（检测技术与自动化装置专业论文）基于人工智能的数据融合技术在火灾探测中的应用研究.pdf

摘要 摘要 火灾不仅夺去了人类的生命财产，还破坏了人类赖以生存的生态环境和自然 资源，严重地威胁着人类的生存安全。因此，防止火灾发生，减少火灾损失成为 人类研究的永恒话题。 由此对火灾探测技术的研究就显得尤为重要。传统的火灾探测报警是根据某 种单一的火灾探测器所采集的火灾探测参数，采用阈值法来判定火灾的。但是， 火灾信号的多变性和探测器的固定单性之间的矛盾使得误报现象十分普遍。为 了能够提早并准确报警，目前大量的研究人员正在研制智能化多传感探测器来取 代传统的单一传感器来区别非火灾信号和真正的火灾信号。 如果对多传感探测器的信息只是进行简单的或非判断，相当于把多传感器进 行简单的组合，并不能充分发挥多传感探测器的有效作用。而多传感器数据融合 正是能充分发挥多传感器有效作用的一门技术，它利用多个传感器获得的各种信 息，得出环境或对象特征的全面、正确的认识。本课题的研究内容是对多传感器 数据融合技术进行研究，并在此基础上设计火灾探测的系统。本论文的主要理论 研究工作包括三方面的内容，即火灾探测的原理与方法、数据融合技术的基本原 理及体系结构和基于数据融合的火灾自动探测系统。本文在分析了数据融合系统 的三级结构及火灾非结构特性的基础上，提出了一种基于人工智能的数据融合技 术的火灾探测算法，以感温、感烟、气体和感光传感器的模拟量为输入，利用人 工神经网络和模糊逻辑技术对多传感器信号进行融合，目的在于设计出一种快速、 准确和有效的火灾探测系统，以达到了提早报警和降低误报警的目的。 本文最后对各种火型及极易引起误报的干扰环境进行了仿真，建立的仿真模 型可以给出不同环境下的火灾概率，从而验证了本文提出的火灾探测系统的有效 性和可行性。 关键滴 火灾探测；数据融合；人工智能；神经网络；模糊逻辑 广东工业大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t f i r en o to n l yd e p r i v e sh u m e n sl i f e sa n de s t a t e s ，b u ta l s o d e s t r o ye n f i r o n m e n ta n dn a t u r e r e s o u r c e sw h i c h s u p p o r t a l lp e r s o n si nt h ew o r l d t h e r e f o r e ，i ti saf o r e v e rt a s kf o rh u m e n t op r e v e n t f i r eb r e a k i n go u ta n dr e d u c e l o s i n go w n i n g t of i r e s ot h e s t u d yo ff i r ed e t e c t i n gt e c h n o l o g ys h o w sm o r ei m p o r t a n t a c c o r d i n gt od e t e c t i n g p a x a m e t e r o fc e r t a i ns i n g l ef i r ed e t e c t o r , t h ec o m p a r a t i v el a wo ft h r e s h o l di sa d o p o t e dt oa l a r mf i l ei n t r a d i t i o n a lf i r e d e t e c t i n gt e c h n o l o g y b u ti t i s v e r yu s u a l t om i s a l a r md u et ot h ec o n t z a d i c d o n b e t w e e nd i v e r s ef i r es i n g a l sa n ds b g l ed e t e c t o r i no r d e rt oa d v a n c ea l a r ma n dr t ，c i t l c em i s a l a r r n , a t p r e s e n lm a n yr e s e a r c h e r sa r ed e v o t e dt ou s i n gm u l t i s e n s o ri n s t e a do fs i n g l es e n s o rt od i s t i n g u i s h n o n - f i r es i n g a la n d g e n u i n e f i r es i n g a l i fm u l t i s e n s o r ss i n g a l sa r ep r o c e s s e do n l yb y “a n d u o t j u d g e , i t se q u a lt ob eac o m b i n a t i o no f p l u sa n dm i n u s t h a tc a n tm a k e f