СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО ПОЖАРОТУШЕНИЯ И АВТОМАТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF AUTOMATIC FIRE EXTINGUISHING AND AUTOMATIC SYSTEM FOR ITS REALISATION

Изобретение относится к автоматическим системам пожаротушения, а именно к техническим средствам управления устройствами подачи огнетушащего вещества на основе определения пространственных координат очага возгорания.
Известно телевизионное устройство определения дальности до объекта, описанное в патенте РФ №2013025, H04N 13/18, опубликованном 15.05.1994 г. Это устройство содержит планку с контрастными наконечниками, телевизионный датчик, синхрогенератор, первый и второй амплитудные селекторы, цифровой координатор, первую и вторую стойки, поворотный блок, анализатор сигнала, ламповый индикатор, цифровой индикатор, два коммутатора, блок вычитания. Для определения дальности оператору требуется установить телевизионный датчик поочередно справа и слева от планки с контрастными наконечниками, совместить наконечники с маркерной линией и зафиксировать максимальный размер контрастного наконечника. Максимальный размер фиксируется тогда, когда центральная ось объектива телевизионного датчика перпендикулярна вертикальной плоскости, проходящей через планку с контрастными наконечниками. Таким образом, существенным недостатком данного устройства является большое время определения дальности.
Для уменьшения времени определения дальности в данном устройстве можно использовать одновременно два телевизионных датчика по обе стороны планки с контрастными наконечниками, однако при этом для осуществления измерений потребуется участие двух операторов и, соответственно, в два раза должно быть увеличено количество аппаратуры.
Кроме того, использование контрастных наконечников затрудняет использование данного телевизионного устройства определения дальности на объектах различной сложности, в частности в производственных помещениях с установленным в них оборудованием, перекрывающим поле зрения телевизионного датчика.
Известен телевизионный дальномер, описанный в патенте РФ №2096809, H04N 7/18, опубликованном 20.11.1997 г. Время определения дальности до объекта данным телевизионным дальномером меньше, чем у предыдущего. Достигается это с помощью двух блоков последовательно соединенных линий задержек, двух контрольных селекторов, координаторов, вычитателя и дешифраторов. Дальность определяется по временному рассогласованию между двумя сигналами от измеряемого объекта, которое обратно пропорционально дальности.
Блоки линий задержек в телевизионном дальномере необходимы, чтобы расположить на одной строке маркерные метки, которые могут сместиться в поле зрения передающих трубок. Таким образом, с помощью данных блоков осуществляется автоматическая регулировка, что позволяет избежать расхождения по строкам в связи с прогибанием базы, вибрацией, качкой, изменением температуры и влажности, а также после замены передающих трубок объективов.
Однако телевизионный дальномер вычисляет лишь дальность до объекта, но не вычисляет его пространственные координаты. Более того, для увеличения точности измерения дальности при малой базе необходимо использовать осциллограф, отображающий временное рассогласование между двумя сигналами, что приводит к определенным неудобствам в использовании данного устройства.
Известна многоканальная система наведения, представленная в патенте РФ №2199709, F41G 7/26, опубликованном 27.02.2003 г., предназначенная для многоканальных обзорно-поисковых систем, осуществляющих обнаружение цели в контролируемой зоне. Данная система включает в себя, по меньшей мере, два канала обнаружения, один из которых выполнен телевизионным, а другой - инфракрасным, а также лазерный дальномер, содержащий последовательно расположенные источник излучения, первое и второе плоские зеркала с приводом вращения каждое и объектив.
Недостатком данного устройства, препятствующим его применению для систем пожаротушения, является то, что оно дает возможность вычислять координаты объекта не в пространстве, а только на плоскости, совпадающей с местоположением объекта, причем объект должен обладать определенной плотностью, чтобы отражать излучение лазерного источника.
