【技術研究】新型電氣火災預警系統(tǒng)的研究和分析

未曉妃

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

近年來，我國電氣火災多發(fā)，造成重大人員傷亡和財產(chǎn)損失。據(jù)統(tǒng)計,2020年，因違反電氣安裝使用規(guī)定引發(fā)的火災共8.5萬起，占總數(shù)的33.6%,重特大火災中電氣火災占比高達55.4%，目前，已有一些電氣火災預警問題的相關研究:葉研等研究了基于CAN總線的實驗樓火災預警系統(tǒng)，將數(shù)據(jù)通過CAN總線發(fā)送到控制部分完成數(shù)據(jù)處理，提高了火災預警系統(tǒng)的可靠性和反饋速度;張夢媛設計了一款基于物聯(lián)網(wǎng)技術的無線火災智能預警系統(tǒng)，采用ZigBee協(xié)議，利用各傳感器進行檢測，通過蜂窩移動通信技術將火災情況發(fā)送至消防站，達到火災預警的目的，于蘭等研究了基于神經(jīng)網(wǎng)絡技術的電氣火災預警系統(tǒng)，利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡判斷電氣火災是否發(fā)生故障，增強了電氣火災系統(tǒng)的預警能力。但當前電氣火災預警系統(tǒng)仍存在一些不足，例如，傳感器采集參數(shù)不夠全*，影響評價結果；使用多個不同類型的傳感器采集數(shù)據(jù)，但這些參量之間部分或全部存在非線性依賴關系，單純通過這些數(shù)值的進行報警不夠科學智能決策不夠完善等。本文提出一種新型電氣火災預警系統(tǒng)，通過多個參量采集模塊,將采集到的現(xiàn)場火情數(shù)據(jù)發(fā)送給參量匯集模塊；數(shù)據(jù)傳輸模塊（含ZigBee協(xié)調器）接收參量匯集模塊（即ZigBee終端節(jié)點）發(fā)送的有關數(shù)據(jù)，再通過NB-IoT模塊將數(shù)據(jù)上傳給云平臺，由此構成兩級制無線通信物聯(lián)網(wǎng)架構。云平臺對傳感器采集到的多個變量參數(shù)進行合分析,建立火災狀態(tài)與多變量參數(shù)之間的非線性數(shù)學模型?；谠撃Ｐ?，根據(jù)多變量數(shù)據(jù)，計算得出火災發(fā)生的概率，從而達到預警的目的。

1 系統(tǒng)整體設計

系統(tǒng)整體結構如圖1所示，由參量采集模塊、參量匯集模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、云平臺及客戶端組成。參量采集模塊負責連接傳感器，感知火情現(xiàn)場;參量匯集模塊負責匯集與上傳火情現(xiàn)場數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)傳輸模塊作為通信橋梁，負責參量匯集模塊與云平臺之間的信息傳遞；云平臺則負責運算及處理數(shù)據(jù)信息，計算得出火災發(fā)生的概率，并發(fā)送信息至客戶端，客戶端可相應呈現(xiàn)火災預警信息。

2 硬件構成

單參量采集模塊、參量匯集模塊硬件構成如圖2所示?；鹎楝F(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集由單參量采集模塊和參量匯集模塊共同完成。

參量采集模塊包括傳感器、信號處理電路、MCU,并通過工業(yè)標準接口（232、485、I2C、SPI等）與參量匯集模塊連接。根據(jù)火情現(xiàn)場情況，選取煙霧、溫度、火焰、電參數(shù)（包括入戶母線電壓、電流、有功功率、無功功率或功率因數(shù)）等傳感器進行數(shù)據(jù)采集，經(jīng)信號處理電路處理后送入MCU,再通過標準接口。根據(jù)約定的通訊協(xié)議，將火情現(xiàn)場數(shù)據(jù)傳輸給參量匯集模塊。參量匯集模塊以無線MCU（ZigBee終端節(jié)點）為核心。通過標準接口與單參量采集模塊有線連接，接收單參量采集模塊發(fā)送的火情現(xiàn)場數(shù)據(jù)，再通過ZigBee網(wǎng)絡轉發(fā)給