u l lu s eo ft h ef u n c t i o no fm u l t i s e n s o r m u l t i s e n s o rd a t af u s i o ni sa n e w d e v e l o p i n gt e c h n o l o g y i nr e c e n ty e a r s ，w h i c hc a l lm a k ef u l lo s eo ft h ef u n c t i o no fm u i f i s e n s o r i tu t i l i z e sv a r i o u sk i n d so fs o n s o r si n f o r m a t i o nt od r a wt h eo v e r a l l ，c o r r e c tt m d a r s m n d i n go ft h e e n v i r o n m e n to r t a r g e t s c h n r a c t e f i s t i c s t h ep r o j e c tw h i c ht h et h e s i sb a s e do ni st od os o m e r e s e a r c h e so nt h em u l t i s e n s o rd a t af u s i o nt e c h n o l o g y , t h e nt od e s i g na n di m p l e m e n tf i r ed e t e c t i n g s y s t e m t h et h e o r e t i ci nt h i st h e s i sc o n s i s t so ft i l r e ep a r t s ：b a s i c a lp r i n c i p l ea n ds y s t e m s u u c t u r eo f d a t af u s i o nt e c h n o l o g y ；p r i n c i p l ea n dm e t h o do ff i r ed e t e c t i n ga n df i r ed e t e c t i n gs y s t e mb a s e do n d a t af u s i o ns y s t e m a f t e ra n a l y z i n gt h et h r e el a y e rs t x l t x c r t t t eo fd a t af u s i o ns y s t e ma n dt h ef i r e s n o n s t r u c t u r ec h a r a c t e r , t h e nak i n do ff i r ed e t e c t i o n st h r e e - l a y e rs t r u c t u r eb a s e do nd a t af u s i o ni s p r o p o s e d ，t h i sp a p e rp r o p o s e sa k i n do f a l g o r i t h mu s i n g d a t af u s i o nt e c h n o l o g yi nv i e wo fa r t i f i c i a l i n t e l l i g e n c e 。t h ei n p u ta n a l o gs i g n a l sa i 导p r o v i d e db yt e m p e r a t u r e ，s m o k e , g a sa n d u i t r a r e dl i g h t s e n s o r s a n dt h ea l g o r i t h ms y n t h e s i z e st h o s es i g n a l sb yu s eo fn e u r a ln e t w o r ka n df u z z y1 0 9 i c t e c h n o l o g y t h ea i m i st od e s i g nak i n do fq u i c k ，e x a c ta n de f f e c t i v ef i r ed e t e c t i n gs y s t e m , w h i c h c a nr e a c ht h ea i mo fe a r l ya l a r ma n dr e d u c i n gm i s a l a r m t h e p a p e rs i m u l a t e sa uk i n d so ff i r ea n dd i s t u r b i n ge n v i r o m n e n ls i m u i a t i n gm o d e l c a ng i v e f i r ep r o b a b i l i t yi nd i f f e r e n te n v i r o n m e n ta n dp r o v e st