СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО КООРДИНАТНОГО ОБНАРУЖЕНИЯ ОЧАГОВ ВОЗГОРАНИЙ
METHOD FOR AUTOMATIC COORDINATE DETECTION OF FIRES

Способ служит для автоматического обнаружения очагов возгораний, расчета и определения двухмерных координат очагов возгорания на защищаемой площади.
Существующие традиционные автоматические системы обнаружения на основе точечных тепловых, дымовых или газовых пожарных извещателей не позволяют с заданной точностью и инерционностью определять местоположение очага пожара в помещениях:
- для реализации координатного обнаружения пожара внутри помещения такие системы должны строиться по адресному принципу, где разрешающая способность зависит от количества извещателей (для обеспечения высокой точности необходимо большое количество извещателей, что усложняет и удорожает систему);
- топологическая сложность масштабирования систем координатного обнаружения пожара на основе точечных извещателей.
Одним из типов извещателей, обладающих высокой эффективностью (быстродействием) обнаружения пожара на начальной фазе пламенного горения по сравнению с другими средствами обнаружения, являются извещатели пламени, работающие в инфракрасном (ИК) и/или ультрафиолетовом (УФ) оптическом спектре.
Современные традиционные извещатели пламени имеют довольно высокую чувствительность и соответственно большую дальность действия и значительную защищаемую площадь (патенты RU 2300807, RU 114547, RU 114386, RU 2296370). Однако такие извещатели не обладают возможностью идентификации местоположения и определения количества очагов пламени.
Для определения угловых координат положения очагов возгорания применяются извещатели пламени с матричной структурой чувствительного элемента. Известен извещатель пламени FlameVision «TYCO» (патенты US 6528788, US 6476859, US 6818893) с чувствительным элементом, состоящим из массива одноэлементных узконаправленных ИК датчиков (пикселей), образующих прямоугольную зону обнаружения в виде решетки 16×16 ячеек с диаграммой направленности 90° в горизонтальной плоскости и 80° - в вертикальной.
Однако точность координатного обнаружения в таких устройствах зависит от разрешения чувствительного элемента (числа пикселей на единицу площади).
Другим способом определения координат очага пожара в помещении является использование сканирующего метода, заключающегося в анализе пространства контролируемого помещения путем поэлементного просмотра и оценки интенсивности излучения очага пламени при перемещении мгновенного поля зрения (диаграммы направленности) по полю обзора извещателя.
Широко используемые для защиты объектов общественного и производственного назначения роботизированные установки пожаротушения (РУП «Страж» патент RU 63692; «ЭФЭР» патенты RU 2677622, RU 2424837; RU 191628), выполненные на базе программно управляемых пожарных стволов (оросителей), используют принцип адресного обнаружения очага пожара на основе оптических ИК (инфракрасных) датчиков пламени с узким углом обзора (от 3 до 12 град).
В таких установках сканирование защищаемой зоны (определение углового направления расположения очага относительно пожарного робота) производится за счет автоматического перемещения пожарного ствола, на котором установлен датчик пламени (при этом оптическая ось совпадает с направлением подачи огнетушащего вещества), по заданной траектории.
Такой подход требует использования дополнительных средств пожарной сигнализации, контролирующих всю защищаемую зону и выдающих сигнал «Тревога» при возникновении пожара, поскольку ИК датчик имеет узкий угол обзора и используется только для автоматического наведения пожарного ствола на очаг возгорания по заданным координатам.
Кроме того использование ИК датчика подвержено воздействию внешних источников оптических помех (например, солнечное излучение, нагретые тела) и для уменьшения числа ложных срабатываний требуется применение дополнительных каналов обнаружения (ИК, УФ (ультрафиолетового) или Видео) и более сложных алгоритмов обработки сигналов, что существенно усложняет и удорожает конструкцию.
Целью изобретения является создание способа автоматического обнаружения очагов возгораний, обладающих новыми качествами:
- использование нового принципа построения сканирующих извещателей пламени;
- новый алгоритм детектирования и определения координат очага возгорания в помещении;
- возможность двухмерного координатного обнаружения сразу нескольких очагов возгораний;
- возможность маскирования (блокирования) отдельных секторов зоны обнаружения для исключения ложных срабатываний от известных источников помех, не являющихся пожаром;
- возможность реализации многоспектрального принципа обнаружения (в УФ и ИК диапазонах) очага возгорания для обеспечения высокой помехозащищенности к оптическим помехам;
- наличие функции самоконтроля, при которой проверяются все внутренние электронные и оптические цепи извещателей на работоспособность и исключаются ложные срабатывания.
