（电力系统及其自动化专业论文）基于can总线的城轨列车火灾识别技术研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t t h ef i r ed e t e c t i o nt e c h n o l o g yi sa ni m p o r t a n tm e t h o du s e db yp e o p l et of i g h t i n g w i t hf i r e n o wi th a sb e c o m ea c o m p r e h e n s i v es u b j e c t i t sa p p l i e di nm a n ya r e a s ，a n d h a dal a r g er o l ei n f i r eg u a r d i n g ，l i f ea n dp o v e r t yp r o t e c t i n g w i t ht h ec o n t i n u i n g d e v e l o p m e n to ft h et e c h n o l o g ya n dt h ec o n t i n u i n gf a s t e n i n go ft h es o c i e t yr h y t h m ， t h ec a u s e so ff i r ea r em o r ea n dm o r ec o m p l e xa n dt h et y p e so ff i r ea r em u c hm o r e t h eu r b a nr a i lt r a i n sa r em a i nv e h i c l ei nt h ec i t i e s a l t h o u g ht h e ya r eh i g hs p e e d ， c o n v e n i e n ta n dc o m f o r t a b l e ，b e c a u s eo ft h e i rp r e s s u r i z i n g ，h i 曲s p e e dm o v i n ga n d l a r g ep o p u l a t i o nd e n s i t ya n dm o b i l i t y , t h ef i r eo nt h e mm u s tl e a dt ot e r r i b l er e s u l t s o t h er e s e a r c ho nt h ef i r ed e t e c t i o nt e c h n o l o g yb a s e do nt h eu r b a nr a i lt r a i n sw i l lb et h e b a s eo f d e s i g no fd e p e n d a b l ea n ds t a b l ef i r ed e t e c t i n gs y s t e mo nv e h i c l e i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h ed e v e l o p m e n ta n dt h es t a t u sq u oo ft h ef i r ed e t e c t i o n t e c h n o l o g ya r ei n t r o d u c e d ，a n dt h ec a u s e so ff i r eb r e a k i n g ，a nu l t i m a t ep r i n c i p l ea n d c u r r e n tm e t h o d so ff i r ed e t e c t i o na r es t u d i e d t h er e s e a r c h i n go ft h eg a t h e r i n g m e t h o d sa n dp r o c e s s i n ga r i t h m e t i co ft h ef i r ei n f o r m a t i o ni sg o n ed e e pi n t o ，a n dt h e c h a r a c t e ro ft r a i nf i r e ，p h y s i c sp a r a m e t e r sa n ds e l e c t i o no fs e n s o r sa r ed i s c u s s e d a s c h e m eo fg a t h e r i n gt r a i nf i r ei n f o r m a t i o n ，f u n c t i o nr e q u i r e m e n ta n ds t r u c t u r ef r a m e h a sb e e np u tf o r w a r d ，a n dh a r d w a r ed e s i g na n ds o f t w a r ed e s i g no