СИСТЕМА РАННЕГО ОБНАРУЖЕНИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТИПА ЛЕСНОГО ПОЖАРА
SYSTEM OF EARLY DETECTION AND DETERMINATION OF FOREST FIRE TYPE

Изобретение относится к области предупреждения пожаров при возгораниях на больших площадях и может быть использовано для обнаружения и определения типа лесного пожара (низовой, верховой) на ранней стадии.
Известна система обнаружения лесного пожара (RU 2492891 C1, МПК А62С 37/00 (2006.01), опубл. 20.09.2013), включающая блок радиопередающего устройства, блок радиоприемного устройства, снабженная датчиками температуры и концентрации диоксида углерода, блоками электропитания датчиков концентрации диоксида углерода, а также радиопередающим устройством, блоком включения и отключения электропитания, блоком преобразования данных о температуре и концентрации диоксида углерода и передачи их в радиопередающее устройство, блоком регулирования мощности радиопередающего устройства, блоком обработки данных о температуре и концентрации диоксида углерода. Блоки датчиков температуры и диоксида углерода, блок электропитания датчиков, блок включения и отключения электропитания, блок радиопередающего устройства, блок регулирования мощности радиопередающего устройства расположены непосредственно в зоне возможного возникновения пожара. Блок радиоприемного устройства расположен на удалении в зоне дальности действия радиопередающего устройства.
Эта система может контролировать площадь леса в радиусе действия радиопередающего устройства, но не позволяет определить тип лесного пожара (низовой, верховой).
Известна система для обнаружения лесных пожаров (US 20080309502 A1, G08B 17/10 (2006.01), G08B 17/12 (2006.01), опубл. 18.12.2008), содержащая множество датчиков, размещенных в виде сетки по площади леса, подлежащего мониторингу, каждый датчик которой в состоянии обнаружить начало пожара и имеет радиопередатчик, который связан по радио с управляющим терминалом, так что при обнаружении начала пожара в непосредственной близости от датчика он автоматически передает сигнал управляющему терминалу, который генерирует сигнал оповещения, предназначенный для пожарной части. Каждый датчик и/или каждый управляющий терминал связан с информационным элементом позиционирования и при этом каждый датчик периодически передает идентификационный сигнал так, что отсутствие идентификационного сигнала интерпретируется как начало пожара на месте расположения датчика. Каждый управляющий терминал сконфигурирован так, чтобы передавать сигнал тревоги только в случае одновременного отсутствия идентификационного сигнала от двух или более соседних датчиков пожара. Каждый датчик содержит антенну, выполненную из материала, который портится выше заданного температурного порога, так что любой рост температуры в непосредственной близости от датчика выше заданного порогового значения выводит из работы антенну и делает невозможной связь датчика с управляющим терминалом. Также каждый датчик чувствителен к газовым компонентам, характерным для начала пожара, так, что когда концентрация газового компонента превышает заданное пороговое значение в непосредственной близости от датчика, этот датчик посылает предупредительный сигнала на управляющий терминал.
Эта система может контролировать площадь леса в радиусе действия управляющих терминалов, снабженных радиопередающей аппаратурой дальнего радиуса действия, причем на 1 гектаре контролируемой площади расположено 3-5 датчиков и один управляющий терминал. Главный недостаток этой системы - это необходимость выхода из рабочего состояния (сгорания в пожаре) нескольких датчиков, чтобы вычислить скорость распространения лесного пожара и определить его тип, что приводит к сгоранию нескольких гектаров леса.
Известна система обнаружения лесного пожара на базе беспроводной сенсорной сети (J. Solobera, "Detecting Forest Fires using Wireless Sensor Networks," Libelium World, опубл. 04.10.2010, URL: http://www.libelium.com/wireless_sensor_networks_to_detec_forest_fires/), содержащей множество датчиков Wapsmote. Каждый датчик расположен в зоне действия радиоприемных устройств соседних датчиков и может передавать им информацию с помощью радиосвязи ближнего действия, которую эти датчики могут передавать следующим соседним датчикам так, что эта информация дойдет до базовой станции (центра слежения за пожаром). Каждый датчик Wapsmote измеряет 4 параметра окружающей среды: температуру, относительную влажность, концентрации угарного и углекислого газов и каждые 5 минут передает эти измерения в центр слежения через соседние датчики, а затем переходит в спящий режим для экономии электроэнергии.
