杨高鹏1 杨韬2
1.身份证号码：41030519900328**** 2.身份证号码：51082119820821**** 1.2.中国水利水电第十四工程局有限公司
摘 要：随着城市轨道交通的快速发展以及城市人口的日益增长，地铁车站的基础建设规模不断增大，消防设备的可靠度与稳定性广受关注。针对目前国内现有灭火系统以消火栓、喷淋系统以及简易水炮为主，无法适用于结构日益复杂的的室内大空间车站的情况，提出了一种固定式自动消防水炮的高精度闭环控制方法，通过理论分析和仿真验证了该方法的可行性与有效性。
Abstract:With the rapid development of urban rail transit and the growing urban population, the scale of subway station infrastructure is increasing, and the reliability and stability of fire-fighting equipment are widely concerned.In view of the fact that the existing fire extinguishing systems in China are mainly fire hydrant, sprinkler system and simple water monitor, which can not be applied to the increasingly complex indoor large space station, a high-precision closed-loop control method of fixed automatic fire water monitor is proposed. The feasibility and effectiveness of the method are verified by theoretical analysis and simulation.
关键词：消防水系统；固定式消防水炮；闭环控制
Key word:Fire water system;Fixed fire water monitor;closed-loop control.
1.引言
随着市场经济的快速发展，新型科学技术在社会主义建设中广泛应用，地铁运营设备不断更新换代。在此背景下，成都轨道交通消防设备也向着更精确、更可靠、更智能的方向发展。目前成都地铁线网规划2022年开通超过600km，且部分线路(如5、9、17号线)列车采用8A编组，因此车站空间较大，此类公共建筑为人们带来了新体验的同时，也为车站消防工作带来巨大的挑战。大空间车站存在火灾蔓延速度快、火灾隐患大的特点，既有线消防设备如喷淋系统、消火栓系统无法满足此类大空间车站的消防需求，消防水炮系统孕育而生。
2.系统结构与原理
消防水炮系统，既以水为灭火剂，能自动完成火灾探测、火灾报警、火源瞄准，以射流形式喷射灭火剂的装置。
自动消防水炮灭火系统通过计算机来模拟人的双目视觉系统，同时与人工智能方法相结合，使得火灾探测、扫描、定位以及灭火更加自动化、智能化，适用于在净高度8～20 m 间的空间中使用。消防水炮炮体结构如图2-1所示。
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图2-1消防水炮给排水与电气系统结构图示
2.1 消防水炮的特点
为实现消防水炮报警快、灭火准、系统误报率低等行业要求，国内外学者和企业研究人设计的消防水炮系统均由探测报警模块、消防给水模块和消防水炮主机构成，结构如图2-2所示。
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图2-2消防水炮系统的构成
其中，消防报警模块的作用主要是进行火灾探测与火焰定位，通过红外摄像机探测火焰大致方位与双目摄像机的火源精准定位，实现两个独立的火灾信号联动系统，降低误报率；消防给水模块主要对电磁球阀进行控制与操作，从消防水系统引入水源，通过大流量喷头（喷射型自动射流灭火装置）实施灭火工作；消防水炮主机主要对整个系统进行监控与视频录制。与火灾自动报警系统主机不同的是，消防水炮系统在实现火灾联动控制及灭火的过程完全可以脱离主机实现。整个消防水炮系统的管网图如图2-3所示。
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图2-3 消防水炮管网图
消防水炮系统的特点如下：
1）采用实现可视化报警，有效发现早期火灾火焰和火灾烟气，实现无盲区、无死角；
2）采用非接触式探测方式，探测器采用防护罩保护，密封性能良好，对环境因素的抵抗能力强；
3）探测距离远，保护面积大，响应速度快，探测灵敏度高；
4）系统具有多级火灾识别模式，有效消除由于外界环境及系统偶然因素引起的误报，可靠性高；
5）独有定位技术，远程控制定点灭火，减少了扑救过程中造成的损失；
6）系统可同时具有防火、监控功能，提高了系统整体的性价比；
2.2 消防水炮的工作原理
消防水炮灭火系统具备感火焰、感烟的智能化复核探测功能，以实现无盲区、无死角为目的，达到火灾探测区域的100%全覆盖。系统根据着火点的远近及大小自动修正炮塔的喷射点角度，保证消防炮的精准定位。消防炮的水系统配置满足地铁车站公共区自动消防水炮灭火系统设置区域消防的需要，确保任一处发生火情，具备有两台水炮同时以充实水柱射向起火点的火源根部。消防水炮的基本控制流程如图2-4所示。
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图2-4 消防水炮灭火原理
