消防車工況及裝備狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鐘 琳 陳 強(qiáng)

公安部上海消防研究所 上海 200438

一、引言

在我國城市化進(jìn)程加快，各種高層/超高層建筑、功能復(fù)雜的大型建筑、四通八達(dá)的地下空間場(chǎng)所、各類新型社會(huì)場(chǎng)所、各類化工園區(qū)不斷涌現(xiàn)的情況下，一旦發(fā)生火災(zāi)等災(zāi)害事故，如何提高應(yīng)急處置效率，降低人員財(cái)產(chǎn)損失，是我國應(yīng)急救援工作的一大難題。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全國消防部隊(duì)在用消防車輛裝備已達(dá)34682輛，消防車輛已經(jīng)成為我國應(yīng)急救援力量中救援處置的主要力量和裝備的載體。2013年至2016年，全國消防共出動(dòng)車輛分別為183.2、205.6、206.2、207.4萬輛次，消防車的出動(dòng)數(shù)量呈現(xiàn)逐年上升的趨勢(shì)。由此可見消防車輛是消防應(yīng)急救援快速、有效處置的關(guān)鍵因素，是確保全國消防處置工作順利開展的重要環(huán)節(jié)。

然而，目前消防車輛管理和應(yīng)用與日益增長的社會(huì)火災(zāi)安全隱患相比，無論是從手段、方法，還是從水平、成效來看，都存在一定的不足。主要體現(xiàn)在：一、車輛的狀態(tài)、上裝設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、攜帶裝備的配置狀態(tài)仍然存在不確定性，從而對(duì)災(zāi)情調(diào)度、現(xiàn)場(chǎng)指揮、物資保障的科學(xué)有效埋下隱患。二、車輛調(diào)度指揮不聯(lián)網(wǎng)、不協(xié)同、不整體，無法為科學(xué)指揮提供技術(shù)基礎(chǔ)。因此，亟待通過有效數(shù)字化手段，將車輛狀態(tài)、位置、工況、裝備等數(shù)據(jù)一一采集匯總，形成可用的數(shù)字化平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)消防車輛能力最大化。

隨著電子技術(shù)的蓬勃發(fā)展迅速推動(dòng)了各個(gè)行業(yè)的信息化、互聯(lián)化、數(shù)字化發(fā)展，數(shù)字化浪潮已經(jīng)逐漸顯現(xiàn)。近年來，電子技術(shù)、傳感技術(shù)和計(jì)算機(jī)等技術(shù)開始飛速發(fā)展，這些技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)應(yīng)用在了車輛的控制系統(tǒng)中。針對(duì)車輛參數(shù)方面研究，國內(nèi)外主要集中在卡爾曼濾波的多信息融合參數(shù)進(jìn)行估計(jì)車輛參數(shù)估計(jì)；針對(duì)狀態(tài)監(jiān)控方面，主要集中在基于CAN總線的車輛狀態(tài)監(jiān)控、基于PLC的車輛狀態(tài)監(jiān)控；沈陽消防研究所研發(fā)了對(duì)車載水泵壓力、流量進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)讀取的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。因此目前還未有針對(duì)消防車輛底盤、上裝裝備、攜帶裝備等整體的工況及狀態(tài)監(jiān)控技術(shù)手段。

二、系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

針對(duì)現(xiàn)有消防車管理的不足，本文將針對(duì)典型消防車輛的運(yùn)行狀態(tài)、典型上裝裝備、典型配置的裝備等詳細(xì)參數(shù)、狀態(tài)、工況情況，利用物聯(lián)網(wǎng)、傳感器、異構(gòu)通信協(xié)議解析等關(guān)鍵技術(shù)，解決消防車輛底盤系統(tǒng)、水泵系統(tǒng)、罐體系統(tǒng)、隨車配置的裝備種類數(shù)量狀態(tài)不清、數(shù)量不定、工況不明的問題，研制典型消防車輛工況及裝備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，有效確保消防車輛隨時(shí)處于良好執(zhí)勤戰(zhàn)備狀態(tài)，為執(zhí)勤備戰(zhàn)工作打下堅(jiān)實(shí)的保障基礎(chǔ)，確保部隊(duì)隨時(shí)拉得出、打得贏。

（一）物聯(lián)網(wǎng)及通信解析技術(shù)