Недостатком этой системы является непрерывный (один раз в пять минут) расход электроэнергии каждого датчика на измерение параметров окружающей сети и передачи данных через сеть датчиков, что приводит к быстрой разрядке аккумуляторов, необходимости их периодической замены или снабжения датчиков солнечными батареями, что приводит к удорожанию этой системы. Другой недостаток этой системы - это необходимость выхода из рабочего состояния (сгорания в пожаре) нескольких датчиков, чтобы определить скорость распространения лесного пожара и идентифицировать его тип, что приводит к сгоранию нескольких гектаров леса.
Известна система для обнаружения лесного пожара (RU 2556536 C1, МПК А62С 3/02 (2006.01), опубл. 10.07.2015), выбранная в качестве прототипа, которая содержит n датчиков, размещенных на контролируемой территории вокруг центра слежения. Каждый датчик содержит температурный выключатель, первый выход которого соединен с источником питания, а второй выход связан с первым входом электропитания радиопередатчика, второй вход которого соединен с выходом акустического сенсора. Выход радиопередатчика связан с радиопередающей антенной. В центре слежения радиоприемная антенна связана со входом приемника, выход которого связан со звуковоспроизводящим устройством. Датчики размещают так, что радиопередающая антенна каждого датчика расположена на ближайшем от него дереве, а акустический сенсор и температурный выключатель - в земле на глубине 5-10 см, причем радиопередатчик и источник питания - ниже температурного выключателя.
Недостатками этой системы является необходимость участия человека (оператора центра слежения) для определения типа лесного пожара (низовой, верховой) по индицируемому звуковоспроизводящим устройством спектру шума, что может приводить к ошибкам идентификации в силу так называемого «человеческого фактора», а также невозможность контроля работоспособности каждого датчика до наступления пожара, поскольку температурный выключатель подключает электропитание всех устройств датчика только после того как температура станет выше пороговой, т.е. когда начнется пожар.
Задачей изобретения является расширение арсенала технических средств аналогичного назначения.
Поставленная задача достигается тем, что система раннего обнаружения и определения типа лесного пожара так же, как и прототип, содержит n датчиков, каждый их которых содержит акустический сенсор, первый температурный выключатель, первый выход которого соединен с источником питания, а второй выход связан с первым входом электропитания радиопередатчика, выход которого связан с радиоантенной, размещенных на контролируемой территории вокруг центра слежения, содержащего звуковоспроизводящее устройство, приемник радиосигнала, вход которого связан с радиоприемной антенной.
Согласно изобретению каждый датчик дополнительно содержит второй температурный выключатель, первый выход которого соединен с источником питания, а второй выход подключен к входу таймера с управляемым ключом, выход которого связан с первым входом электропитания радиопередатчика, второй вход которого подключен к выходу усилителя, первый вход электропитания которого соединен со вторым выходом первого температурного выключателя, а второй вход связан с выходом акустического сенсора, причем устройство управления в центре слежения содержит аналого-цифровой преобразователь, вход которого подключен к выходу приемника радиосигнала, а выход связан с первым и вторым входом устройства определения кода сигнала с управляемым ключом, выход которого соединен с входом звуковоспроизводящего устройства и с входом вычислителя спектра Фурье, выход которого связан со входами двух сумматоров амплитуд низких частот и амплитуд высоких частот, выходы которых подключены соответственно к первому и второму входу вычитающего устройства, выход которого связан со входом порогового устройства.