Технический результат должен заключаться в обеспечении высокой точности и устойчивости к оптическим помехам при определении двухмерных координат одного и более мест расположения очагов в режиме реального времени.
Поставленная цель достигается созданием способа автоматического координатного обнаружения очагов возгораний, в котором выполняются следующие этапы:
- выбирают из технических средств обнаружения очагов возгораний, по меньшей мере, два извещателя пламени сканирующие с функцией определения координаты очага возгорания, выполненные каждый в виде цилиндрического корпуса с верхним прямоугольным основанием, посредством которого корпус соединен с наклонно-поворотным кронштейном, в передней части корпуса выполнен вырез, в вырезе установлено прозрачное окно в виде боковой поверхности цилиндра радиусом, равным радиусу цилиндрического корпуса, и длиной дуги, ограниченной максимальным углом обзора извещателя, внутри корпуса вблизи его центральной части установлен фотоприемник излучения, за прозрачным окном установлено поворотное устройство сканирования, представляющее собой вращающийся цилиндрический щелевой обтюратор с возможностью формирования засветки чувствительного элемента фотоприемника с сектором с углом раскрытия в горизонтальной плоскости значительно меньшим, чем максимальный угол обзора чувствительного элемента фотоприемника извещателя, в обтюраторе с противоположной стороны от щелевого зазора выполнен широкий секторный вырез, выполненный по форме окна, угол раскрытия секторного выреза выбран равным максимальному углу обзора чувствительного элемента и соответствует наиболее полному освещению фотоприемника, внутри корпуса в поперечном сечении за фотоприемником установлена печатная плата микропроцессорного блока с электронными элементами и с установленным соосно центральной оси корпуса электрическим приводом обтюратора, выполненного с возможностью посредством цифрового интерфейса обмениваться с автоматизированным рабочем месте оператора (АРМО), оснащенного компьютером с программным обеспечиваем (ПО) расчета двухмерных координат очага пожара, причем область максимальной спектральной чувствительности фотоприемника выполнена: для инфракрасных поддиапазонов: 1,4…1,5 мкм; для ультрафиолетового поддиапазона: 0.18…0.26 мкм.
- определяют точки размещения и количество извещателей, исходя из условий обеспечения обзора всего защищаемого объема помещения, с учетом углов обзора и направлений оптических осей извещателей;
- делят для каждого извещателя всю контролируемую зону обнаружения на N независимых секторов с учетом требуемой точности координации (зонной селективности обнаружения), при этом выполняют требование соответствия максимального угла обзора извещателя ϕ, разделенного на N равных независимых секторов с меньшим углом обзора ϕ, по формуле ϕ=β⋅N;
- контролируют каждым извещателем защищаемое пространство непрерывно в «Дежурном режиме» при отсутствии очага пожара с максимальным углом обзора ϕ фотоприемника в горизонтальной и вертикальной плоскостях;
- формируют первым сработавшим извещателем сигнал «Пожар» во внешнюю цепь при возникновении пламени в зоне обнаружения извещателя и переводят все извещатели в режим «Сканирование» для поиска каждым извещателем своего углового направления очага пожара;
- вращают щелевые обтюраторы извещателей, осуществляют оценку интенсивности излучения для каждого из N секторов обнаружения, определяют сектор с максимальным значением интенсивности поступающего излучения для каждого извещателя;
- фиксируют в памяти микропроцессорного блока управления каждого извещателя информацию о наличии каждого возгорания и угловом направлении обнаруженного сектора, в котором находится очаг пожара;
- обеспечивают по необходимости программное маскирование (блокирование) одного или нескольких секторов обнаружения для исключения ложных срабатываний от постоянного или вероятного присутствия естественных источников открытого излучения, не являющихся пожаром;
- обеспечивают высокую точность определения местоположения очага пожара и высокую помехозащищенность за счет реализации многоспектрального принципа обнаружения и двухмерного определения координат очага (по площади защищаемого помещения);
- считывают по цифровому интерфейсу информацию с каждого извещателя на автоматизированное рабочее место оператора (АРМО) и посредством программного обеспечения (ПО) компьютера рассчитывают двухмерные координаты положения очагов пожара.
Дополнительно при осуществлении способа:
- используют в фотоприемнике излучения каждого извещателя несколько оптических датчиков, регистрирующих электромагнитные излучения пламени в ультрафиолетовым (УФ) и/или инфракрасном (ИК) спектральных поддиапазонах;
- выполняют самотестирование работоспособного состояния, при котором проверяют все внутренние электронные и оптические цепи каждого извещателя в условиях кратковременного полного перекрывания всей области обзора.