h ef e a s i b i l i t ya n dv a l i d i t yo ft h ef i r ed e t e c t i n g k e y w o r d s ：f i r ed e t e c t i o n ；d a t af u s i o n ；a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ；n e u r a ln e t w o r k ；f u z z yl o g i c 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 随着人类文明的进步和科学技术的迅速发展，火灾防治已从被动的火灾扑救 发展到主动的探测预防。对火灾进行及时有效的监测报警，是实现早期灭火和为 人员疏散争取充裕的时间、保护人民生命财产安全的需要。现代社会，由于人口 密度较大，高层建筑普及等因素，一旦发生火灾，后果极其严重。为了避免火灾 的灾难性后果，火灾探测技术越来越受到消防界的重视。 传统的火灾探测系统根据具体的环境采用单一火灾探测器对火灾的某种物理 或化学信号进行探测。例如对容易产生爆燃性火灾的地方采用可燃气体探测器实 现灾前报警或者采用感光式探测器对爆燃性火灾瞬间产生的强烈光辐射作出快速 报警反应；对容易产生阴燃火灾的地方，由于产生大量的烟和少量的热及很弱的 火光辐射，采用感烟式火灾探测器；对粉尘较多的地方采用感温式火灾探测器“1 。 而探测信号处理就是简单的闽值判断和趋势算法，原理非常简单。这些方法和技 术在应用中虽有能力探测火灾，但随着传感器安装数量的增加，简单的判断算法 所造成的虚警概率大大增加。据报道，美国1 9 8 0 年由烟雾探测器引起的误报警占 9 5 ”1 ；在瑞士，1 9 9 0 1 9 9 5 年期间由烟雾探测器引起的误报警占9 1 - 9 3 0 3 。无火 灾环境误报警出现的原因是复杂的，可能是硬件的损坏，也可能是环境条件的变 化和虚假的干扰等。 鉴于传统火灾探测技术已无法满足现实火灾报警的需要，新型的多元数据融 合( 又称信息融合) 智能火灾探测技术正在兴起。智能火灾探测技术的宗旨就是要 在火灾发生的早期，准确地判断火警、预报火警。多元数据融合智能火灾探测系 统绝不是原有单一参数火灾探测器的简单组合，而是实旌多元同步探测，并及时 进行综合智能信号处理。根据其同时测得的不同类型的火灾参数，应用智能算 法，对多传感器的火灾参数进行融合，以判断是否存在火灾危险。这样不但大幅 度提高了可靠辨别真实与虚假火灾的能力，而且对不同类型的火灾都具有较高的 灵敏度。可以说数据融合技术已成为当代消防科技领域中最具有发展前途的高新 技术。世界各国都在致力于研究将这一技术应用到火灾早期探测中，并取得了显 著的效果。瑞士已将数据融合技术应用到火灾探测中并投入使用，统计结果表明 误报警率大大降低。据p f j s t e r 报道，瑞士在1 9 9 5 1 9 9 6 年期间，由于使用了多 广东工业大学工学硕i 学位论文 传感探测器，误报警的比例已经从9 3 降低到6 0 。3 。 将多传感器数据融合技术应用到火灾探测中的一个主要问题就是数据融合的 算法问题，进行数据融合的算法很多，如b a y e s 方法、d e m p s t e r - s h a f e r 证据推理 法、模糊集理论法、神经网络法、卡尔曼滤波等。本文提出一种基于人工智能的 数据融合智能算法，从而达到提早报警和降低误报警的目的。按照融合系统的三 层结构设计火灾探测系统：信息层、特征层和决策层。信息层主要完成对火灾信 号( 如温度信号、烟雾信号、c o 气体信号和红外线信号) 的采集与处理；特征 层采用b p 神经网络和模糊逻辑并联形式分别对信息层送来的数据进行特征融合 神经网络辩识出明火、阴燃火和非火灾源，模糊逻辑推断出火灾发生的概率；决 策层对特征层的输出进行分析判断，并利用模糊推理技术，考虑到不同火灾的特 性，推断出最终的火灾探测情况“”。 1 2 火灾探测技术的发展概况 火灾自动探测技术是人类依靠科学技术与火灾做斗争的有效手段之一。1 8 4 7 年美国的c h a r m i n g 和缅因大学教授f a r m e r 研究出世界上第一台用于城镇火灾报 警的发送装置，同年，德国的s i e m e n s 和h a l s k e 公司将电报装置用于传送火灾报 警信号，从此揭开了人类发展火灾自动探测与报警技术的序幕。世界上诞生火灾 自动探测技术已经有1 0 0 多年的历史，纵观这1 0 0 多年人类开发火灾自动报警系 统的过程，我们可以把这一段历史简述如下。 第一代，从1 9 世纪4 0 年代到2 0 世纪4 0 年代，这漫长的1 0 0 年，感温探测 嚣占主导地位，火灾自动报警系统处于初级阶段。最早的火灾探测技术当推1 8 9 0 年英舀入研制的感温探洳器，开刨了历史上火灾探溅技术的先傍j 。这一时期的火 灾探测技术主要是根据感温探测器的采集的温度信号，判定它是否超过某一阈值。 第二代，从本世纪术5 0 年代到7 0 年代这三十年中，感烟火灾探测器登上舞 台，将感温火灾探测器排挤到次要魄位。这一阶段火灾信号传输采用多线制，一 般要求每个火灾探测器采用两条或更多条导线与火灾报警控制器相连接，以确保 从每个火灾探测点发出火灾报警信号。