基于CAN和模糊推理的一款地鐵列車火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真研究

蘇 醒 李 鴻 姜俊彤

(長(zhǎng)沙理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院 湖南 長(zhǎng)沙 410114)

0 引 言

地鐵列車在解決城市交通問題中扮演著重要角色，成為最受人們歡迎的出行方式之一。地鐵列車由于其相對(duì)封閉、人流量大的環(huán)境特點(diǎn)，使得地鐵列車火災(zāi)與地面火災(zāi)相比，更具有危險(xiǎn)性和復(fù)雜性[1-2]。因此需要對(duì)地鐵列車火災(zāi)隱患或現(xiàn)象進(jìn)行檢測(cè)和監(jiān)控，迅速實(shí)現(xiàn)火災(zāi)報(bào)警，減少人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。地鐵列車火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)既要滿足可靠性與高靈敏度，又要有盡可能小的誤報(bào)率。隨著列車控制網(wǎng)絡(luò)的智能化發(fā)展，地鐵列車需要對(duì)整列車進(jìn)行火災(zāi)檢測(cè)，將火災(zāi)信息傳送給列車控制與管理系統(tǒng)(Train Control and Management System ，TCMS)，并顯示在HMI屏，向司機(jī)室報(bào)警。最后通過無線傳輸裝置(Wireless Transmission Device ，WTD)傳送至地面車站控制室，進(jìn)而聯(lián)動(dòng)相應(yīng)的火災(zāi)應(yīng)急救援模式程序，減少火災(zāi)造成的損失。傳統(tǒng)的火災(zāi)檢測(cè)裝置也存在抗干擾能力差、不易于擴(kuò)展、易出現(xiàn)漏報(bào)和誤報(bào)等情況。

針對(duì)現(xiàn)有列車火災(zāi)檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)存在的問題，本文將從列車控制網(wǎng)絡(luò)、提高系統(tǒng)可靠性、減小誤報(bào)率三個(gè)角度出發(fā)，研究和設(shè)計(jì)一款基于CAN總線和模糊推理的地鐵列車火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)。

1 總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

地鐵列車火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)主要由火災(zāi)報(bào)警控制器和火災(zāi)復(fù)合探測(cè)器構(gòu)成。以6編組地鐵列車為例，其中火災(zāi)報(bào)警控制器安裝在司機(jī)室，共兩臺(tái)，互為熱備冗余，當(dāng)其中一臺(tái)發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)仍能正常運(yùn)行[3]?；馂?zāi)復(fù)合探測(cè)器在每節(jié)車廂均有安裝，具體安裝數(shù)量、位置、間距參考相關(guān)規(guī)范說明，此處不再贅述。地鐵列車火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D如圖1所示。

圖1 地鐵列車火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D

整個(gè)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)呈分布式，當(dāng)任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，不會(huì)影響其他線路，具有較高可靠性。此外，分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)靈活性好，易于擴(kuò)充，當(dāng)需要添加新的探測(cè)器節(jié)點(diǎn)時(shí)，只需向總線上掛接即可。探測(cè)器與控制器之間采用雙路CAN總線連接。控制器通過多功能車輛總線(Multifunction Vehicle Bus，MVB)與列車TCMS網(wǎng)絡(luò)通信。

1.2 雙路冗余CAN總線

火災(zāi)探測(cè)器需將傳感器感應(yīng)數(shù)據(jù)等傳至火災(zāi)控制器進(jìn)行邏輯處理判斷，火災(zāi)控制器也對(duì)火災(zāi)探測(cè)器進(jìn)行控制，因此這條數(shù)據(jù)傳輸線路的安全性與可靠性尤為重要。工業(yè)上常用的總線有CAN總線和RS485總線。CAN總線與RS485總線相比，有以下優(yōu)點(diǎn)：(1) 在傳輸速度和距離上，高速傳輸距離相近，低速傳輸距離CAN總線遠(yuǎn)大于RS485總線；(2) 在總線利用率上，RS485總線單主從，CAN總線多主從，利用率更高；(3) 在數(shù)據(jù)安全性上，CAN控制器具備錯(cuò)誤檢測(cè)機(jī)制，RS485沒有數(shù)據(jù)鏈路層，無法識(shí)別錯(cuò)誤。因此采用CAN總線作為火災(zāi)報(bào)警控制器與探測(cè)器之間的通信總線最合適。

為了進(jìn)一步保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，系統(tǒng)采用雙路冗余CAN總線。正常情況下系統(tǒng)只讀取一路CAN總線數(shù)據(jù)，當(dāng)一路CAN總線發(fā)生故障時(shí)，程序自動(dòng)切換讀取另一路，并上報(bào)故障。雙路CAN總線連接示意圖如圖2所示，其中：MCU(Microcontroller Unit)為微控制器；CAN_H和CAN_L分別為CAN總線的高、低位數(shù)據(jù)線。

