基于無線傳感器網絡的火源定位方法研究

摘 要：文章根據火災發生初期的火災煙氣的擴散情況，基于高斯煙羽模型氣體擴散理論，推導了火災初期的氣體擴散模型在無風情況下的火源定位方法。采用基于煙氣濃度信息的最小二乘多邊定位法對火災中心點進行定位，在氣流較穩定的情況下，通過傳感器網絡測得的煙氣濃度推知火源中心點具體位置，然后采用基于K-means聚類法的最近鄰密集區域選取算法減小誤差，解決現有火災預警系統中只能對火災進行報警，不能定位的缺點。仿真實驗表明，該方法可以較好的對火源點進行位置估計。

關鍵詞：濃度擴散方程；最小二乘多邊定位算法；聚類算法

引言

近年來隨著城市化的發展，城市人口密度不斷增加，火災造成的財產損失和人員傷亡越來越大。而在火災撲救工作方面，火源點的及時準確定位尤為關鍵。如果能準確的判斷著火點范圍，將為自動滅火和人工撲救工作提供準確的輔助決策信息，也為受困人員安全疏散提供可靠保證。但由于火災現場存在諸多不確定因素，使得其成為火災研究分析中的一個難點和熱點。在火災前期對火源點進行準確定位，才能及時高效地進行滅火救援工作[1]。

現有的火災源點定位技術一般是基于溫度場，基于圖像理論和基于光纖測溫技術的的定位方法，但基于溫度場的火災源點定位要求火源釋放較多的熱量，傳感器感受到溫度變化時，實際上燃燒已經持續了一段時間。大量研究表明，火災早期陰燃狀態下，釋放熱量少，卻產生大量的煙氣，溫度上升卻不明顯?；趫D像型的火源定位技術容易受物體遮擋，造成定位誤差偏大等問題；基于光纖測溫的技術成本過于高昂，不適用于一般的倉庫中[3]。針對以上分析，文章對火源定位技術展開了研究，首先利用無線傳感器節點測量其中的氣體濃度，然后采用一些信號處理技術，不僅能夠及時得到火災的本征感知屬性信息，發出火災警報，而且能夠準確地定位出火源位置，為有效且安全地疏散人員和火災撲救等提供有用信息。所采用的具體方法是基于無線傳感器網絡，利用濃度傳感器測得的煙霧濃度，根據煙氣擴散模型，對火源點進行定位估計。當火災發生時，會產生大量的熱，煙霧，燃燒所釋放的熱氣上升，當煙霧到達房屋頂部時會形成煙氣羽流，羽流從火源點中心向四周擴散[2]。位于屋頂的傳感器節點會測得這些煙氣的濃度，根據濃度信息來進行早期的火災源點的定位估計，這樣就可以盡可能的提高滅火與救援的效率，減少財產損失和人員傷亡。實驗環境為在一個大空間倉庫的試驗場所內，將濃度傳感器平均分配于各處，對火災煙氣濃度信息進行測量，根據這些濃度信息，結合煙氣擴散模型采用一種最小二乘多邊定位方法來進行定位。在文獻[2]中所述的無線傳感器網絡氣體源定位中，驗證了最小二乘算法在定位性能上的優越性。文獻[3]中作者采用卡爾曼濾波方法估計氣體中心位置，但并沒有舉出具體的煙氣擴散模型。

很多情況下火災煙氣情況比較復雜，不可避免的會存在濃度噪聲偏大，位置方差較大，定位結果不平緩，出現誤差比較大的點等問題。這時我們就需要盡量減少這些誤差比較大的點的影響，因此我們首先對火源點進行多次定位，將多次定位的結果歸為一類數據，采用基于K-means聚類法的最近鄰密集區域選取算法[6]。提高了定位的精度，縮小了定位的范圍，能為定點消防提供更好的參考。最后對論文方法進行了仿真驗證。