Известно, что амплитуда звукового давления шума верхового пожара существенно выше, чем у низового, а спектр частот имеет существенное возрастание в области низких частот (RU 2556536 С1, МПК А62С 3/02 (2006.01), опубл. 10.07.2015). В указанном источнике приведены временные диаграммы изменения звукового давления двух типовых лесных пожаров - низового и верхового (шум пожара) и представлены графики спектра Фурье, рассчитанные для оцифрованных сигналов по формуле:
где k, m - текущий номер и количество цифровых отсчетов шума,
k
S - текущее значение цифрового отсчета амплитуды шума,
j - индекс текущей частотной составляющей шума, j=1…m,
j
omega=(j+1)/(m-1) - относительные значения частот, нормированные на 10 кГц.
j
j
Очевидно, что основные отличия в амплитудах спектра шума низового и верхового пожаров находятся в диапазоне, например, 100-600 Гц (omega=0,01-0,06) по сравнению с диапазоном 1000-1500 Гц (omega=0,1-0,15). Поэтому для автоматического определения типа пожара использовали суммы амплитуд спектра в указанных диапазонах (Sum):
1
2
1
2
1
2
где l и l номера отсчетов, соответствующих указанному диапазону низких и высоких частот. Вычисленные по формуле (2) суммы амплитуд спектра шума низового пожара составили 31,1% (диапазон низких частот) и 30,7% (диапазон высоких частот). Вычисленные по формуле (2) суммы амплитуд спектра шума верхового пожара составили 48,5% (диапазон низких частот) и 1,1% (диапазон высоких частот). Результаты расчета по формулам (1-2) получены с помощью функции CFFT системы Mathcad для следующих значений параметров: m=8000, l=1 и l=500 (для диапазона низких частот), l=501 и l=1000 (для диапазона высоких частот). Как видно из примера, суммы амплитуд спектра шума низового пожара по низким и высоким частотам примерно одного порядка, а суммы амплитуд спектра шума верхового пожара по низким и высоким частотам существенно отличаются, что вполне достаточно для срабатывания порогового устройства при автоматическом определении типа пожара (низовой, верховой).
Второй температурный выключатель настроен на порог температуры 10-15°С, чтобы была возможность дистанционного контроля работоспособности датчика с началом пожароопасного сезона. В холодное время года, когда вероятность пожара близка к 0, второй температурный выключатель находится в разомкнутом состоянии и электроэнергия в датчике не расходуется, т.е. датчик находится в «спящем» режиме.
В пожароопасный период второй температурный выключатель подключает питание радиопередатчика периодически через таймер с управляемым ключом на очень короткое время что, с одной стороны, обеспечивает экономию заряда источника питания в режиме ожидания, а с другой стороны, радиопередатчик передает в эфир короткий сигнал, содержащий уникальный код датчика. Этот сигнал принимают в центре слежения, в котором устройство определения кода сигнала с управляемым ключом определяет по уникальному коду, содержащемуся в сигнале, месторасположение датчика и индицирует его работоспособность на общем пульте наблюдения. Если сигнал содержит только уникальный код датчика, то устройство определения кода сигнала с управляемым ключом оставляет ключ в разомкнутом состоянии и сигнал тревоги не подается. Дежурный оператор центра слежения при отсутствии индикации от каких-либо датчиков, размещенных на контролируемой территории, принимает решение о неработоспособности этих датчиков и вызывает ремонтную бригаду для их замены.
Таким образом, достигается технический результат, который заключается в дистанционном определении работоспособности датчиков до начала пожара и автоматическом определении типа пожара (низовой, верховой) при его раннем обнаружении и дальнейшем наблюдении.
На фиг. 1 представлена схема датчика системы раннего обнаружения и определения типа лесного пожара.
На фиг. 2 представлена схема системы раннего обнаружения и определения типа лесного пожара.
Система раннего обнаружения и определения типа лесного пожара содержит n датчиков 1 (Дi), каждый их которых содержит первый температурный выключатель 2, первый выход которого соединен с источником питания 3, а второй выход связан с первым входом электропитания радиопередатчика 4 (П), выход которого соединен с радиопередающей антенной 5, и первый выход второго температурного выключателя 6 соединен с источником питания 3, а второй выход подключен к входу таймера с управляемым ключом 7 (ТК), выход которого связан с первым входом электропитания радиопередатчика 4 (П), второй вход которого подключен к выходу усилителя 8 (У), первый вход электропитания которого соединен со вторым выходом первого температурного выключателя 2, а второй вход связан с выходом акустического сенсора 9.
