Способ автоматического обнаружения начальных стадий пожаров в помещениях пожароопасных объектов, содержащих тепловыделяющее оборудование
METHOD OF AUTOMATIC DETECTION OF INITIAL STAGES OF FIRES IN PREMISES OF HAZARD LOCATIONS CONTAINING HEAT-GENERATING EQUIPMENT

Настоящее изобретение относится к способам обеспечения пожарной безопасности в помещениях пожароопасных объектов, содержащих тепловыделяющее оборудование, и может быть использовано в судостроении, в частности в судовых системах пожарной и температурно-тревожной сигнализации для обнаружения пожаров на начальных этапах их развития.
Известны различные способы обнаружения начальных этапов пожаров:
- способ обнаружения пожарной опасности и пожара в помещении судна (патент РФ №2179470) и расширяющий область его применения для герметичных отсеков способ обнаружения пожарной опасности в отсеке подводной лодки (патент РФ №2573305), который заключается в том, что осуществляют контроль процентного содержания кислорода в воздушной среде отсека подводной лодки и при повышении процентного содержания кислорода выше установленного значения определяют зоны, где возможен контакт горючего вещества и источника зажигания, температура которого достаточна для начала возгорания горючего вещества при текущем повышенном процентном содержании кислорода, и сигнализируют об этом как о возникновении пожарной опасности;
- способ обнаружения пожара и интеллектуальная станция управления для осуществления способа (патент РФ №2344859). Способ состоит в постоянном выделении факторов пожарной опасности среды контролируемого объекта, преобразовании выделенных факторов в массив оцифрованных данных, сопоставлении этого массива данных с массивом априорных данных, классификации полученных результатов сопоставления в соответствии с экстремумами и выработке, в зависимости от класса опасности, управляющего сигнала. Технический результат достигается за счет непрерывного сравнения совокупности текущих информативных параметров с массивом совокупностей заданных информативных параметров, причем управляющий сигнал на тушение вырабатывается только при условии максимального совпадения совокупности текущих информативных параметров с одной из совокупностей заданных информативных параметров. Сравнение с массивом заданных совокупностей осуществляют путем вычисления зависимости (функции) текущих величин информативных параметров, развитие которых приводит к возникновению определенного типа пожара, и которую получают путем моделирования разных типов пожаров и вводят в память устройства заранее. Количество совокупностей заданных информативных параметров, заложенных в память интеллектуальной станции управления, зависит от технических возможностей и объектов, для охраны которых станция предназначена.
В качестве существенного недостатка указанных способов следует указать на необходимость выполнения большого комплекса предварительных работ по анализу каждого защищаемого объекта, моделированию процессов образования и развития пожаров в нем, определению совокупностей информативных параметров.
Так как предлагаемый способ может быть реализован в современных системах пожарной и температурно-тревожной сигнализации с аналоговыми адресными пожарными извещателями, то наиболее близким аналогом является общеизвестный способ обнаружения пожара в помещениях, применяемый в большинстве современных систем пожарной сигнализации и описанный во многих литературных источниках, в том числе в книге Штумпфа Э.П., Штелинга В.Н. "Настройка судовых систем пожарной сигнализации", Ленинград, "Судостроение", 1988 г., с. 5. Способ заключается в получении и формировании сигнала о состоянии помещений в плане пожарной опасности путем контроля опасных факторов пожара; сборе этой информации; обработке полученной информации и принятии обобщенного решения о наличии или отсутствии пожара путем сравнения численных значений контролируемых параметров факторов пожара с установленными предельными значениями; формировании сигнала о пожаре и индикации места пожара; включении средств оптической и звуковой сигнализации. Вышеописанный способ имеет следующий недостаток: начальные этапы развития пожара остаются незамеченными, принятие решения о включении средств сигнализации производится с запаздыванием, лишь тогда, когда контролируемые параметры опасных факторов пожара достигнут установленных предельных значений, что приводит к несвоевременному началу пожаротушения.
Технический результат - расширение функциональных возможностей систем пожарной и температурно-тревожной сигнализации в плане обнаружения начальных этапов образования и развития пожаров путем реализации функций обучения и самонастройки с автоматической адаптацией систем к особенностям объектов защиты и изменениям условий эксплуатации.
Способ заключается в циклическом определении значений множества контролируемых на объекте физических параметров (включая опасные факторы пожара), которые объединяют в группы, каждая из которых характеризует процессы возникновения и развития пожара в конкретном помещении, при этом каждому контролируемому параметру в группе присваивают порядковый номер. Структурная схема, представленная на фиг. 1, отражает возможный вариант реализации предлагаемого способа и поясняет последовательность действий.