圖2 雙路CAN總線拓?fù)溥B接圖

2 火災(zāi)復(fù)合探測(cè)器設(shè)計(jì)

2.1 多傳感器融合

由于火災(zāi)復(fù)雜多變，單物理量瞬時(shí)值具有隨機(jī)性和不確定性，傳統(tǒng)火災(zāi)檢測(cè)使用單一傳感器進(jìn)行火災(zāi)判斷，會(huì)產(chǎn)生較高誤報(bào)率。因此考慮多種物理指標(biāo)，采用多傳感器數(shù)據(jù)融合，可以在一定程度上減少誤報(bào)率。系統(tǒng)采用了火災(zāi)發(fā)生時(shí)產(chǎn)生的溫度、煙霧濃度、CO濃度三個(gè)火災(zāi)特征量作為火災(zāi)判斷依據(jù)，并選擇合適型號(hào)的傳感器，設(shè)計(jì)復(fù)合火災(zāi)探測(cè)器。

2.2 火災(zāi)復(fù)合探測(cè)器結(jié)構(gòu)

探測(cè)器作為火災(zāi)信息采集終端[4]，主要功能有：采集溫度、煙霧濃度、CO濃度傳感器數(shù)據(jù)，執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作，數(shù)據(jù)傳輸，設(shè)備編碼等。根據(jù)功能設(shè)計(jì)出探測(cè)器結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示，主要模塊有傳感器模塊、動(dòng)作模塊、CAN總線接口模塊、編碼模塊。其中：編碼模塊是為了給探測(cè)器設(shè)備在列車網(wǎng)絡(luò)中編號(hào)和便于確認(rèn)火災(zāi)發(fā)生的位置；動(dòng)作模塊是在確認(rèn)火災(zāi)發(fā)生后執(zhí)行的相關(guān)動(dòng)作如發(fā)出警報(bào)聲等；探測(cè)器不單獨(dú)設(shè)電源模塊，直接由火災(zāi)控制器供電，以便在列車上安裝。

圖3 火災(zāi)復(fù)合探測(cè)器結(jié)構(gòu)圖

3 火災(zāi)控制器設(shè)計(jì)

火災(zāi)控制器是火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的核心，協(xié)調(diào)整個(gè)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)，主要功能是接收探測(cè)器發(fā)送的傳感器數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和判斷，產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)上報(bào)列車TCMS網(wǎng)絡(luò)，以及故障、數(shù)據(jù)記錄等。火災(zāi)控制器的結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示?；馂?zāi)報(bào)警系統(tǒng)所有的微控制器(MCU)均采用Freescale公司的K60DN512，該芯片資源豐富、功耗低、穩(wěn)定性好，廣泛應(yīng)用于工業(yè)設(shè)計(jì)。

圖4 火災(zāi)控制器結(jié)構(gòu)圖

火災(zāi)控制器包含了多種通信接口模塊。CAN總線接口模塊用于控制器和探測(cè)器通信；MVB模塊用于控制器和列車TCMS網(wǎng)絡(luò)的通信；以太網(wǎng)模塊和串口通信模塊均可用于軟件調(diào)試和程序下載更新等；電源模塊給控制器提供電源，由列車上110 V DC轉(zhuǎn)換而來；動(dòng)作模塊用于驅(qū)動(dòng)火災(zāi)報(bào)警的相關(guān)執(zhí)行動(dòng)作；FLASH模塊用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。豐富的通信接口便于列車控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化控制和軟件人員的開發(fā)調(diào)試。

4 火災(zāi)檢測(cè)算法研究與設(shè)計(jì)

4.1 研究火災(zāi)檢測(cè)算法的必要性

在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中，傳感器由于受到環(huán)境等各種因素的干擾，其數(shù)據(jù)往往會(huì)出現(xiàn)隨機(jī)誤差，而誤差可能會(huì)引起系統(tǒng)的誤報(bào)，所以在讀取到傳感器之后，需對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波處理，排除偶然因素引起的噪聲和干擾。

由于火災(zāi)的復(fù)雜性，傳統(tǒng)的火災(zāi)檢測(cè)拿探測(cè)到的單一信號(hào)值與某一固定值比較，超過即為火災(zāi)，這種方法簡(jiǎn)單直接，但依賴于傳感器的靈敏度，容易產(chǎn)生漏報(bào)或誤報(bào)。模糊控制可以自我調(diào)整火災(zāi)中不同物理量的權(quán)重系數(shù)，具有很好的適應(yīng)性。且模糊控制不需要知道控制對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，只需經(jīng)驗(yàn)規(guī)則，易于接受，也易于軟件實(shí)現(xiàn)。