fe v e r yp a r ti s a n a l y z e da n dr e s e a r c h e d i nt h ef i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m s ，c a nb u sd e v e l o p sf a s td u e t oi t sl o wc o s ta n dc o n v e n i e n td e v e l o p i n ge n v i r o n m e n t i nt h et h e s i st h en e t w o r k t e c h n o l o g yi sc o m b i n e d t ot h ef i r ed e t e c t i o nt e c h n o l o g yb a s e do nc a nb u s c a nb u s p r o t o c o lc h a r a c t e ri sa n a l y z e di nt h ed i s s e r t a t i o n ，t h er e a s o n sw h yc a nb u ss u i t st o t h eu r b a nr a i lt r a i n sf i r ed e t e c t i o ns y s t e ma r ea l s os u m m e du p ，a n dt h ep r o b l e m si n r e a lt i m eo fc a nb u sc o m m u n i c a t i o na r ea n a l y z e di nt h e o r y i nt h ef i n a l i t y , t h ed e s i g no fs y s t e mn e t w o r ki n t e r f a c e ，s e n s o r sh a r d w a r e ， s o f t w a r ea n dp r e c i s i o na n a l y s i sa r ef i n i s h e d ，t h ea n t i - j a m m i n g ，a n dt h ep r o b l e m s r e q u i r i n gf u r t h e rs t u d i e sa r ed i s c u s s e di nt h ed i s s e r t a t i o n t h ea c a d e m i cv a l u ea n d s i g n i f i c a n c eo ft h et h e s i si sa l s os u m m a r i z e d 1 1 a b s t r a c t k e yw o r d s ：f i r ed e t e c t i o nt e c h n o l o g y , s e n s o r ，m e t h o do ff i r es i g n a lp r o c e s s i n g ， c a nb u s 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者虢强文畸 7 年舄| 踟 同济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，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、己公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名：墨殳 垮。 砌夕年月谬日 第1 章引言 1 1 概述 第1 章引言 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【l 】： 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。随着城市现代化建设的发展，人民物质文化水平不断提高，各种新技 术、新材料、新装备的不断采用，城市抗御火灾的综合实力不断增强的同时， 火灾的破坏作用亦同趋严重，城市轨道交通不仅关系国计民生，且城轨列车具 有空间密封且有限、乘客的密度大等特点，所以一旦列车发生火灾，其后果的 严重程度则可想而知。这就对列车中所设置的消防设施提出了更高的要求，以 确保人员生命和公私财产的安全。火灾自动探测报警系统便是这些消防设施中 最基本和最重要的组成部分。二十世纪九十年代，我国火灾报警技术从多线制 发展至总线制；从传统的开关量感烟、感温探测技术发展到具有模拟量、多传 感、多判据的智能型探测技术；从单一的火灾报警发展到结合消防联动、城市 消防管理和消防通信指挥的联动控制技术。 3 c 技术即计算机( c o m p u t e r ) 、通信( c o m m u n i c a t i o n ) 和控制( c o n t r 0 1 ) ， 发展迅速，这使得网络集成信息自动化迅速地应用到现场设备、控制、管理和 市场的各个层次，也迅速进入工业制造、工业流程、环境工程、民用工程等广 泛的应用领域。