多线制的接线方式，即线制可表示为 a n + b ( 其中，n 是火灾探测器个数或火灾探测器的地址编码个数；a 和b 为系数， 一般取a = l ，2 ；b = l ，2 ，4 ) 。多线制系统结构的最少线制是n + l 。而这个时期的 火灾探测技术主要是根据感烟探测器采集的烟雾信号，判定它是否超过某一阈值。 第三代，从8 0 年代开始至今，总线制火灾自动报警系统蓬勃兴起。在此之前， 2 第一审绪论 由于电子器件的落后，人们研究总线制火灾自动报带系统的设想很难实现。随着 单片机技术的普遍应用，同时也因为多线制( 包括n + l 线制) 系统的工程安装，布 线和维修都很不方便，人们开始将单片机技术用于火灾报警控制系统中，并采用 了总线制的信号传输方式。总线制系统结构形式是在多线制基础上发展起来的。 微电子器件、数字脉冲电路及计算机应用技术用于火灾监控系统，改变了以往多 线制结构系统的直流巡检和硬线对应连接方式，代之以数字脉冲信号巡检和信息 压缩传输，采用大量编码、译码电路和微处理机实现火灾探测器与火灾报警控制 器的通信协议和系统检测控制，大大减少了系统线制，带来了工程布线灵活性， 人们不需要再去一根根的布线、布点，只要将探测器和安装底座像接灯泡一样并 联在回路总线上。当系统发上报警或故障时，都能在控制器上反映出每个点的具 体地址。总线制系统结构的线制也可以表示为a n + b ( 其中a = 0 ；b = 2 ，3 ，4 1 n 为火 灾探测地址编码数) 。 第四代，从8 0 年代后期开始至今。在这个时期，随着人们对火灾规律认识的 进一步加深以及微处理器、计算机、传感器技术的飞速发展，使火灾报警技术进 入智能时代。先后出现了集中智能系统、分布智能系统以及依托以上两种系统发 展而来的网络通信系统结构。同时，智能系统还突破了火灾探测报警的范畴，与 建筑物内的空调、供电、照明、防盗系统等公共设旌以及其它公共安全和管理系 统合并成一个整体，组成楼宇自动化管理系统，提供中央监控和智能分散管理， 发挥更大的作用。 集中智能系统一般是二总线制结构并选用通用火灾报警控制器，其特点是： 火灾探测器实际是火灾传感器，仅完成对火灾参数的有效采集、变幻和传输。火 灾报警控制器采用微型机技术实现信息集中处理、数据存储、系统巡检等，并由 内置软件完成火灾信号特征模型和报警灵敏度调整、火灾判别、网络通信、图形 显示和消防设备监控等功能。在这种结构形式下，火灾报警控制器要- - n 不停的 处理每个火灾探测器送圆的数据，并完成系统巡检、监控、判优、网络通信等功 能。当建筑规模庞大，火灾探测器和消防设备数目众多时，单一火灾报警往往会 出现应用软件庞大、火灾探测器巡检周期过长、火灾监控系统可靠性降低和使用 维护不便等缺点。 分布智能型系统是在保留二总线制集中智能型系统优点基础上发展的。它将 集中智能型系统中对火灾探测信息的基本处理、环境补偿和故障判断等功能由火 厂东工业大学工学硕十学位论文 灾报警控制器返还给现场真正的火灾探测器，从而免去火灾报警控制器大量的信 号处理负担，使之能够从容的实现上位机管理功能，如系统巡检、火灾参数算法 运算、消防设备监控、联网通信等，提高了系统巡检速度、稳定性和可靠性。显 然，分布智能方式对火灾探测器设计提出了更高的要求，要兼顾火灾探测及时性 和报警可靠性，必须采用专用集成电路设计技术。 网络通信形式的系统即可在集中智能型结构上形成，也可在分布智能型结构 基础上形成。它主要是将计算机网络通信技术应用于火灾报警控制器，使火灾报 警控制器之间能够通过t o k e nb u s ，e t h e r n e t 网络结构及通信协议，以及专用网 络通信干线交换数据和信息，实现火灾监控系统的层次功能设定、数据调用管理 和网络服务等功能。 但严格地说，上述这些系统还是一个初级智能系统，它的智能是单向的。它 只在控制机中有智能功能而在探测器中没有智能功能。且在控制机中的智能功能 只是按照固定的算法和程序运行，而真正的智能系统可以根据现场环境自动调整 运行参数，具有自学习和自适应能力。 到目前为止，火灾探测报警技术已发展成为一门多学科、多专业的综合应用 科学，在建筑、工业、国防和科学技术等各个领域内得到了广泛应用，它已成为 人类同火灾作斗争的重要手段，在预防火灾、保护国家经济建设和人民生命财产 安全方面发挥了巨大的作用。现代火灾报警系统已全面向集成化、智能化、多功 能化及总线传输化的方向发展。火灾探测技术也开始从单元探测向多元复合探测 过渡，一种新型的多功能、高可靠性的多元复合探测技术正在蓬勃兴起，并已取 得了较大进展”“”。“。 1 3 论文主要工作及内容安排 火灾的发生和发展有一定的规律性，然而这种规律既不具有完全的确定性， 又不是完全随机的，它兼有确定性和随机性。例如，在给定可燃物和环境条件下， 一定的火源能否引发火灾是确定的，火灾发展的各个阶段也有其确定性：但是表 现火灾发展的各个阶段的特征参数，如烟雾浓度，一定浓度的烟雾到达顶棚某点 的确定时间，火焰产生的时间和大小以及火灾蔓延的速率等又都是随火灾范围内 的人为因素，环境变化和火源的多样性而随机变化的。因此火灾现象是一种非结 构性问题。