采用信息融合技術(shù)的消防報(bào)警系統(tǒng)

摘要:介紹了多傳感器信息融合消防報(bào)警系統(tǒng)，包括火災(zāi)探測(cè)和消防管理兩部分。根據(jù)“一點(diǎn)發(fā)現(xiàn)，多點(diǎn)求證”的原則，利用多傳感器的不同性質(zhì)，進(jìn)行多級(jí)別、多方面處理，得到更可靠、更準(zhǔn)確的結(jié)論。并結(jié)合消防管理規(guī)則，構(gòu)建了具有自動(dòng)化指揮的消防報(bào)警系統(tǒng)。采用信息融合技術(shù)的消防報(bào)警系統(tǒng)/文/吳蓉

關(guān)鍵詞:消防管理;多傳感器;數(shù)據(jù)融合;火災(zāi)監(jiān)瀏;報(bào)警
一、引言

在社會(huì)財(cái)富不斷積累和人民生命價(jià)值不斷提高的今天，如何防止火災(zāi)對(duì)社會(huì)財(cái)富和人民生命安全造成危害已成為當(dāng)前社會(huì)管理者的一大課題。火災(zāi)報(bào)警消防聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)的產(chǎn)品生產(chǎn)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)和工程施工很快成為一個(gè)新的熱門行業(yè)。傳統(tǒng)的消防報(bào)警控制系統(tǒng)正朝著高度智能化方向發(fā)展，其共同特點(diǎn)是系統(tǒng)運(yùn)行可靠性高、誤報(bào)率低、自動(dòng)化程度高。其中信息融合技術(shù)正是體現(xiàn)了這樣一種高度智能化特點(diǎn)，它是將來(lái)自系統(tǒng)的多源信息加以智能化合成，產(chǎn)生比單一信息源更精確、更完全的估計(jì)和判斷。它不但可以克服單傳感器的不穩(wěn)定性和局限性，而且可以更全面、更準(zhǔn)確地掌握系統(tǒng)信息。

二、多傳感器數(shù)據(jù)融合的消防報(bào)警模型

具有火災(zāi)探測(cè)功能的傳感器種類很多:煙霧傳感器、溫度傳傳感器、火焰感光傳感器、氣體傳感器和復(fù)合型火災(zāi)探測(cè)器等。在選擇火災(zāi)傳感器時(shí)，應(yīng)根據(jù)探測(cè)區(qū)域可能發(fā)生火災(zāi)的原因，火災(zāi)產(chǎn)生的特征來(lái)確定傳感器的類型。比如:在加油站(或油庫(kù))可選擇紅外線傳感器，它對(duì)煙頭(或能引起油庫(kù)起火的火星)較敏感。由于物體在燃燒時(shí)一般都伴有煙、光、溫升、擴(kuò)散輻射和異常氣味等綜合現(xiàn)象發(fā)生，利用多種傳感器各自特點(diǎn)、使用范圍、精度以提供局部現(xiàn)象和信息，再加以綜合做出準(zhǔn)確的判斷，可以為決策者提供較準(zhǔn)確的信息。

多傳感器融合的火災(zāi)探測(cè)是充分利用不同時(shí)間與空間的多模態(tài)信息，采用人工智能技術(shù)，對(duì)按時(shí)序獲得的多模態(tài)觀測(cè)信息在一定準(zhǔn)則下加以自動(dòng)分析、優(yōu)化綜合和使用，獲得對(duì)被測(cè)對(duì)象的一致性解釋與描述，從而完成所需的決策和估計(jì)任務(wù)，得到更可靠、準(zhǔn)確的結(jié)論，使系統(tǒng)獲得比它的各組成部分更優(yōu)越的性能。它必須對(duì)來(lái)自多傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行多級(jí)別、多方面、多層次的處理，從而產(chǎn)生新的有意義的信息，而這種信息是任何單一傳感器所無(wú)法獲得的。多傳感器融合消防報(bào)警模型如圖1所示。

