基于CAN和模糊推理的一款地铁列车火灾报警系统的设计与仿真研究

苏 醒 李 鸿 姜俊彤

(长沙理工大学电气与信息工程学院 湖南 长沙 410114)

0 引 言

地铁列车在解决城市交通问题中扮演着重要角色，成为最受人们欢迎的出行方式之一。地铁列车由于其相对封闭、人流量大的环境特点，使得地铁列车火灾与地面火灾相比，更具有危险性和复杂性[1-2]。因此需要对地铁列车火灾隐患或现象进行检测和监控，迅速实现火灾报警，减少人员伤亡和财产损失。地铁列车火灾报警系统既要满足可靠性与高灵敏度，又要有尽可能小的误报率。随着列车控制网络的智能化发展，地铁列车需要对整列车进行火灾检测，将火灾信息传送给列车控制与管理系统(Train Control and Management System ，TCMS)，并显示在HMI屏，向司机室报警。最后通过无线传输装置(Wireless Transmission Device ，WTD)传送至地面车站控制室，进而联动相应的火灾应急救援模式程序，减少火灾造成的损失。传统的火灾检测装置也存在抗干扰能力差、不易于扩展、易出现漏报和误报等情况。

针对现有列车火灾检测报警系统存在的问题，本文将从列车控制网络、提高系统可靠性、减小误报率三个角度出发，研究和设计一款基于CAN总线和模糊推理的地铁列车火灾报警系统。

1 总体设计

1.1 系统结构

地铁列车火灾报警系统主要由火灾报警控制器和火灾复合探测器构成。以6编组地铁列车为例，其中火灾报警控制器安装在司机室，共两台，互为热备冗余，当其中一台发生故障时，系统仍能正常运行[3]。火灾复合探测器在每节车厢均有安装，具体安装数量、位置、间距参考相关规范说明，此处不再赘述。地铁列车火灾报警系统结构拓扑图如图1所示。

图1 地铁列车火灾报警系统结构拓扑图

整个火灾报警系统网络呈分布式，当任何一个节点发生故障时，不会影响其他线路，具有较高可靠性。此外，分布式网络结构灵活性好，易于扩充，当需要添加新的探测器节点时，只需向总线上挂接即可。探测器与控制器之间采用双路CAN总线连接。控制器通过多功能车辆总线(Multifunction Vehicle Bus，MVB)与列车TCMS网络通信。

1.2 双路冗余CAN总线

火灾探测器需将传感器感应数据等传至火灾控制器进行逻辑处理判断，火灾控制器也对火灾探测器进行控制，因此这条数据传输线路的安全性与可靠性尤为重要。工业上常用的总线有CAN总线和RS485总线。CAN总线与RS485总线相比，有以下优点：(1) 在传输速度和距离上，高速传输距离相近，低速传输距离CAN总线远大于RS485总线；(2) 在总线利用率上，RS485总线单主从，CAN总线多主从，利用率更高；(3) 在数据安全性上，CAN控制器具备错误检测机制，RS485没有数据链路层，无法识别错误。因此采用CAN总线作为火灾报警控制器与探测器之间的通信总线最合适。

为了进一步保证数据传输的可靠性，系统采用双路冗余CAN总线。正常情况下系统只读取一路CAN总线数据，当一路CAN总线发生故障时，程序自动切换读取另一路，并上报故障。双路CAN总线连接示意图如图2所示，其中：MCU(Microcontroller Unit)为微控制器；CAN_H和CAN_L分别为CAN总线的高、低位数据线。

图2 双路CAN总线拓扑连接图

2 火灾复合探测器设计

2.1 多传感器融合

由于火灾复杂多变，单物理量瞬时值具有随机性和不确定性，传统火灾检测使用单一传感器进行火灾判断，会产生较高误报率。因此考虑多种物理指标，采用多传感器数据融合，可以在一定程度上减少误报率。系统采用了火灾发生时产生的温度、烟雾浓度、CO浓度三个火灾特征量作为火灾判断依据，并选择合适型号的传感器，设计复合火灾探测器。

2.2 火灾复合探测器结构

探测器作为火灾信息采集终端[4]，主要功能有：采集温度、烟雾浓度、CO浓度传感器数据，执行相应动作，数据传输，设备编码等。根据功能设计出探测器结构框图如图3所示，主要模块有传感器模块、动作模块、CAN总线接口模块、编码模块。其中：编码模块是为了给探测器设备在列车网络中编号和便于确认火灾发生的位置；动作模块是在确认火灾发生后执行的相关动作如发出警报声等；探测器不单独设电源模块，直接由火灾控制器供电，以便在列车上安装。

