CN108490126B - 一种公交车易燃气体监测系统及自动监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种公交车易燃气体监测系统及自动监测方法，主控系统包括CAN收发器、中央处理器、从机电源控制电路、显示系统、显示单元通讯接口电路、存储器单元、声光报警电路等组成。所述主控、分布式从控系统均通过CAN总线网络连接到同一个CAN网络中，分布式从控系统实时采集公交车车厢内各个监测点周边区域的易燃品挥发气体浓度并在主控系统的显示屏上进行显示，形成对整个车厢内全面覆盖。并根据当前所处环境，自动调整报警阀值，一旦发现易燃品挥发气体的浓度超过设定的阈值，将信息通过CAN总线发送到主控系统，主控系统实时进行声光报警提示，并在显示屏上显示报警区域，提示司机采取措施进一步处理，防止发生危险或事故进一步扩大。
Description
技术领域
本发明属于易燃气体检测技术领域，特别是涉及一种公交车易燃气体监测系统及自动监测方法。
背景技术
公共交通不仅是缓解城市交通拥堵的有效措施，也是调整城市交通出行结构、改善城市人居环境、促进城市可持续发展的必然要求。因此，城市公共交通中公交车内的公共安全在平安城市建设中显得尤为重要。在一些报复社会的行为中，不法分子在乘车过程中，恶意携带易燃类物品(汽油、酒精、香蕉水、松香水等易燃液体)在公交车中纵火的案件也常见报道，公交车作为民众日常通行的工具，属于人员高度集中区，若发生纵火案通常会造成严重损失及社会影响。
现有的公交车中，有安装易燃气体监测系统使用案例，如CN107452203A中提到采用在车厢内放置接收端，检测易燃液体挥发物的浓度，及时发出告警提醒驾驶员，在该实施方式中，气体传感器是基于MEMS技术的半导体传感器，其预热时间较长，影响了系统的正常使用。系统内部的气体传感器，在长期运行后，不可避免的会出现参数飘移同时，使检测值偏高或偏低。在某些特定的环境中，如新车投入运营时，门窗紧闭的情况下，车厢内的装修挥发物浓度较高，引发检测结果偏高，引起系统误报，或在车辆经过化工厂厂区附近，进入加油站时，由于周边环境本身挥发物浓度较高，亦会引起系统频繁误报，给监测系统正常使用带来一些弊端。
发明内容
本发明的目的在于提供一种公交车易燃气体监测系统及自动监测方法，通过分布式从控系统实时采集公交车车厢内各个监测点周边区域的易燃品挥发气体浓度，防止发生危险或事故进一步扩大，并提示所处的报警区域，保障了公交车安全运营。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种公交车易燃气体监测系统，包括主控系统、显示设置系统和分布式从控系统，所述主控系统和分布式从控系统均通过CAN总线网络连接到同一个CAN网络中；
其中，所述分布式从控系统包括采样传感器、信号调理电路、处理器单元、存储器单元、CAN收发器；
所述主控系统包括CAN收发器、中央处理器、从机电源控制电路、显示系统、显示单元通讯接口电路、存储器单元和声光报警电路；
所述中央处理器分别与CAN收发器、存储器单元、显示单元通讯接口电路交互式连接，所述显示系统与显示单元通讯接口电路交互式连接，所述声光报警电路、从机电源控制电路分别与中央处理器相连接。
进一步地，所述采样传感器包括前门传感器、前部传感器、第一中部传感器、中门传感器、第二中部传感器和后部传感器。
进一步地，所述主控系统和分布式从控系统均通过CAN总线网络连接到同一个CAN网络中，进行信息交互传输，并在主控系统的显示屏上实时显示从控系统的检测值。
进一步地，所述分布式从控系统实时采集公交车车厢内各个监测点周边区域的易燃品挥发气体浓度，形成对整个车厢内全面覆盖，分布式从控系统采集易燃品挥发气体浓度超过设定的阈值后，将信息通过CAN总线发送到主控系统，所述主控系统检测到分布式系统传的数据超过设定值后，将实时进行声光报警提示，并提示所处的报警区域。