由于以嵌入式系统仪表和设备为基础的现场总线网络具有投资 少、反应速度快、可靠性好、控制精度高、组网方式灵活、维修方便、供应充 足等优点，故近年来在电子技术的推动下取得蓬勃发展，正逐步取代传统的集 散控制系统。火灾自动探测报警技术是将传感器技术、通讯技术和信息处理技 术应用于火灾预防的一项综合性技术，集计算机技术、微处理器技术、控制检 测技术、现场总线技术、通讯技术、人工智能技术及网络技术于一体瞄1 。 1 1 1火灾探测技术的发展与现状 火灾是危害人类的重大灾害之一，是一种在时空上失去控制的燃烧现象。 l 第1 章引言 它直接危及人类的生命和财产，造成环境污染，甚至生态平，衡【引。火灾探测技术 的任务就是针对燃烧中表现出来的物理特征做出反应，并根据这些反应做出是 否发生火灾的准确判断。 18 4 7 年美国牙科医生c h a n n i n g 和缅因大学教授f a r m e r 研究出了世界上第 一台用于城镇火灾报警的发送装置，1 8 9 0 年英国研制成功了第一个感温式火灾 探测器【4 】，标志着现代火灾探测技术的诞生，开创了火灾自动探测报警技术的新 纪元。此后的半个多世纪里，感温探测器一直占主导地位，直至2 0 世纪5 0 年 代初，瑞士物理学家e r n s tm e i l i 研制成功第一台离子型感烟探测器，感烟探测 器从此登上历史舞台。由于火势蔓延往往始于烟，这使得人类在实现火灾早期 报警方面前进了一大步。火灾探测器发展到现在已经有了一百五十多年的历史， 从1 9 世纪4 0 年代到2 0 世纪4 0 年代的一百年间，感温探测器虽然占据着主导 地位，但也只是处于初级阶段。在这期间逐渐出现了定温探测器、差温探测器 和差定温组合式探测器。2 0 世纪8 0 年代后期，总线制火灾探测器开始兴起，之 后又出现了模拟量可寻址技术，给火灾探测技术注入了新的活力，为火灾探测 的智能化发展奠定了良好的基础。与此同时，火灾探测技术迅速发展，与其他 技术开始了更广泛的交叉和结合，与信号处理技术、人工智能技术和自动控制 技术更紧密地联系在一起，基于各种火灾识别模式的火灾探测器相继问世，使 火灾探测技术进入了一个全新的发展时期。到9 0 年代开始出现了早期火灾智能 报警系统，它能在火灾发生初期对火灾进行识别并发出报警信号，将火灾抑制 在萌芽状态。如今又发展起来的许多新型的火灾探测器，对于火灾探测也越来 越准确可靠。而随着火灾探测技术的发展，也相继出现了各类火灾探测技术。 新探测技术的发展进一步拓展了火灾探测的应用领域，为一些传统探测器无法 胜任的环境提供了有效的手段。相关技术的发展，如傅立叶近红外光谱技术， 弱信号处理技术、低功耗m c u 技术进一步促进了传统探测技术的改进，使得传 统探测器在技术和性能上有了显著的提高。火灾探测器朝着极早期探测、多传 感器复合探测和探测器小型化、智能化的方向发展迈出了更快的步伐。 模拟量火灾探测器出现后，火灾探测器输出的信号不再只是开关量，而是 反映火灾特征的模拟量，即真正的传感器信号。各种火灾处理算法也随之丌始 应用于火灾探测之中。由于单传感器的火灾探测系统，误报率比较高，因此多 判据的火灾探测方法成为目前火灾探测领域的主要研究方向。所谓的多判掘不 是指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，使二种或 2 第1 章引言 三种以上不同类型探测器的功能协调地复合在一个探测器中。将其同时测得的 不同类型的火灾模拟量参数转换成数字信号，通过多判据的火灾探测算法判断 是否存在火灾危险。例如，有学者针对复合探测器提出了一种新的互相关算法， 该算法首先对采集的数据信号特性进行分析，利用给出的模型公式描述出采集 信号的变化特征，再根据互相关函数的性质分析和识别火灾信号与非火灾信号。 此外，目前已有基于图像处理技术的火灾探测技术，该技术运用数字图像处理 技术对火灾火焰的图像特性作了分析根据火焰蔓延时的面积、相似度的变化来 识别火灾的发生。火灾探测问题已引起人们广泛的关注，在发达国家，火灾探 测器几乎无处不在。据2 0 0 5 年统计，在我国从事消防行业的单位已有一万多家， 消防产品近千种，年产值超过5 0 0 亿人民币，已发展成为一个重要的产业。 火灾探测的主要目标是对真实存在的火灾进行及时快速地报警，并能分辨 出与火灾信号相似的非火灾干扰信号，排除干扰，及时、j 下确地判断火灾，减 少误报。以最小的代价来实现可靠火灾探测报警，并且使火灾损失降到最低， 即火灾探测报警系统的性能价格比，是火灾探测报警所追求的一个重要的性能 指标和不断深入研究的课题。但是由于环境中的灰尘、水滴、气流、静电、电 磁场、电瞬变、太阳辐射以及燃烧过程的复杂性、人为干扰的影响和不规律性， 使坏境变化特征与发生火灾时的物理、化学特征有相似之处，同时，传统的火 灾探测技术存在着方方面面的不足，无法准确地感应各种物质在燃烧过程中所 特有的声波、光谱、辐射、气味等诸多方面发生的微妙变化，因此火灾的误报、 漏报时有发生。由此可见，火灾信号探测新技术及信号处理技术是提前预报、 减少误报的必要手段，也是提高整机系统报警灵敏度和可靠性的重要保证。随 着科学技术的迅速发展，火灾探测报警领域也不断提出新的课题。