性，但并不是人脑的逼真描述，只是它 的某种抽象、简化和模拟 1 钔。 3 2 2 1 神经网路模型 在神经网络中神经元是基本处理单元，信息处理首先通过输入信号与神经元 连接强度的内积运算，然后将结果通过激活函数，再用过闽值函数判决，以决 定该神经元激活或抑制。 神经网络模型由网络拓扑结构、神经元特性和网络学习规则三因素确定。 网络拓扑结构分为分层网络模型和互连网络模型，前者将神经元分成若干 层，各层顺序联接，每层的输入与前一层输出相关联，后者允许任意两个神经 元之间存在相互联接。当然还有一些网络是上述两种结构的混合。 神经元特性函数厂( x ) 是指激活函数与阈值函数的复合函数，常见阈值型、 分段线性型和s i g m o i d 函数型，具体特性见图3 2 和公式( 3 1 ) ( 3 3 ) d r 。 图3 2 人工神经元特性函数 西南交通道学硕士研究生学位论文第3 2 页 ( 1 ) 阈值型函数 ( 2 ) 分段线性型函数 s ( d = g 薯( 3 - - 1 ) f0 ，、ix a 八叫2 - 一 h 以 ( 3 ) s i g m o i d 函数 ，( x ) = 丽1 ( 3 3 ) 神经网络的学习算法可分为两类：有监督和无监督。 有监督学习算法要求同时给出输入和正确输出，网络根据当前输出与要求的 目标输出的差来进行网络的调整，使网络作出正确反映。其中最著名的是带隐 含层的网络反向误差传播法，简称b p 算法。无监督学习算法只需给出一组输 入，网络能够逐渐演变到对输入的某种模式作出特定反映，竞争学习算法就是 其中较典型的一种。 神经网络有两种运行方式：前馈式和演化式。 前馈式利用联接强度及神经元的非线性输入输出关系，实现从输入状态空间 到输出状态空间的非线性映射。演化式网络中，输入相当于初态，网络演化的 终态是输出。 3 ，2 2 。2b - p 神经网络模型 采用b p 算法的多层前馈型网络是目前应用最广泛的神经网络模型，更以 单隐含层最为普通，称为三层前馈网或三层感知器，包含了输入层、隐含层和 输出层，见图3 3 。 设输入向量为i = f 。，i 2 ，i s 】，隐含层向量为肘= k 。，m ：，m ，j ，输出层向 量为o = d ，d ：，叱】，期望输出向量为e = k ，e ：，e ：】。 输入层到隐含层权值为w m ，a 、2 、3 z ) ，k 1 、2 、3 y 。 ) 2 1 j(6 口 一6 z 一 z 口 西南交通道学硕士研究生学位论文第3 3 页 图3 - 3b - p 网络结构图 隐含层到输出层权值为v 盯， l z 3 z 。各层信号之间