ZigBee協(xié)調器。數(shù)據(jù)傳輸模塊結構如圖3所示，主要由ARM微處理器.ZigBee協(xié)調器以及NB-IoT模塊組成。

各參量匯集模塊作為ZigBee終端節(jié)點加入網(wǎng)絡,ZigBee協(xié)調器接收多個參量匯集模塊上傳的火情現(xiàn)場數(shù)據(jù)。ARM微處理器負責統(tǒng)籌處理數(shù)據(jù)本地傳輸、遠程傳輸,以及相應的解析及轉換,NB-IoT模塊將火情現(xiàn)場數(shù)據(jù)等信息遠程發(fā)送至云平臺進行處理。

3軟件設計

3.1數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集過程完成對火情現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集,其軟件流程如圖4所示。

初始化完成后，參量采集模塊需要通過相應的傳感器采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，處理完相關數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)傳輸至參量匯集模塊。

3.2數(shù)據(jù)傳輸

數(shù)據(jù)傳輸是指將參量匯集模塊接收到的多組火情現(xiàn)場數(shù)據(jù)上傳至云平臺的過程，其軟件流程如圖5所示。

ZigBee協(xié)調器檢測周圍網(wǎng)絡狀態(tài)，建立網(wǎng)絡。參量匯集模塊作為終端節(jié)點入網(wǎng)后，將數(shù)據(jù)轉發(fā)至ZigBee協(xié)調器,協(xié)調器接收到上傳的火情現(xiàn)場數(shù)據(jù)，通過串口通信將數(shù)據(jù)發(fā)送給ARM微處理器,ARM微處理器對數(shù)據(jù)解析、打包后，由NB-IoT模塊上傳至云平臺完成數(shù)據(jù)處理，*終實現(xiàn)火災預警。

3.3數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理是指在云平臺對上傳的火情現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行運算與處理的過程，其軟件流程如圖6所示。

云平臺完成初始化后，首先接收火災監(jiān)測現(xiàn)場的位置以及火情現(xiàn)場數(shù)據(jù)等信息，運算與處理上傳數(shù)據(jù)中的多個變量，隨后建立火災現(xiàn)場狀態(tài)與多變量參數(shù)之間的非線性數(shù)學模型?；谠撃Ｐ?，依據(jù)采集的多變量數(shù)據(jù)，通過智能算法計算得出火災發(fā)生的概率，然后發(fā)送火災預警信息至客戶端。

4智能識別算法

本文提出的火災預警智能識別算法，可合分析傳感器采集的多個變量，基于半監(jiān)督學習方法，自動實現(xiàn)變量分類，并通過求解算法,建立火災現(xiàn)場狀態(tài)與多變量參數(shù)之間的非線性數(shù)學模型?；谠撃Ｐ?依據(jù)采集的多變量數(shù)據(jù)，*后得出火災發(fā)生的概率，達到預警的目的。算法包含兩部分。

（1）基于稀疏編碼的結構特征提取方法

其對應的學習網(wǎng)絡結構如圖7所示。

記樣本數(shù)量為N,樣本維度為D,則第i個樣本可表示為ai=,則自動編碼器參數(shù)訓練的目標為輸出數(shù)據(jù)接近輸入數(shù)據(jù),即

：

式中=為輸入樣本集合狙為相應的輸出值集合。

(2)多類SVM的實現(xiàn)