Известна также роботизированная установка пожаротушения по патенту РФ №2128536, А62С 37/00, опубликованному 10.04.1996 г. В данной установке для наведения ствола на очаг возгорания используется устройство обнаружения загорания, выполненное в виде телекамеры с фильтром, с углом обзора по всей защищаемой площади. Особенность этой установки заключается в том, что телекамера установлена на стволе пожарного монитора таким образом, что ее оптическая ось сориентирована в направлении подачи огнетушащего вещества.
При поступлении информации от системы пожарной сигнализации об очаге возгорания оптическая ось телекамеры наводится на очаг возгорания.
Световой поток, предварительно отселектированный фильтром в частотной области излучения пламени, преобразуется в телекамере в видеосигнал, который поступает на видеокоммутатор. Видеосигнал поступает на устройство захвата изображения и анализируется программным путем в процессоре ПЭВМ. Далее формируются управляющие команды по наведению ствола на очаг загорания. Ствол разворачивается в сторону очага возгорания до совмещения оптической оси телекамеры с центром очага возгорания. Процессор формирует команду на привод насадка на открытие подачи огнетушащего вещества при заданном угле распыла, и производится тушение пожара.
Реализуемый в указанной установке способ обнаружения очага возгорания имеет ряд недостатков. В частности, в установке использована однокамерная система, которая дает возможность вычислять только направление на очаг возгорания, но не определяет дальность до него, т.е. не вычисляется угол, на который необходимо повернуть пожарный ствол по вертикали, чтобы струя огнетушащего вещества максимально прицельно накрывала пламя в очаге. При этом расходование огнетушащей среды осуществляется неэффективно, т.к. ее распыление производится по всей площади защищаемой зоны.
Кроме того, при наличии препятствия между стволом пожарного монитора и очагом возгорания, например крупногабаритного оборудования или перегородки, установленная на стволе телевизионная камера не сможет навести ствол. К тому же при тушении очага возгорания невозможно контролировать процесс его устранения с помощью телекамеры, установленной на стволе, т.к. в процессе тушения очага возгорания объектив телекамеры загрязняется частицами распыленного огнетушащего вещества, которое, в то же время, закрывает обзор телекамеры.
Кроме того, известная система не позволяет управлять наведением одновременно нескольких пожарных стволов.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемой системе является способ автоматического пожаротушения и автоматическая система пожаротушения по патенту РФ №2046613, А62С 35/11, А62С 37/40, опубликованному 27.10.1995 г., выбранному в качестве прототипа.
Согласно способу автоматического пожаротушения, включающему определение источника пламени в защищаемой зоне, подачу и распыление струи огнетушащей среды в направлении источника пламени с одновременным возвратно-поступательным перемещением струи в двух взаимно перпендикулярных направлениях, перед подачей огнетушащей среды определяют координаты границ пламени, а направление подачи и амплитуду возвратно-поступательного перемещения струи выбирают соизмеримой с расстоянием между границами пламени.
Автоматическая система пожаротушения содержит лафетный ствол для распыления огнетушащей среды, установленный с возможностью перемещения в двух взаимно перпендикулярных направлениях, первый и второй приводные двигатели для перемещения лафетного ствола, средства подачи огнетушащей среды в лафетный ствол, блок управления, связанный с приводными двигателями и с входом управления средств подачи огнетушащей среды в лафетный ствол, средства обнаружения и наведения, выполненные в виде датчика обнаружения пламени и датчика цели, жестко установленного на лафетном стволе соосно с ним.
При этом система снабжена датчиками перемещения ствола в первом и втором направлениях, подключенными к соответствующим входам блока управления, дополнительно оснащенного элементом сравнения, программным блоком с памятью, соединенным с элементом сравнения, и блоком определения амплитуды возвратно-поступательного перемещения лафетного ствола в функции координат источника пламени, подключенным к памяти программного блока, а выходы датчиков обнаружения пламени, датчика цели и датчиков перемещения ствола в первом и втором направлениях связаны с блоком управления через элемент сравнения.