1.物聯(lián)網(wǎng)物品管理技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是指通過條碼、射頻識(shí)別、傳感器等各種信息傳感設(shè)備，實(shí)時(shí)采集任何需要監(jiān)控、連接、互動(dòng)的物體或過程等各種需要的信息，并與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合形成的一個(gè)巨大網(wǎng)絡(luò)。其目的是實(shí)現(xiàn)物與物、物與人，所有的物品與網(wǎng)絡(luò)的連接，方便識(shí)別、管理和控制。物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)一般可分為三個(gè)層次：一是傳感網(wǎng)絡(luò)，即以RFID、傳感器、二維碼等為主，實(shí)現(xiàn)“物”的識(shí)別；二是傳輸網(wǎng)絡(luò)，即通過現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)（互聯(lián)網(wǎng)、廣電網(wǎng)、通信網(wǎng)等），實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸；三是應(yīng)用網(wǎng)絡(luò),即輸入輸出控制終端，實(shí)現(xiàn)人與物、人與人之間的信息進(jìn)行交互。

（二）CAN車輛總線控制技術(shù)

消防車底盤CAN總線技術(shù)是一種綜合計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制、通信、顯示、轉(zhuǎn)換技術(shù)的集成數(shù)字技術(shù)。CAN總線結(jié)構(gòu)是全開放、全數(shù)字、分布式控制和實(shí)時(shí)控制的雙向串行通信的拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)，通常以CIA國際標(biāo)準(zhǔn)CANOEN和J1939協(xié)議為框架，實(shí)現(xiàn)底盤裝備、儀器儀表、智能操作與控制的微型計(jì)算機(jī)控制；同時(shí)運(yùn)用友好的人機(jī)界面使整機(jī)的操作、信息的顯示、數(shù)據(jù)的采集、分析、處理、記錄和控制穩(wěn)定、簡(jiǎn)便、直觀、快速、安全的運(yùn)行。

（三）實(shí)現(xiàn)功能

1.車輛底盤總線協(xié)議讀取。主要針對(duì)消防車車輛底盤總線系統(tǒng)，利用異構(gòu)協(xié)議解析技術(shù)形成通用型協(xié)議讀取裝置。實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛工作狀態(tài)，如發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、剩余油量、實(shí)際運(yùn)行時(shí)間等的數(shù)字化采集，并以此類數(shù)據(jù)為基數(shù)，在長時(shí)間、高壓力處置大型災(zāi)害時(shí)，精確提供車輛快速調(diào)動(dòng)、救援輔助無縫銜接、現(xiàn)場(chǎng)多種類消防車輛協(xié)同作戰(zhàn)等現(xiàn)實(shí)迫切需要的技術(shù)支撐。

2.消防車輛上裝設(shè)備實(shí)時(shí)感知。主要針對(duì)泡沫消防車車載上裝設(shè)備（如水泵、水箱、比例混合器），對(duì)壓力、流量、液位等狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。在現(xiàn)場(chǎng)救援時(shí)，可動(dòng)態(tài)、量化、實(shí)時(shí)的顯示泡沫剩余使用時(shí)間、水源使用時(shí)間、救援工作時(shí)長等信息，提高現(xiàn)場(chǎng)救援效率。

3.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的消防車載裝備實(shí)時(shí)管理。針對(duì)消防車輛車載工具包、氣瓶、水炮等各類裝備，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，形成適用于屏蔽環(huán)境下的實(shí)時(shí)清點(diǎn)系統(tǒng)，能夠快速清點(diǎn)隨車裝備數(shù)量和種類。在日常管理維保過程中，數(shù)字化、非人力清點(diǎn)的車輛裝備管理。

4.消防車工況及裝備狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)平臺(tái)。實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸，將車輛信息迅速采集、匯總、儲(chǔ)存，為數(shù)字化、科學(xué)化、精確化調(diào)度提供技術(shù)支撐。

圖1 消防車工況及裝備狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框架

三、系統(tǒng)原理及硬件設(shè)計(jì)

（一）系統(tǒng)構(gòu)架

消防車工況及裝備狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)、嵌入式系統(tǒng)、電子傳感器和網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)，將消防車輛（如轉(zhuǎn)速、油量等）、各種車載設(shè)備（如比例混合器、水泵系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、水炮控制、通信系統(tǒng)、液壓泵控制系統(tǒng)等），通過車輛內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)與無線通信網(wǎng)絡(luò)連接到一起。一方面，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可通過管理平臺(tái)對(duì)車輛狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。另一方面，檢測(cè)系統(tǒng)內(nèi)的各種設(shè)備相互間可以通訊，車內(nèi)安置的監(jiān)控主機(jī)不需要用戶指揮也能根據(jù)預(yù)先設(shè)定好的工作模式使各終端設(shè)備在不同的狀態(tài)下互動(dòng)運(yùn)行。值得注意的是本系統(tǒng)為保證車輛安全，對(duì)于車載總線采用單向讀取模式，避免數(shù)據(jù)騷擾對(duì)車輛安全產(chǎn)生影響。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

