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          綜述火災自動報警系統應用的現狀及發展方向


          一、 火災報警系統概述

          1.火災報警系統構成

          火在人類生活中是不可缺少的,但火災也給人類帶來了巨大的災難。特別是自本世紀80年代開始,隨著電子產品在人類生活中的使用越來越廣泛,由此引起的火災也越來越多,在我們生活的四周到處潛伏著火災隱患。為了避免火災以及減少火災造成的損失,一方面要減少引起火災的因素;另一方面要在發生火災時,及時報警,并采取有效措施控制火情的發展,將火災消滅在萌芽狀態,確保人身安全,最大限度地減少社會財富的損失。

          火災報警系統一般由探測器、現場報警單元、聯動單元和火災報警控制器組成。報警控制器通過現場的探測器、手動報警按鈕、輸入模塊等采集現場的火警信號,發出報警信號,同時報警控制器根據需要通過控制模塊自動或手動發出控制信號,進行現場報警(火災顯示盤等)和現場滅火(噴淋泵、消防泵等)。

          傳統的火災報警系統一般為多線制,每個報警單元都需要一根探測線,工程布線非常復雜,已經遠遠不能滿足現今智能建筑及時、準確的滅火和簡便的施工要求,在最近十多年內,出現了兩總線制分布式智能化火災報警系統。在兩種線上既有電源信號,也有數據信號。這種總線方式已完全替代了多線制總線。

          2.火災報警探測器種類

          1)感溫式火災探測器

          發生火災時物質的燃燒產生大量的熱量,使周圍溫度發生變化。感溫式火災探測器是對警戒范圍中某一點或某一線路周圍溫度變化時響應的火災探測器。它把溫度的變化轉換為電信號以達到報警目的。根據監測溫度參數的不同,一般用于工業和民用建筑中的感溫式火災探測器有定溫式、差溫式、差定溫式等幾種。

          2)感煙式火災探測器

          火災的起火過程一般都伴有煙、熱、光三種燃燒產物。在火災初期,由于溫度較低,物質多處于陰燃階段,所以產生大量煙霧。煙霧是早期火災的重要特征之一,感煙式火災探測器能對可見的或不可見的煙霧粒子響應。它把探測部位煙霧濃度的變化轉換為電信號以實現報警。感煙式火災探測器有離子感煙式、光電感煙式、激光感煙式等幾種感煙方式。

          火災的起火過程一般都伴有煙、熱、光三種燃燒產物。在火災初期,由于溫度較低,物質多處于陰燃階段,所以產生大量煙霧。煙霧是早期火災的重要特征之一,感煙式火災探測器能對可見的或不可見的煙霧粒子響應。它把探測部位煙霧濃度的變化轉換為電信號以實現報警。感煙式火災探測器有離子感煙式、光電感煙式、激光感煙式等幾種感煙方式[1-2,4]。離子感煙式探測器對黑煙反應比較靈敏,但由于含有放射性物質,這幾年應用很少。光電感煙探測器是利用起火時產生的煙霧能夠改變光的傳播特性這一基本性質而研制的。根據煙粒子對光線的吸收和散射作用。光電感煙探測器又分為遮光型和散光型兩種。

          3)感光式火災探測器

          物質燃燒時,在產生煙霧和放出熱量的同時,也產生可見或不可見的光輻射。感光式火災探測器又稱火焰探測器,它是用于響應火災的光特性。即擴散火焰燃燒的光照強度和火焰的閃爍頻率的一種火災探測器。根據火焰的光特性,目前使用的火焰探測器有兩種:一種是對波長較短的光輻射敏感的紫外探測器,另一種是對波長較長的光輻射敏感的紅外探測器。