如何进一步 缩短火灾探测报警时间，为减少火灾的发生，及时采取有效防火、灭火措施， 减少火灾损失提供宝贵时问；如何进一步提高火灾探测报警系统的可靠性，降 低误报率，为自动报警与联动控制灭火系统可靠运行提供保障：特殊场所的火 灾探测报警问题；火灾探测报警系统的网络化和监控技术等成为火灾探测报警 领域发展的新热点。 火灾科学是在基础自然科学、技术科学和灾害学的交叉点上逐渐形成的一 个新学科，与经济建设、社会发展、国家安全及科技进步密切相关，是倍受人 们关注的研究领域。它的产生和发展，使人们对火灾的认识发生了质的飞跃， 即从感性上升到了理性。为将火灾控制在最小范围内，需要对火灾进行实时有 3 第1 章引言 效的监测，用先进的科学技术手段尽可能减少火灾的损失，从而达到火灾防治 的有效性和经济性的科学统一。近些年来，新的火灾探测原理与技术不断涌现， 所有这些新技术新方法的出现都有力地推动火灾探测的研究，火灾探测技术得 到了前所未有的广泛应用，人们也越来越重视对火灾探测技术的研究，其发展 主要有两个方向：一是纵向延伸，发展新的火灾判据、新的火灾识别模式和基 于此的火灾探测器或复合探测器；二是横向延伸，基于现有的探测器原理方法 与其他技术交叉，通过改进信号采集和处理方法来改善系统性能。 1 1 2 现场总线的特点 现场总线起源于欧洲，随后发展至北美。2 0 0 0 年1 月4 同，国际电工委员 会i e c 公布了现场总线国际标准i e c6 1 1 5 8 ，这标志着现场总线的j 下式诞生。而 距此4 0 多年前，现场总线的雏形就已经出现了。首先，现场总线的产生受益于 微处理器的发展。传统的模拟仪表采用一对一的结构，传输统一的模拟信号， 信号传输可靠性比较差，易受干扰，而微处理器发展使得智能仪表的发展成为 可能，因为它传输的是数字信号，因而克服了模拟仪表的诸多缺陷，2 0 世纪6 0 年代，人们开始利用微处理器和一些外围电路构成了数字式仪表取代模拟仪表， 提高了系统的控制精度和灵活性，在多回路的巡回采样和控制中体现了传统模 拟仪表无法比拟的优越性，为现场总线的发展奠定了基础。8 0 年代，随着工业 控制系统的日益复杂，用单片机作为前置机的分层控制系统开始出现。这时的 分层系统由单片机对现场设备进行过程控制，由中小型计算机对生产工作进行 集中管理，实现了控制功能和管理功能的分离。9 0 年代以后，随着工业控制系 统的进一步扩大及芯片性价比的进一步提高，前置机被压缩进现场设备之中形 成了智能仪表，中控计算机由于分布计算省去很多控制工作而有能力管理更多 的结点。由于智能仪表具有自治能力和数字通信功能，串行通信的现场总线浮 出水面，展示了强大的生命力和发展潜能。 国际电工委员会将现场总线定义为【5 l ：安装在制造或过程区域的现场智能装 置与控制室内的自控装置之问的数字式、串行、多点通信的数据总线。由此可 知，现场总线的本质是信息处理的现场化，由于仪表的智能化从而使仪表具有 自治能力，使大量的数据处理和执行分布到现场完成，从而提高了系统的反应 速度和处理能力。现场总线是在技术进步的基础上，企业的信息网络和控制网 4 第1 章引言 络相互集成的必然结果。现场总线系统打破了传统控制系统的结构形式。传统 模拟控制系统采用一对一的设备连线，按控制回路分别进行连接。现场总线系 统由于采用智能现场设备，使控制系统功能能够不依赖控制室的计算机或控制 仪表，直接在现场完成，实现了彻底的分散控制。由于采用数字信号替代模拟 信号，因而可实现一线传输多个信号，同时又为多个设备提供电源，现场设备 以外不再需要模拟数字( a d ) 、数字模拟( d a ) 转换部件。在技术上，现场总线 系统具有以下特点： ( 1 ) 系统的开放性 开放是指对相关标准的一致性、公开性，强调对标准的共识与遵从。所谓 开放系统，是指其可以与世界上任何地方遵守相同标准的其他设备或系统连接， 通信协议一致公开，各不同厂家的设备之间可实现信息交换、现场总线开发者 就是要致力于建立统一的工厂底层网络的开放系统。用户可按自己的需要和考 虑，通过现场总线把来自不同供应商的产品组成大小随意的开放互连系统。 ( 2 ) 互操作性与互用性 互操作性，是指可实现互连设备间、系统间的信息传送与沟通；互用性， 是指不同生产厂家的性能类似的设备可实现相互替换。 ( 3 ) 现场设备的智能化与功能自治性 现场总线系统将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分散到现 场设备中完成，仅靠现场设备即可完成自动控制的基本功能，并可随时诊断设 备的运行状态。 ( 4 ) 系统结构的高度分散性 现场总线构成了一种新的全分散性控制系统的体系结构，从根本上改变了 现有d c s 集中与分散相结合的集散控制系统体系，简化了系统结构，提高了可 靠性。 ( 5 ) 对现场环境的适应性 作为工厂网络底层的现场总线工作在生产现场前端，是专为现场环境而设 计的，其具有较强的抗干扰能力，其采用两线制实现供电与通信，可支持双绞 线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等。 