JP2000503438A - 危険検出器の信号を分析する方法とその方法を実施するための危険検出器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 危険検出器の信号の周波数分析のための方法において、小波変換（１）がファジー論理分析と組み合わせられる。正規直交小波或いは準正規直交小波による変換において、原信号（ｘ_o,k）は広域／低域フィルタ（ＨＰ、ＬＰ）のペアの多段式のフィルタ・カスケードに供給される。各フィルタ・ステージにおいて、相関関数（μ_i）が高域フィルタの結果、小波係数と原信号（ｘ_o,k）の値とから作成される。これらの関数は正規化されて、ファジー論理規則に従う更なる分析（２）のために、この形で使われる。この方法は、特に、炎検出器や騒音検出器等の危険検出器の出力信号の分析に適する。小波変換（１）とファジー論理分析（２）とはプロセッサ・コードの少数の行によって実行されるので、該分析は、経済的なプロセッサを用いて実行することができると共に、従来と比べて同等或いはより改善された精度でありながら、スピードアップされる

Description

【発明の詳細な説明】 危険検出器の信号を分析する方法とその方法を実施するための危険検出器 この発明は、周波数分析とファジー論理分析によって危険検出器の信号を分析 する方法、および、その方法を実施するための危険検出器に関する。危険検出器 は、例えば、炎検出器、騒音検出器、火災検出器、受動の赤外線検出器等である ことができる。 危険検出器の出力信号は、典型的な周波数スペクトルによってしばしば特徴づ けられる。これらの周波数スペクトルを分析することによって、信号の発生源を 判定することが可能であり、そして、特に、本物の警報信号を干渉信号から区別 して、誤警報を避けることができる。特に、炎検出器の場合、例えば反射された 太陽光線や点滅する光源等の干渉光源の炎から本当の炎の放射を識別し得るよう に、炎の典型的な低周波の点滅が分析される。 危険検出器の出力信号は、例えば、フーリエ解析や高速フーリエ分析や、零交 差（ゼロ・クロッシング）方法か転換点（ターニングポイント）方法によって分 析される。後者は、英国特許明細書ＧＢ−Ａ ２ ２７７ ９８９において炎検 出器の例の中に記載されており、ここでは、放射最大値の間の時間間隔が測定さ れ、それらの規則性および不規則性に関してチェックが行われ、不規則的に生じ る放射最大値は炎と解釈され、規則的に生じている放射最大値は干渉と解釈され ている。 ファジー論理は一般に知られている。本発明の状況において、信号値がいわゆ るファジーセットすなわち相関関数による中間値に割り当てられることが強調さ れねばならない。ここで、相関関数の値すなわち中間値との相関性の度合いは、 ０と１の間である。ここで、相関関数が正規化されることができなければならな いことが重要である。すなわち、相関関数の全ての値の合計は”１”であるべき であり、これにより、ファジー論理分析は信号の明確に定義された解釈を許容す る。 欧州特許明細書ＥＰＡ ０ ７１８ ８１４において記載された炎検出器では 、検出された放射周波数が分析されて、特定の周波数レンジにおける規則的な信 号と不規則な信号とを区別する。所定の周波数レンジにおけるいろいろな信号の 分析が、複数のファジー論理規則に従って行われる。この方法により、本物の炎 信号と他の干渉信号の間のより正確な識別を行うことができ、従って誤警報を予 防することができる。ここで、周波数スペクトルは例えば高速フーリエ変換によ って生成されるが、それは変換に必要な時間、必要なプロセッサおよびプロセッ サ・コストに関して高価なものとなってしまう。例えば、検出された信号の判定 のために、最高３秒程度は必要である。しかし、特定の応用のためには、警報に 至るまでのより短い分析時間と反応時間が望ましい。そんな場合には、零交差方 法や転換点方法、或いは小波（ウエーブレット）分析法のような方法が判定方法 をスピードアップするが、それらは上記方法より正確でない。 そこで、本発明の目的は、ファジー論理分析と組み合わせられて、且つ従来の 分析法と比較して、少ない計算ステップで実行できるため、より短い時間で従来 と同様或いはより改善された精度を得ることができる、危険検出器の信号の周波 数分析方法を提供することである。 さらに、本発明方法は、より単純なプロセッサを用いることにより、高い費用 効率で実行することができるものである。 この目的は、本発明によれば、次のようにして成し遂げられる。すなわち、高 速小波変換が周波数分析によって実行され、原信号が高域／低域フィルタのペア の多段式のフィルタ・カスケードに伝えられ、そして、小波変換の各フィルタ・ ステージにおいて、相関関数が、各場合に、高域フィルタの結果から作られ、そ の相関関数はファジー論理規則に従う周波数信号の更なる分析のために使われる 。 