張 驤

（山東電工電氣集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250002）

電氣火災(zāi)是電氣系統(tǒng)中常見(jiàn)的安全隱患，可能導(dǎo)致人員傷亡、財(cái)產(chǎn)損失以及生產(chǎn)中斷。電氣火災(zāi)是由于電氣設(shè)備或線路故障、過(guò)載、短路等因素引起的火災(zāi)事件。其成因包括電弧、電火花和高溫等[1]。電氣火災(zāi)具有火災(zāi)快速發(fā)展，迅速蔓延的特點(diǎn)，火勢(shì)可以在短時(shí)間內(nèi)迅速擴(kuò)大。電氣火災(zāi)高溫高能，釋放的能量和溫度往往較高，會(huì)導(dǎo)致周?chē)矬w的燃燒和火災(zāi)蔓延。電氣火災(zāi)常常發(fā)生在設(shè)備內(nèi)部或電線路的隱藏部分，不易被及時(shí)察覺(jué)。而且電氣火災(zāi)產(chǎn)生的煙霧中含有大量有毒氣體，對(duì)人員健康造成威脅。

因此，為提高電氣火災(zāi)的監(jiān)測(cè)和預(yù)警能力，通過(guò)多傳感器的電氣火災(zāi)檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)早期預(yù)警，提高對(duì)電氣火災(zāi)的防范和控制能力，從而保障人員和財(cái)產(chǎn)安全。

1 多傳感器的電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)

1.1 多傳感器監(jiān)控系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)

電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)采用多傳感器結(jié)合的方式，具有以下優(yōu)點(diǎn)。

1.1.1 多維監(jiān)測(cè)

不同類(lèi)型的傳感器可以監(jiān)測(cè)不同的火災(zāi)指標(biāo)，例如剩余電流、電纜溫度以及電弧等。通過(guò)綜合多個(gè)指標(biāo)的監(jiān)測(cè)結(jié)果，可以更全面地了解火災(zāi)的發(fā)展情況，提高檢測(cè)的準(zhǔn)確性和可靠性。

1.1.2 早期預(yù)警

多傳感器的聯(lián)合監(jiān)測(cè)能夠提供更早的火災(zāi)預(yù)警。不同的傳感器可以檢測(cè)到火災(zāi)發(fā)生的不同階段和跡象，使系統(tǒng)能夠更早地發(fā)現(xiàn)火災(zāi)，從而預(yù)留更多的時(shí)間來(lái)采取措施，減少火災(zāi)對(duì)人員和財(cái)產(chǎn)的危害[2]。

1.1.3 假陽(yáng)性減少

通過(guò)多傳感器的信息交叉驗(yàn)證，可以降低誤報(bào)率。不同傳感器的監(jiān)測(cè)結(jié)果可以相互確認(rèn)，減少了因單一傳感器誤報(bào)或干擾造成的錯(cuò)誤警報(bào)，提高系統(tǒng)的可靠性和準(zhǔn)確性。

1.1.4 多層防護(hù)

多傳感器的應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)多層防護(hù)。每個(gè)傳感器監(jiān)測(cè)不同的參數(shù)，相互補(bǔ)充，形成一個(gè)火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。即使一個(gè)傳感器發(fā)生故障或無(wú)法正常工作，其他傳感器仍然可以繼續(xù)監(jiān)測(cè)，確保系統(tǒng)的持續(xù)可用性。

1.1.5 數(shù)據(jù)分析和決策支持

多傳感器的數(shù)據(jù)可以進(jìn)行綜合分析，提供更多的信息用于決策支持。對(duì)不同傳感器數(shù)據(jù)的整合和分析，可以更準(zhǔn)確地判斷火災(zāi)的嚴(yán)重程度和發(fā)展趨勢(shì)，為滅火和應(yīng)急措施的制定提供參考。

電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)多傳感器的應(yīng)用可以提供更全面、準(zhǔn)確和可靠的火災(zāi)監(jiān)測(cè)和預(yù)警能力，減少誤報(bào)率，增加系統(tǒng)的可靠性和靈活性，提供更好的數(shù)據(jù)支持和決策依據(jù)[3]。

2 系統(tǒng)邏輯架構(gòu)

