CN102343131A - 车辆智能防火预警决策方法及车载消防系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种车辆智能防火预警决策方法及车载消防系统，基于单片机的嵌入式处理器，连接的报警指示灯、蜂鸣器、应急按钮、显示器、继电器(连接灭火器)、陀螺仪、温度传感器、CAN接口(连接显示模块、环境监测模块)，对车辆行驶过程中温度、车距、相对车速、车体加速度、侧倾角进行监控，建立异常状态识别及预警方法，首先判断温度是否出现异常，其次判断有无侧翻危险，然后判断有无碰撞危险，以上任一情况出现都可接通继电器，各个继电器顺序引爆灭火器，实现车辆一次起火事故、二次着火事故的主动预防和智能灭火，保障人员和车辆安全。是一种事前预防措施，较以前的事后弥补更具有实用性，能提高早期灭火的及时性和可靠性。

Description

车辆智能防火预警决策方法及车载消防系统

技术领域

本发明涉及车辆的消防方法及控制系统，尤其涉及包括发动机舱、乘员舱、箱体等火灾高发区的车辆智能防火预警决策方法及车载消防系统。

背景技术

随着我国经济的快速发展，运输工具数量不断增多，运输网络越来越复杂，同时汽车火灾现象也频繁出现，且呈上升趋势，每年各中等以上城市发生的汽车火灾都在几十起以上，在高速公路等火灾消防困难地段发生火灾次数更多，并且汽车火灾80％以上都造成车辆报废，甚至是车毁人亡，给人民群众生命财产和国民经济造成了严重损失。

车辆起火的原因主要有三个方面，一是人为因素造成的车厢内部着火，例如客车乘员携带可燃性物质(汽油、香蕉水、火药类爆炸物等)；二是由于道路交通事故而导致的起火事故(二次事故形态)，例如车辆碰撞、侧翻等事故均可能引起着火事故；三是由于燃料泄漏而引起的自燃着火事故。

现有车辆灭火技术中，只有在发现起火时，才进行灭火，而不能提前主动预防火灾的发生，也有一些灭火技术是在判断车辆加速度达到一定门槛值时自动启动灭火，但此时事故已经发生，很可能立即引发起火二次事故形态。如何在车辆一次起火事故、二次着火事故之前进行主动预防尚未见深入研究。

发明内容

因此，为解决车辆在一次起火事故、二次着火事故之前就能够主动预警、实时控制的问题，本发明目的是针对火灾高发区的车辆部位，提供一种智能防火预警决策方法及车载消防系统。该系统和方法可及时向驾驶员发出警报，避免火灾事故的发生。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种车载消防系统，安装于整车控制系统之中，其特征在于：它包括一基于单片机的嵌入式处理器，以及由处理器连接的报警指示灯、蜂鸣器、应急按钮、显示器、继电器、陀螺仪、温度传感器、CAN接口；所述继电器至少为两个，分别连接一灭火器；所述CAN接口连接显示模块和环境监测模块，CAN接口同时与整车系统相连；所述处理器中包含有温度信号处理单元，倾角信号处理单元，加速度信号处理单元，起火监测单元、侧翻监测单元，CAN通讯单元，碰撞危险监测单元，碰撞程度监测单元，决策控制单元；温度信号处理单元将信号发送给起火监测单元，同时发给CAN通讯单元，起火监测单元将温度信号处理后发送给决策控制单元；倾角信号处理单元将信号发送给侧翻监测单元，同时发给CAN通讯单元，侧翻监测单元对倾角信号处理后发送给决策控制单元；加速度信号处理单元将信号发送给CAN通讯单元，CAN通讯单元将信号依次发送给碰撞危险监测单元及碰撞程度监测单元进行判断，然后发送给决策控制单元；决策控制单元负责总控，并向外发出指令。

各灭火器由处理器通过继电器独立控制，当有危险出现时，处理器按顺序接通继电器，相应灭火器被顺序引爆，每次危险只引爆一个灭火器。

所述陀螺仪采集三轴向加速度信号以及倾角信号，三轴向角速度量程为±300°/S，三轴加速度计量程为±12g，横滚角量程为±180°；所述温度传感器量程为-40℃～300℃，精度为0.3％，输出电压为0～5V。