为了有效的自动探测火灾，需要对火灾的这些特性和探测方法进行专 门研究，以给出最佳的火灾特征传感方法，根据其信号参数设计最有效的处理算 4 第一章绪论 法，由此而产生了火灾自动探测理论和相应的信号处理算法。 对于火灾探测这种非结构性问题，人的识别能力最强。而模糊逻辑和神经网 络是两类非常有效的仿人思维智能控制技术。采用模糊逻辑和神经网络技术实现 火灾数据的融合有着非常广阔的前景。本文首先分析了火灾产生的机理、火灾信 号的理化特征及现有的各种火灾探测器，提出了火灾探测新技术多传感器数 据融合技术，按照融合系统的三层结构设计火灾探测系统，充分利用了神经网络 和模糊逻辑等智能技术，达到提早报警和降低误报警的目的。在信息层、特征层 及决策层三层的实现上提出了独到的算法，这些算法综合考虑了模糊逻辑和神经 网络的优点，增强了火灾探测系统的学习能力和探测的快速性与准确性。通过算 法的仿真研究，验证了算法的可行性。 本文的内容安排如下： 第二章，火灾探测的原理与方法，通过介绍火灾产生的机理，火灾的发展过 程，火灾信号的物理特征以及常用的探测火灾信号的传感器，提出利用数据融合 技术进行火灾探测。 第三章，数据融合技术的基本原理，通过对其基本原理的研究，掌握并了解 将其应用到火灾探测系统是火灾探测技术发展的一个必然趋势。并为进一步设计 火灾探测系统打下了理论基础。 第四章，火灾自动探测的数据融合系统，主要研究了通过三层结构实现火灾 信息的融合，实现上充分利用了数据融合技术，主要应用神经网络和模糊逻辑理 论。 第五章，通过仿真实验来验证火灾探测系统的融合算法的有效性与可行性。 第六章，工作总结及展望。 一一 ：蛮圭些盔主三兰堡圭兰竺鎏兰 第二章火灾探测的原理与方法 2 1 火灾产生的机理 火灾是一种失去人为控制的燃烧过程，产生火灾的基本要素是可燃物、助燃 物和点火源。可燃物以气态、液态和固态三种形态存在，助燃剂通常是空气中的 氧气。根据可燃气体与空气混合方式不同有两种燃烧方式，如果在燃烧前，可燃 气就与空气均匀混和称预混燃烧；如果可燃气和空气分别进入燃烧区边混合边燃 烧称为扩散燃烧。液体和固体是凝聚态物质，难与空气均匀混合，它们燃烧的基 本过程是当外部提供一定的能量时，液体或固体先蒸发成蒸汽或分解析出可燃气 体( 如c 0 、h 。等) 较大的分子团、灰烬和未燃烧的物质颗粒悬浮在空气中，粒子 直径一般在o o l a n 左右，这些悬浮物统称为气溶胶。几乎在产生气溶胶的同时， 产生粒子直径为0 o l l o p m 的液体或固体微粒，称为烟雾。气相形式的可燃物 与空气混合，在较强火源作用下产生预混燃烧。着火后，燃烧火焰产生的热量使 液体或固体的表面继续放出可燃气体，并形成扩散燃烧。同时，发出含有红外线 或紫外线的火焰，散发出大量的热量。气溶胶、烟雾、火焰和热量都称为火灾参 量，通过对这些参量的测定便可确定是否存在火灾。大量热量通过可燃物的直接 燃烧、热传导、热辐射和热对流，使火从起火部位向周围蔓延，这就是常说的火 蔓延，火蔓延导致了火势的扩大，形成火灾。 根据火灾发生时所产生现象的不同，可将火灾分为慢速阴燃、明火和快速发 展火焰等。阴燃就是在疏松或颗粒介质中形成的缓慢进行的热解和氧化反应，它 能长时间自行维持并传播，而当条件有一定变化时，或者转化为明火，或者自行 熄灭。研究表明阴燃是诱发火灾的重要原因。明火则是火灾发生时燃烧火焰产生 的热量使液体或固体的表面放出可燃气体，并形成扩散燃烧，同时发出含有红外 线或紫外线的火焰。快速发展火焰则是火灾扩散的速度特别快，这种类型的火灾 一般为空气中混有大量可燃气体“。 2 2 火灾的发展过程 火灾作为一种燃烧现象，其规律具有确定性的一面，可通过模拟研究逐步加 以认识，而火灾作为一种灾害现象，在实际火灾过程中，众多因素常常变化，这 种变化往往又带有随机性，火灾过程伴随着众多复杂的物理现象和化学反应，环 6 第二章火灾探测的原理与方法 - i i i l _ l _ _ _ _ - _ i - - _ _ _ _ 蕾_ _ _ _ 墨皇皇_ - _ _ _ _ - 墨宣_ _ _ _ _ _ _ _ _ i _ _ _ l - - _ _ i 境的温度，烟雾浓度等也会发生变化。常见的火灾的发展通常都要经历如下几个 阶段：初起阶段、发展阶段、熄灭阶段。 初起阶段：火灾的发生都是从可燃物发热开始的。物质由于发热，产生气体， 即物质发生缓慢的热解作用，产生不可见的燃烧生成物。此时通常产生直径约为 0 0 0 1 0 0 5 , a n 的不可见粒子( 早期的烟雾) 和一氧化碳，二氧化碳，氢等气体，热 量释放也很低。随着热分解作用的发展，物质进一步发热，释放出更多的气体， 开始产生可见烟雾，一些烟雾粒子的直径可达0 3 - 1 o 埘l ，甚至更大。由于烟雾 和燃烧所释放的气体比周围空气热，因而形成上升气流，同时随着气流的增大而 开始具有浮力并形成空气对流，这就是所谓的浮力旋流，通常称为烟气羽流。此 时空气的对流作用渐渐明显，有利于烟雾气溶胶的传播，但此阶段内只有烟雾， 尚未出现火焰，热量释放还不算很高，温度上升仍很缓慢，这是火灾的初起阶段。 发展阶段：此时阴燃面积扩大，温度逐渐上升，给起火准备了温度条件。由 于物质温度的不断上升，可燃气体的大量释放，开始出现火焰，通常伴随有更多 的烟雾产生。火焰产生了光辐射，覆盖整个紫外到红外波段，其能量大部分集中 在红外波段。