系統(tǒng)使用數(shù)字濾波和模糊控制，以提高火災(zāi)檢測(cè)報(bào)警的準(zhǔn)確性，火災(zāi)檢測(cè)算法流程如圖5所示。取得3種傳感器數(shù)據(jù)后，先分別進(jìn)行數(shù)字濾波，然后經(jīng)模糊推理得出火災(zāi)發(fā)生的概率，最后經(jīng)決策層輸出是否發(fā)生火災(zāi)。

圖5 火災(zāi)檢測(cè)算法流程

4.2 復(fù)合數(shù)字濾波法

數(shù)字濾波具有靈活、成本低、易于編程、準(zhǔn)確度高、魯棒性好等優(yōu)點(diǎn)。常見數(shù)字濾波方法有很多，如算術(shù)平均值濾波、滑動(dòng)平均值濾波、加權(quán)平均值濾波、防脈沖干擾平均值濾波、限幅濾波等[5]。在實(shí)際應(yīng)用中，最常見的可歸為兩類，一是消除大幅度脈沖干擾，二是求均值使數(shù)據(jù)平滑?？梢越Y(jié)合這兩種方法使用，形成復(fù)合數(shù)字濾波。

首先采集N個(gè)采樣值，去除最大值和最小值，然后將剩下的采樣值放在數(shù)組變量X中，則處理后結(jié)果為：

(1)

這種復(fù)合數(shù)字濾波，既防脈沖干擾，又增加新采樣值在平均值中的比重，使得有效值更加接近實(shí)際值。

4.3 火災(zāi)檢測(cè)模糊推理

火災(zāi)檢測(cè)模糊推理的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示。將3種經(jīng)數(shù)字濾波處理后的傳感器數(shù)據(jù)作為輸入，火災(zāi)概率為輸出[6-8]。其中歸一化是為了消除單位量綱不同的影響。通過模糊化、模糊邏輯推理、去模糊化得出火災(zāi)發(fā)生的概率。

圖6 火災(zāi)模糊推理結(jié)構(gòu)圖

輸入輸出的論域均設(shè)為[0,1]，模糊子集均選擇{PB,PM,PS,NO}。模糊化將輸入的精確數(shù)值轉(zhuǎn)化成模糊量。去模糊化將模糊推理出的模糊量轉(zhuǎn)化為精確數(shù)值。模糊規(guī)則由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)總結(jié)得來，火災(zāi)檢測(cè)模糊規(guī)則共設(shè)計(jì)64條，采用“if A and B and C then D”的形式，如表1所示，其中:PB為正大，PM為正中，PS為正小，NO為零，用來表示輸入變量溫度、煙霧濃度、CO濃度的大小，或輸出變量火災(zāi)發(fā)生概率的大小。

表1 火災(zāi)檢測(cè)模糊規(guī)則

4.4 決策輸出

5 火災(zāi)模糊控制仿真

使用MATLAB模糊邏輯工具箱進(jìn)行仿真測(cè)試，模糊推理系統(tǒng)建立如圖7所示。隸屬度函數(shù)使用高斯函數(shù)，去模糊化使用重心法，選取6組樣本數(shù)據(jù)(見表2)做測(cè)試，結(jié)果如表3所示(歸一化后的數(shù)據(jù))?？梢钥闯?，經(jīng)模糊推理出的火災(zāi)發(fā)生概率與期望值(數(shù)據(jù)結(jié)果)很接近，最大誤差不超過2%，效果滿足火災(zāi)檢測(cè)要求。

圖7 MATLAB模糊推理系統(tǒng)建立

表2 樣本數(shù)據(jù)

表3 模糊仿真結(jié)果

6 結(jié) 語

地鐵列車火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)景特殊，事關(guān)乘客和工作人員的生命財(cái)產(chǎn)安全，設(shè)計(jì)安全可靠的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)非常重要。本文依托列車智能控制網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，設(shè)計(jì)基于CAN總線的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)，通過冗余設(shè)計(jì)和分布式結(jié)構(gòu)，提高火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的可靠性。針對(duì)現(xiàn)有火災(zāi)檢測(cè)存在較多誤報(bào)和漏報(bào)的問題，考慮多傳感器數(shù)據(jù)融合，提出了通過復(fù)合數(shù)字濾波和模糊推理的方法，以提高火災(zāi)檢測(cè)的準(zhǔn)確性。仿真測(cè)試結(jié)果顯示，該方法可以有效提高火災(zāi)檢測(cè)的準(zhǔn)確率。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)考慮了列車網(wǎng)絡(luò)環(huán)境、系統(tǒng)可靠性、算法的可實(shí)施性等因素，符合列車安全化、智能化發(fā)展的需要，具有一定的應(yīng)用前景。