利用上述系统实现的一种车辆智能防火预警决策方法，包括以下步骤：

1)系统初始化；

2)采样温度、倾角、三轴加速度信号，通过CAN总线接收环境监测节点发送的车距和相对车速，同时向显示模块发送信息，显示模块接收后显示当前时刻温度、倾角、加速度、车距、相对速度以及各种危险状态；

3)检查是否已经有事故发生；

4)根据事故是否发生，调整温度报警阈值，对车辆监测点温度进行判断，

如果发现超过监测点预设的温度阈值，则启动预警指示灯和蜂鸣器，进行预警，引爆灭火器，系统同时重新开始采样；

5)如果温度正常，则通过倾角信号对车辆侧翻状态进行判断，如果发现侧翻危险，则启动预警指示灯和蜂鸣器，进行预警，并引爆灭火器，系统同时重新开始采样；

6)如果车辆未发生侧翻危险，则检查是否接收到车距和相对车速信息，如果接收到信息，则根据车距及相对车速判断是否有碰撞危险；如果未接收到车距和相对车速信息，则跳过这一步，不进行碰撞危险判断；

7)如果未发生碰撞危险，则重新开始采样；

如果发生了碰撞危险，则启动预警指示灯和蜂鸣器，进行预警；同时，系统采样X、Y、Z三轴加速度信号，计算三轴向速度合成积分量，判断碰撞发生的程度，当积分量大于预设的阈值时，则引爆灭火器，小于阈值时则重新采样。

所述温度、侧翻、碰撞中任意一项危险状况出现，驾驶员均可触发应急按钮，引爆灭火器。

所述步骤4)中，对车辆监测点温度进行判断的方法为：

①首先在系统中对监测点预设温度阈值T_max，时间阈值t₀，

②如已经有事故发生，则降低温度阈值T_max，

③实时采集温度信号T，

④对T进行微分，得到温度变化率T′，

⑤令 $T_1=\frac{T_{\max }-T}{T^{\′}},$

⑥T₁与预设阈值t₀进行比较，当T₁小于t₀时，进行预警，引爆灭火器。

所述步骤5)中，通过倾角信号对车辆侧翻状态进行判断的方法为：

①预设侧翻阈值θ_max，时间阈值t₁，

②实时采集侧倾角θ，

③对θ进行微分，得到角速度ω，

④令 $\mathrm{TTR}=\frac{{\mathrm{\θ}}_{\max }-\mathrm{\θ}}{\mathrm{\ω}},$

⑤TTR与预设阈值t₁进行比较，当TTR小于t₁时，则进行预警，引爆灭火器。

所述步骤6)中，根据车距及相对车速判断是否有碰撞危险发生的方法是：

①预设碰撞危险阈值L_max，时间阈值t₂，

②实时采集车距L，

③对L进行微分，得到相对速度V，

④ $\mathrm{TTC}=\frac{L_{\max }-L}{V},$

⑤与预设阈值t₂进行比较，当TTC小于t₂时，进行预警。

所述步骤7)中，计算三轴向加速度合成积分量的方法是：

$S(n,k,\mathrm{\ρ})=\frac{1}{f_s}\·\underset{i=n-k+1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\left(\right|a_x\left(i\right)+a_y\left(i\right)|-2\·\mathrm{\ρ}\·|a_z\left(i\right)\left|\right),$

其中：S为三轴向速度合成积分量，n为当前时间点，k为采样点即窗宽，ρ为合成因数，表征两个方向加速度在合成算法中的权重，a_x(i)、a_y(i)、a_z(i)分别为车辆行驶方向、横向和垂直方向上的加速度采样值。f_s为采样频率。