由于现场总线具备以上特点，特别是系统结构的简化，使控制系统从设计、 安装、投运到j 下常生产运行及检修维护，都体现出其优越性： ( 1 ) 节省硬件数量与投资：由于现场总线系统中的智能设备能直接执行多 5 第1 章引言 种传感、测量、控制、报警和计算功能，因而可减少变送器的数量，也无需d c s 系统的信号调理、转换、隔离等功能单元及其复杂接线，还可用工控p c 机作为 操作站从而节省了一大笔硬件投资费用，并可减少控制室的占地面积。 ( 2 ) 节省安装和维护费用：现场总线系统的接线简单，一对双绞线或一条 电缆上通常可挂接多个设备，且需要增加现场控制设备时，可就近连接在原有 的电缆上，既节省了投资，又减少了设计、安装的工作量。由于现场控制设备 具有自诊断与简单故障处理的能力和与控制室进行数字能信的能力，同时系统 结构简化，连线简单，从而缩短了维护停工时间，减少了维护工作量。 ( 3 ) 用户具有高度的系统集成主动权：用户可以自由选择不同厂商所提供 的设备来集成系统，从而避免因选择某一品牌的产品而限制了使用设备的选择 范围。 ( 4 ) 提高了系统的准确性与可靠性：由于现场总线设备的智能化、数字化， 与模拟信号相比，从根本上提高了测量与控制的精确度，减少了传送误差。同 时系统结构的简化使设备间连线减少，使信号的往返传输减少，也提高了系统 工作和可靠性。 除此之外，由于其设备标准化，功能模块化，因此还具有设计简单，易于 重构等优点。基于现场总线的现场总线控制系统既是开放的通信网络，又是全 分布控制系统，它是一种以智能传感器、自动控制、计算机、通信、网络等技 术为主要内容的多学科交叉的新兴技术，在过程自动化、制造自动化、楼宇自 动化、交通、电力等领域都有广泛的应用前景，被誉为二十一世纪最有希望的 自动化技术。现场总线解决了传统控制系统存在的许多根本性难题，奠定了未 来计算机控制系统的发展方向。它的出现，对技术领域和社会生活产生前所未 有的冲击和影响，其作用将会是十分深远的，标志着自动化系统步入了一个新 时代，被誉为自动化领域的一场革命。 1 2 课题的目的和意义 随着社会的高速发展，人类所面临的火灾现象也随之呈现出复杂化和多样 化的趋势，火灾的发生从地面( 如住宅、森林火灾等) 发展到地下( 如地铁、地下 商场火灾等) ，从固定环境( 如建筑火灾等) 发展到移动环境( 如交通工具火灾等) 。 火灾事故的发生频次和直接损失也不断上升。在众多火灾中，建筑火灾、地下 6 第1 章引言 室火灾、地铁火灾等造成的人员伤亡和经济损失极为巨大，这些火灾的发生场 所都可抽象为受限空间，即广义的建筑物。受限空间火灾就是发生在这种广义 建筑物内失去控制的灾害性燃烧现象。这类火灾直接发生在人类社会最主要的 活动场所，相对于其他类别的火灾而言，它对人类生命和财产的危害最大。 随着城市化进程的加速，城市流动人口的巨增。地铁是城市轨道交通的重 要组成部分，其具有高速、安全、准时、载客量大的独特优势，是现代城市解 决交通拥堵、降低污染的有效手段和缓解不堪负重的地面交通压力的有效工具， 是城市现代化程度的重要标志。同时由于它的快速、经济、舒适、准时等特点， 倍受人们青睐，在许多国家和城市得到广泛的应用。但地铁在快速运营中有一 个潜在的安全问题，就是地铁火灾时有发生。地铁列车火灾属于受限空间火灾， 同时又是移动环境的火灾，极易引发群死群伤的恶性事故，造成生命财产的巨 大损失。地铁发展的一百多年里，全世界几乎每年都有重大的地铁意外事故发 生。如1 9 8 7 年1 1 月18 日，英国伦敦地铁君王十字车站发生的3 1 人死亡、大量 人员受伤的重大火灾，这是继1 9 0 3 年法国巴黎地铁发生死亡8 4 人大火之后， 又一起罕见的灾难性事故。1 9 9 5 年l o 月2 8r 阿塞拜疆首府巴库的地铁内发生 火灾，造成至少2 8 9 人死亡，2 6 5 人受伤。2 0 0 3 年2 月1 8 同韩国大邱市地铁一 号线的中央路车站两列满载乘客的地铁列车被烧毁，共造成1 9 8 人死亡，1 4 6 人 受伤，2 8 9 人失踪。而在国内，2 0 0 6 年8 月1 1 日上海浦东龙阳路磁悬浮列车车 站发生一起火警事故，所幸无人员伤亡。由于地铁客流量大、空间封闭，一旦 发生意外后果不堪设想。所以建立完善的火灾预警系统是十分必要的。 目前世界上已有的地铁火灾报警系统并不多，且绝大部分只针对乘客对车 厢内部的状态进行监测，而忽略列车外部的设备监测，现有的地铁火灾研究也 主要集中于隧道中的受限空间火灾分析而非针对列车本身。列车设备若出现异 常，容易引起火灾，对乘客的人身安全造成不可估计的危害。如果能对列车上 的易燃源进行监测并及时报警，无疑是对乘客的人身安全的重要保障，也可以 避免无谓的财产损失。同时，相关方面的标准也很少，在国内几乎为零。显然， 地铁安全是关系到国计民生的问题，制定相应的安全技术标准以形成完备的地 铁安防系统是势在必行的。 本课题基于c a n 总线设计并搭建适用于城轨列车的火灾识别实验系统，目 的是通过设计针对上海地铁车辆大功率用电设备的过温、过热以及车厢内的温 度、烟雾信号进行实时检测与报警的实验系统，对用于城轨列车的火灾探测技 7 第1 章引言 术进行研究。