Кроме того способ характеризуется тем, что посредством программного обеспечения (ПО) компьютера на автоматизированном рабочем месте оператора (АРМО) выполняют:
- сбор данных с каждого извещателя, а именно: текущее состояние работы, условный порядковый номер обнаруженного сектора, в котором находится очаг пожара;
- расчет границ зоны положения очага возгорания и координаты геометрического центра данной зоны (координаты положения очага пожара);
- возврат извещателей в «Дежурный режим»;
- графическое схематичное отображение плана защищаемого помещения, точек расположения, направлений оптических осей и условных границ N секторов обнаружения для каждого извещателя с возможностью программной настройки под конкретное защищаемое помещение;
- графическое отображение вероятной зоны очага возгорания и рассчитанных числовых значений двухмерных координат геометрического центра данной зоны в режиме реального времени.
Более подробно изобретение поясняется при помощи иллюстраций на фиг. 1 - фиг. 5.
Фиг. 1 Схема размещения извещателей в защищаемом помещении с указанием границ обзора по секторам и местоположения очага пожара;
Фиг. 2 Общий вид извещателя в режиме «Сканирование» спереди в ракурсе %;
Фиг. 3 Общий вид извещателя в режиме «Дежурный режим» спереди в ракурсе %;
Фиг. 4 Общий вид извещателя в режиме «Сканирование» снизу в ракурсе %;
Фиг. 5 Блок-схема автоматического координатного обнаружения очагов возгораний.
На фиг. 1 показано схематично расположение извещателей 1, 2 в границах защищаемого помещения 3 с условным изображениям очага возгорания 4, с изображением границ углов обзора 5 по N секторам каждого извещателя, с изображением заштрихованных границ секторов 6, в которых обнаружен очаг пожара.
Выбранный для осуществления способа каждый извещатель пламени сканирующий (фиг. 2 - фиг. 4) содержит установленное на наклонно-поворотном кронштейне 7 с возможностью ориентации в любом требуемом направлении прямоугольное основание 8 и закрепленный на нем цилиндрический корпус 9. На лицевой части корпуса установлено оптически прозрачное окно 10 в виде боковой поверхности цилиндра радиусом, равным радиусу цилиндрического корпуса, и длиной дуги, ограниченной максимальным углом обзора извещателя в горизонтальной плоскости. Окно 10 изготовлено из кварцевого стекла или лейкосапфира и обеспечивает возможность прохождения УФ и ИК излучений к чувствительному элементу извещателя. Корпус дополнительно снабжен окном для индикаторного светодиода 11, расположенным на лицевой части извещателя. Внутри корпуса вблизи его центральной оси установлен приемник (фотоприемник) излучения 12.
В корпусе за прозрачным окном установлено поворотное устройство сканирования, представляющее собой вращающийся цилиндрический щелевой обтюратор 13 для перекрывания потока излучения, падающего на фотоприемник. В боковой поверхности и нижнем основании обтюратора выполнен щелевой зазор 14, обеспечивающий формирование засветки чувствительного элемента приемника излучения сектором с углом раскрытия в горизонтальной плоскости значительно меньшим, чем максимальный угол обзора чувствительного элемента приемника излучения извещателя. При этом в обтюраторе с противоположной стороны от щелевого зазора имеется секторный вырез 15, выполненный по форме окна. Угол раскрытия секторного выреза выбирается равным максимальному углу обзора чувствительного элемента приемника излучения извещателя и соответствует открытому состоянию извещателя, при котором излучение пламени беспрепятственно попадает на фотоприемник. Внутри корпуса в поперечном сечении установлена печатная плата 16 с электронными элементами микропроцессорного блока. Обтюратор крепится на оси и приводится в движение с помощью электрического привода 17, установленного на печатной плате соосно центральной оси корпуса.
Блок-схема автоматического координатного очагов возгораний состоит из двух извещателей 1,2, соединенных посредством цифровых интерфейсов 18, 19 для обмена данными с АРМО 20.
Принцип работы извещателя сканирующего с функцией определения угловой координаты очага пожара пояснен планом, на котором показаны: места установки извещателей 1 и 2, границы защищаемого помещения 3, местоположение очага пожара 4, границы 5 секторов 6, в которых расположен очаг возгорания.
При включении печатной платы 16 с микропроцессорным блоком извещателя инициируется переход извещателя в «Дежурный» режим путем воздействия на электропривод обтюратора 17. Микропроцессорный блок осуществляет подачу электрического питания на фотоприемник 12.