当S大于预设值时，引爆灭火器；小于预设值时，则显示当前时刻的车距、相对车速、温度、倾角、加速度值，系统重新开始采样。

本发明采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明基于单片机的嵌入式处理器，连接温度传感器、环境监测模块、显示模块、陀螺仪、继电器(控制灭火器)，对车辆行驶过程中监测点的温度、加速度、侧倾角、车距及相对车速进行监控，建立异常状态识别及预警方法，当有危险发生时，通过各个继电器顺序引爆灭火器，实现车辆一次起火事故、二次着火事故的主动预防和智能灭火，保障人员和车辆安全。是一种事前预防措施，较以前的事后弥补更具有实用性，能提高早期灭火的及时性和可靠性。2、系统完成初始化后，首先判断是否已经有事故发生；如有事故发生，降低温度报警阈值，采样温度传感器信号，判断温度是否出现异常，如出现异常，立即引爆灭火器；如无异常，进一步对车辆侧翻危险进行判断，有侧翻危险则引爆灭火器；如无异常，检测是否接收到车距和相对车速信号，如果接收到信息，对车辆碰撞危险进行判断，发现碰撞危险则向驾驶员报警，如果没有接收到，跳过这一步，直接根据加速度值判断碰撞是否发生及发生的程度，达到危险阈值时立即引爆灭火器。3、由于碰撞、侧翻事故的发生，影响监测点的起火调节，温度异常判断阈值根据事故的发生进行调整。4、温度、侧倾角、车距及相对车速、加速度信号其中之一达到危险阈值，都可以引发预警信号，温度信号、侧倾角信号、加速度信号超过阈值还可直接触发灭火器进行灭火。在没有达到灭火阈值时，也可由驾驶员根据具体情况通过应急按钮手动触发灭火器。5、系统向驾驶员预警后，驾驶员可进行操作，避免或者提前引爆发灭火器，预防车辆起火的发生。6、当有一种危险发生时，系统通过一个继电器引爆一个灭火器进行灭火，多种危险发生时，系统可通过多个继电器顺序引爆灭火器，实现车辆一次起火事故、二次着火事故的主动预防和智能灭火。由于灭火器被独立控制，只需对引爆的灭火器进行更换，从而节省了成本。

附图说明

图1是本发明的系统总体框图；

图2是本发明的处理器各模块关系图；

图3是CAN网络连接示意图；

图4是本发明预警决策方法的控制流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明提供的车载消防系统包括一基于单片机的嵌入式处理器1、报警指示灯2、蜂鸣器3、应急按钮4、至少两个继电器5、6，陀螺仪7、温度传感器8、CAN接口9、显示模块10、环境监测模块11。处理器1与陀螺仪7、温度传感器8，以及通过CAN接口9与显示模块10、环境监测模块11进行信息交互，并将采集到的各种信号处理后，向报警指示灯2、蜂鸣器3、应急按钮4和各继电器发送控制信号，完成对车载消防系统的控制。因此，如图2所示，处理器1对系统整体资源进行计算、控制和管理，其中包含有温度信号处理单元12，倾角信号处理单元13，加速度信号处理单元14，起火监测单元15、侧翻监测单元16，CAN通讯单元17，碰撞危险监测单元18，碰撞程度监测单元19，决策控制单元20。

温度信号处理单元12将信号发送给起火监测单元15，起火监测单元15将温度信号处理后发送给决策控制单元20；倾角信号处理单元13将信号发送给侧翻监测单元16，侧翻监测单元16对倾角信号处理后发送给决策控制单元20；加速度信号处理单元14将信号发送给CAN通讯单元17，CAN通讯单元17将信号依次发送给碰撞危险监测单元18及碰撞程度监测单元19进行判断，然后发送给决策控制单元20；决策控制单元20负责总控，并向外发出指令。

本发明中处理器1只要具备上述接口资源和相应的处理能力，均可以等同采用。比如某一实施例中处理器1可采用LM3S2948微控制器。

报警指示灯2和蜂鸣器3用于对驾驶员进行警示，应急按钮4用于危险时驾驶员应急启动灭火器，它们都通过I/O端口与处理器1相连。

两个继电器5、6分别连接一灭火器，发生危险时由处理器1顺序触发，从而顺序引爆相应的灭火器。本发明中至少设置两个继电器(即两个灭火器)，实际中可扩展为多个，4个最佳，只是要考虑经济以及车载空间等因素，发生火灾时，率先引爆其中一个灭火器，其它备用，当有二次、三次着火时顺序引爆其它灭火器。

