數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)在電動(dòng)汽車(chē)火災(zāi)預(yù)防和調(diào)查中的應(yīng)用

程高平 熊高峰

（寧波市寧海縣消防救援大隊(duì)，浙江寧波 315600）

0.引言

隨著社會(huì)的發(fā)展，人類(lèi)發(fā)明了各式各樣的新能源汽車(chē)，數(shù)量與日俱增，并逐步替代傳統(tǒng)汽車(chē)。電動(dòng)汽車(chē)是新能源汽車(chē)的一種，社會(huì)保有量極速增長(zhǎng)。電動(dòng)汽車(chē)相對(duì)傳統(tǒng)汽車(chē)更加環(huán)保，但是發(fā)生故障導(dǎo)致火災(zāi)的風(fēng)險(xiǎn)仍然存在，特別是動(dòng)力電源故障導(dǎo)致火災(zāi)的事故頻發(fā)。因此研究電動(dòng)汽車(chē)火災(zāi)，分析查找火災(zāi)規(guī)律，建立完善預(yù)防措施十分必要。

1.電動(dòng)汽車(chē)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 電動(dòng)汽車(chē)的基本機(jī)構(gòu)

電動(dòng)汽車(chē)的結(jié)構(gòu)主要由電力驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)、汽車(chē)底盤(pán)、車(chē)身以及各種輔助裝置等部分組成。除了電力驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，其他部分的功能及其結(jié)構(gòu)組成基本與傳統(tǒng)汽車(chē)相同。核心部分為電力驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，電力驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)分為車(chē)載電源模塊、電力驅(qū)動(dòng)主模塊和輔助模塊三大部分。

車(chē)載電源模塊，是電動(dòng)汽車(chē)的能量來(lái)源，它除了供給汽車(chē)驅(qū)動(dòng)行駛所需的電能外，也是供應(yīng)汽車(chē)上各種輔助裝置的工作電源。車(chē)載電源的主要是蓄電池，主要的蓄電池種類(lèi)有，鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池、鈉硫電池、二次鋰電池，如今主流的電動(dòng)車(chē)基本上都是采用鋰電池。

電力驅(qū)動(dòng)主模塊主要由中央控制單元、驅(qū)動(dòng)控制器、專(zhuān)用電動(dòng)汽車(chē)電機(jī)、機(jī)械傳動(dòng)裝置等組成。輔助模塊與傳統(tǒng)燃油汽車(chē)基本相似，有輔助動(dòng)力源、動(dòng)力轉(zhuǎn)向、空調(diào)、導(dǎo)航、收音機(jī)、照明等。

1.2 電動(dòng)汽車(chē)的工作原理

電動(dòng)汽車(chē)的以蓄電池為能量來(lái)源，根據(jù)加速踏板、制動(dòng)踏板的輸入信號(hào)，汽車(chē)的中央控制器控制電源的電流輸出，向驅(qū)動(dòng)控制器發(fā)生相應(yīng)的控制指令，對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行起動(dòng)、加速、降速、制動(dòng)控制。驅(qū)動(dòng)控制器按中央控制單元的指令，控制電動(dòng)汽車(chē)電機(jī)的速度、電流反饋信號(hào)，對(duì)電動(dòng)機(jī)的速度、驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩及旋轉(zhuǎn)方向進(jìn)行控制。汽車(chē)電機(jī)根據(jù)驅(qū)動(dòng)控制器的控制指令和輸入的電流等，把電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，通過(guò)機(jī)械傳動(dòng)裝置，驅(qū)動(dòng)汽車(chē)運(yùn)行[1]。

2.電動(dòng)汽車(chē)火災(zāi)現(xiàn)狀分析

隨著電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)保有量的不斷增加，電動(dòng)汽車(chē)火災(zāi)事故也越來(lái)越多。2020年全年有媒體報(bào)道的電動(dòng)汽車(chē)火災(zāi)事故達(dá)124起，同比2019年事故起數(shù)上升近50%。電動(dòng)汽車(chē)消防安全問(wèn)題成為了當(dāng)前社會(huì)高度關(guān)注的問(wèn)題之一。

2.1 電動(dòng)汽車(chē)火災(zāi)的特點(diǎn)

（1）電動(dòng)汽車(chē)引發(fā)火災(zāi)因素多。電動(dòng)汽車(chē)較傳統(tǒng)動(dòng)力車(chē)輛引發(fā)火災(zāi)的因素更多，如動(dòng)力電池等產(chǎn)品缺陷產(chǎn)品缺陷，充電樁過(guò)充等異常情況，托底磕碰動(dòng)力電池?fù)p傷等。

（2）電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池火災(zāi)發(fā)展速度快。電動(dòng)汽車(chē)電池故障發(fā)生火災(zāi)，從冒煙到自燃時(shí)間短，從幾秒鐘到幾分鐘不等，擴(kuò)大蔓延速度非常快。