进一步地，一种公交车易燃气体自动监测方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、在系统没有报警的情况下，进行异常个体排除；
S2、设置最大值预置值Smax和最小预置值Smin，得到设置变化范围值Δs；
S3、计算当前系统的采样值X(t)；
S4、计算绝对标准差ΔF；
S5、计算采样变化率β，并根据采样变化率β的值来调整采样步长ΔTn；
S6、对输出值进行KALMAN滤波得到最优值，并更新系统状态，得到下一刻的参考值；
S7、得到最终调整值，并比对最终调整值和设定值κ，当调整值低于κ-10或大于κ时，不予调整，保持当前输出状态。
进一步地，所述S1的具体步骤为，计算系统中每个传感器的个体采样值，得到每个传感器的采样值与标准设置值之间差异，对系统的适应度进行比例变换，得到适应度差异值；得到每个传感器与整体系统的差异后，判断系统是否报警，若系统没有报警，排除传感器的采样值中的异常个体并进行S2。
进一步地，所述Δs的计算公式为：
Δs＝Smax-Smin
Smax为最大值预置值，Smin为最小预置值。
进一步地，所述X(t)的计算公式为：
其中f(t)是时刻t得到的采样值与设置值差值的平均值，T为采样步长。
进一步地，所述绝对标准差ΔF的计算公式为：
ΔF＝|(Fstd-Fsam)|(绝对值)
Fstd为传感器报警基准值，Fsam为采样平均值，ΔF为绝对标准差。
本发明的有益效果：
本发明通过分布式从控系统实时采集公交车车厢内各个监测点周边区域的易燃品挥发气体浓度，形成对整个车厢内全面覆盖。通过主控、分布式从控系统组成一个CAN监控网络。分布式从控系统实时采集公交车车厢内各个监测点周边区域的易燃品挥发气体浓度并在主控系统的显示屏上实时显示，形成对整个车厢内全面覆盖。并根据当前所处环境，自动调整报警阀值，一旦发现易燃品挥发气体的浓度超过设定的阈值，将信息通过CAN总线发送到主控系统，主控系统实时进行声光报警提示，并在显示屏上实时显示报警区域，提示司机采取措施进一步处理，防止发生危险或事故进一步扩大。主控系统通过监测各个从机传感器的检测值，采用了一种自动参数跟踪的方法，使监测系统的报警门槛值能随使用环境变化，自动调整，一旦易燃品挥发气体的浓度超过设定的阈值，信息将通过CAN总线发送到主控系统，主控系统检测到分布式系统传的数据超过设定值，将实时进行声光报警提示，并提示所处的报警区域，保障了公交车安全运营。
附图说明
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细描述。
图1是本发明系统结构示意图。
图2是本发明的从机传感器正常时阀值变化示意图。
图3是本发明的从机传感器飘移后阀值变化示意图。
具体实施方式
如图1所示，一种公交车易燃气体监测系统，该系统包括主控系统、显示设置系统(显示主机)和分布式从控系统，其中分布式从控系统包括采样传感器、信号调理电路、处理器单元、存储器单元、CAN收发器等；
较优的，所述采样传感器包括前门传感器、前部传感器、第一中部传感器、中门传感器、第二中部传感器和后部传感器；
主控系统包括CAN收发器、中央处理器、从机电源控制电路、显示系统、显示单元通讯接口电路、存储器单元和声光报警电路，其中，中央处理器分别与CAN收发器、存储器单元、显示单元通讯接口电路交互式连接，显示系统与显示单元通讯接口电路交互式连接，声光报警电路、从机电源控制电路分别与中央处理器相连接；
具体的，主控系统和分布式从控系统均通过CAN总线网络连接到同一个CAN网络中；
本实施例的一个具体实施方式包括如下步骤：