陀螺仪7用于采集车辆侧倾角信号以监测车辆的侧翻状态，采集X、Y、Z三个方向的加速度信号以监测碰撞程度。陀螺仪7三轴向角速度量程为±300°/S，三轴加速度计量程±12g，横滚角量程±180°。

温度传感器8用于测量监测点的温度，由于发生燃烧时发动机舱内温度较高，采用量程范围-40℃～300℃，精度0.3％，输出电压0～5V耐高温的温度传感器。

预警显示模块10、环境监测模块11通过CAN接口9与处理器1相连，并通过CAN接口9挂接到整车网络，如图3所示。预警显示模块10具有实时显示功能；环境监测模块11具有通过图像处理和雷达技术实现车距及相对车速检测的功能，环境监测模块将车距及相对车速通过CAN接口9传给处理器1，处理器1将温度、倾角、加速度、车距、相对车速以及各种危险状态等信息通过CAN接口9传给预警显示模块，预警显示模块接收后实时显示温度、倾角、加速度、车距、相对车速等值，当危险出现时以文字显示对应的危险状态。系统通过CAN接口9作为一个节点挂接到整车网络，实现信息交互与数据共享。

在各处理单元中都写有相应功能的程序，处理器1通过温度、倾角、加速度信号采集程序、CAN通讯程序实现了发动机舱内温度、车辆倾角、加速度、车距、相对车速等采集功能。侧翻监测程序根据车辆倾角实现了侧翻危险的监测；碰撞危险监测程序根据车距、相对车速实现了碰撞危险的监测；碰撞程度监测程序根据车辆加速度实现了碰撞程度的监测；决策控制程序实现了对数据的综合处理，完成碰撞预警和灭火器的引爆。

本发明基于以上控制系统，实现了车辆智能防火的预警方法，其具体控制流程如图4所示：

1、系统初始化。

2、采样温度、倾角、三轴加速度信号，通过CAN总线接收环境监测节点发送的车距和相对车速，同时向显示模块发送信息，显示模块接收后显示当前时刻温度、倾角、加速度、车距、相对速度以及各种危险状态。

3、检测是否已经有事故发生。

4、根据事故是否发生，调整温度报警阈值。对车辆监测点温度进行判断，如果发现超过监测点预设的温度阈值，则启动预警指示灯和蜂鸣器，进行预警，引爆灭火器，系统同时重新开始采样。

温度预警算法中，采用以下步骤，预估当前时刻距离着火发生的时间，实现在着火发生之前引爆灭火器：

(1)预设温度阈值T_max，时间阈值t₀，

(2)如已经有事故发生，调整温度阈值T_max，

(3)实时采集温度信号T，

(4)对T进行微分，得到温度变化率T′，

(5) $T_1=\frac{T_{\max }-T}{T^{\′}},$

(6)与阈值t₀进行比较，当T₁小于t₀时，进行预警，引爆灭火器。

5、如果温度正常，则通过倾角信号对车辆侧翻状态进行判断，如发现异常，则启动预警指示灯和蜂鸣器，进行预警，并引爆灭火器，同时重新开始采样。

侧翻预警采用基于侧倾角的TTR(time to rollover)预警算法，实现在侧翻事故发生之前，引爆灭火器：

(1)预设侧翻阈值θ_max，时间阈值t₁，

(2)实时采集侧倾角θ，

(3)对θ进行微分，得到角速度ω，

(4) $\mathrm{TTR}=\frac{{\mathrm{\θ}}_{\max }-\mathrm{\θ}}{\mathrm{\ω}},$

(5)与预设阈值t₁进行比较，当TTR小于预设时间门槛值t₁时，进行预警，引爆灭火器。

6、如果车辆未发生侧翻危险，检测是否接收到车距和相对车速信息，如果接收到信息，则根据车距及相对车速判断是否有碰撞危险，如果未接收到车距和相对车速信息，则跳过这一步，不进行碰撞危险判断，直接根据加速度值判断碰撞是否发生及发生的程度，达到危险阈值时立即引爆灭火器。