В качестве датчика цели может быть использован любой датчик, способный выдавать электрический сигнал при возникновении пожара в этой узкой рабочей зоне, в частности оптико-электрический датчик, однако возможно также использование телекамер инфракрасного диапазона.
При реализации известного способа сначала с помощью датчика обнаружения пламени определяют наличие источника возгорания в защищаемой зоне, затем вычисляют координаты границ пламени, с помощью датчика цели наводят лафетный ствол на очаг возгорания и включают подачу огнетушащей среды, а направление подачи и амплитуду возвратно-поступательного перемещения струи регулируют (изменяют) в пределах координат границ пламени. При этом, как уже было упомянуто выше, координаты границ пламени вычисляют не в пространстве, а только на плоскости, в виде прямоугольной зоны, совпадающей с местоположением источника пламени, в границах которой будет осуществляться пожаротушение. Такой подход не позволяет достоверно оценить масштабы очага возгорания в трех измерениях, а размещение датчика цели на лафетном стволе приводит к снижению эффективности распыления огнетушащего вещества из-за низкой прицельности его подачи.
К тому же, как и в предыдущей системе, если между стволом пожарного монитора, на котором жестко установлен датчик цели, и очагом возгорания имеется какое-либо препятствие, например перегородка или промышленное оборудование, то более или менее точное наведение ствола становится вообще невозможным, так же как и контроль за происходящим в очаге возгорания, т.к. в процессе тушения распыляемое огнетушащее вещество загрязняет объектив оптической системы датчика и закрывает его обзор, в результате чего огнетушащие средства расходуются неэффективно, покрывая всю площадь в пределах вычисленных координат границ пламени, хотя очаг возгорания мог уже локализоваться или переместиться.
Указанные недостатки устраняются заявляемым способом автоматического пожаротушения и автоматической системой для его осуществления.
Изобретение решает задачу создания автоматической системы пожаротушения, позволяющей с большой достоверностью обнаруживать местоположение и границы очага возгорания и эффективно тушить его за счет максимальной прицельности подачи огнетушащего вещества.
Технический результат от использования изобретения заключается в повышении достоверности и точности определения пространственных координат очага возгорания для прицельного наведения устройства подачи огнетушащего вещества, а также в повышении эффективности расходования огнетушащих средств.
Для достижения технического результата согласно способу автоматического пожаротушения, включающему определение наличия источника пламени на контролируемой территории с помощью средств обнаружения, определение координат границ пламени, подачу и распыление струи огнетушащей среды в направлении источника пламени с возможностью регулирования направления подачи и амплитуды возвратно-поступательного перемещения струи в зависимости от координат границ пламени, в качестве средств обнаружения используют по меньшей мере две телевизионные камеры, размещают их в пределах контролируемой территории произвольно по отношению к стволам пожарных мониторов, вычисляют пространственные координаты мест расположения телевизионных камер и стволов пожарных мониторов, заносят их в память компьютера, координаты границ пламени вычисляют в виде пространственных координат в зависимости от координат расположения телевизионных камер, а углы разворота лафетных стволов вычисляют в зависимости от их расстояния до границ пламени с учетом сил гравитации.
В автоматической системе пожаротушения согласно изобретению, содержащей по меньшей мере один пожарный монитор с лафетным стволом, снабженным приводами вертикального и горизонтального наведения для ориентировки его в направлении подачи огнетушащего вещества, средства подачи огнетушащей среды в лафетный ствол, устройство обнаружения, подключенное к устройству обработки и управления, выполненному на базе ЭВМ, и пульт оператора, устройство обнаружения выполнено в виде по меньшей мере двух телевизионных камер, расположенных в пределах контролируемой территории отдельно от стволов пожарных мониторов и на произвольном расстоянии по отношению к ним, а приводы вертикального и горизонтального наведения стволов подключены к устройствам обработки и управления через контроллеры. При этом предпочтительно, чтобы телевизионные камеры были расположены на высоте, максимально возможной для условий контролируемой территории.