由于产生了大量的高温烟气，逐渐形成上升气流的火柱；烟羽流内 由于密度与压力梯度方向不一致而产生空气漩涡，漩涡在上升过程中不断耗散， 形成三维各向异性湍流运动。烟羽流到达房顶部后会形成水平运动的热气层，可 分流层和他们的转变状态，水平分流层经过障碍物和墙壁形成反浮力流等。烟雾 粒子在运动中产生相互碰撞，出现了烟雾粒子凝聚现象。伴随着火焰放射出大量 的热量，这个阶段是烟温并存，着火面积迅速扩大，同时烟气中含有大量的毒气， 对人有致命性危害。 熄灭阶段：随着火灾进入高温燃烧，火场温度达到高峰，辐射大量红外、可 见和紫外线光，但烟雾已开始迅速减少。随着燃烧物质的耗尽，火灾逐渐衰减熄 灭，余烬温度也开始下降“”。 2 3 火灾信号的物理特征 2 3 1 火焰 火灾燃烧是复杂的放热化学反应，燃烧火焰的温度通常为9 0 0 - 1 4 0 0 。c ，在这 个过程中通常会产生大量的炽热微粒。正是这些炽热微粒的存在，使火焰发射出 广东工业大学工学硕士学位论文 电磁波辐射，包括可见光，这些光学特性为远距离探测火灾提供了可行性。 ( 1 ) 火焰辐射：其中包括能量辐射和辐射光谱，在可见光和红外波段都有体现， 但在红外波段尤为强烈，这是c o ：共鸣的c o 。原子团发光光谱。 ( 2 ) 火焰形状：火焰中炽热的发光微粒的集合就勾画出火焰形状。一般火灾中， 由于燃烧状况不稳定，火焰边缘通常表现锯齿型，且在火灾发展过程中区域增大。 ( 3 ) 火焰闪烁：火灾火焰具有闪烁的物理特性，这不仅表现在辐射强度以3 3 0 赫兹的频率波动，而且也反映在火灾形状的波动上。 2 3 2 燃烧产物 燃烧产物即通常所说的烟气，包括气态燃烧产物和固态高温产物，运动速度 为每秒几米到几十米。 ( 1 ) 气态燃烧产物：主要成分为h ，0 、c o 和c o ，。由于环境湿度的影响，通 常不把h ，0 作为火灾探测参数。一般情况下，空气中c o 和c o ：的含量极低，而 在火灾燃烧时才会大量出现使空气中这两种气体含量急剧增加。气态燃烧产物的 典型物理特征是气态特征光谱、气态浓度和气体温度。不过，针对气体浓度和温 度的探测都很容易受到扩散流动的影响。 ( 2 ) 固态高温产物：固态高温产物来源于可燃物中的杂质以及高温状态可燃物 裂解所形成的物资，粒经在0 0 2 5 微米n l o o 微米，温度在数百到上千度。高温微 粒通常表现出来的物理特征有：对光线的散射和吸收作用；对离子的俘获和 阻挡作用；在流动中保持相当的温度；带静电荷。 2 3 3 燃烧音 燃烧过程产生的高温会加热周围的空气，使之膨胀形成压力声波，其频率仅 在数赫兹左右( 次声) 。这种次声是物资燃烧的共同现象，而且在这个频带中日常 杂音也很少，所以在这个频带进行探测可以去除相当大部分的噪声干扰。由于燃 烧现象通常是复杂的湍流流动，它在可听域及超声域也会产生声波。然而，可听 域有很多日常噪声干扰，且并非所有的燃烧都会产生超声波。 人们用于探测火灾的探测器或传感器都只能通过火灾发生时产生的各种物理 和化学变化特征来间接探测火灾，例如通过探测火灾产生的烟雾、火灾引起的高 温、火焰和气体等，而这些特征参数在非火灾情况下也会发生变化，而且有时变 第二章火灾探测的原理与方法 化规律与火灾发生时是极其相似的，为了从火灾传感器信号中正确区分出真实火 灾信号、尽量减少误报警，就必须了解火灾探测信号的特征“。 2 4 火灾探测的方法及其发展趋势 2 4 1 火灾信号探测原理 火灾的发生和发展是一个非常复杂的非平稳过程，它除了自身的物理化学变 化以外还会受到许多外界的干扰，火灾一旦产生便以接触式( 物质流) 和非接触式 ( 能量流) 的形式向外释放能量。接触式形式包括可燃气体、燃烧气体和烟雾、 气溶胶等；非接触式如声音、辐射等。火灾探测技术就是试图从火灾过程中提取 适当的特征作为探测识别火灾的参数，利用敏感元件将火灾中出现的物理化学特 征转换为另外一种易于处理的物理量。各种探测器对应的火灾物理参量及探测器 如图2 1 所示。 图2 - 1 对应于火灾现象的火灾探测器种类 f i g 2 - 1d i f f e r e n tf i r et e t e c t o r sc o r r e s p o n d i n gt od i f f e r e n t f i r ep h e n o m e n o n 随着传感技术和信号处理手段的不断完善，火灾探测技术也随之有了突飞猛 进的发展，并已从单一的物理量探测逐步转变为多元复合智能探测模式，为火灾 监测提供了可靠的保证“。 9 广东 业大学工学硕士学位论文 2 4 2 火灾探测器简介 一感温火灾探测器 物质在燃烧过程中，释放出大量的热，使环境温度升高，探测器中的热敏元 件发生物理变化，从而将温度信号转变成电信号，传输给火灾报警控制器，发出 火灾报警信号。 由于可采用的敏感元件繁多，如热敏电阻、热电偶、双金属片、易熔金属、 膜盒和半导体元件等，故而感温式火灾探测器的种类也颇多。根据感热效果和结 构型式，可将它们分为定温火灾探测器、差温火灾探测器和差定温复合火灾探测 器。定温火灾探测器根据局部环境到达规定温度上下时开始动作。差温火灾探测 器根据升温速率来动作，如果升温速率超过预定值时则发出报警信号。