Устройство управления в центре слежения 10 (УУЦС) содержит радиоприемную антенну 11, которая подключена к входу приемника радиосигнала 12 (ПР), выход которого соединен со входом аналого-цифрового преобразователя 13 (АЦП), выход которого связан с первым и вторым входом устройства определения кода сигнала с управляемым ключом 14 (УОК), выход которого соединен с входом звуковоспроизводящего устройства 15 (ЗВУ) и с входом вычислителя спектра Фурье 16 (ВСФ), выход которого связан со входами сумматора амплитуд низких частот 17 (СНЧ) и сумматора амплитуд высоких частот 18 (СВЧ), выходы которых подключены соответственно к первому и второму входу вычитающего устройства 19 (ВУ), выход которого связан со входом порогового устройства 20 (ПУ).
Датчики 1 (Дi) размещены на контролируемой территории вокруг устройства управления в центре слежения 10 (УУЦС), так что радиопередающая антенна 5 каждого датчика 1 (Дi) расположена на ближайшем от него дереве, а акустический сенсор 9 и температурные выключатели 2 и 6 - на поверхности или внутри лесной подстилки, причем передатчик 4 (П) и источник питания 3 размещен в земле на глубине 5-10 см.
Перечисленные элементы системы раннего обнаружения и определения типа лесного пожара могут быть реализованы на базе типовых интегральных микросхем и электронных компонент. В качестве радиопередатчика 4 (П) и приемника радиосигналов 12 (РП) могут быть использованы модули, представленные в публикации (J. Solobera, "Detecting Forest Fires using Wireless Sensor Networks," Libelium World, опубл. 04.10.2010, URL: http://www.libelium.com/wireless_sensor_networks_to_detec_forest_fires/). Эти модули функционируют по существующим Международным протоколам, легко комплексируются с другими цифровыми устройствами и выпускаются в различных вариантах с дальностью действия от 500 м до 40 км, работающих в частотных диапазонах от 868 МГц до 2,4 ГГц, разрешенных в РФ (Решения ГКРЧ №05-10-02-001 от 28 ноября 2005 г. и №15-35-10 от 16 октября 2015 г.).
Система раннего обнаружения и определения типа лесного пожара работает следующим образом. Второй температурный выключатель 6 настроен на порог температуры 10-15°С, чтобы была возможность контроля работоспособности датчика с началом пожароопасного сезона. При этом второй температурный выключатель 6 подключает питание к первому входу электропитания радиопередатчика 4 (П) через таймер с управляемым ключом 7 (ТК) на очень короткое время периодически (например, 1-2 раза в сутки), что обеспечивает экономию заряда источника питания 3 в режиме ожидания. Радиопередатчик 4 (П) передает в эфир короткий сигнал, содержащий уникальный код датчика, в виде электромагнитного излучения через радиопередающую антенну 5. Этот сигнал принимает устройство управления в центре слежения 10 (УУЦС) через радиоприемную антенну 11 в приемник радиосигнала 12 (ПР), который преобразует электромагнитное излучение в электрический сигнал и передает его через аналого-цифровой преобразователь 13 (АЦП) в устройство определения кода сигнала с управляемым ключом 14 (УОК) в цифровой форме. Устройство определения кода сигнала с управляемым ключом 14 (УОК) определяет по уникальному коду, содержащемуся в сигнале, месторасположение датчика 1 (Дi) и индицирует его работоспособность на общем пульте наблюдения (на схеме не показан). Если сигнал содержит только уникальный код датчика, то устройство определения кода сигнала с управляемым ключом 14 (УОК) оставляет ключ в разомкнутом состоянии и далее сигнал не передается. Дежурный оператор центра слежения при отсутствии индикации от каких-либо датчиков 1 (Дi) принимает решение о неработоспособности этих датчиков и вызывает ремонтную бригаду для их замены.
В холодное время года, когда вероятность пожара близка к 0, второй температурный выключатель 6 находится в разомкнутом состоянии и электроэнергия в датчике не расходуется, т.е. датчик находится в «спящем» режиме. В это время устройство управления в центре слежения 10 (УУЦС) также отключают, чтобы не расходовать энергетические и трудовые ресурсы.