c a n ( c o n t r o la r e an e t w o r k ：控制器局域网) 属于现场总线范畴， 是一种有效支持分布式控制和实时控制的串行通讯网络，被广泛地应用于工业 控制领域，已经被i s o 制定为国际标准i s 0 1 1 8 9 8 。c a n 总线技术的应用可提高 火灾报警控制器的信号实时处理能力及抗干扰能力，并满足火灾报警控制器的 模块化、智能化的发展要求，达到火灾报警控制系统网络化的目的。 本课题涉及火灾探测技术、现场总线技术、多级网络互连接口等理论研究 与技术应用，具有很强的理论意义。城轨列车火灾探测系统的正常工作直接关 系到地铁的安全运营和人民的生命财产安全，因此在设计的过程中，应严格遵 守规范的要求，选用先进、安全的系统，同时各个专业紧密配合，以保证其准 确完成系统的功能。因此，所得研究结果同样具有深远的实际应用意义。 1 3 课题的任务和内容 本论文主要任务是根据搜集到的现有技术资料，分析研究国外相关课题的 先进成果，进行相关课题技术的科技查新，进行归纳总结；学习研究火灾探测 技术和c a n 总线通信技术，并结合城轨列车的特性进行分析，深入研究，提出 城轨列车火灾探测系统的丌发思路。全文共分为六章，大致可归为三个部分： 第一章对火灾探测技术和现场总线技术的发展及现状进行了概述，并简要 介绍了火灾探测系统在城轨列车的应用背景及现有状况，阐述了城轨列车火灾 探测技术的研究目的和意义。 第二、三、四章是对城轨列车火灾探测技术的关键技术的分析研究。第二 章首先阐明了火灾发生的机理和火灾探测的基本原理，然后进一步在城轨列车 的应用背景下对列车的火灾探测信号进行分析研究；第三章介绍了火灾探测器 的工作原理和常见类型，研究分析了火灾探测信息的提取和处理技术；第四章 对城轨列车的火灾探测技术的网络化进行了研究，分析比较了几种现场总线， 得出了c a n 总线的适用原因，从协议和拓扑结构两方面探讨了网络化的实时性 问题。 第五章给出了城轨列车火灾探测系统的具体实现方案，以上海市现有和计 划的地铁列车为应用对象进行考察分析，分析研究其具体情况，规划构建系统 的整体结构框架，介绍了系统的c a n 网络节点设计、系统各个接口设计和系统 的可靠性设计。 8 第2 章城轨列车的火灾探测信息采集研究 第2 章城轨列车的火灾探测信息采集研究 2 1 火灾的发生机理 火的发现和利用对人类文明和社会进步有着巨大的推动作用，但失去控制 的火也给人们带来了生命威胁和巨大的财产损失。为了避免及减少火灾造成的 危害，从远古时起人们就开始利用望台的方法报告和传递火情。近代以来，为 了能在火灾发生的早期有效地探测火灾，人们不断地研究火灾的发展过程规律 及其生成物特性，不断研究适用于火灾探测的技术手段。 2 1 1 火灾的定义 火灾是一种在时间和空间上失去控制的燃烧所引发的灾害 6 1 。火灾不仅会造 成人员伤亡、财产损失、环境污染，甚至导致生态失衡，所以必须进行及时有 效的监测，并给出准确的报警，力图将火灾控制在一定的限度之内。 物质燃烧是一个复杂的物理变化和化学反应过程。根据燃烧物不同，人们 将火灾分为固体火灾、液体火灾、气体火灾和金属火灾；根据火灾发生空间不 同，将火灾分为受限空间火灾和开放空间火灾；根据发生场所的不同，可将火 灾分为建筑火灾、森林火灾、车辆火灾、船舶火灾、隧道火灾、飞机火灾等； 根据火灾产生的原因又可分为电气火灾、油品火灾、地震火灾、人为火灾、雷 电火灾等。第一章中曾经提到过受限空间火灾，这种火灾发生次数最多，造成 损失最大。如果受限空间火灾发生在移动环境中，那么火灾的表现将更复杂、 多样，不可预知性更大，火灾所造成的损失将更大，同时探测的难度也大大增 加。 根据火灾发生时产生现象的不同，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；明火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。 9 第2 章城轨列车的火灾探测信息采集研究 研究表明，阴燃是诱发火灾的重要原因。 火灾虽然是以燃烧的形式表现的，但燃烧并不等于火灾。火灾中燃烧火焰 的温度通常为9 0 0 一1 4 0 0 。c 剐。由于可燃物种类的多样性以及燃烧条件的复杂性， 火灾燃烧时除了氧化反应所形成的燃烧产物以外，还会产生大量炽热微粒。正 是这些炽热微粒的存在，使火焰发射出人眼可见的光线，称为发光火焰或有焰 火焰。发光火焰通常会表现出光谱、辐射、形状和闪烁等物理特征。这些物理 特征的传播速度为光速( 每秒3 0 万公里) ，即使远离火灾现场，也可以感知到 火灾的发生。它为远距离监测火灾技术的实现提供了可行性。燃烧过程中产生 的高温，会加热周围空气，使之膨胀，形成压力声波，其频率仅在数赫兹左右， 这就是燃烧音。传播速度为声速。这种超低频率的声音现象，为物质燃烧所共 有。在这个频带范围内日常杂音也很少，所以可在很大程度上避免环境噪音对 探测器所造成的干扰。试验结果表明，燃烧时在可听域及超声域也会产生声波。 但在可听域频带内，有许多同常杂音混淆其中，不易做出准确判断；而超声波 并不是所有的燃烧都会产生，因此则有可能产生漏报警。燃烧产物在火灾的专 业术语中称为烟，它有气态燃烧产物和固态高温产物之分，其运动速度仅为每 秒数米到数十米。