車載監(jiān)控終端安裝在車輛上，通過標(biāo)準(zhǔn)OBD接口模塊來獲取車輛實(shí)時(shí)的油量數(shù)據(jù)、轉(zhuǎn)速等車輛狀態(tài)的數(shù)據(jù)流信息；通過壓力、液位、流量等可傳輸控制的傳感器，對(duì)車輛水罐、水泵、主管道等進(jìn)行實(shí)時(shí)采集；通過RFID嵌入車載裝備，對(duì)車載裝備數(shù)量、種類進(jìn)行監(jiān)測(cè)；主控模塊在完成各項(xiàng)信息數(shù)據(jù)的采集與處理后，按照預(yù)設(shè)的通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換、打包，最后驅(qū)動(dòng)無線通信模塊以TCP/IP協(xié)議將已處理打包好的數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)控平臺(tái)。

由于系統(tǒng)用于車輛監(jiān)控管理領(lǐng)域，對(duì)數(shù)據(jù)的采集與處理要求實(shí)時(shí)性，因此芯片處理能力需要較強(qiáng)能力，同時(shí)能夠需要完成多個(gè)任務(wù)，包括數(shù)據(jù)采集、處理、發(fā)送等。系統(tǒng)選用STM32作為主控制器芯片。STM32是基于Cortex-M3處理器內(nèi)核芯片，具有使用靈活，功耗低、處理能力強(qiáng)等特點(diǎn)；系統(tǒng)選用DCAN103COBD模塊作為OBD-II轉(zhuǎn)譯芯片，該模塊支持常用ISO-9141等協(xié)議，能夠和大部分汽車的ECU進(jìn)行診斷通訊。具有高集成、低功耗的電路設(shè)計(jì)、簡(jiǎn)單易用、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。芯片通過標(biāo)準(zhǔn)OBD接口與汽車ECU相連接，通過發(fā)送相關(guān)數(shù)據(jù)請(qǐng)求命令，便能得到相關(guān)的應(yīng)答參數(shù)。此外，模塊還支持汽車故障診斷、DTC診斷請(qǐng)求、故障碼輸出、故障碼清除等功能。

（二）系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)

I線以上為遠(yuǎn)程控制單元；I線和II線之間為車輛控制部分；II線以下為分散控制單元。系統(tǒng)通過車輛總線及網(wǎng)絡(luò)對(duì)車內(nèi)各個(gè)設(shè)備進(jìn)行控制和數(shù)據(jù)采集。系統(tǒng)邏輯分成多個(gè)部分，每個(gè)部分都包含一個(gè)或多個(gè)設(shè)備，各個(gè)設(shè)備將采樣到的相關(guān)信息及自身狀態(tài)通過總線與網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給車載監(jiān)控終端，車載監(jiān)控終端根據(jù)這些信息及控制策略來決定下次的動(dòng)作，其命令通過總線與網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到各個(gè)設(shè)備單元，實(shí)現(xiàn)控制。車載監(jiān)控終端通過太網(wǎng)接口，可以和Internet、本地計(jì)算機(jī)及遠(yuǎn)端設(shè)備進(jìn)行通訊，從而實(shí)現(xiàn)分散、集中和遠(yuǎn)程控制。各接口控制器實(shí)際是一個(gè)局部控制器，可以放置在消防車輛內(nèi)部各部位，可提供快速的接入，其功能根據(jù)放置的地點(diǎn)不同而不同，尤其在系統(tǒng)遇到故障時(shí)，仍可完成單節(jié)點(diǎn)的控制。

四、小結(jié)

現(xiàn)有消防車輛管理手段仍以人力手段為主，依賴消防官兵對(duì)車輛日常進(jìn)行維護(hù)、保養(yǎng)和管理，缺乏信息化技術(shù)支撐。日常維護(hù)僅能針對(duì)已暴露的故障進(jìn)行送修；車載裝備工況無法掌握；車載裝備交接存在漏洞。這些問題已經(jīng)逐漸影響到消防快速處置。而物聯(lián)網(wǎng)、傳感器等技術(shù)作為繼互聯(lián)網(wǎng)之后又一項(xiàng)新興信息技術(shù)，在消防領(lǐng)域的研究剛剛起步。因此，如何利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)提高消防裝備信息化水平，提高消防裝備效能，提升消防部隊(duì)?wèi)?zhàn)斗力，需要開展深入研究和探索。

本文從消防車輛監(jiān)控和管理的實(shí)際需求出發(fā)，提出了基于傳感器技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控及基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)備管理的研究思路，開發(fā)消防車輛監(jiān)控和管理實(shí)用硬件產(chǎn)品和軟件，實(shí)現(xiàn)消防車輛狀態(tài)、上裝設(shè)備工況、車載設(shè)備數(shù)量的實(shí)時(shí)感知。研究成果將有力促進(jìn)與提高消防車輛可靠性等級(jí)，從而增強(qiáng)消防部隊(duì)滅火救援處置和調(diào)度能力，最終使得傳感器、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)能真正應(yīng)用到消防實(shí)際工作中去。