（3）電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池火災(zāi)撲救時(shí)間長(zhǎng)。電動(dòng)汽車(chē)火災(zāi)中動(dòng)力電池內(nèi)部反應(yīng)比較難中止，內(nèi)部反應(yīng)是在密閉空間中發(fā)生的，不需要氧氣的參與，撲救時(shí)冷卻降溫的水只能打到電池包的外部，撲救時(shí)往往需要破拆，對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行灌水操作，因此撲救難度大，火災(zāi)易復(fù)燃，撲救時(shí)間較長(zhǎng)。

（4）電動(dòng)汽車(chē)火災(zāi)痕跡破壞嚴(yán)重判斷困難。火災(zāi)撲救時(shí)間長(zhǎng)，撲救時(shí)部分需要破拆，對(duì)痕跡的破壞嚴(yán)重。另外，電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池往往布置于底盤(pán)部位，在使用過(guò)程中容易發(fā)生托底、磕碰等情形，但動(dòng)力電池的托底、磕碰對(duì)火災(zāi)的影響因素難以簡(jiǎn)單直接判斷，痕跡判斷困難。

2.2 電動(dòng)汽車(chē)火災(zāi)調(diào)查現(xiàn)狀

2016年，我國(guó)已發(fā)布（GB/T 32960-2016）《電動(dòng)汽車(chē)遠(yuǎn)程服務(wù)與管理系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》[2]，要求建立國(guó)家、政府、企業(yè)三級(jí)新能源汽車(chē)監(jiān)控平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車(chē)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集與傳輸。截至2020年底，新能源汽車(chē)監(jiān)控平臺(tái)累計(jì)接入新能源汽車(chē)超400萬(wàn)輛，基本實(shí)現(xiàn)了車(chē)輛全覆蓋。國(guó)內(nèi)電動(dòng)汽車(chē)火災(zāi)調(diào)查時(shí)，已開(kāi)始結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)勘驗(yàn)，探索新能源汽車(chē)監(jiān)控平臺(tái)數(shù)據(jù)的分析，并為現(xiàn)場(chǎng)勘驗(yàn)做好輔助判斷。

國(guó)外電動(dòng)汽車(chē)未建立統(tǒng)一的監(jiān)控平臺(tái)，沒(méi)有有效的數(shù)據(jù)支持電動(dòng)汽車(chē)火災(zāi)的分析，電動(dòng)汽車(chē)火災(zāi)的調(diào)查停留在現(xiàn)場(chǎng)痕跡分析和物證鑒定分析相結(jié)合的方式，相比較而言，國(guó)外電動(dòng)汽車(chē)火災(zāi)調(diào)查時(shí)間較長(zhǎng)。

2.3 電動(dòng)汽車(chē)后臺(tái)數(shù)據(jù)應(yīng)用存在的問(wèn)題

目前國(guó)內(nèi)電動(dòng)汽車(chē)后臺(tái)數(shù)據(jù)挖掘應(yīng)用仍在探索中，數(shù)據(jù)采集和應(yīng)用也面臨著一些技術(shù)難題，未實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)汽車(chē)火災(zāi)調(diào)查和預(yù)防的有效支撐。

（1）后臺(tái)數(shù)據(jù)采集不全。電動(dòng)汽車(chē)在行駛和充電過(guò)程中能夠?qū)崟r(shí)上傳數(shù)據(jù)到后臺(tái)，但是部分電動(dòng)汽車(chē)在處于休眠狀態(tài)下，數(shù)據(jù)無(wú)法實(shí)時(shí)上傳到后臺(tái)，后臺(tái)數(shù)據(jù)存在部分缺失，無(wú)法進(jìn)行有效分析。

（2）后臺(tái)數(shù)據(jù)分析難度大。電動(dòng)汽車(chē)后臺(tái)數(shù)據(jù)量大，數(shù)據(jù)分析主要還是依靠人工分析，對(duì)于調(diào)查人員專(zhuān)業(yè)要求也很高，既要懂電動(dòng)汽車(chē)數(shù)據(jù)傳輸要求、數(shù)據(jù)項(xiàng)關(guān)系等車(chē)輛開(kāi)發(fā)專(zhuān)業(yè)知識(shí)，又要懂火災(zāi)專(zhuān)業(yè)知識(shí)，后臺(tái)數(shù)據(jù)分析難度大。

（3）后臺(tái)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)規(guī)律不明顯。電動(dòng)汽車(chē)因充電樁異常過(guò)充、動(dòng)力電池碰撞擠壓等外部原因引發(fā)火災(zāi)，后臺(tái)數(shù)據(jù)表征不夠明顯，火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)痕跡特征與后臺(tái)數(shù)據(jù)規(guī)律對(duì)應(yīng)關(guān)系不清晰，無(wú)法有效指導(dǎo)火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)勘驗(yàn)。

3.電動(dòng)汽車(chē)后臺(tái)數(shù)據(jù)開(kāi)發(fā)應(yīng)用的對(duì)策

為了進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)電動(dòng)汽車(chē)后臺(tái)數(shù)據(jù)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用，有效指導(dǎo)電動(dòng)汽車(chē)火災(zāi)的預(yù)防和調(diào)查處理，主要對(duì)策如下：