差定温复 合火灾探测器是兼有差温、定温两种功能的感温火灾探测器感温火灾探测器结构 简单，电路少，与感烟探测器相比可靠性高、误报率低，且可以做成密封结构， 防潮防火防腐蚀性好，可在恶劣环境( 如风速大、多灰尘、潮湿等) 使用，但是灵 敏度低，响应时间长，对阴燃初期的“点”火源反应不灵敏，且监视区域十分有 限，现在有些厂家在感温探测器上也加上了智能芯片，使其能对偶尔出现的干扰 信号进行识别，大大提高了它的工作能力。 另外，随着光纤技术的发展，出现了分布式光纤测温感温探测器，大大的改 变了感温传感器的性能。它是一种线型探测器，采用光纤作为信号传输媒体，利 用r a m m a n 散射及光时域反射原理通过高速a d 转换采集信号并进行分析，可以测定 沿光纤分布的线性温度场的温度参数，并可据此设定报警阈值。光纤所特有的本 安特性及抗电磁干扰能力特性使得它特别适用于隧道、大型变压器等特殊环境场 合的应用。 二感烟火灾探测器 感烟式火灾探测器具有早期报警的效果，是目前使用最为广泛的一种探测器。 感烟火灾探测器可分为离子型、光电型、电容式和半导体型等几种。其中又以离 子型和光电型火灾探测器使用居多。 ( 1 ) 离子感烟探测器 离子感烟火灾探测器是通过检测放射性元素“1 镅( ”1 a m ) 构成的电离室的电压 变化来感知烟雾浓度的装置。如图2 2 所示，“1 镅( 2 “a m ) 不断放射出a 射线，a 离 子高速运动撞击空气分子，从而使极板问空气分子电离为正离子和负离子( 电子) ， 1 0 第二章火灾搛测的原理与方法 这样电极之间原来不导电的空气具有了导电性，从而形成电离室。如果在极板间 加上一个电压，极板间原来做杂乱无章运动的正负离子，此时在电场的作用下， 正离子向负极运动，负离子向正极运动，形成电离电流。当有火灾发生时，烟雾 粒子进人检测电离室后，被电离的部分正离子和负离子吸附到烟雾离子上去。因 此离子在电场中运动速度比原来降低，而且在运动过程中正离子和负离子互相中 和的几率增加，使得能够到达电极的有效离子数更少；另外由于烟雾粒子的作用， a 射线被阻挡，电离能力降低了很多，电离室内产生的正负离子数就少，从而使 得电离电流减少。 图2 - 2 电离室不意图 f i g2 - 2 i o n i z a t i o nc h a m b e rs c h e m a t i cm u s t r a t i o n ( 2 ) 光电感烟探测器 光电感烟火灾探测器按其动作原理的不同，即烟雾粒子对光路遮挡和对光散 射原理，可以分为减光型和散光型两种。减光式光电感烟火灾探测器的检测室内 装有发光元件及受光元件。在正常情况下，受光元件接受到发光元件发出的一定 光量；而在火灾时，探测器的检测室内进人了大量烟雾，发光元件的发射光受到 烟雾的遮挡，因而使受光元件接受的光线减少，光电流降低，探测器发出报警信 号。原理示意图如图2 3 所示。 图2 - 3 减光型光电感烟探测器原理图 f i g 2 - 3o b s c u r a t i o n - t y p ep h o t o e l e c t r i cs m o k e d e t e c t o rs c h e m a t i cm u s t r a t i o n j 乐 业大学e 学碗士学位论文 _ _ - _ _ - _ - _ _ _ _ _ - - - _ l _ l l _ _ _ _ l 目_ _ _ 目前世界各国生产的点型光电感烟火灾探测器多为散射型光电感烟探测器。 此种探测器的检测室内亦装有发光元件和受光元件。在正常情况下，受光元件是 接受不到发光元件发出的光的，因此不产生光电流。在火灾发生时，当烟雾进人 探测器的检测室时，由于烟雾离子的作用，使发光元件发射的光产生漫射，这种 漫射光被受光元件所接受，使受光元件阻抗发生变化，产生光电流从而实现了将 烟雾信号转变成电信号的功能，探测器发出报警信号。原理示意图如图2 4 所示。 图2 _ 4 散射型光电感烟探测器原理图 f i g 2 - 4d i f f u s i o n - t y p ep h o t o e l e c t r i cs m o k ed e t e c t o rs c h e m a t i cm u s t r a t i o n 离子感烟和光电感烟火灾探测器由于自身的特点和使用环境，现在哪个也 无法完全取代对方。离子感烟探测器对各种明火烟雾检测效果较好，对阴燃烟雾 也能检测，但易受探测环境的影响，误报率较高。同时，由于使用了放射源镅， 易对环境造成污染。光电感烟探测器是利用红外光散射的原理来进行烟雾浓度的 探测，对环境不存在污染问题，对阴燃火烟雾的探测性能明显优于离子探测器， 但对某些黑烟探测效果较差，这也是光电探测器没有完全取代离子感烟探测器的 原因之一。 三感光式火灾探测器 感光火灾探测器又称为火焰探测器，是一种响应火焰辐射光谱中的红外和紫 外的点型火灾探测器，主要有红外火焰型和紫外火焰型两种。红外火焰探测器的 探测波长为7 0 0 0 a ，紫外火焰探测器的探测波长为4 0 0 0 a 。由于光辐射的传播速度 快( 3 1 0 8 m s ) ，且火焰探测器的传感器件接收光辐射的响应时间极短( 在m s 数量 级) ，因而火焰探测器响应速度也极快。它对于环境中气流速度也没什么限制，这 类探测器适用于生产、储存和运输高度易燃物质( 特别是可燃液体火灾或爆炸品) 的危险性场所以及昂贵设备或关键设旌对火情有特殊监测需要的地方。