Кроме того, телевизионные камеры выполнены двухканальными, включая инфракрасный канал и видеоканал.
Кроме того, устройство обработки и управления включает последовательно соединенные плату видеозахвата, ЭВМ и плату расширения портов ввода-вывода, выходы которой подключены ко входам контроллеров приводов вертикального и горизонтального наведения стволов и привода подачи огнетушащего вещества, а вход устройства соединен с выходами телевизионных камер.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена функциональная схема автоматической системы пожаротушения, на фиг.2 проиллюстрирован пример вычисления координат очага возгорания.
Как показано на чертежах, автоматическая система пожаротушения содержит n двухканальных телевизионных камер (ТВК1-TBKn) 1.1-1.n; устройство 2 обработки и управления; плату 3 видеозахвата; ЭВМ 4; плату 5 расширения портов ввода-вывода; пульт оператора 6; контроллеры 7.1-7.m приводов лафетных стволов m пожарных мониторов; лафетные стволы (ЛС1-ЛСm) 8.1-8.m пожарных мониторов.
В заявленной автоматической системе пожаротушения телевизионные камеры 1.1-1.n располагаются отдельно от стволов пожарных мониторов, произвольно по отношению к ним и на максимально возможной высоте, а их количество не связано с количеством пожарных мониторов. В качестве устройств подачи огнетушащего вещества используются лафетные стволы 8.1-8.m.
Для повышения достоверности обнаружения очага возгорания применяются телевизионные камеры 1.1-1.n, содержащие два канала: инфракрасный канал и видеоканал. При этом видеоканал позволяет оператору визуально контролировать защищаемый объект и процесс тушения очага возгорания, а инфракрасный канал дает возможность обнаружить очаг возгорания в инфракрасном диапазоне излучения, например, по изменениям тепловых характеристик среды на контролируемой территории, а также определить его координаты.
Устройство 2 обработки и управления предназначено для анализирования сигналов на выходах ТВК 1.1-1.n, вычисления координат очага возгорания и расстояния от очага возгорания до ближайшего к нему лафетного ствола, определения углов разворота лафетных стволов и передачи данной информации на контроллеры приводов их вертикального и горизонтального наведения и привод подачи огнетушащего вещества, а также формирования команды на прекращение подачи огнетушащего вещества и перемещение стволов в исходную позицию при отсутствии признаков горения в очаге.
Устройство 2 обработки и управления содержит последовательно соединенные плату 3 видеозахвата, ЭВМ 4, плату 5 расширения портов ввода-вывода, при этом входы устройства 2 подключены с выходами телевизионных камер 1.1-1.n, а выходы соединены со входами контроллеров 7.1-7.m приводов вертикального и горизонтального наведения стволов и привода подачи огнетушащего вещества, а также со входом пульта 6 оператора.
Плата 3 видеозахвата предназначена для переключения входов между телевизионными камерами 1.1-1.n, преобразования аналогового сигнала в цифровой, а также ввода полученных данных в ЭВМ 4. Плата 3 видеозахвата может быть выполнена, например, на базе процессора VFG7330ER фирмы «RTD».
ЭВМ 4 может иметь различную конфигурацию в зависимости от особенностей контролируемой территории, но предпочтительно должна быть выполнена в виде промышленной ЭВМ. С помощью ЭВМ 4 программным путем осуществляется обнаружение и вычисление координат очага возгорания как функции от пространственных координат мест расположения телевизионных камер 1.1-1.n, предварительно занесенных в память компьютера, вычисление расстояния от очага возгорания до ближайших лафетных стволов, вычисление углов разворота лафетных стволов с учетом сил гравитации, передача информации о развороте лафетных стволов на необходимые углы на контроллеры приводов. ЭВМ 4 может быть выполнена, например, на базе процессора СРС-500.
