舒暢

（武昌工學(xué)院，湖北 武漢430065）

濾毒通風(fēng)系統(tǒng)主要應(yīng)用于密閉環(huán)境下特種車輛、帳篷、艦艇、飛機、醫(yī)療方艙中的一種空氣凈化防護裝置。它的作用是把外界空氣中的毒劑、生物戰(zhàn)劑、放射性灰塵濾凈后，送入密閉艙室，供人員呼吸，并使內(nèi)部形成超壓，阻止受污染空氣滲入，以保護艙內(nèi)人員呼吸安全。現(xiàn)有的濾毒通風(fēng)系統(tǒng)裝置在工作過程中，基本處于風(fēng)機恒速運轉(zhuǎn)，致使風(fēng)機噪音大，濾芯過濾材料單一，系統(tǒng)沒有利用傳感設(shè)備采集室內(nèi)空氣指標、室外受染空氣各項指標的功能，也沒有智能顯示室內(nèi)、室外空氣中主要成分指標數(shù)據(jù)的功能。針對上述問題，本文自調(diào)型濾毒通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計目標是：采用傳感器采集室內(nèi)外空氣中主要成分指標，實時顯示在終端設(shè)備顯示屏上，同時通過特定算法分析，提示用戶實時更換濾芯過濾材料，自動調(diào)節(jié)風(fēng)機轉(zhuǎn)速，降低噪聲，提高濾毒通風(fēng)系統(tǒng)的工作效率。

國內(nèi)有不少成功的研究成果，比如軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院[1]、國營785 廠[5-6]均在此領(lǐng)域做過很多研究，其產(chǎn)品在各種復(fù)雜環(huán)境下應(yīng)用，尤其在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用。

國外也十分重視濾毒通風(fēng)系統(tǒng)裝置的研究與發(fā)展，相繼研發(fā)了系列濾毒通風(fēng)裝置?？晒┎煌笮『腿藬?shù)的集體防護裝備使用。如American Safe Room 公司的ASR-48 安全單元、ASR-Automotive -100N 安全單元以及Union Industries 公司的FA 150 NS 型醫(yī)用通風(fēng)過濾系統(tǒng)，F(xiàn)AH 1600/600 集體核生化空氣過濾系統(tǒng)等。該類裝置常用于裝備車輛和方艙系統(tǒng)，其濾毒方式、過濾吸收器的選用、離心風(fēng)機的配置和整體組合方式等結(jié)構(gòu)特點均有所不同，須根據(jù)裝備的實際需要進行適當搭配。

1 工作原理

自調(diào)型濾毒通風(fēng)系統(tǒng)由濾毒器、預(yù)濾器、濾塵器、離心式通風(fēng)機、密閉閥門、通風(fēng)管道、傳感器、處理器、存儲器和顯示屏等組成。

自調(diào)型濾毒通風(fēng)系統(tǒng)中濾毒器內(nèi)有濾煙層和吸著劑層。濾煙層用含有藍石棉的過濾紙或超細玻璃纖維紙制成，憑借截留、擴散及慣性沉降等原理，濾除懸浮于空氣中的有害微粒，過濾效率一般要大于99.999%。阻留于濾煙層上的有毒物質(zhì)，可能蒸發(fā)或升華成蒸氣重新污染空氣，為此把吸著劑層設(shè)置在濾煙層的后面。吸著劑層裝填浸漬銅、鉻、銀化合物的活性炭，依靠活性炭的物理吸附和浸漬劑的化學(xué)吸著作用，濾除各種毒劑的蒸氣。吸著劑層受潮后將降低甚至喪失吸著能力，因此濾毒器必須防止受潮。預(yù)濾器用以延長濾毒器的使用期限，過濾材料及作用原理與濾煙層相同，其容塵量較大，并能承受一定的沖擊波余壓，但過濾效率較低（約95%）。

濾塵器（車輛用旋風(fēng)分離器），是低效粒子過濾器，用以濾除空氣流中的大氣塵埃。離心式通風(fēng)機設(shè)置在濾毒器后面，以防止自身污染，并使濾毒通風(fēng)裝置在負壓下工作，受染空氣不致外泄。密閉閥門用于構(gòu)成不同通風(fēng)方式，防止受染空氣經(jīng)通風(fēng)管道滲入。傳感器采集室內(nèi)、室外空氣中的成分指標，將這些指標送給處理器，處理器按照算法分析計算空氣質(zhì)量，控制離心式通風(fēng)機的轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)工作模式。存儲器保存程序和采集的數(shù)據(jù)，記錄工作過程。顯示屏實時顯示當前狀況，提示和報警，告知操作人員。系統(tǒng)平時用清潔式通風(fēng)，即空氣經(jīng)油網(wǎng)濾塵器由管道進入密閉艙室。在核、化學(xué)、生物武器襲擊時，報警控制系統(tǒng)可立即停止清潔式通風(fēng)，使防護區(qū)域與外界隔絕，或轉(zhuǎn)入過濾式通風(fēng)。