对于起火 第二苹火灾搛测的原理与方法 速度快，且无烟遮蔽的明火火灾反应最为灵敏。其中紫外火焰探测器不受风雨、 阳光、高湿度、气压变化、极限环境湿度等影响，能在室外使用，但在雷电及电 弧光有大量紫外线产生的场所运用此设备时，必须采取一定措旌以防止非火灾报 警另外，在产生火光之前就有大量烟雾产生的场合，不宜单独采用紫外线火焰探 测器，必须与其它感烟探测器联合使用。一般紫外火焰探测器同快速灭火系统和 抑爆系统联动，组成快速自动报警灭火系统和自动报警抑爆系统。 四气体火灾探测器 目前气体火灾探测器主要有两类：可燃气体型( 主要探测对象是还原性气体) 和燃烧气体产物型( 主要探测对象是c o 币n c o 。) 。 ( 1 ) 可燃气体型 可燃气体通常是指城市煤气、石油液化气、汽油蒸气、酒精蒸气、天然气以 及煤矿瓦斯等易燃易爆、有毒有害的气体。这些气体主要含有烷类、烃类、烯类、 醇类、氢以及一氧化碳等成分。因此，在生产、运输、储存和使用这些气体的过 程中，如果违反操作规程或设备密封质量不好，都有可能发生可燃气体泄漏现象， 进而酿成火灾或爆炸事故。针对这些可燃气体的探测器主要有半导体型可燃气体 探测器、载体催化型可燃气体探测器、固体电介质型可燃气体探测器、光电型可 燃气体探测器等。 ( 2 ) 燃烧气体产物型 火灾发生的气态燃烧产物主要成分为h 。0 、一氧化碳c o 、二氧化碳c 0 。，碳氢化 合物( c i h ，) 。一般情况下，c o 和c 0 。在空气中的含量极低，只有在燃烧发生时才会产 生大量的c 0 和c 0 2 。这些气体比烟雾粒子产生得早，在感烟火灾探测器尚未发出报 警信号前己达到相当大的浓度。所以，针对这两种气体进行监测将会在很大程度 上反映出环境中有燃烧现象发生，而且早期报警的效果比感烟探测器好。 五图像火灾探测器 对于物质燃烧产生的火焰，除了可以分析它的光谱特征外，还可以对其火焰 形状进行利用，这样就产生了图像火灾探测器。火焰是高温物体，而它的周围环 境则是处于常温状态。火灾火焰在发展的过程中其形状有一个不断变化和持续的 过程，而普通火焰( 如打火机点火、蜡烛燃烧、煤气火焰等) 和高温发光源( 如白炽 灯、电炉等) 则没有这个变化过程。这样就形成了火灾识别和探测算法的重要基础。 国内已有研究表明利用液晶片和c c d 摄像机可对火灾图像进行有效的探测。液晶片 广东工业大学工学硕十学位论文 在不透光的情况下仍能透过红外光，正常使用条件下的黑白c c d 摄像头对近红外光 也有响应。将液晶片放置在摄像机前就能获得具有强烈红外光的火焰图像。通过 对红外图像的处理，即可识别真假火灾，达到火灾探测的目的。另一个就是利用 红外辐射成像技术判别火情。特别适合于监测正在运行中的电器设备，它能检测 电器设备发射出的红外辐射能量并将其转换为相应的信号，再经专门的电信号处 理系统进行处理，最后再经成像装置得到与物体表面温度相对应的热图像。 六声音火灾探测器 声音火灾探测器是利用燃烧所特有的次声波现象制成的声音传感器。物质在 燃烧过程中，会放出大量的热能，对周围空气进行加热，使得空气膨胀，形成压 力声波，其频率仅有数赫兹这种超低频( 次声波) 的声音现象为物质燃烧所共有。 且在这个频率范围内，日常杂音很少，所以，可以在很大程度上避免环境对探测 器的干扰。日本东京消防厅消防科学研究所利用这个特性并结合防风和防振措施 研制出了性能优良的声音火灾探测器。 七其他火灾探测器 随着纳米技术的发展，现在研究人员已经开始使用这种新型的材料来开发火 灾探测器。研究表明，制作纳米材料传感器是最有前途的应用领域之一。目前传 感器的小型化、微型化和智能化是其主要发展方向之一，国内外传感器研究逐步 集中在开发新型敏感材料的选择性传感器上。在气体传感器领域，由于纳米材料 粒度小，比表面积大，结晶表面催化活性强，极有可能开发出性能优良的气敏元 件，存在巨大的研究开发价值和商业前景“。 2 4 3 传统火灾探测的算法 将火灾发生的物理特征通过传感单元转化为电信号以后的一个问题就是判断 是否报警，这就需要靠火灾探测算法来实现。根据对火灾物理参数探测方式的不 同，可将探测算法分为接触式火灾探测算法和非接触式火灾探测算法两类。其中 接触式火灾探测算法主要应用于火灾探测传感器中的感温、感烟和气体传感器等。 早期都是使用闽值法，就是在传感器中设定一个阈值，如果检测到的参数高于这 个设定值，探测器就会发出报警信号。环境变化的影响会影响探测器的探测性能， 固定的阈值探测算法显然是不合理的，例如在气温高的时期和气温低的时期，对 于温度传感器的报警温度应该有所不同，探测器长期暴露于空气中，也会影响其 第二苹火灾探测的原理与方法 判断的灵敏度，基于这些因素产生了浮动式的判断阈值算法。使用这种探测算法 的探测器通过跟踪环境影响的变化对阈值进行自动调整，从而保证更高的正确报 警率。 随着火灾探测技术的发展，出现了能够输出模拟量数据的火灾探测器，于是 便产生了模拟量火灾探测算法，又称过程法。火灾的发生是有一定规律的，通过大 量实验可以找出它在发生过程中各种物理特征变化的规律，再将探测器探测得到 的模拟量数据通过计算机分析与我们掌握的规律进行对比，如果符合，就发出报 警信号，反之，则说明没有火灾发生。 非接触式