Плата 5 расширения портов ввода-вывода предназначена для передачи информации (управляющих сигналов) на контролеры 7.1-7.m приводов вертикального и горизонтального наведения лафетных стволов 8.1-8.m и привод подачи огнетушащего вещества, а также на пульт оператора 6 и может быть выполнена, например, на базе процессора РСМ-3614 фирмы «Advantec».
Приводы вертикального и горизонтального наведения лафетных стволов и привод подачи огнетушащего вещества на чертеже не показаны.
Пульт оператора 6 представляет собой видеомонитор и соответствующие периферийные устройства, в частности устройство типа «мышь» или джойстик.
Контроллеры 7.1-7.m лафетных стволов предназначены для управления лафетными стволами 8.1-8.m с помощью встроенного программного обеспечения и могут быть выполнены, например, на базе контроллера AVR фирмы Atmel.
Способ автоматического пожаротушения осуществляют следующим образом.
Телевизионные камеры 1.1-1.n размещают в пределах контролируемой территории отдельно от стволов пожарных мониторов и на произвольном расстоянии по отношению к ним, вычисляют пространственные координаты мест расположения телевизионных камер ТВК1-TBKn и лафетных стволов ЛС1-ЛСm пожарных мониторов и заносят их в память компьютера (ЭВМ 4).
С помощью средств обнаружения и наведения, выполненных в виде по меньшей мере двух телевизионных камер 1.1-1.n, определяют наличие источника пламени на контролируемой территории, с помощью ЭВМ 4 определяют (вычисляют) в трехмерном виде (т.е. в виде пространственных координат) координаты границ пламени в зависимости от координат расположения телевизионных камер, а также расстояние от очага возгорания до ближайших лафетных стволов, а затем вычисляют углы разворота лафетных стволов, после чего производят подачу и распыление струи огнетушащей среды в направлении источника пламени, при необходимости регулируя направление подачи и амплитуду возвратно-поступательного перемещения струи в зависимости от координат границ пламени.
При этом углы разворота лафетных стволов вычисляют в зависимости от их расстояния до границ пламени с учетом сил гравитации.
Работа автоматической системы пожаротушения осуществляется следующим образом.
Двухканальные телевизионные камеры 1.1…1.n передают информацию на плату 3 видеозахвата устройства 2 обработки и управления, где аналоговый видеосигнал преобразуется в цифровую форму и передается в ЭВМ 4. ЭВМ 4 идентифицирует очаг возгорания по следующим признакам горения:
- изменение яркости очага горения (мерцание);
- изменение площади очага горения.
На основе полученной информации ЭВМ 4 производит вычисление координат очага возгорания в единой системе координат, где известны предварительно вычисленные и внесенные в память компьютера координаты мест расположения ТВК 1.1…1.n и лафетных стволов 8.1…8.m, а также вычисляет дальность от каждого пожарного ствола до очага возгорания, а затем для каждого ствола вычисляется угол, на который необходимо поднять пожарный ствол по вертикали, и требуемый угол разворота пожарного ствола по горизонтали.
Параметры наведения выдаются через плату 5 расширения портов ввода-вывода одновременно на несколько контроллеров 7.1-7.m приводов для наведения лафетных стволов 8.1-8.m на очаг возгорания.
За время наведения лафетных стволов 8.1…8.m ЭВМ 4 производит вычисление динамических параметров очага возгорания, т.е. изменение средней яркости очага горения (температуры) и изменение площади очага горения, задает с запасом площадь, на которой будет производиться тушение очага возгорания.
По достижении лафетными стволами 8.1…8.m соответствующего положения ЭВМ 4 формирует команду на открытие привода подачи огнетушащего вещества, и производится тушение очага возгорания.
При отсутствии признаков возгорания формируются команды на закрытие подачи огнетушащего вещества и перемещение стволов в исходную позицию.