在電氣火災(zāi)系統(tǒng)中，多傳感器報(bào)警實(shí)現(xiàn)是非常重要的，它可以提高火災(zāi)檢測(cè)的準(zhǔn)確性和及時(shí)性。軟件邏輯分層設(shè)計(jì)是一種常用的軟件架構(gòu)方法，可以有效地將系統(tǒng)劃分為不同層級(jí)，使代碼易于維護(hù)和擴(kuò)展。多傳感器報(bào)警系統(tǒng)軟件邏輯分層設(shè)計(jì)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)邏輯劃分

2.1 硬件傳感器

這是系統(tǒng)的最底層，包括漏電傳感器、溫度傳感器和電弧傳感器的物理連接和數(shù)據(jù)通信。硬件層的任務(wù)是將傳感器采集到的原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并傳遞給數(shù)據(jù)采集和處理層。

2.2 數(shù)據(jù)采集和處理層

數(shù)據(jù)采集和處理層接收硬件層傳來(lái)的數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)濾波、校準(zhǔn)和融合，保證傳感器數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。在這一層，將從漏電傳感器獲取漏電電流信息，從溫度傳感器獲取溫度數(shù)據(jù)以及從電弧傳感器獲取電弧事件信息。

2.3 報(bào)警決策層

特征提取和識(shí)別層根據(jù)從數(shù)據(jù)采集和處理層得到的傳感器數(shù)據(jù)，進(jìn)行特征提取和事件識(shí)別。例如漏電電流的異常、溫度超出預(yù)設(shè)范圍、電弧事件等都可以作為特征進(jìn)行識(shí)別。同時(shí)構(gòu)建PID 報(bào)警模型，基于報(bào)警模型的輸出進(jìn)行決策。這一層可以設(shè)置不同的閾值和規(guī)則，以判斷是否觸發(fā)報(bào)警。例如當(dāng)漏電電流超過(guò)某一設(shè)定值、溫度異?；驒z測(cè)到電弧時(shí)，觸發(fā)相應(yīng)的報(bào)警。

2.4 業(yè)務(wù)應(yīng)用層

報(bào)警通知與顯示層負(fù)責(zé)向用戶(hù)或操作人員傳遞報(bào)警信息?？梢酝ㄟ^(guò)聲音、顯示屏和移動(dòng)應(yīng)用程序等方式進(jìn)行報(bào)警，并提供相關(guān)信息，例如報(bào)警類(lèi)型、時(shí)間和具體傳感器信息。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與記錄層負(fù)責(zé)將報(bào)警事件和傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄和存儲(chǔ)。這對(duì)后續(xù)的故障分析、統(tǒng)計(jì)和改進(jìn)系統(tǒng)性能非常重要。為用戶(hù)提供友好的操作界面。用戶(hù)可以通過(guò)這個(gè)界面配置系統(tǒng)參數(shù)、查看歷史記錄、設(shè)定報(bào)警閾值等。同時(shí)將傳感數(shù)據(jù)和報(bào)警決策數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)共享，與119 報(bào)警平臺(tái)連接。

3 多傳感器在電氣火災(zāi)系統(tǒng)中報(bào)警

3.1 多傳感器的監(jiān)控報(bào)警模型

電氣火災(zāi)監(jiān)控和報(bào)警算法的描述，其中，考慮3 個(gè)傳感器參數(shù)（溫度、剩余電流、電?。⑹褂迷O(shè)定的權(quán)重參數(shù)來(lái)計(jì)算總的輸出值，以觸發(fā)報(bào)警和保護(hù)措施。溫度（T）、剩余電流（I_r）和電弧檢測(cè)（A）。這里使用PID 模型來(lái)計(jì)算控制輸出（CO），一旦超過(guò)預(yù)定的閾值，將觸發(fā)報(bào)警或保護(hù)措施。

算法步驟如下。

3.1.1 誤差計(jì)算

溫度傳感器：

剩余電流傳感器：

電弧傳感器：

3.1.2 每個(gè)傳感器參數(shù)的控制輸出

溫度傳感器：

剩余電流傳感器：

電弧傳感器：

3.1.3 總體輸出計(jì)算

3.1.4 報(bào)警/觸發(fā)保護(hù)措施

如果Total_CO（t） ＞Total_CO_threshold，那么觸發(fā)報(bào)警，啟動(dòng)保護(hù)措施，例如切斷電源、提醒人員等。

在這個(gè)改進(jìn)算法中，綜合溫度、剩余電流和電弧參數(shù)，并使用設(shè)定的權(quán)重參數(shù)和比例、積分、微分增益來(lái)計(jì)算每個(gè)傳感器參數(shù)的控制輸出，然后將它們加權(quán)相加得到總的輸出值。一旦總體輸出超過(guò)預(yù)定的閾值，就會(huì)觸發(fā)報(bào)警和相應(yīng)的保護(hù)措施，以更有效地監(jiān)測(cè)和預(yù)防潛在的電氣火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)。權(quán)重參數(shù)和增益的設(shè)定應(yīng)該根據(jù)具體的應(yīng)用需求和傳感器參數(shù)的特性來(lái)確定，保證系統(tǒng)在不同情況下的穩(wěn)定和可靠性。