主控系统上电自检完成后，接通从机电源电路，给CAN总线上的各处从机传感器模块提供工作电源，并发送相关配置信息，从机模块上电后，进入预热状态，在现有的采用半导体气体传感器检测气体浓度的技术方案中，在系统上电初期，传感器处于停用状态的催化剂会失活，需要活化，为了让传感器达到稳定的工作状态，需要对其预热，一般预热时间为5至10分钟左右，另外，有些质量较差的传感器很不容易稳定，只能通过长的时间以后，传感器的检测漂移会趋缓，接近于稳态，否则会由于传感器参数的不一致，在同一个车厢环境中，其检测的结果差异较大；在车辆运行过程中，公交车辆从系统上电，到开门上客，车辆出站比较快的情况下在1至3分钟左右，此时，系统还未投入正常工作，其检测结果受预热时间和使用环境影响因素较大。为了消除此类问题给检测系统带来的影响，各个从机内部均包含了一个电化学、催化燃烧型气体传感器(电化学、催化燃烧型气体传感器预热时间只需要预热30秒、能够适应公交快速启动使用情况)，从机模块很快结束预热过程，进入到正常监控状态，从机模块实时采集传感器附近的空气浓度值，并从主机接收的报警门槛值与参考系数等数据进行比较，当该值超过设定的值时，系统报警；
同时，为了避免传感器长期工作后出现参数飘移，或使用环境变化后检测结果偏高或偏低的情况出现，引起系统误报，主控系统采用了一种自动参数跟踪的方法，使监测系统的报警门槛值能随使用环境变化，自动调整，具体包括如下步骤：
S1、在系统没有报警的情况下，进行异常个体排除；
计算系统中每个传感器的个体采样值，得到每个传感器的采样值与标准设置值之间差异，对系统的适应度进行比例变换，得到适应度差异值；
得到每个传感器与整体系统的差异后，判断系统是否报警，若系统没有报警，排除传感器的采样值中的异常个体并进行S2；
较优的，剔除后的系统中传感器数量数或在线的传感器模块数量大于3；
较优的，如果整体适应度较好，则直接进行下一步骤计算；
较优的，所述比例变换包括线性比例变换、幂比例变换、指数比例变换；
其中，系统中某些传感器由于生产工艺参数的差异，电路偏置状态的差异，预热状态等因素的不同，导致其采样差异各不相同，有可能出现采样值始终偏高、偏低、采样跳动大的情况，与理想系统的变化相比存在偏差的现象，这些传感器的变化率远大于其它传感器，使得系统的稳定性变差，有些传感器的变化与系统的适应度相近，能较好的反映出整个系统的变化趋势，有利于系统的运行；
S2、设置最大值预置值Smax和最小预置值Smin，得到设置变化范围值Δs：
Δs＝Smax-Smin
S3、计算当前系统的采样值X(t)：
其中f(t)是时刻t得到的采样值与设置值差值的平均值，T为采样步长；
较优的，f(t)反映了在到当前为止的时间内得到的所有传感器变化值的平均值(因算法在运行过程中变化的随机性较大，故用平均值，其中采样步长随最终的β值自动修正)，f(t)反映了算法的动态性能，最终返回系统中各个传感器模块的采样的均值Fsam；
S4、设定一个传感器报警的基准值Fstd，通过计算，得到采样平均值Fsam，与传感器报警基准值Fstd，绝对标准差ΔF：
ΔF＝|(Fstd-Fsam)|(绝对值)
S5、计算采样变化率β，并根据采样变化率β的值来调整采样步长ΔTn；
较优的，由于设置变化范围值Δs的变化范围较大，采样平均值Fsam与传感器报警基准值Fstd、绝对标准差ΔF相对于Δs的变化较小，如果超出该范围则传感器采样值已经远远超过正常变化范围，检测到的气体浓度超标，系统报警输出；
具体的，在正常未报警的情况下，系统会根据采样变化率β的值来调整采样步长，如果变化采样变化率β值较大，说明系统已经趋向于非稳态，此时，采样步长ΔTn加大，同时，
|0-30％|结果1ΔT1δ1
β＝ΔF/Δs|30％-60％|结果2ΔT2δ2
|60-90％|结果3ΔT3δ3
系统会根据最终的β值返回一个参考的系数δn，系统也会根据采样变化率β的值来调整返回的参考系数δn，如果变化采样变化率β值较大，则系数δn变小，反之，则系数δn变大，