小波変換は、信号の時間領域から周波数領域への変換すなわち写像（イメージ ング）である（例えば、１９９２年４月のドクター・ドブス・ジャーナルにおけ るマック・エー・コーディによる「高速小波変換」参照）。このように、それは フーリエ変換と高速フーリエ変換に基本的に似ている。しかし、それは、信号を 生成する変換の基本的な関数により、これらの方法と異なる。フーリエ変換にお いては、周波数領域において鋭く局所化されて、時間領域において未定義のサイ ン関数およびコサイン関数が使われる。小波変換の場合には、いわゆる小波（ウ エーブレット）かウエーブ・パケットが使われる。これらの中で、例えばガウス 形、スプライン形、或いは髪形（ヘア）の小波等の多くのタイプが存在し、それ らは、各場合において、２つのパラメータによって、時間領域において任意に移 動されることができるか、周波数領域において、拡大されたり、圧縮されること ができる。 このように、時間領域および周波数領域において局所化された信号は、小波変 換によって変換することができる。高速小波変換は、低周波の信号構成要素と高 周波の信号構成要素とを区別する、低域フィルタと高域フィルタとの反復された 使用に基づくマラット（Ｍａｌｌａｔ）・ピラミッド・アルゴリズムに従って実 行される。ここで、低域フィルタの出力信号は、各場合において、再び一対の低 域／広域フィルタに対して供給される。このようにして、原信号の一連の近似が 行われ、各近似は前のものよりも粗い解像度を有する。変換のために必要とされ る操作の数は、各場合において、原信号の長さと比例しているのに対して、フー リエ変換の場合、「この」数は信号長さに過比例（スーパープロポーショナル） である。高速小波変換がまた逆の方法で行われて、原信号が、再生のため、近似 された値と係数とから復元される。信号の分析と再生のためのアルゴリズムおよ び分析と再生の係数のテーブルは、チャールス・ケー・チュウイ（アカデミック ・プレス、サンディエゴ、１９９２）による「小波への紹介」における、スプラ イン形小波の例において与えられている。 危険検出器の例では、ファジー分析の結果により、警報信号或いは干渉信号が 存在するかどうかについて判定が行われる。小波分析のために必要とされる計算 ステップの数は、フーリエ解析と比較して、大幅に減少される。従って、信号を 同定するために必要とされる演算時間は短くなり、プロセッサ・コストが減少す る。 本発明によれば、デジタル化された原信号が先ず高速小波変換によって分析さ れる。この目的のために、マラット・アルゴリズムに従って、信号は広域および 低域フィルタのペアのカスケードの複数のステージを通して処理される。それか ら、高域フィルタのフィルタ結果から、各フィルタ・ステージにおいて相関関数 が生成される。この相関関数は、高域フィルタから計算された値の合計を含み、 原信号値の二乗の合計で割られたものである。ここで、各フィルタ・ステージの 場合に形成される相関関数の合計は１に等しいか、或いは実質的に１に等しい。 そして、これらの正規化された相関関数は、ファジー論理周波数分析の継続のた めに、この形で使われる。 この型の周波数分析には次の利点がある。小波変換の高域フィルタは、先ず、 高周波の信号に関する情報を与える。これは、特に、炎検出の場合に有利である 。その理由は、より高い周波数に関する情報が信号の種類の識別の迅速化と共に 、識別精度の改善を可能にするからである。例えば、１５Ｈｚを超える高い周波 数信号が発見されるならば、これは干渉信号と解釈される。次の報告（干渉信号 か警報信号）がより早い時点で得られ、しかも、確実性のより大きい程度で正し い。小波は、それらの形状において、例えば髪形小波（ヘアー・ウエーブレット ）等のように、しばしば非常に単純であり、少数の計算ステップで分析が可能で あり、この結果、計算時間と判定時間を更に減少させる。しかし、判定時間の減 少により、信号識別の精度が減少することはない。より少ない行のコードが必要 とされるならば、より経済的なプロセッサを用いることもまた可能である。 本発明による方法の第一の好適な実施例は、高速小波変換に使われる小波が正 規直交（オーソノーマル）小波であるか、準正規直交（セミ・オーソノーマル） 小波であるか、或いはまた小波パケット・ベースであることを特徴とし、さらに 、生成された相関関数が、各場合に、高域フィルタの二乗された値を小波係数に よって加重した値の合計と原信号の二乗された値の合計とを含み、且つファジー 論理規則に従って周波数信号を更に分析するために、正規化された形で使用され ることを特徴とする。 ２番目の好適な実施例においては、高速小波変換のために使われた小波は、正 規直交小波か、準正規直交小波か、或いは、小波パケット・ベースであり、また 、生成された相関関数は、各場合に、高域フィルタの二乗された出力値の合計と 危険検出器の原信号の二乗された値の合計とを含んでおり、ファジー論理規則に 従う周波数信号の分析のために正規化された形で使われる。 前述の方法の実施のための本発明による危険検出器は、危険特性変数のための センサと、そのセンサの出力信号を処理する手段を持つ分析電子ユニットと、フ ァジー・コントローラを持つマイクロプロセッサーとを含む。 この危険検出器は、マイクロプロセッサーがファジー・コントローラをファジ ー小波コントローラの一部とするソフトウェア・プログラムを有することを特徴 とし、さらに、分析電子ユニットによって処理されて、ファジー・コントローラ に供給された信号が小波変換されることを特徴とする。 以下、本発明を、図面に図示された典型的な実施例について詳細に説明する。 図１は、複数のフィルタ・ステージによると高速小波分析とファジー論理の更 なる分析とを使用した方法のブロック図である。 図２は、高速髪形小波変換による周波数分析の場合の相関関数を図示する。 図３は図１による方法の実施のための危険検出器のブロック図である。 図４は危険検出器における図１による方法の実施のためのブロック図である。 図１によれば、出力信号Ｘ_o,kにより、先ず、高速小波変換１が、従来技術か ら知られる型の任意の小波によって成し遂げられる。好ましくは、正規直交小波 か、準正規直交小波か、小波パケット・ベースが使われる。図において、信号値 はｘ_i,kとｙ_i,kで示され、ｘが原信号値と低域フィルタ（ＬＰ）からの値を示し 、また、ｙは高域フィルタ（ＨＰ）からの値を示す。インデックスｉは、フィル タ・カスケードのステージを昇順に示しており、原信号はステージ・ゼロにある 。インデックスｋは信号の個々の値を示す。ステージ・ゼロでの原信号ｘ_o,kは 出発点であり、そしてその信号は複数のフィルタ・プロセスによって変換される 。第一の高域フィルタの出力信号は値ｙ_l,kになり、そして、２番目のフィルタ ・ステージのための入力信号を形成する第一の低域フィルタの出力信号は値ｘ_{l, k} になる。２番目の高域フィルタの出力信号は値ｙ_2,kになり、２番目の低域フィ ルタの出力信号ｘ_2,kは３番目のペアのフィルタ等に入れられる。ここで、フィ ルタ・ステージから生じる値の数は各ステージにおいて異なることに注意すべき である。より正確には、各ステージにおける値の数は、要因２によって減少 _1-2kｘ_i,1によって表される。 変換のための係数ａおよびｂは一般に知られており、前述したチュウイの本に より計算することができる。髪形小波に対して、ａ_o＝ａ₁＝１／２、ｂ_o＝１／ ２およびｂ₁＝−１／２である。インデックス”１”は、各場合において係数が ゼロに等しくない整数値をとる。原信号の再生が、複数のフィルタ・ステージに おいて起こり、各フィルタ・ステージの値が前のステージの値に対して作られる 。すなわち、 小波再生のための係数ｐとｑは、前述の本の中で与えられている。 それから、相関関数μ_iが、各フィルタ・ステージの高域フィルタの出力値と 小波再生のための相関係数ｑから作り出される。 ここで、 後者の関数μ_N+1は、かくして最後の低域フィルタの出力値によって形成され これらの相関関数のよい近似は、次の式によってしばしば与えられる。 本方法の特定の実施例においては、デジタル化された非線形の値ｘ_o,kは高速 髪形分析される。各フィルタ・ステージｉの値ｙ_o,kから、相関関数μ_iが形成 される。すなわち、 および 図２において、高速髪形小波変換の結果から作り出された相関関数μは、周波 数の関数として示されている。いろいろな曲線のうち、μ_N+1は非常に低い周波 数の相関度合を表し、μ_Nは低い周波数の相関度合を表し、そして、μ₁とμ₂は それそれ高い周波数および中問の周波数の相関度合を表している。各選択された 周波数で、曲線値の合計が１に達することは明らかである。 本発明方法の全ての実施例において、これらの相関関数は、ファジー論理規則 に従う分析のために、ファジー論理コントローラー２（図１）に供給され、警報 信号がトリガーされるかどうか、或いは、信号が干渉と評価されるかどうかにつ いて決定される。 炎検出器の場合、この方法は、例えば１５Ｈｚを越える周期的な信号等の干渉 信号と、例えば低い周波数の狭帯域信号や低い周波数レンジにおける広帯域信号 等の本物の炎信号とを区別するのに適する。高周波信号の迅速な識別の結果、こ の周波数の干渉信号とそれらの共振周波数とが信号から除去され、このようにし て信号の周波数分析をスピードアップする。