在報(bào)警決策過(guò)程中，PID 的各項(xiàng)參數(shù)如何確定，是否符合實(shí)際決策需要，是報(bào)警準(zhǔn)確性的前提。為獲得PID 的參數(shù)，需要進(jìn)行試驗(yàn)調(diào)試和優(yōu)化。試錯(cuò)法是一種常見(jiàn)的手動(dòng)調(diào)參方法。在實(shí)際系統(tǒng)中，通過(guò)手動(dòng)調(diào)整PID 參數(shù)，并觀察系統(tǒng)響應(yīng)，不斷試錯(cuò)來(lái)找到合適的參數(shù)。經(jīng)過(guò)大量試驗(yàn)后，得出以下參數(shù)，見(jiàn)表1。

表1 PID 模型參數(shù)

表1 設(shè)定參數(shù)和閾值表

3.2 數(shù)據(jù)采集與處理

在數(shù)據(jù)采集與處理層的實(shí)現(xiàn)中，硬件驅(qū)動(dòng)程序和傳感器采集程序是2 個(gè)關(guān)鍵組成部分。它們負(fù)責(zé)與傳感器進(jìn)行物理連接、數(shù)據(jù)采集和預(yù)處理，將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)可以使用的數(shù)字信號(hào)。

3.2.1 硬件驅(qū)動(dòng)程序

硬件驅(qū)動(dòng)程序是與硬件通信的底層代碼，它負(fù)責(zé)初始化傳感器，并提供接口，讓其他軟件層與傳感器進(jìn)行交互。對(duì)不同傳感器來(lái)說(shuō)，硬件驅(qū)動(dòng)程序可能有所不同。這里以漏電傳感器為例，假設(shè)使用1 個(gè)漏電傳感器模塊，連接到主控制板的GPIO 引腳上。

傳感器采集程序是建立在硬件驅(qū)動(dòng)程序上的應(yīng)用層代碼，它調(diào)用硬件驅(qū)動(dòng)程序來(lái)實(shí)際采集傳感器數(shù)據(jù)，并進(jìn)行必要的預(yù)處理。在下面這個(gè)例子中，將采集漏電傳感器的數(shù)據(jù)。

3.2.2 數(shù)據(jù)濾波

數(shù)據(jù)濾波用于去除信號(hào)中的噪聲和不必要的波動(dòng)，從而得到更平滑和穩(wěn)定的信號(hào)。有多種濾波方法可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)濾波，該文采用的是無(wú)限脈沖響應(yīng)（IIR）濾波。IIR 濾波器是一種遞歸濾波器，同時(shí)考慮當(dāng)前輸入和之前輸出的值，使用一定的系數(shù)進(jìn)行濾波。

IIR 濾波器輸出y[i]在時(shí)刻i的計(jì)算如公式（8）所示。

式中：x[i]為時(shí)刻i的輸入信號(hào)；y[i]為時(shí)刻i的輸出信號(hào)；a[k]為系數(shù)，對(duì)應(yīng)先前輸出y[i-k]的權(quán)重；b[k]為系數(shù)，對(duì)應(yīng)當(dāng)前輸入x[i-k]的權(quán)重。

4 結(jié)語(yǔ)

多傳感器火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)是一個(gè)用于監(jiān)測(cè)電氣火災(zāi)的系統(tǒng)，其中包括溫度傳感器、剩余電流傳感器和電弧傳感器。該系統(tǒng)通過(guò)采集傳感器數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理和濾波，然后應(yīng)用PID 控制算法進(jìn)行誤差計(jì)算和控制輸出，最終觸發(fā)報(bào)警和保護(hù)措施。

在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體情況對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行建模、調(diào)試和優(yōu)化，確保系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確預(yù)警火災(zāi)，并采取及時(shí)有效的保護(hù)措施。同時(shí)，對(duì)傳感器數(shù)據(jù)采集和算法運(yùn)行進(jìn)行持續(xù)監(jiān)控和維護(hù)，保證系統(tǒng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。