自調(diào)型濾毒通風(fēng)系統(tǒng)的研究意思在于受空氣污染的環(huán)境下，給工作于特種密閉空間內(nèi)的人員提供安全、清潔的呼吸空氣，一般配置于車載方艙等場合。當空氣遭受污染時，該系統(tǒng)可以通過自動或手動方式啟動，將艙外受污染的空氣凈化，然后輸送至方艙內(nèi)，自動控制風(fēng)機轉(zhuǎn)速，自動調(diào)節(jié)通風(fēng)量，在艙內(nèi)保持恒定的超壓，可以實時顯示空氣指標數(shù)據(jù)。

自調(diào)型濾毒通風(fēng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示，包含離心式風(fēng)機系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸連接線、數(shù)據(jù)處理與顯示系統(tǒng)等。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

離心式風(fēng)機系統(tǒng)包括風(fēng)機系統(tǒng)和調(diào)節(jié)系統(tǒng)，數(shù)據(jù)處理與顯示系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)等。

利用傳感器采集室內(nèi)、室外空氣指標數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)分析系統(tǒng)，按照算法完成計算，送顯示系統(tǒng)顯示，同時反饋到可調(diào)風(fēng)機系統(tǒng)調(diào)節(jié)風(fēng)機轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)換風(fēng)機工作模式。

該系統(tǒng)需要解決的關(guān)鍵問題：

（1）選擇何種傳感器采集室內(nèi)、室外空氣中的各項指標，采集哪些指標？

（2）算法的設(shè)計，數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的設(shè)計，顯示界面的設(shè)計。

（3）分析后數(shù)據(jù)如何控制離心式風(fēng)機做出自動調(diào)節(jié)，以及濾毒劑更換的提示報警信息如何在用戶界面顯示？

2 系統(tǒng)設(shè)計

自調(diào)型濾毒通風(fēng)系統(tǒng)主要通過傳感器采集密閉環(huán)境條件下的室內(nèi)、室外空氣各成分含量指標，通過算法計算。一方面在顯示屏上顯示環(huán)境參數(shù)值，另一方面反饋信息到風(fēng)機系統(tǒng)，以調(diào)節(jié)風(fēng)機系統(tǒng)。系統(tǒng)硬件設(shè)備搭建結(jié)構(gòu)，主要有濾毒器、預(yù)濾器、濾塵器、離心式通風(fēng)機、密閉閥門、通風(fēng)管道、傳感器、處理器、存儲器和顯示屏等，軟件使用高級程序設(shè)計進行開發(fā)，按照采集傳感器傳輸來的數(shù)據(jù)，算法分析計算，顯示和反饋數(shù)據(jù)到風(fēng)機系統(tǒng)，控制風(fēng)機系統(tǒng)運行。

2.1 研究方法

本系統(tǒng)采用“硬件平臺+功能構(gòu)件”的設(shè)計思想，以柔性開發(fā)平臺為基礎(chǔ)，定制開發(fā)功能構(gòu)件來靈活組建系統(tǒng)[2]。

整個系統(tǒng)采用開放式設(shè)備連接結(jié)構(gòu)，遵照規(guī)范標準化接口，吸取借鑒現(xiàn)有商業(yè)成品系統(tǒng)，來滿足功能擴展的原型迭代、靈活集成，軟件部分功能使用腳本化進行開發(fā)，提升系統(tǒng)穩(wěn)定性的同時降低維護工作量。

采用開放式設(shè)備連接結(jié)構(gòu)，使本系統(tǒng)具有可移植、可擴展、可互操作、可剪裁等特點，提高系統(tǒng)的可集成性和集成效率。

遵照規(guī)范標準化接口，進行標準化設(shè)計，方便功能擴充和第三方研制軟件的接入。

吸取借鑒現(xiàn)有商業(yè)成品系統(tǒng)，充分發(fā)揮功能擴展的原型迭代，提高系統(tǒng)研制的效率，利用商用的先進技術(shù)提升本系統(tǒng)的穩(wěn)定性和先進性。

2.2 技術(shù)路線

（1）傳感器的選擇

選擇壓力傳感器、溫濕度傳感器、煙霧傳感器、聲光報警傳感器等采集室內(nèi)、室外空氣中的各項指標，采集溫度、濕度、氧氣含量、CO2等含量、有毒有害氣體含量等指標。