小波変換による周波数分析のスピー ドアップにより、信号の種類と与えるべき報告とを決定するために必要とされる 時間を、例えば以前の３秒から１秒まで減少させることができる。ここで記載さ れた方法は、騒音検出器、受動の赤外線検出器、画像処理における個々のピクセ ルの信号のスペクトル分析に対して、また、ガス−センサや振動センサ等の異な るセンサに対して同様に適する。 図３は、ここで記載された方法の実施のための危険検出器３のブロック図であ る。この図によれば、危険検出器３は、危険特性変数を検出するためのセンサ４ と、分析電子ユニット５と、マイクロプロセッサー６と、ファジー・コントロー ラ２とを含む。危険特性変数は、例えば、炎から放出された放射の強度、騒音の 音響信号、暖かい身体から放出された赤外線、ＣＣＤカメラの出力信号等である ことができる。 センサ４の出力信号は、例えばアンプ等の信号の処理に適する手段を含む分析 電子ユニット５に供給され、そして、それは分析電子ユニット５からマイクロプ ロセッサー６に供給される。ここのファジー・コントローラ２（図１）はソフト ウェアの形でマイクロプロセッサー６に組み込まれる。特に、ファジー・コント ローラは、ファジー論理理論を小波理論にリンクさせるファジー小波コントロー ラの一部である。マイクロプロセッサー６は、例えば、入力信号を小波変換させ る、図４に示された型のソフトウェア・プログラムを含む。その結果生じる、変 換された信号は、ファジー・コントローラ２に供給される。ファジー・コントロ ーラ２からの信号が警報と評価されるならば、それは警報出力装置７か警報コン トロール・センターに供給される。 図４は、危険検出器のマイクロプロセッサーにおいて、本発明による方法を実 施するためのブロック図であり、前記マイクロプロセッサーはファジー小波コン トローラ８を含む。分析電子ユニット５（図３）による分析に続いて、センサ４ の出力信号はファジー小波コントローラ８に供給され、ここで、信号は先ずフィ ルタ９のカスケードに供給される。各フィルタ９の結果１０から、相関関数μ_i が等式１に従って作られる。それから、これらの関数はファジー分析のためにフ ァジー・コントローラ２に供給され、ファジー・コントローラ２は随意に信号を 警報出力装置７に送る。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．周波数分析とファジー論理分析によって、危険検出器（３）の信号を分析す る方法であって、高速小波変換（１）が周波数分析として実行されて、これによ り、原信号（ｘ_o,k）が、広域／低域フィルタ（ＨＰ、ＬＰ）のペアの多段式フ ィルタ・カスケードに伝えられ、そして、小波変換の各フィルタ・ステージにお いて、相関関数（μ_i）が、各場合に、高域フィルタ（ＨＰ）の結果から作り出 され、相関関数（μ_i）がファジー論理規則に従って周波数信号を更に分析する ために使われる、ことを特徴とする危険検出器（３）の信号を分析する方法。 ２．前記高速小波変換（１）のために使われる小波は、正規直交小波か、準正規 直交小波か、小波パケット・ベースであり、作成された相関関数（μｉ）は、各 場合に、合計（高域フィルタ（ＨＰ）の二乗された値の小波係数によって加重さ れた合計と危険検出器３の原信号（ｘ_o,k）の二乗された値の合計とを含み、且 つ、前記作成された相関関数（μ_i）はファジー論理規則に従って周波数信号を 更に分析するために、正規化された形で使われる、ことを特徴とする請求項１に よる方法。 ３．前記高速小波変換（１）のために使われる小波は、正規直交小波か、半正規 直交小波か、小波パケット・ベースであり、そして、作成された相関関数（μ_i ）は、各場合に、高域フィルタ（ＨＰ）の二乗された出力値の合計と危険検出器 （３）の原信号（ｘ_o,k）の二乗された値の合計とを含み、且つ、作成された相 関関数（μ_i）は、ファジー論理規則に従って周波数信号を分析するために、正 規化された形で使われる、ことを特徴とする請求項１による方法。 ４．前記出力信号は炎検出器と周波数分析との出力信号であり、前記炎検出器の 出力信号の分析は１００ｍｓから１０ｓまでの期間を有することを特徴とする、 請求項１乃至３の何れかによる方法。 ５．請求項１乃至３の何れかによる方法を実施するための危険検出器（３）であ って、危険特性変数のためのセンサ（４）と、そのセンサ（４）の出力信号を処 理するための手段を有する分析電子ユニット（５）と、ファジー・コントローラ （２）を有するマイクロプロセッサー（６）とを備え、マイクロプロセッサー（ ６）はファジー・コントローラ（２）をファジー小波コントローラ（８）の一部 とするソフトウェア・プログラムを有し、そして、分析電子ユニット（５）によ って処理されてファジー・コントローラ（２）に供給される信号は小波変換され る、ことを特徴とする危険検出器。