          4)可燃氣體探測器

          可燃氣體探測器是對單一或多種可燃氣體濃度響應的探測器??扇細怏w探測器有催化型和半導體型兩種類型。

          5)復合式火災探測器

          復合式火災探測器是對兩種或兩種以上火災參數響應的探測器,它有感煙感溫式、感煙感光式,感溫感光式等幾種型式。

          二、新型探測技術

          隨著現代科學技術的發展,火災探測技術有了突飛猛進的發展。出現了下列新的探測方式。

          1.圖像探測方式

          圖像攝像方式火災探測報警系統主要由圖像采集系統以及分析軟件組成。采集系統與普通的圖像處理系統相似,也就是攝像頭經采集卡輸入計算機中監視圖像,由計算機完成圖像的預處理,存儲、特征提取、結果判定和控制輸出。當然,其中的一部分也可通過特定硬件實現。但其探測部分一般采用彩色攝像頭和紅外攝像頭組成,這是因為明火火災的紅外特征較為突出,易于同環境變化區別開來。軟件系統是整個系統的核心,現場的圖像信號周期地由攝像頭輸入微型計算機,這部分是通用的技術,產品比較成熟,但編制軟件時,要建立在對火災圖像特征的研究基礎上,根據所應用的場所特點及環境情況確定火災的特征參數,比如火災發生時,圖像色彩及灰度變化,圖像中特定物體或現象邊緣變化、紅外圖像變化等,這就要求軟件編制過程中,應用數字圖像處理、模式識別的理論,對圖像進行處理并判定是否有火災發生,系統還應有自學習、自適應功能,比如對一個特定環境、起火原因的有針對性的調整特征量,調整判據;對于變化的環境的自適應調整參數,比如監視區域內環境光電變化活動物體的判定等。

          圖像攝像方式火災探測報警系統還要解決陰燃火報警問題和抗干擾問題,對于明火其圖像特征較為突出,但陰燃火圖像只是圖像灰度有所變化,較難準確早期報警。

          圖像攝像方式火災探測報警系統是當今科技發展的前沿,有廣闊的發展前景,其智能化要求較高,較為適用于公共場所,比如賓館大廳、走廊、商場、影劇院等較大空間,現有階段適用于發生火災時易于產生明火的場所。

          圖像攝像方式火災探測報警系統將隨計算機技術的發展而發展,在解決陰燃火報警、降低造價,提高可靠性問題方面有突破情況下,將得到廣泛應用,提升火災探測報警智能化。

          2.高靈敏度吸氣式感煙探測器

          高靈敏度吸氣式感煙探測器是主動式的探測器系統。內置的抽氣裝置在管網中形成了一個穩定的氣流,通過所鋪設的管路不斷地從被保護區域抽取空氣樣品并送到探測器室進行檢測。所采集到的空氣樣品經過過濾網來濾除空氣樣品中的灰塵或其他顆粒,以防止他們對測量結果產生干擾。在測量室內安裝有一個靜謐的激光發射裝置及一個特殊反射鏡,激光器發射出平行的激光光束,照射到空氣樣本上,如樣本中有煙粒子存在,光束將產生前向散射,散射光線經凹面反光鏡射入高靈敏度激光接收儀,所產生的電子信號經過處理計算,并根據測得散射光信號脈沖數,測量出空氣樣本中的煙粒子量。測得的信號,經“人工神經網絡”微處理器處理后,與預先設定的報警閾值比較,如果達到警報級別則發出火警預報。其他雜亂光線透過中心光欄后由平面反光鏡反射出測量室。系統的主要特點:

          1)靈敏度高,探測范圍寬

          采用先進的激光探測技術,靈敏度范圍在0.004%obs/m~20%obs/m連續可調,一般該產品比傳統煙霧探測器靈敏度高幾百倍到上千倍。

          2)主動連續采樣,應用范圍廣闊

          傳統煙感探頭為被動型,安裝位置受到限制,必須安裝到吊頂下或煙霧易聚集之處,才能正常發揮作用。該系統采用了高效抽氣機,經由采樣管網連續不斷地抽取空氣樣本進行監測。

          3)抗干擾能力強

          傳統的感煙探測器是將現場的煙霧信號采集后轉換為電信號再傳至報警主機,采用這種方式的探測器容易受到現場環境的干擾以及周圍電磁信號的干擾,容易漏報誤報。而該探測器是將空氣樣品直接傳輸至主機檢測,避免了外界環境的干擾和電磁信號的干擾。