碰撞危险预警采取TTC(time to collision)算法：

(1)预设碰撞危险阈值L_max，时间阈值t₂，

(2)实时采集车距L，

(3)对L进行微分，得到相对速度V，

(4) $\mathrm{TTC}=\frac{L_{\max }-L}{V},$

(5)与预设阈值t₂进行比较，当TTC小于t₂时，进行预警。

7、如果未发生碰撞危险，则重新开始采样。

如果发生了碰撞危险，则启动预警指示灯和蜂鸣器，进行预警，此时，驾驶员可根据具体情况按下应急按钮引爆灭火器，实现在碰撞事故发生之前进行防火；同时，系统采样X、Y、Z三轴加速度信号，经过三轴向合成加速度算法，计算碰撞发生的程度，并与预设值H比较：

(1)按三轴向合成加速度算法进行计算；

$S(n,k,\mathrm{\ρ})=\frac{1}{f_s}\·\underset{i=n-k+1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\left(\right|a_x\left(i\right)+a_y\left(i\right)|-2\·\mathrm{\ρ}\·|a_z\left(i\right)\left|\right),$

其中：S为三轴向加速度合成积分量，n为当前时间点，k为采样点即窗宽，ρ为合成因数，表征两个方向加速度在合成算法中的权重，a_x(i)、a_y(i)、a_z(i)分别为车辆行驶方向、横向和垂直方向上的加速度采样值，f_s为采样频率。

(2)与预设值进行比较，如果S大于预设值H，引爆灭火器；如果S小于预设值，则显示当前时刻的车距、相对车速、温度、倾角、加速度值，系统重新开始采样。

此外，当系统完成初始化后，在上述任意阶段，驾驶员可根据具体情况随时触发应急按钮，进行引爆灭火器，同时启动预警指示灯和蜂鸣器，进行报警。处理器顺序接通各继电器，相应灭火器被顺序引爆，每次操作只引爆一个灭火器。

以上所述，仅为本发明的具体说明，但本发明的保护范围并不局限于此，其中各部件的结构、设置位置、连接及其实际控制过程都是可以有所变化的。任何熟悉本技术领域的技术人员凡是在本发明技术方案的范围内，进行的个别改进和变换，都应受到保护。

Claims (10)

1.一种车载消防系统，安装于整车控制系统之中，其特征在于：它包括一基于单片机的嵌入式处理器，以及由处理器连接的报警指示灯、蜂鸣器、应急按钮、显示器、继电器、陀螺仪、温度传感器、CAN接口；

所述继电器至少为两个，分别连接一灭火器；

所述CAN接口连接显示模块和环境监测模块，同时与整车系统相连；

所述处理器中包含有温度信号处理单元，倾角信号处理单元，加速度信号处理单元，起火监测单元、侧翻监测单元，CAN通讯单元，碰撞危险监测单元，碰撞程度监测单元，决策控制单元；温度信号处理单元将信号发送给起火监测单元，同时发给CAN通讯单元，起火监测单元将温度信号处理后发送给决策控制单元；倾角信号处理单元将信号发送给侧翻监测单元，同时发给CAN通讯单元，侧翻监测单元对倾角信号处理后发送给决策控制单元；加速度信号处理单元将信号发送给CAN通讯单元，CAN通讯单元将信号依次发送给碰撞危险监测单元及碰撞程度监测单元进行判断，然后发送给决策控制单元；决策控制单元负责总控，并向外发出指令。

2.如权利要求1所述的车载消防系统，其特征在于：各所述继电器与灭火器组合由处理器独立控制，按顺序引爆。

3.如权利要求1或2所述的车载消防系统，其特征在于：所述陀螺仪采集三轴向加速度信号以及倾角信号，三轴向角速度量程为±300°/S，三轴加速度计量程为±12g，横滚角量程为±180°；所述温度传感器量程为-40℃～300℃，精度为0.3％，输出电压为0～5V。

4.利用如权利要求1～3中任一所述系统实现的车辆智能防火预警决策方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)系统初始化；

2)采样温度、倾角、三轴加速度信号，通过CAN总线接收环境监测节点发送的车距和相对车速，同时向显示模块发送信息，显示模块接收后显示当前时刻温度、倾角、加速度、车距、相对速度以及各种危险状态；