图3 火灾复合探测器结构图

3 火灾控制器设计

火灾控制器是火灾报警系统的核心，协调整个火灾报警系统的运转，主要功能是接收探测器发送的传感器数据，进行数据处理和判断，产生报警信号上报列车TCMS网络，以及故障、数据记录等。火灾控制器的结构框图如图4所示。火灾报警系统所有的微控制器(MCU)均采用Freescale公司的K60DN512，该芯片资源丰富、功耗低、稳定性好，广泛应用于工业设计。

图4 火灾控制器结构图

火灾控制器包含了多种通信接口模块。CAN总线接口模块用于控制器和探测器通信；MVB模块用于控制器和列车TCMS网络的通信；以太网模块和串口通信模块均可用于软件调试和程序下载更新等；电源模块给控制器提供电源，由列车上110 V DC转换而来；动作模块用于驱动火灾报警的相关执行动作；FLASH模块用于存储数据。丰富的通信接口便于列车控制系统的网络化控制和软件人员的开发调试。

4 火灾检测算法研究与设计

4.1 研究火灾检测算法的必要性

在实际应用环境中，传感器由于受到环境等各种因素的干扰，其数据往往会出现随机误差，而误差可能会引起系统的误报，所以在读取到传感器之后，需对数据进行数字滤波处理，排除偶然因素引起的噪声和干扰。

由于火灾的复杂性，传统的火灾检测拿探测到的单一信号值与某一固定值比较，超过即为火灾，这种方法简单直接，但依赖于传感器的灵敏度，容易产生漏报或误报。模糊控制可以自我调整火灾中不同物理量的权重系数，具有很好的适应性。且模糊控制不需要知道控制对象的数学模型，只需经验规则，易于接受，也易于软件实现。

系统使用数字滤波和模糊控制，以提高火灾检测报警的准确性，火灾检测算法流程如图5所示。取得3种传感器数据后，先分别进行数字滤波，然后经模糊推理得出火灾发生的概率，最后经决策层输出是否发生火灾。

图5 火灾检测算法流程

4.2 复合数字滤波法

数字滤波具有灵活、成本低、易于编程、准确度高、鲁棒性好等优点。常见数字滤波方法有很多，如算术平均值滤波、滑动平均值滤波、加权平均值滤波、防脉冲干扰平均值滤波、限幅滤波等[5]。在实际应用中，最常见的可归为两类，一是消除大幅度脉冲干扰，二是求均值使数据平滑。可以结合这两种方法使用，形成复合数字滤波。

首先采集N个采样值，去除最大值和最小值，然后将剩下的采样值放在数组变量X中，则处理后结果为：

(1)

这种复合数字滤波，既防脉冲干扰，又增加新采样值在平均值中的比重，使得有效值更加接近实际值。

4.3 火灾检测模糊推理

火灾检测模糊推理的系统结构如图6所示。将3种经数字滤波处理后的传感器数据作为输入，火灾概率为输出[6-8]。其中归一化是为了消除单位量纲不同的影响。通过模糊化、模糊逻辑推理、去模糊化得出火灾发生的概率。

图6 火灾模糊推理结构图

输入输出的论域均设为[0,1]，模糊子集均选择{PB,PM,PS,NO}。模糊化将输入的精确数值转化成模糊量。去模糊化将模糊推理出的模糊量转化为精确数值。模糊规则由实验数据和经验总结得来，火灾检测模糊规则共设计64条，采用“if A and B and C then D”的形式，如表1所示，其中:PB为正大，PM为正中，PS为正小，NO为零，用来表示输入变量温度、烟雾浓度、CO浓度的大小，或输出变量火灾发生概率的大小。

表1 火灾检测模糊规则

4.4 决策输出

5 火灾模糊控制仿真

使用MATLAB模糊逻辑工具箱进行仿真测试，模糊推理系统建立如图7所示。隶属度函数使用高斯函数，去模糊化使用重心法，选取6组样本数据(见表2)做测试，结果如表3所示(归一化后的数据)。可以看出，经模糊推理出的火灾发生概率与期望值(数据结果)很接近，最大误差不超过2%，效果满足火灾检测要求。

图7 MATLAB模糊推理系统建立

表2 样本数据

表3 模糊仿真结果

6 结 语

地铁列车火灾报警系统应用场景特殊，事关乘客和工作人员的生命财产安全，设计安全可靠的火灾报警系统非常重要。本文依托列车智能控制网络的发展，设计基于CAN总线的火灾报警系统，通过冗余设计和分布式结构，提高火灾报警系统的可靠性。针对现有火灾检测存在较多误报和漏报的问题，考虑多传感器数据融合，提出了通过复合数字滤波和模糊推理的方法，以提高火灾检测的准确性。仿真测试结果显示，该方法可以有效提高火灾检测的准确率。该系统设计考虑了列车网络环境、系统可靠性、算法的可实施性等因素，符合列车安全化、智能化发展的需要，具有一定的应用前景。