气态燃烧产物的主要成分为h 2 0 、c o 和c 0 2 。般情况下， c o 和c 0 2 在空气中的含量极低，只有燃烧发生时才会使其在空气中的含量急剧 增加。所以，针对这两种气体进行监测，将会在很大程度上反映出环境中有燃 烧现象的发生。而由于环境中湿度的影响，通常不把h 2 0 作为火灾探测参数。 气态燃烧产物表现出三种形式的物理特征：气体特征谱、气体浓度和气体温度。 一般对特征谱的测量易受环境中其它红外辐射成分的干扰；对气体浓度的探测 则易受气体本身的扩散速率及气体周围环境状态的严重影响；气体温度，由于 气体质量轻，因此随着气体的扩散流动，其温度会迅速下降。所以，针对气态 燃烧产物温度发展火灾探测技术是不合适的。固态高温产物来源于可燃物中的 杂质，以及高温状态下可燃物热裂解所形成的物质。其形式为炽热微小颗粒， 本身具有一定热容量，使其在流动过程中可保持相当的温度，温度可从数百度 一直到千度以上，对光线具有散射和吸收效应；对离子有俘获和阻挡作用；在 高温作用下，微粒本身还带有静电荷。微粒群的集合就表现为火灾中的烟。 2 1 2 火灾的发展过程 1 0 第2 章城轨列车的火灾探测信息采集研究 火灾探测不仅要对燃烧中表征出来的物理特征做出感受，还要根据这种感 受做出火灾是否发生的准确判断。这就需要对火灾发展的过程进行详细地了解 和分析，而要分析火灾的机理，首先要了解燃烧的本质和条件。 火灾是一种失去人为控制的燃烧过程，燃烧是可燃物与氧化剂作用发生的 放热反应，通常伴有火焰、发光和( 或) 发烟的现象。燃烧并不是在任何情况下都 可以发生的，必须具备一定的要素和条件：可燃物、氧化剂和足够能量和温度 的引燃源与之作用。可燃物种类众多，以气态、液态和固态三种形态存在。通 常所说的可燃物，是指在标准状态下的空气中能够燃烧的物质。它在燃烧反应 中是还原剂，是不可缺少的一个重要要素，是燃烧得以发生的内因。氧化剂指 处于高氧化态，具有强氧化性，与可燃物质相结合能够导致燃烧的物质，通常 是空气中的氧气。它是燃烧得以发生的必需的要素。不管何种形式的热能都必 须达到一定的强度才能引起可燃物燃烧，否则燃烧便不会发生。能够引起可燃 物燃烧的热能源称为引燃源。不同的可燃物质燃烧时所需要的温度和热量是不 同的。 根据燃烧的基本要素和条件，可以推出产生火灾的相应的基本要素：可燃 物、助燃物和点火源。燃烧是一种化学反应，物质在燃烧前后，本质发生了变 化，生成了与原来完全不同的物质。对燃烧有初步的认识、了解后，人们认为 燃烧时会产生：火焰、燃烧音、燃烧产物和大量的热。对燃烧有进一步了解后， 人们发现燃烧的定义可表述为：将可燃物质中的能量释放出来，这些能量一部 分以辐射的形式表现出来，另一部分被以质量流形式表现的燃烧产物带走。因 此，在火灾发生的环境周围对火焰辐射和燃烧产物进行监测，可以感知是否有 燃烧现象发生。 根据可燃气体和空气混合方式的不同，有两种燃烧方式。如果在燃烧f i ， 可燃气体就与空气均匀混合，称预混燃烧；如果可燃气体和空气分别进入燃烧 区，边混合边燃烧，则称扩散燃烧。可燃液体和可燃固体是凝聚态物质，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，可燃液体 和可燃固体先蒸发成蒸汽或分解出可燃气体( 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 1g m 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 1 1 0 1 a m 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释放出 第2 章城轨列车的火灾探测信息采集研究 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、火焰和热量均称为火灾参量，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。 通常，利用火灾探测器探测的火灾是发生在建筑物内受限空间的早期火灾， 其火灾初起的火源强度较低。这类火灾的发展通常都经历如图1 1 所示的四个阶 段1 7 1 ：早期、阴燃、火焰和放热，最后随着燃烧物耗尽而衰减熄灭。 ( 1 ) 早期阶段 火灾的发生都是从可燃物发热开始的。物质由于发热发生缓慢热解作用， 产生不可见的燃烧生成物( 粒径0 0 0 1 0 0 5 p m ) 和可燃气体( h 2 、c o 、c 。h v 等) 。 无可见烟和火焰，热量相当小。这些不可见的燃烧生成物通过布郎运动、扩散、 背景的空气运动以及生成物的浮力等，产生微弱的对流。 ( 2 ) 阴燃阶段 随着热分解作用的发展，物质进一步发热，热解作用充分进行，释放出更 多的气体。以引燃为本阶段的起始标志，以无火焰燃烧为特征。此阶段燃烧生 成物为肉眼可见和不可见的烟雾气溶胶。由于燃烧生成物比周围空气热，形成 上升气流，并通过中等程度的对流及背景的空气运动向外扩散，形成烟气羽流。 此时空气的对流作用渐渐明显，利于烟雾气溶胶的传播。此阶段无火焰，释放 热量不很高，温度上升仍很缓慢。 ( 3 ) 起火( 火焰) 放热阶段 由于物质温度的不断上升，可燃气体的大量释放，开始出现火焰，此时通 常伴随有更多的烟雾产生。