3)检查是否已经有事故发生；

4)根据事故是否发生，调整温度报警阈值，对车辆监测点温度进行判断，

如果发现超过监测点预设的温度阈值，则启动预警指示灯和蜂鸣器，进行预警，引爆灭火器，系统同时重新开始采样；

5)如果温度正常，则通过倾角信号对车辆侧翻状态进行判断，如果发现侧翻危险，则启动预警指示灯和蜂鸣器，进行预警，并引爆灭火器，系统同时重新开始采样；

6)如果车辆未发生侧翻危险，则检查是否接收到车距和相对车速信息，如果接收到信息，则根据车距及相对车速判断是否有碰撞危险；如果未接收到车距和相对车速信息，则跳过这一步，不进行碰撞危险判断；

7)如果未发生碰撞危险，则重新开始采样；

如果发生了碰撞危险，则启动预警指示灯和蜂鸣器，进行预警；同时，系统采样X、Y、Z三轴加速度信号，计算三轴向速度合成积分量，判断碰撞发生的程度，当积分量大于预设的阈值时，则引爆灭火器，小于阈值时则重新采样。

5.如权利要求4所述的车辆智能防火预警决策方法，其特征在于：所述温度、侧翻、碰撞中任意一项危险状况出现，驾驶员均可触发应急按钮，引爆灭火器。

6.如权利要求4所述的车辆智能防火预警决策方法，其特征在于：各灭火器由处理器通过继电器独立控制，当有危险出现时，处理器按顺序接通继电器，相应灭火器被顺序引爆，每次危险只引爆一个灭火器。

7.如权利要求4所述的车辆智能防火预警决策方法，其特征在于：所述步骤4)中，对车辆监测点温度进行判断的方法为：

①首先在系统中对监测点预设温度阈值T_max，时间阈值t₀，

②如已经有事故发生，则降低温度阈值T_max，

③实时采集温度信号T，

④对T进行微分，得到温度变化率T′，

⑤令 $T_1=\frac{T_{\max }-T}{T^{\′}},$

⑥T₁与预设阈值t₀进行比较，当T₁小于t₀时，进行预警，引爆灭火器。

8.如权利要求4所述的车辆智能防火预警决策方法，其特征在于：所述步骤5)中，通过倾角信号对车辆侧翻状态进行判断的方法为：

①预设侧翻阈值θ_max，时间阈值t₁，

②实时采集侧倾角θ，

③对θ进行微分，得到角速度ω，

④令 $\mathrm{TTR}=\frac{{\mathrm{\θ}}_{\max }-\mathrm{\θ}}{\mathrm{\ω}},$

⑤TTR与预设阈值t₁进行比较，当TTR小于t₁时，则进行预警，引爆灭火器。

9.如权利要求4所述的车辆智能防火预警决策方法，其特征在于：所述步骤6)中，根据车距及相对车速判断是否有碰撞危险发生的方法是：

①预设碰撞危险阈值L_max，时间阈值t₂，

②实时采集车距L，

③对L进行微分，得到相对速度V，

④ $\mathrm{TTC}=\frac{L_{\max }-L}{V},$

⑤与预设阈值t₂进行比较，当TTC小于t₂时，进行预警。

10.如权利要求4所述的车辆智能防火预警决策方法，其特征在于：所述步骤7)中，计算三轴向加速度合成积分量的方法是：

$S(n,k,\mathrm{\ρ})=\frac{1}{f_s}\·\underset{i=n-k+1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\left(\right|a_x\left(i\right)+a_y\left(i\right)|-2\·\mathrm{\ρ}\·|a_z\left(i\right)\left|\right),$

其中：S为三轴向速度合成积分量，n为当前时间点，k为采样点即窗宽，ρ为合成因数，表征两个方向加速度在合成算法中的权重，a_x(i)、a_y(i)、a_z(i)分别为车辆行驶方向、横向和垂直方向上的加速度采样值。f_s为采样频率；当S大于预设值时，引爆灭火器；小于预设值时，则显示当前时刻的车距、相对车速、温度、倾角、加速度值，系统重新开始采样。

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