При наступлении пожароопасного периода (или немного ранее) устройство управления в центре слежения 10 (УУЦС) включают, при этом в первую очередь контролируют работоспособность всех датчиков 1 (Дi) и заменяют те датчики, от которых не поступил сигнал с уникальным кодом датчика.
В случае возникновения лесного пожара в зоне расположения датчика 1 (Дi) в первом температурном выключателе 2 замыкается электрическая цепь с помощью биметаллической пластины внутри (при повышении температуры выше порогового значения, например, до 60-70°С). Напряжение источника питания 3 через замкнутую первым температурным выключателем 2 цепь подается на первый вход электропитания радиопередатчика 4 (П), который формирует код тревоги и вместе с уникальным кодом датчика начинает транслировать их в эфир на выделенной частоте (по радиоканалу) вместе с показаниями акустического сенсора 9, который измеряет звуковое давление в зоне пожара (шум), преобразует его в электрический сигнал, который через усилитель 8 (У) подается на второй вход радиопередатчика 4 (П). Радиоприемная антенна 11 устройства управления в центре слежения 10 (УУЦС) принимает это электромагнитное излучение, передает его на вход приемника 12 (ПР), который преобразует электромагнитное излучение в электрический сигнал и передает его через аналого-цифровой преобразователь 13 (АЦП) в устройство определения кода сигнала с управляемым ключом 14 (УОК) в цифровой форме. Устройство определения кода сигнала с управляемым ключом 14 (УОК) определяет по уникальному коду датчика его расположение на местности, а по коду тревоги, содержащемуся в сигнале, индицирует другим цветом обозначение датчика на общем пульте наблюдения (на схеме не показан). Также при наличии кода тревоги в сигнале устройство определения кода сигнала с управляемым ключом 14 (УОК) замыкает имеющийся в нем нормально разомкнутый ключ. Электрический сигнал в цифровой форме, содержащий значения амплитуды звукового давления от шума пожара, поступает на вход звуковоспроизводящего устройства 15 (ЗВУ), которое воспроизводит шум в акустической форме для оператора центра слежения. Также этот сигнал подается на вход вычислителя спектра Фурье 16 (ВСФ), который производит вычисление спектра этого шума по формуле (1). Вычисленный спектр подается на два сумматора: амплитуд низких частот 17 (СНЧ) и амплитуд высоких частот 18 (СВЧ), каждый из которых суммирует амплитуды частот спектра только в определенно заданном диапазоне. Например, 100-600 Гц для сумматора амплитуд низких частот 17 (СНЧ) и 1000-1500 Гц для сумматора амплитуд высоких частот 18 (СВЧ).
Суммы амплитуд частот спектра шума лесного пожара в указанных диапазонах отличаются в несколько раз для верхового пожара и имеют одинаковый порядок для низового пожара. Эти значения поступают на входы вычитающего устройства 19 (ВУ), которое вычисляет разность этих сигналов и подает ее на вход порогового устройства 20 (ПУ), которое при превышении заданного значения порога индицирует на общем пульте наблюдения «Верховой пожар» или «Низовой пожар», если заданный порог не превышен. Такой режим работы датчика можно назвать «рабочим», т.к. датчик расходует энергию источника питания 3 на передачу большого количества акустических данных. Однако это оправдано, т.к. датчик уже находится в зоне пожара и велика вероятность, что он вскоре сгорит, а передаваемые им акустические данные несут ценную информацию, по которой в центре слежения определяют тип пожара (низовой, верховой) и могут принять соответствующие этому типу меры.
После обнаружения пожара система раннего обнаружения и определения типа лесного пожара позволяет продолжать наблюдения за ним путем обработки информации, поступающей от других датчиков 1 (Дi), вплоть до вычисления скорости распространения пожара, площади охвата леса пожаром и изменения его типа (с низового на верховой).
Таким образом, предлагаемое устройство позволяет обнаруживать место возникновения пожара и автоматически определять тип пожара (низовой, верховой) на ранней стадии его возникновения.