3.1 完善后臺(tái)數(shù)據(jù)采集

加強(qiáng)電動(dòng)汽車(chē)“黑匣子”研發(fā)，對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的電源系統(tǒng)和電力驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集，研發(fā)電動(dòng)汽車(chē)休眠狀態(tài)下的關(guān)鍵部件電信號(hào)的采集，不斷完善采集的數(shù)據(jù)。

3.2 加強(qiáng)電動(dòng)汽車(chē)火災(zāi)發(fā)生機(jī)理研究

基于汽車(chē)火災(zāi)試驗(yàn)，采用加速量熱和紅外成像等測(cè)試技術(shù)，探索電動(dòng)汽車(chē)火災(zāi)過(guò)程中溫度、電壓、電流、產(chǎn)熱量和壓力等參數(shù)的變化規(guī)律，研究電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池內(nèi)部材料的物理、化學(xué)變化，研究?jī)?nèi)部機(jī)理與外部參數(shù)的關(guān)聯(lián)關(guān)系；在不同環(huán)境溫度，以不同濫用工況觸發(fā)機(jī)制對(duì)不同類(lèi)型動(dòng)力電池開(kāi)展火災(zāi)試驗(yàn)，研究不同因素對(duì)電動(dòng)汽車(chē)火災(zāi)內(nèi)部反應(yīng)機(jī)理和外部特征參數(shù)的影響機(jī)制。

3.3 加快電動(dòng)汽車(chē)火災(zāi)建模開(kāi)發(fā)

充分發(fā)揮消防救援部門(mén)和電動(dòng)汽車(chē)企業(yè)的專(zhuān)業(yè)技術(shù)特點(diǎn)，共同研究電動(dòng)汽車(chē)火災(zāi)建模，開(kāi)發(fā)后臺(tái)數(shù)據(jù)處理分析軟件。基于不同濫用行為、環(huán)境溫度以及車(chē)輛老化程度對(duì)電動(dòng)汽車(chē)火災(zāi)特性的影響，建立完整的電動(dòng)汽車(chē)的機(jī)—電—熱耦合火災(zāi)機(jī)理模型，針對(duì)電動(dòng)汽車(chē)火災(zāi)發(fā)展過(guò)程中存在的多影響因素耦合、拓展路徑及特性模糊的現(xiàn)象，構(gòu)建電動(dòng)汽車(chē)多域、多尺度火災(zāi)模型，面向大數(shù)據(jù)的應(yīng)用場(chǎng)景，基于電動(dòng)汽車(chē)熱失控前的電壓、電流、溫度等參數(shù)的異常波動(dòng)情況，分析不同參數(shù)間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，提取電動(dòng)汽車(chē)火災(zāi)前的特征參數(shù)。

3.4 研發(fā)典型痕跡分析判定軟件

基于大數(shù)據(jù)的電動(dòng)汽車(chē)火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)診斷信息，建立電動(dòng)汽車(chē)火災(zāi)痕跡數(shù)據(jù)庫(kù)，采取數(shù)理統(tǒng)計(jì)、機(jī)器學(xué)習(xí)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)獲深度學(xué)習(xí)等方法，形成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采集痕跡圖像的理解、判斷和預(yù)測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)，建立電動(dòng)汽車(chē)典型火災(zāi)痕跡分析判定方法和識(shí)別技術(shù)，開(kāi)發(fā)與電動(dòng)汽車(chē)后臺(tái)數(shù)據(jù)分析相配套的應(yīng)用軟件，科學(xué)有效的指導(dǎo)電動(dòng)汽車(chē)火災(zāi)調(diào)查。

4.結(jié)語(yǔ)

電動(dòng)汽車(chē)數(shù)量與日俱增，有效防范電動(dòng)汽車(chē)火災(zāi)，快速準(zhǔn)確的調(diào)查處理電動(dòng)汽車(chē)火災(zāi)意義十分重大，掌握電動(dòng)汽車(chē)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，加強(qiáng)電動(dòng)汽車(chē)火災(zāi)機(jī)理研究，完善電動(dòng)汽車(chē)后臺(tái)數(shù)據(jù)采集，開(kāi)發(fā)建立電動(dòng)汽車(chē)火災(zāi)數(shù)據(jù)模型、應(yīng)用軟件和典型火災(zāi)痕跡分析判定系統(tǒng)，結(jié)合應(yīng)用，深入挖掘電動(dòng)汽車(chē)后臺(tái)數(shù)據(jù)，厘清后臺(tái)數(shù)據(jù)和火災(zāi)痕跡的對(duì)應(yīng)關(guān)系，為電動(dòng)汽車(chē)火災(zāi)預(yù)防和調(diào)查處理提供有效的技術(shù)支持，建立電動(dòng)汽車(chē)的健康安全標(biāo)準(zhǔn)體系，改善電動(dòng)汽車(chē)消防安全環(huán)境。