SVM在解決小樣本、非線性以及高緯模式識別問題中具有優(yōu)勢，但傳統(tǒng)的SVM僅用于解決兩類分類問題,不能直接用于多類分類。本文采用一對一訓練策略來實現(xiàn)多類SVM的分類，為每類構造一個SVM,通過粒子群(PSO)算法實現(xiàn)對SVM參數(shù)的優(yōu)化,并采用稀疏自編碼器獲取的特征參數(shù)訓練多類SVM,從而實現(xiàn)完整的智能識別算法。云平臺對各參量匯集模塊傳來的數(shù)據(jù)進行智能計算與分析，判斷當前是否有預警發(fā)生，若有，云平臺首先通過嵌入式網(wǎng)關的IMEI碼,定位當前發(fā)生預警的監(jiān)測點位置。再通過該監(jiān)測點對應的ZigBee網(wǎng)絡，定位該監(jiān)測點區(qū)域內發(fā)生預警的參量匯集模塊對應的位置。此外，云平臺還可判斷出當前預警的嚴重等級，可保證在多個監(jiān)測點同時發(fā)生預警時，工作人員可根據(jù)嚴重等級，合理安排處理順序，云平臺可將這些定位及預警等級信息推送到計算機或智能手機客戶端上，工作人員可接收到推送的預警信息，及時采取相應的處理措施。

5安科瑞電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)

（1）概述

Acre1-6000電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)，通過嚴格的EMC電磁兼容試驗，保證了該系列產(chǎn)品在低壓配電系統(tǒng)中的安全正常運行，現(xiàn)均已批量生產(chǎn)并在全國得到廣泛地應用。該系統(tǒng)通過對剩余電流、過電流、過電壓、溫度和故障電弧等信號的采集與監(jiān)視，實現(xiàn)對電氣火災的早期預防和報警，當必要時還能聯(lián)動切除被檢測到剩余電流、溫度和故障電弧等超標的配電回路;并根據(jù)用戶的需求，還可以滿足與AcreIEMS企業(yè)微電網(wǎng)管理云平臺或火災自動報警系統(tǒng)等進行數(shù)據(jù)交換和共享。

（2）應用場合

適用于智能樓宇、高層公寓、賓館、飯店、商廈、工礦企業(yè)、石油化工、文教衛(wèi)生、金融、電信等領域。

（3）系統(tǒng)結構

（4）系統(tǒng)功能

監(jiān)控設備能接收多臺探測器的剩余電流、溫度信息，報警時發(fā)出聲、光報警信號，同時設備上紅色“報警”指示燈亮，顯示屏指示報警部位及報警類型，記錄報警時間，聲光報警一直保持，直至按設備的“復位”按鈕或觸摸屏的“復位”按鍵遠程對探測器實現(xiàn)復位。對于聲音報警信號也可以使用觸摸屏“消聲”按鍵手動除

當被監(jiān)測回路報警時，控制輸出繼電器閉合，用于控制被保護電路或其他設備，當報警除后，控制輸出繼電器釋放。

通訊故障報警：當監(jiān)控設備與所接的任一臺探測器之間發(fā)生通訊故障或探測器本身發(fā)生故障時，監(jiān)控畫面中相應的探測器顯示故障提示，同時設備上的黃色“故障”指示燈亮，并發(fā)出故障報警聲音。電源故障報警：當主電源或備用電源發(fā)生故障時，監(jiān)控設備也發(fā)出聲光報警信號并顯示故障信息，可進入相應的界面查看詳細信息并可解除報警聲

當發(fā)生剩余電流、超溫報警或通訊、電源故障時，將報警部位、故障信息、報警時間等信息存儲在數(shù)據(jù)庫中，當報警解除、排除故障時，同樣予以記錄。歷史數(shù)據(jù)提供多種便捷、快速的查詢方法。

（5）配置方案

 

6結語

本文利用參量采集模塊采集火情現(xiàn)場數(shù)據(jù)并上傳至參量匯集模塊，通過ZigBee網(wǎng)絡和NB-IoT模塊將數(shù)據(jù)上傳至云平臺，云平臺合分析傳感器采集到的多個變量，并通過求解算法，得出火災發(fā)生的概率并將其發(fā)送至客戶端，據(jù)此提醒工作人員及時采取措施?；谠撓到y(tǒng)，及時預警火情現(xiàn)場，提前預判。從而減少人員傷亡和財產(chǎn)損失。

作者介紹

未曉妃，安科瑞電氣股份有限公司，178 2117 0311,主要研究方向為微電網(wǎng)能效管理和環(huán)保安全用電。