圖1多傳感器數(shù)據(jù)融合的消防報(bào)警模型

在圖1中，多個(gè)傳感器對(duì)同一區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測(cè)，得到一組被檢測(cè)區(qū)域的特征量，將這些特征量通過(guò)處理器處理，提取其中的狀態(tài)，在融合處理中心根據(jù)一定的融合算法，對(duì)多傳感器進(jìn)行處理，得到一個(gè)較為準(zhǔn)確的處理結(jié)果。從處理對(duì)象的層次上來(lái)分，多傳感器數(shù)據(jù)融合可分為:原始級(jí)融合、特征級(jí)融合和決策級(jí)融合3個(gè)層次。原始數(shù)據(jù)級(jí)(又稱像素級(jí))的融合是最低層次的融合，是在采集到的傳感器的原始信息層次上(未經(jīng)處理或只做很小的處理)進(jìn)行融合，在各種傳感器的原始測(cè)報(bào)信息未經(jīng)預(yù)處理之前就進(jìn)行信息的綜合和分析。其優(yōu)點(diǎn)是保持了盡可能多的火災(zāi)信息，其缺點(diǎn)是處理的信息量大，所需時(shí)間長(zhǎng)，實(shí)時(shí)性差。

特征級(jí)融合屬于中間層次，兼顧了像素級(jí)和決策級(jí)的優(yōu)點(diǎn)。它利用從傳感器的原始信息中提取的特征信息進(jìn)行綜合分析和處理。一般說(shuō)來(lái)，提取的特征信息應(yīng)是像素信息的充分表示量或充分統(tǒng)計(jì)量，然后按特征信息對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行分類、聚集和綜合，包括對(duì)火災(zāi)狀態(tài)信息的分析和火災(zāi)特性分析。它的優(yōu)點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)了信息壓縮，有利于實(shí)時(shí)處理并提取其中的特征信息。

決策級(jí)融合的優(yōu)缺點(diǎn)正好與原始級(jí)相反，是在高層次上進(jìn)行的，融合的結(jié)果為決策者提供依據(jù)。決策級(jí)融合的優(yōu)點(diǎn)是:具有很高的靈活性，系統(tǒng)對(duì)信息傳輸帶寬要求較低;能有效地融合反映被監(jiān)測(cè)區(qū)各個(gè)側(cè)面的不同類型信息，具有很強(qiáng)的容錯(cuò)性;通信容量小，抗干擾能力強(qiáng);對(duì)傳感器的依賴性小，傳感器可以是異質(zhì)的;融合中心處理代價(jià)低。

1.信息融合的算法

在實(shí)際的消防報(bào)警系統(tǒng)中，由于各單傳感器的類型不同、特點(diǎn)不同以及各單傳感器所獲得的觀測(cè)維不同等原因，相應(yīng)的預(yù)測(cè)模型也就不同，但與此同時(shí)多個(gè)傳感器的狀態(tài)向量中又往往具有公共的向量元素，即公共維。所以，在進(jìn)行融合處理算法時(shí)，一般有以下一些方法:

(1)基于加權(quán)平均法參數(shù)估計(jì)的目標(biāo)識(shí)別融合;

(2)基于**后驗(yàn)概率的目標(biāo)識(shí)別融合;

(3)基于不確定理論的目標(biāo)識(shí)別融合;

(4)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法;

(5)基于知識(shí)和規(guī)則的方法;

(6)基于SVM理論的目標(biāo)識(shí)別融合法;

(7)基于遺傳算法的融合;

(8)表決法;

(9)粗糙集理論;

(10)多尺度數(shù)據(jù)融合法。

2.多傳感器信息融合報(bào)勢(shì)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

多傳感器信息融合的消防報(bào)警系統(tǒng)與單傳感器數(shù)據(jù)相比有很多優(yōu)點(diǎn)。除了將同源數(shù)據(jù)進(jìn)行組合而得到統(tǒng)計(jì)上的優(yōu)勢(shì)之外，使用多種傳感器可以提高精度。多傳感器數(shù)據(jù)融合還有許多優(yōu)點(diǎn)，包括:可以提高報(bào)警信息的可信度;可以提高系統(tǒng)的可靠性;可以減少獲得相同信息的代價(jià);可以減少火災(zāi)信息獲取時(shí)間，加快對(duì)火災(zāi)信息處理速度。