火焰产生了光辐射，其波长覆盖整个紫外到红外波 段，由于产生了大量的高温烟气，逐渐形成上升气流火柱；烟羽流由于密度与 压力梯度方向不一致而产生空气漩涡，形成三维各向异性湍流运动。伴随着火 焰放射出大量的热量，使这阶段表现为烟温并存。 ( 4 ) 高温( 衰减) 阶段 经过高温燃烧，火灾达到高峰后，烟雾丌始逐渐减少。随着燃烧物质的耗 尽，火灾逐渐衰减熄灭，余烬温度开始下降。 1 2 第2 章城轨列午的火灾探测信息采集研究 火灾- 产 物装 早辫l黟l 燃起火商激怒必 弱 唆煅露 图2 1 受限空间火灾发展的一般过程 2 2 火灾探测的信息采集 n l 阁 火灾探测包含两个层面的内容：首先是针对某一些物理特征采用何种探测 方法，其次是基于探测原理采用何种算法才能在环境中有效准确的探测火灾。 火灾探测技术可以说是传感技术和火灾探测算法的结合产物，其实质是将火灾 中出现的物理特征，利用传感器进行接受，将其变为易于处理的物理量，通过 火灾探测算法判断火灾的有无。 火灾探测技术可以说是传感技术和火灾探测算法的结合产物，其实质是将 火灾中出现的物理特征，利用传感器进行接受，将其变为易于处理的物理量， 通过火灾探测算法判断火灾的有无。火灾探测原理涉及的是探测技术与物理现 象耦合的第一个层次，即针对现象及其特征，关于探测方法的讨论与研究，在 本节中予以研究分析。火灾探测的信息处理技术涉及的是第二个层次，将在第3 章讨论。 2 2 1 火灾探测技术的原理 火灾探测技术是在对火灾发生发展过程理解的基础上，以物理量探测为基 1 3 第2 章城轨列乍的火灾探测信息采集研究 本手段，辅以信号转换与分析，最终得出结论的过程。火灾的发生和发展是一 个复杂的非平稳过程，它除了自身的物理化学变化以外还会受到许多外界的干 扰，火灾生成物主要有烟雾、热、光及气体。烟雾的粒径范围一般在住 0 0 1 p , m l 岬之问；热则通过环境温度升高间接表现；火焰发光光谱范围从紫外 一直到红外；可燃气体主要有h 2 、c o 和烷类等，其他燃烧生成的气体主要为 c 0 2 等。火灾一旦产生便以接触式( 物质流) 和非接触式( 能量流) 的形式向外 释放能量，接触式包括可燃气体、燃烧气体和烟雾、气溶胶等，非接触式如声 音、辐射等。火灾探测的基本流程如图2 2 所示。 图2 2 火灾探测的基本流程框图 由于火灾发生时，会引起周围环境的多种物理量发生变化。物质燃烧过程 中产生的各种气、烟、热、光( 火焰) 是表征火灾信号的物理、化学参量。因此， 火灾探测是利用探测器提取火灾过程中出现的物理化学特征参量，通过火灾探 测算法对这些物理参量进行分析，从而得到探测识别结果。各种火灾探测器的 基本功能是：对火灾参量气、烟、热、光等做出有效响应，并转化为计算 机可接收的电信号，供计算机分析处理。 火灾探测中所依据的物理现象主要有以下三类： ( 1 ) 火焰对火焰的探测主要是针对火焰的两类特点：一类是火焰的辐 射，即对火灾中火焰的辐射强度进行探测，与之相对应的探测器称为火焰探测 器；一类是火焰的形状，即对火灾中火焰拍摄图像，根据图像中火焰的形状进 行火灾探测，与之相对应的探测器称为图像探测器。 ( 2 ) 燃烧产物目前对燃烧产物的探测主要针对以下三类燃烧产物：一 类是气体燃烧产物，即对火灾中产生的特殊气体( 如h 2 0 、c o 、c 0 2 ) 的成分含量 1 4 第2 章城轨列车的火灾探测信息采集研究 进行探测，与之对应的探测器称为气体探测器；一类是固体燃烧产物，即对火 灾中产生的固体燃烧产物进行探测，其又可分为对火灾过程中产生的烟雾粒子 进行探测和烟雾形状的探测，对火灾中产生的烟雾粒子进行探测相对应的探测 器分为静电探测器和感烟探测器，而对烟雾形状进行探测对应的探测器称为图 像探测器；还有一类是火灾燃烧中产生的高温，即对火灾过程中大量燃烧所产 生的高温进行探测，与之对应的探测器称为温度探测器。 ( 3 ) 燃烧音对火灾中发出的声音进行探测，与之对应的探测器称为声 音探测器。 火灾探测所依据的物理量分类如图2 3 所示。 火灾 l 火焰燃烧产物燃烧音 厂 厂t 辐射形状 温度l 占1 体产物气体产物 微粒烟雾彤状 图2 3 火灾探测的各种物理参量 2 2 2 火灾探测的基本方法 火灾现象是与环境条件密切相关的，因此火灾探测技术可以认为是一种特 殊的在噪声环境中根据火灾的相关基本物理特征，检测和识别早期火灾特征信 号的技术。 ( 1 ) 空气离化探测法 空气离化探测法是利用放射性同位素释放的a 射线将空气电离产生j 下、负 离子，使得带电腔室( 称为电离室) 内空气具有一定的导电性在电场作用下形 成离子电流；当烟雾气溶胶进人电离室内，比表面积较大的烟雾粒子利用其吸 附特性吸附其中的带电离子，产生离子电流变化。这种离子电流变化与烟浓度 1 5 第2 章城轨列乍的火灾探测信息采集研究 有直接线性关系，并可用电子线路加以检测，从而获得与烟浓度有直接关系的 电信号，用于火灾确认和报警。 采用空气离化探测法实现的火灾烟雾浓度探测一般称作离子感烟探测，它 对火灾初起和阴燃阶段的烟雾气溶胶检测非常灵敏有效，可测烟雾粒径范围在 o 0 3 1 0 m m 左右。这类火灾探测器是核技术应用的产物