消防水炮能在水平和垂直方向进行大角度的旋转调节，以保护在其保护范围内的立体空间，包括在其射程范围内的屋顶。消防水炮控制能与火灾探测报警结合起来，做到定点扑救，实现智能化控制，在控制室能看到现场水炮的运动图像信息及现场扑救图像，对被保护场所进行无死角可视图像监控。火灾报警时，系统可通过硬盘录像机进行自动录像。消防水炮灭火系统具有现场控制和远程控制功能，并具备以下控制方式：① 自动控制方式。火灾发生后, 红外探测系统和图像火焰探测器对着火区域进行探测并向消防中心报警; 报警信号传给消防水炮控制系统，由主机对火灾进行分析判别后，确定着火点, 同时，对应着火区域的两台消防水炮自动指向着火点, 自动启动消防泵，打开电动阀，向着火点喷水灭火。② 手动控制方式。当前端探测器报警后，值班人员通过被强制切换过来的彩色画面，通过控制室的中心手动操作盘控制消防水炮瞄准着火点，启动消防泵，打开电动阀喷水灭火。③ 现场应急控制。当现场人员发现火灾后，直接通过消防水炮现场手动操作盘控制消防水炮瞄准着火点，启动消防泵，打开电动阀喷水灭火。当现场人员发现火灾后，可以通过消防水炮遥控器对炮的运动进行遥控操作。当发生火灾时，值班人员在控制中心借助监视图象控制消防水炮的俯仰、水平回转动及启动消防泵, 打开电动阀向火源点喷水灭火。④ 手动状态和现场应急控制具有优先权。
3 改进型消防水炮控制系统
3.1 消防水炮火焰探测原理
消防水炮的火焰探测、锁定技术，在系统中至关重要。如何精准、快速的锁定火焰已成为各国学者、消防水炮生产企业的研究目标。目前，火源目标分割法为较为主流的一种火源识别算法，既通过RGB色彩空间中，红色通道分量的颜色值、亮度及其周边事物的对比度，进行图像分割，满足火焰边缘特性的目标能根据设置的阀值条件有效的分割出来，提出颜色差异比较明显的干扰物，进行火源目标的锁定，通过锁定的火源目标的中心位置来指导消防水炮的工作。假设图像宽M pixels,高N pixels，则火源重心位置(x,y)的计算公式为[1]：
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其中，i与j表示图像中的某点位置，f(i,j)表示图像在该点的灰度值，对于经过处理的二值图像，它的取值只有0,1两种情况。
3.2 基于人工智能的消防水炮控制系统
火灾发生时，时常伴随着火灾蔓延、火源位置变化等问题，传统的消防水炮定位技术，甚至具有一定火源追踪能力的消防水炮控制系统，其动态性能较低，火源追踪能力不佳，很难实现消防水炮应对火源变化的快速响应能力。
为了解决上述问题，提高消防水炮控制系统的动稳态性能与抗干扰能力，采用人工智能控制方法，提出了基于模糊PI的消防水炮定位控制器，其结构框图如图3-1所示，当系统处于不同运行状态时可以适时调整控制器参数Kp和Ki[6,7]，以提高系统的抗干扰能力与自适应能力。其参数整定的原则为：
1）当视频信号中，火源位置Z(x,y)中，x、y的误差e较大且为正，通过增大Kp、Ki，提高系统的响应速度，尽快消除消防水落点与火源之间的误差。
2）当误差e为负时，应当减小Kp与Ki，避免出现较大超调。
3）当误差e较小且误差变化率ec较小，射流落点为火源中心时，为了保证系统的稳态性能，Kp与Ki的修正量应为0。
在模糊控制器的设计中，本文采用Mamdani法，糊控制器的输入E、Ec和输出Kp、Ki采用三角形隶属度函数，其结构简单，控制效果好，如图3-2所示。输入与输出的模糊论域均为[-6,6]，模糊子集均为{NB（负大），NM（负中），NS（负小），ZO（零），PS（正小），PM（正中），PB（正大）}。模糊控制器的输入为射流落点与实际火源之间的水平误差ex及其变化率exc[6]。控制输出为PI控制器的比例积分系数Kp、Ki及其变化量ΔKp、ΔKi。
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图3-2 输入输出隶属度函数
根据性能要求和专家的经验，可得到模糊控制规则，如表1、表2所示。模糊规则采用“if A and B then C”的形式。
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为了验证所提方法的有效性，采用对比分析的方法，在参数不变时，分别观测基于传统PI闭环控制系统和模糊PI的消防水炮控制器在火源水平位置Z(x)突变时的动态响应特性。基于Matlab/ Simulink软件，搭建基于模糊PI控制的消防水炮闭环控制系统仿真模型，其中模糊PI控制器的仿真模型如图3-3所示，将火源点的水平分量Z(x)*与射流落点的水平分量Z(x)之间的误差E与误差变化率Ec送入模糊逻辑控制器中，模糊逻辑控制器输出比例系数与积分系数的修正量△Kp与△Ki，实现PI控制器参数的实时调整。
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图3-3 模糊PI控制器模型
系统启动，消防水炮检测火源，消防对准火源喷水灭火，射流落点与火源位置误差的水平分量ex为0，令2.3s时火势未扑灭，且火源位置发生偏移，在2.65s火源停止发生偏移，火焰检测显示火源位置的水平分量Z(x)如图3-4所示。射流落点与视频检测火源位置误差的水平分量ex如图3-5所示。
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图3-5射流落点与视频检测火源位置误差的水平分量
从图3-5可知，基于PI控制和基于模糊PI控制的消防水炮控制系统均能实时对准火源根部灭火，且前者射流落点与实际火源之间的误差波动幅值为后者波动幅值的3倍。这表明后者具有更好的火源追踪效果。
3.3 消防水炮人工智能控制系统在实际应用中存在的劣势
模糊控制理论经过近几十年的发展，已经得到了广泛的应用，但仍然存在一些不足之处。模糊控制的鲁棒性及稳定性虽然优于传统控制策略，但模糊控制和传统控制的鲁棒性的对比关系究竟是怎么样，尚缺少理论分析和数学推导方面的比较，且模糊控制器的隶属度函数及模糊规则，是将专家经验及系统技术与模糊控制理论相结合的产物，在一定程度上限制了对现场情况的预想。现场火情瞬息万变，多点火灾情况下，多台水炮在模糊控制器的作用下如何相互配合完成灭火工作，也将成为消防水炮智能控制的一个研究难点。
4 结论
本文详细分析了消防水炮系统的结构、原理，并针对火源变化，提出了基于模糊PI的控制策略，可以实现PI控制器参数的适时调整。该控制策略能够有效提高系统的火源追踪能力与自适应能力。仿真结果验证了所提控制策略的可行性与有效性。
参考文献
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