三、信息融合技術(shù)在消防管理中的運(yùn)用

把多傳感器的信息融合技術(shù)與消防管理相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)消防指揮數(shù)字化，兵力調(diào)動(dòng)優(yōu)先化，資源使用合理化。消防信息管理技術(shù)旨在綜合利用數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、圖形顯示技術(shù)，實(shí)現(xiàn)火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)的信息管理。該系統(tǒng)適用于各種不同類型的火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)，是今后消防報(bào)警控制系統(tǒng)的重要的發(fā)展方向。消防信息管理技術(shù)的功能主要有:

(1)具有對(duì)突發(fā)火警快速顯示定位、分析和響應(yīng)的能力;

(2)可同時(shí)并發(fā)處理多起火警;

(3)數(shù)字化多幅地形圖和組織錄人;

(4)支持多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng);

(5)支持多種數(shù)據(jù)格式，具有快速處理、顯示和分析大型數(shù)據(jù)庫(kù)和數(shù)據(jù)集合能力;

(6)具有數(shù)據(jù)交互能力，能方便對(duì)原有數(shù)據(jù)的編輯修改;

(7)具備高水準(zhǔn)的地理網(wǎng)絡(luò)分析功能，能根據(jù)報(bào)警點(diǎn)位置，給出到達(dá)火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)**路徑，確定火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)最近消防栓、水源以及周圍重點(diǎn)保護(hù)單位等;

(8)能提供智能決策，根據(jù)著火點(diǎn)情況以及當(dāng)時(shí)氣候條件，提供滅火預(yù)案以及火情分析預(yù)測(cè)等。

整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2綜合化消防管理系統(tǒng)

其中，多媒體工作站主要功能是控制大屏幕顯示及各種聲光報(bào)警、錄音記錄等。根據(jù)多傳感器數(shù)據(jù)融合分析結(jié)果，采用雙屏控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)圖文分屏顯示。前臺(tái)工作站分為接警工作站和業(yè)務(wù)工作站。按業(yè)務(wù)關(guān)系授權(quán)人網(wǎng)權(quán)限接警工作站通過(guò)通信控制器連人城市電話公共網(wǎng)。接受火警電話，啟動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)人火警受理指令作業(yè)模式，同時(shí)與各消防中隊(duì)相連，實(shí)現(xiàn)對(duì)消防中隊(duì)的實(shí)時(shí)調(diào)度管理。

信息數(shù)據(jù)庫(kù)包括火警受理指令數(shù)據(jù)庫(kù)和消防地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)。火警受理指令數(shù)據(jù)庫(kù)包括消防實(shí)力情況、氣象數(shù)據(jù)、高層建筑情況以及危險(xiǎn)品存放記錄等有關(guān)非空間數(shù)據(jù)。消防地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)能根據(jù)實(shí)戰(zhàn)要求提供4級(jí)消防地圖、廣域消防地圖、接警消防地圖、滅火戰(zhàn)區(qū)地圖和滅火預(yù)案圖，每份地圖均應(yīng)提供道路、水源、消防栓分布、單位位置等相關(guān)的空間數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)把空間數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)與非空間數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)結(jié)合起來(lái)，使得空間與非空間信息連為一體，為專家系統(tǒng)智能決策提供了保證。

專家智能決策系統(tǒng)采用基于模板和知識(shí)工程的火災(zāi)情況分析，在數(shù)據(jù)庫(kù)知識(shí)與專家經(jīng)驗(yàn)知識(shí)的支持下，通過(guò)對(duì)多傳感器融合信息數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，運(yùn)用數(shù)據(jù)處理技術(shù)對(duì)當(dāng)前火災(zāi)情況作出判斷，并根據(jù)庫(kù)中的專家經(jīng)驗(yàn)知識(shí)作出消防方案的預(yù)案。

四、結(jié)束語(yǔ)

多傳感器的信息融合技術(shù)早在20世紀(jì)中后期已展開(kāi)研究，并在軍事領(lǐng)域得到廣泛的運(yùn)用，而各種火災(zāi)傳感器是消防報(bào)警系統(tǒng)的耳目，把信息融合技術(shù)運(yùn)用到消防領(lǐng)域，可對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域?qū)崿F(xiàn)更可靠、更準(zhǔn)確的監(jiān)視。同時(shí)，把得到的準(zhǔn)確的信息同消防指揮管理相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)消防指揮自動(dòng)化。因此，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，信息融合技術(shù)在消防領(lǐng)域的應(yīng)用會(huì)越來(lái)越廣泛。