          4)具有灰塵自動識別功能

          利用激光識別技術,區分灰塵與煙霧顆粒,防止誤報。

          5)報警部位不精確

          當一路采集管報警后,不能識別在空氣采集管的何處發生報警,只能知道采樣管通過的區域發生了報警。而傳統感煙探測器則每個探測器都有編碼,能識別發生火警的部位。

          3.分布式光纖感溫探測報警系統

          分布式光纖感溫探測報警系統利用激光光纖拉曼散射效應和光時域反射OTDR原理實現連續空間溫度場的溫度測量與位置確定??刂破飨蛱綔y器注入高能窄激光脈沖,該激光脈沖在光線中傳輸時,除與傳輸介質相互作用,產生與激發光波長相同的瑞利散射光,還與介質分子發生非線性拉曼散射,產生與激發光波長不同的拉曼散射光。探測器不同位置上的背向散射回波,在不同時刻返回激光注入端。根據激光注入光線與背向拉曼光返回系統的時間差和光纖介質中光傳輸的速度的乘積之半等于散射區域注入端的光通道長度的關系,即OTDR原理,可以確定某時刻的拉曼光回波信號所對應的散射區位置。

          光纖測溫系統有如下性能特點:

          1)探測器的本質安全特性

          探測器的溫度傳感和信號傳輸均在一根光纖內以光信號形式實現,探測器不帶電,具有本質安全特性,無需任何處理即可方便應用在諸如儲油罐、儲氣罐、易燃易爆危險品倉庫、化工生產車間等嚴格防爆場所;探測器信號不受電磁輻射、各種射線的干擾,可以安全穩定地應用在諸如雷達站、微波通訊站、變電所、電廠、核電站等嚴重電磁污染或放射性污染的場所和設備的安全保護。

          2)長距離、高密度、可定位多點溫度探測報警。

          分布式光纖感溫探測報警系統可在數公里長的探測器上進行高密度多點溫度探測,并能精確確定探測點位置。

          3)有效的感溫探測報警特性

          分布式光纖感溫探測報警系統是模擬量感溫探測報警系統,具備模擬量系統過程可見的優點。系統能夠對探測器所分布空間的溫度場變化進行動態實時監測,指示位置和溫度值。

          4)可復位特性和靈活的工程應用

          探測器具有火災報警后可復位的特性。當探測器所布現場溫度回落時,如果探測器沒有嚴重燒損,探測器無需處理,可重復使用。

          三、新型探測技術與傳統探測技術的關系

          傳統探測器和新型探測器間是相互補充的,都有一定的適用范圍。新型探測器雖然有諸多優點,但由于造價高、定位困難等問題,限制了大量使用。例如大空間的場所不能使用普通點型感煙探測器,可以使用紅外光束探測器代替;在對電磁輻射要求高的場所,例如電磁輻射實驗室,不再適合使用普通需要接電線的傳統探測器,那可以使用光纖感溫或者空氣管采樣方式。一般很多消防工程是多種探測器共同組成的,而且不是同一廠家生產的,因此,與探測器相連的控制器,往往能提供接口,和其他廠家的控制器聯接,組成一個完備的消防系統。四、未來火災報警系統發展趨勢

          火災報警系統在傳感技術上有了很大的發展,傳感技術于其它電子技術相結合,使火災報警系統得到了很大的發展。

          1.城市火災報警聯網監控系統

          火災探測技術與現代通訊技術的結合,促進了城市火災聯網監控系統的發展。在城市規模不斷發展的今天,世界上很多國家的大城市都對火災自動報警設施采取網絡聯網管理,通過多媒體管理微機,利用公共通訊網或專用通訊網進行信號傳輸,及時了解各防火單位火災自

          2.無線火災報警系統

          目前絕大部分火災探測器與控制器之間都采用有線方式連接,控制通過電纜提供電源以及傳輸信號。這種方式有不少局限性,例如在一些改造項目中,建筑裝修已經完成,或者正在營業,無法進行大規模的布線,無線火災報警系統能夠解決這些問題。

          現有的無線火災報警系統一般采取通訊中繼節點有線,探測器通訊無線的方式,這種方式是有線和無線的結合。一般探測器主動發送數據到中繼節點,而中繼節點無法對探測器控制。

          四、結論

          現代火災探測技術出現圖像、激光、光纖等新技術,這些新技術有許多優點,但同時也有一定的局限性,與傳統火災報警系統之間是相互補充的關系,目前是兩者并存的局面。

          在火災探測技術的基礎上,結合現代先進的通訊技術,產生了城市火災聯網監控系統以及無線火災報警系統,這些技術在今后會有很大的發展。

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