μj＝β(1-exp(-αej^2))
α，β均为常数，0<α，0≤β<μmax；
较优的，随着误差增大，步长值也增大；
计算报警预值基准f'(x)
f'(x)＝f(x)+k(Δs*δ)
其中，f(x)为原基准值，k为修正参数；
较优的，k根据具体情况进行设置，k越大则报警预值基准越大；
S6、对输出值进行KALMAN滤波得到最优值，并更新系统状态，得到下一刻的参考值；
S7、得到最终调整值，并比对最终调整值和设定值κ，当调整值低于κ-10或大于κ时，不予调整，保持当前输出状态；
较优的，得到最终的调整值不能大于设定值κ。
在有关信号特征的完整性，可靠性得不到保证的情况下，完成滤波和运算，提高系统的稳定性或达到局部最优状态，可调节滤波器参数的最优化，形成可行的计算方法，它不需要有关的相关函数和矩阵求逆运算，包括两个过程，滤波过程和自动调整的过程，这两个过程一起工作组成一个反馈环；
较优的，所述系统的调整值Smax、Smin、基准值Fstd、修正参数k、报警参考值、从机配置参数均通过显示主机的触摸软键进行设置，由显示主机将该信息保存到内部存储器中，或通过CAN总线进行发送给系统从机，由系统从机通过CAN总线进行接收并解析后，保存到系统从机的内部存储器中。
以上内容仅仅是对本发明结构所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种公交车易燃气体监测系统，其特征在于，包括主控系统、显示设置系统和分布式从控系统，所述主控系统和分布式从控系统均通过CAN总线网络连接到同一个CAN网络中；
其中，所述分布式从控系统包括采样传感器、信号调理电路、处理器单元、存储器单元、CAN收发器；
所述主控系统包括CAN收发器、中央处理器、从机电源控制电路、显示系统、显示单元通讯接口电路、存储器单元和声光报警电路；
所述中央处理器分别与CAN收发器、存储器单元、显示单元通讯接口电路交互式连接，所述显示系统与显示单元通讯接口电路交互式连接，所述声光报警电路、从机电源控制电路分别与中央处理器相连接；
该监测系统的自动监测方法如下：
S1、在系统没有报警的情况下，进行异常个体排除；
计算系统中每个传感器的个体采样值，得到每个传感器的采样值与标准设置值之间差异，对系统的适应度进行比例变换，得到适应度差异值；得到每个传感器与整体系统的差异后，判断系统是否报警，若系统没有报警，排除传感器的采样值中的异常个体并进行S2；
S2、设置最大值预置值Smax和最小预置值Smin，得到设置变化范围值Δs；
所述Δs的计算公式为：
Δs=Smax-Smin
Smax为最大值预置值，Smin为最小预置值；
S3、计算当前系统的采样值X(t)；
所述X(t)的计算公式为：
其中f(t)是时刻t得到的采样值与设置值差值的平均值，T为采样步长；
S4、计算绝对标准差ΔF；
所述绝对标准差ΔF的计算公式为：
ΔF=|(Fstd-Fsam)|(绝对值)
Fstd为传感器报警基准值，Fsam为采样平均值，ΔF绝对标准差；
S5、计算采样变化率β，并根据采样变化率β的值来调整采样步长ΔTn；
由于设置变化范围值Δs的变化范围较大，采样平均值Fsam与传感器报警基准值Fstd绝对标准差ΔF相对于Δs的变化较小，如果超出该范围则传感器采样值已经远远超过正常变化范围，检测到的气体浓度超标，系统报警输出；
具体的，在正常未报警的情况下，系统根据采样变化率β的值来调整采样步长，如果变化采样变化率β值较大，说明系统已经趋向于非稳态，此时，采样步长ΔTn加大，同时，
|0-30%|结果1ΔT1δ1
β=ΔF/Δs|30%-60%|结果2ΔT2δ2
|60-90%|结果3ΔT3δ3
系统根据最终的β值返回一个参考的系数δn，系统也会根据采样变化率β的值来调整返回的参考系数δn，如果变化采样变化率β值较大，则系数δn变小，反之，则系数δn变大，