Информация об очаге возгорания также передается с платы 5 расширения портов ввода-вывода на пульт оператора 6. Благодаря видеоканалу, присутствующему в двухканальной телевизионной камере, оператор может визуально контролировать работу системы и в случае необходимости вмешиваться в процесс тушения очага возгорания. За счет того что телевизионные камеры располагаются отдельно от лафетных стволов, объективы камер не загрязняются огнетушащим веществом в процессе тушения очага возгорания.
Количество двухканальных телевизионных камер, необходимое для предлагаемой системы пожаротушения, зависит от площади и сложности защищаемого объекта и не связано с количеством пожарных стволов. Однако следует заметить, что для определения координат очага возгорания необходимо использовать как минимум две двухканальные телевизионные камеры.
Для пояснения вычисления координат очага возгорания рассмотрим следующий пример.
Пусть две телевизионные камеры расположены на некотором расстоянии друг от друга и на разной высоте, а также отдельно от лафетных стволов (фиг.2). Координаты телевизионной камеры 1 обозначим как К1(x1,y1,z1), координаты камеры 2 - К2(x2,y2,z2), координаты лафетного ствола ЛС1 - C1(x3,y3,z3), координаты лафетного ствола ЛС2 - C2(x4,y4,z4).
Имеется очаг возгорания Р, координаты которого P(xp,yp,zp) необходимо определить, при известных координатах телекамер К1, К2 и лафетных стволов С1 и С2.
Решение: для камеры К1 координата x1=0, для камеры К2 координата z2=0.
Построим проекции прямых K1P, K2P и углов поля зрения телевизионных камер на плоскость XZ.
Проекция прямой К1Р и проекция угла поля зрения телевизионной камеры К1 на плоскость XZ образуют между собой угол α1.
Проекция угла поля зрения телевизионной камеры К1 образует с прямой ОХ на плоскости XZ угол β1. Для телевизионной камеры К2 проекции будут образовывать углы соответственно α2 и β2.
Уравнение прямой z1P: z1-zp=xp·tg(α1+β1).
Уравнение прямой х2Р: zp=(x2-xp)·tg(α2+β2).
Координаты расположения объекта Р находятся как решение системы уравнений:
Решение имеет вид:
Координаты объекта Р:
При известных координатах очага возгорания P(xp,yp,zp) и лафетных стволов C1(x3,y3,z3), C2(x4,y4,z4) вычислим дальность от лафетных стволов С1, С2 до очага возгорания Р. Для этого построим проекции прямых C1P и С2Р, тогда для лафетного ствола 1 дальность D1 будет равна:
Для лафетного ствола 2 дальность D2:
Таким образом, зная координаты расположения двухканальных телевизионных камер и координаты лафетных стволов, можно вычислить пространственные координаты очага возгорания, дальность от очага возгорания до лафетных стволов, а также вычислить необходимые углы разворота лафетных стволов для их правильного наведения на очаг возгорания и задать вертикальный угол места с учетом сил гравитации, обеспечивая прицельную подачу пеногасящей смеси точно на очаг возгорания.
Использование заявленного изобретения позволяет оперативно обнаружить и с высокой точностью и достоверностью определить координаты границ очага возгорания, а затем навести и включить локальные средства пожаротушения, что увеличивает эффективность тушения очага возгорания за счет того, что телевизионные камеры расположены отдельно от устройств подачи огнетушащего вещества произвольно по отношению к ним, вследствие чего их можно размещать на объекте любой сложности и контролировать все труднодоступные зоны, в том числе при наличии на территории различного рода препятствий и производственного оборудования. Использование двухканальных телевизионных камер позволяет производить мониторинг объекта в инфракрасном и в видимом диапазоне, при этом наличие видимого диапазона телевизионной камеры позволяет оператору визуально контролировать процесс тушения очага возгорания. Кроме того, с помощью заявленного устройства возможно управление работой одновременно нескольких пожарных стволов.