При наличии в поле зрения фотоприемника источника открытого пламени, сигналы от фотоприемника поступают на вход микропроцессорного блока.
Микропроцессорный блок осуществляет обработку поступившего сигнала по заданному алгоритму. Если условия, заложенные в алгоритме, по надежному обнаружению очага пламени выполнены, микропроцессорный блок активирует режим «Сканирование», подавая сигнал на электропривод обтюратора.
В алгоритме работы извещателя вся область обзора оптического сенсора делится на некоторое фиксированное количество равных радиальных секторов, при этом импульсы, формирующиеся фотоприемником и соответствующие наличию очага пламени в зоне обнаружения, фиксируются для каждого сектора отдельно.
Обработка полученной информации об интенсивности излучения пламени по каждому сектору обнаружения в микропроцессорном блоке позволяет выделить одну или несколько областей в угловом представлении относительно оптической оси извещателя, в которых находится вероятный очаг возгорания.
Эти данные, как и информация о текущем режиме, сохраняются во внутренней памяти извещателя (микропроцессорном блоке) и считываются ПО компьютера АРМО 20 с помощью цифрового интерфейса 18 (19). Информация о режимах работы извещателя выдается однозначным образом с помощью светодиода 11.
Алгоритм работы извещателя заключается в определении углового направления положения очага пламени в горизонтальной плоскости помещения методом разбиения всей контролируемой зоны обнаружения с максимальным углом обзора ϕ на N равных независимых секторов с меньшим углом обзора β (фиг. 1) так, что ϕ=β⋅N.
Количество секторов N выбирается с учетом требуемой точности координации (зонной селективности обнаружения).
В «Дежурном режиме» при отсутствии очага пламени извещатель находится в открытом состоянии и непрерывно контролирует зону обнаружения с максимальным углом обзора ϕ в горизонтальной и вертикальной плоскостях.
При возникновении очага пламени в зоне обнаружения извещателя формируется сигнал «Пожар», после чего извещатель переходит в режим «Сканирование» защищаемой зоны для поиска углового направления положения очага возгорания.
В режиме «Сканирование» извещатель последовательно осуществляет оценку интенсивности излучения от очага пламени для каждого из N секторов обнаружения и определяет сектор с величиной интенсивности поступающего излучения, превышающей фиксированное пороговое значение.
Информация о наличии возгорания и радиальном направлении обнаруженного сектора, в котором находится очаг пламени, сохраняется в памяти каждого извещателя и считывается по цифровому интерфейсу ПО в компьютер АРМО.
Обнаружение и извещение о пожаре, выполненные на основе секторальной селективности позволяют обнаруживать и определять угловые координаты сразу нескольких очагов пожара, находящихся в различных секторах. Кроме того, имеется возможность программного маскирования (блокирования) одного или нескольких секторов обнаружения для исключения ложных срабатываний от постоянного или вероятного присутствия естественных источников открытого пламени, не являющихся пожаром.
Дополнительную функцию самоконтроля работоспособного состояния, при которой проверяются все внутренние электронные и оптические цепи извещателя осуществляют по принципу самотестирования, который заключается в том, что в момент срабатывания извещателя и выдачи сигнала «Пожар» (до начала процесса сканирования) происходит кратковременное полное перекрывание всей области обзора извещателя и проверяется отсутствие сигнала с чувствительного элемента с целью исключения ложноположительных срабатываний извещателя из-за выхода из строя чувствительного элемента.
Алгоритм работы автоматической системы двухмерного координатного обнаружения очага возгорания построен по принципу последовательного считывания с каждого извещателя 1, 2 состояния работы, определения условного порядкового номера сектора обзора, в котором обнаружен очаг 4, и принятия решения на основе области пересечения секторов 6 посредством программы (на АРМО 20, в соответствии с которой автоматически вычисляют двухмерные коодинаты месторасположения очага возгорания 4).
Сбор данных с каждого извещателя, обработка информации о пожаре (динамично развивающемся процессе) происходят в режиме реального времени, автоматически посредством ПО компьютера АРМО, что позволяет обеспечивать высокую точность определения местоположения очага, причем за счет реализации многоспектрального принципа обнаружения в УФ и ИК диапазонах обеспечивается высокая помехозащищенность по отношению к оптическим помехам.
ПО способа позволяет посредством компьютера визуализировать положение очага возгорания и динамику развития пожара, что дает дополнительную возможность объективно и точно оценивать пожарную опасность, оперативно принимать меры по устранению опасности.