μj=β(1-exp(-αej^2))
α，β均为常数，0<α，0≤β<μmax；
随着误差增大，步长值也增大；
计算报警预值基准f'(x)
f'(x)=f(x)+k(Δs*δ)
其中，f(x)为原基准值，k为修正参数；
k根据具体情况进行设置，k越大则报警预值基准越大；
S6、对输出值进行KALMAN滤波得到最优值，并更新系统状态，得到下一刻的参考值；
S7、得到最终调整值，并比对最终调整值和设定值κ，当调整值低于κ-10或大于κ时，不予调整，保持当前输出状态；
所述系统的调整值Smax、Smin、基准值Fstd、修正参数k、报警参考值、从机配置参数均通过显示主机的触摸软键进行设置，由显示主机将该信息保存到内部存储器中，或通过CAN总线进行发送给系统从机，由系统从机通过CAN总线进行接收并解析后，保存到系统从机的内部存储器中。
2.根据权利要求1所述一种公交车易燃气体监测系统，其特征在于：所述采样传感器包括前门传感器、前部传感器、第一中部传感器、中门传感器、第二中部传感器和后部传感器。
3.根据权利要求1所述一种公交车易燃气体监测系统，其特征在于：所述主控系统和分布式从控系统均通过CAN总线网络连接到同一个CAN网络中，进行信息交互传输，并在主控系统的显示屏上实时显示从控系统的检测值。
4.根据权利要求1所述一种公交车易燃气体监测系统，其特征在于：所述分布式从控系统实时采集公交车车厢内各个监测点周边区域的易燃品挥发气体浓度，形成对整个车厢内全面覆盖，分布式从控系统采集易燃品挥发气体浓度超过设定的阈值后，将信息通过CAN总线发送到主控系统，所述主控系统检测到分布式系统传的数据超过设定值后，将实时进行声光报警提示，并提示所处的报警区域。
5.一种根据权利要求1所述公交车易燃气体监测系统的自动监测方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、在系统没有报警的情况下，进行异常个体排除；
计算系统中每个传感器的个体采样值，得到每个传感器的采样值与标准设置值之间差异，对系统的适应度进行比例变换，得到适应度差异值；得到每个传感器与整体系统的差异后，判断系统是否报警，若系统没有报警，排除传感器的采样值中的异常个体并进行S2；
S2、设置最大值预置值Smax和最小预置值Smin，得到设置变化范围值Δs；
所述Δs的计算公式为：
Δs=Smax-Smin
Smax为最大值预置值，Smin为最小预置值；
S3、计算当前系统的采样值X(t)；
所述X(t)的计算公式为：
其中f(t)是时刻t得到的采样值与设置值差值的平均值，T为采样步长；
S4、计算绝对标准差ΔF；
所述绝对标准差ΔF的计算公式为：
ΔF=|(Fstd-Fsam)|(绝对值)
Fstd为传感器报警基准值，Fsam为采样平均值，ΔF绝对标准差；
S5、计算采样变化率β，并根据采样变化率β的值来调整采样步长ΔTn；
由于设置变化范围值Δs的变化范围较大，采样平均值Fsam与传感器报警基准值Fstd绝对标准差ΔF相对于Δs的变化较小，如果超出该范围则传感器采样值已经远远超过正常变化范围，检测到的气体浓度超标，系统报警输出；
S6、对输出值进行KALMAN滤波得到最优值，并更新系统状态，得到下一刻的参考值；
S7、得到最终调整值，并比对最终调整值和设定值κ，当调整值低于κ-10或大于κ时，不予调整，保持当前输出状态；
所述系统的调整值Smax、Smin、基准值Fstd、报警参考值、从机配置参数均通过显示主机的触摸软键进行设置，由显示主机将该信息保存到内部存储器中，或通过CAN总线进行发送给系统从机，由系统从机通过CAN总线进行接收并解析后，保存到系统从机的内部存储器中。
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