（2）過濾吸收劑的選擇

根據(jù)使用環(huán)境條件的不同，備選多款過濾吸收劑，可以選擇市場上較成熟的吸收劑，做到更換方便、快捷。

（3）離心空壓機的選用

通常選用噪音較小且不需要消耗過多資源的空壓機，在實際應(yīng)用過程中主要是為了實現(xiàn)對空氣的流通送壓和加工處理。

（4）過濾器的選用

通常濾毒通風(fēng)系統(tǒng)的過濾器數(shù)量有四個，主要有一個氣水分離器和三個顆粒過濾器。在實際應(yīng)用過程中，不同等級的過濾器具有不同的過濾效果。

（5）密閉閥門的選用

通常選用氣密性較好的電磁閥和手動球閥，閥門的閥體一般采用不銹鋼材質(zhì)，保證閥門在使用過程中防爆性能的最大化發(fā)揮。

趙安周等將不同于日?？土魈卣鞯奶厥鈺r段旅游流現(xiàn)象定義為旅游流的“井噴現(xiàn)象”[7],從圖3可見，淮海經(jīng)濟區(qū)5A級景區(qū)網(wǎng)絡(luò)關(guān)注度井噴現(xiàn)象非常明顯．

（6）算法的設(shè)計

設(shè)計數(shù)據(jù)分析算法，開發(fā)分析程序，設(shè)計顯示界面。算法采用模糊控制理論，無論是經(jīng)典控制原理還是現(xiàn)代控制理論，有一個基本的共同點就是控制器的設(shè)計是建立在被控對象具有精確數(shù)字模型的基礎(chǔ)之上，但濾毒通風(fēng)系統(tǒng)需要考慮的空氣指標因素復(fù)雜，無法精確確定控制函數(shù)，為此本系統(tǒng)還需要運用模糊控制理論來建立算法。不依賴建立精確的數(shù)學(xué)模型，這樣易于進行控制；模糊控制器是一種非線性控制器，是一種語言控制器；模糊控制的抗干擾性能好，響應(yīng)速度快，對參數(shù)的變化有較強的魯棒性[3-4]。

常見的AQI（空氣質(zhì)量指數(shù)）算法一般根據(jù)采集的空氣中主要污染物，如細顆粒物（PM2.5）、可吸入顆粒物（PM10）、二氧化碳（SO2）、二氧化氮（NO2）、臭氧（O3）、一氧化碳（SO）等，分別計算空氣質(zhì)量分指數(shù)（IAQI）：

IAQIP=（IAQIHI-IAQILO）/（BPHI-BPLO）*（CP-BPLO）+IAQILO

式中：IAQIP為污染物項目P 的空氣質(zhì)量分指數(shù)；

CP為污染物項目P 的質(zhì)量濃度值；

IAQIHI和IAQILO為污染物項目P 的質(zhì)量濃度高位值和低位值的對應(yīng)的空氣質(zhì)量分指數(shù)。

特例：探測到空氣中的生化物指標時，立即報警。

（7）數(shù)據(jù)的采集和傳輸

通過各種傳感器采取艙內(nèi)空氣中各項指標，分析后數(shù)據(jù)將由有線途徑發(fā)送回離心式風(fēng)機控制模塊，控制模塊做出自動調(diào)節(jié)風(fēng)機的動作。用戶可以根據(jù)報警信息定時更換濾毒劑。

（8）系統(tǒng)是開放性設(shè)計

可以根據(jù)應(yīng)用環(huán)境的不同擴展功能，實現(xiàn)達到一次設(shè)計多種應(yīng)用的效果，讓開發(fā)人員只關(guān)心頂層設(shè)計和模型算法實現(xiàn)，而不具體關(guān)心應(yīng)用環(huán)境的細節(jié)。

3 結(jié)論

傳統(tǒng)的濾毒通風(fēng)系統(tǒng)一個共同點是建立在一個恒定的風(fēng)機運行系統(tǒng)，無采集環(huán)境數(shù)據(jù)、分析環(huán)境數(shù)據(jù)、反饋控制系統(tǒng)和顯示報警系統(tǒng)。而本文的研究是建立在改進原有濾毒通風(fēng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)之上，采用傳感器采集數(shù)據(jù)，計算機通過數(shù)據(jù)處理和分析、顯示、反饋、調(diào)節(jié)風(fēng)機系統(tǒng)，效率和智能性上有很大的改進。

由于濾毒通風(fēng)系統(tǒng)使用場合和環(huán)境的局限性，還需要在特定情形下測試和調(diào)試系統(tǒng)，以達到自調(diào)的目的，未來將與相關(guān)廠家和兵器工業(yè)部研究所達成合作試驗，研制的樣機在特定兵器裝備上試用，測試系統(tǒng)的功能參數(shù)和性能指標，以改進性能和進行深入研究。