1
2
N
1
2
N
1
2
N
i
a
a
a
s
s
s
max
На каждом цикле контроля из полученных значений параметров (x, х, …, x)∈X в соответствии с их порядковыми номерами формируют численные ряды X→{, , …). Каждый численный ряд, по сути, отражает ситуацию А, сложившуюся в помещении и выраженную через численные значения контролируемых физических параметров x, х, …x. К примеру, для цикла контроля s сложившуюся в помещении ситуацию A можно представить как A≡X, где , так как . Полученные по каждому помещению численные ряды запоминают в том случае, если контролируемые параметры не превысили предельно допустимых значений x<x, , и на последующих циклах контроля сравнивают с вновь сформированным численным рядом, который, в случае несовпадения, также запоминают для последующего сравнения.
Запоминание новых численных рядов, к примеру, численного ряда , указанного на фиг. 1, автоматически формирует и пополняет базу данных, содержащую данные о всех произошедших в каждом помещении ситуациях. Запомненные численные ряды для каждого помещения образовывают прямоугольную матрицу размерностью z×ν, где z - количество запомненных численных рядов, a ν - количество точек контроля в помещении.
Процесс запоминания новых численных рядов является процессом обучения и фактически самонастройкой системы. Запоминание численных рядов целесообразно осуществить в период сразу после установки систем пожарной и температурно-тревожной сигнализации на защищаемом объекте в течение периода времени, за который изменения контролируемых параметров достигали максимально возможных значений, но не превысили предельно допустимых значений. Дополнительное пополнение или корректировку запомненных численных рядов можно также проводить периодически при эксплуатации систем в случае значительных изменений условий эксплуатации защищаемого объекта.
Запоминание новых численных рядов и их последующее сравнение с вновь сформированным численным рядом можно осуществлять для каждого помещения отдельно, как это показано на фиг. 2. Это позволяет ускорить процесс вычислений, сделав его параллельным.
Алгоритм, показанный на фиг. 1 в рамке блока вычислений, может также использоваться при обработке информации в мультисенсорных пожарных извещателях.
После окончания периода обучения и самонастройки системы появление численного ряда, отличающегося от уже запомненных численных рядов, будет означать, что в помещении сложилась нештатная ситуация, характерная для начальной стадии пожара.
Изменение установившихся значений температуры в контролируемых судовых помещениях может происходить при изменении погодных условий, режима работы штатных источников тепла или появлении нештатных источников тепла. Факт появления нештатного источника тепла означает, что в помещении судна сложилась пожароопасная ситуация, дальнейшее развитие которой может привести к пожару. Классификация и характеристики начальных этапов (последовательно: пожароопасная ситуация, предпожарная ситуация, возгорание, пожар) образования и развития пожаров на судах представлена в статье «Пути решения проблемы автоматизации контроля пожарной опасности в судовых помещениях», опубликованной в журнале «Судостроение» 2. 2005 (759). В табл. 1 представлены основные характеристики этапов развития пожаров в судовых помещениях.
Для обнаружения нештатного источника тепла в судовом помещении, в котором установлено тепловыделяющее оборудование, в период самонастройки систем при каждом нарушении установившегося теплового режима в помещении запоминают последовательность начала роста температуры в точках контроля. Последовательность номеров точек контроля образуют отличительный цифровой ряд, позволяющий однозначно идентифицировать сложившуюся ситуацию. Если в каких-либо точках контроля параметр не изменялся, то ей присваивают цифру ноль. То есть идентификационный цифровой ряд, характеризующий установившийся режим, будет содержать одни нули. Для каждой ситуации определяют: длительность отрезков времени между началом роста температуры в каждой последующей паре точек контроля и запоминают минимально достигнутые значения; максимально достигнутые значения разницы температур в точках контроля; максимально достигнутые значения скорости изменения разницы температур в точках контроля; максимально достигнутые значения скорости роста температуры. А в последующем, в период осуществления пожарного контроля, идентифицировав ситуацию, определяют длительность отрезков времени между началом роста температуры в каждой следующей точке контроля и значения разницы температуры и скорости ее роста для каждой пары точек контроля и полученные результаты сравнивают с соответствующими запомненными значениями. В случаях, если ситуация не была идентифицирована или длительность какого-либо отрезка времени между началом роста температуры в следующей точке контроля оказалась меньше запомненного значения, а также, если было обнаружено превышение запомненных численных значений показателей над текущими значениями, то сигнализируют о наличии в помещении нештатного источника тепла.
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
1
1
4
6
Для пояснения вышесказанного на фиг. 3 в графической форме представлены гипотетические результаты измерения температуры x, х, х, х, х в пяти точках контроля в одном помещении. На графике по оси абсцисс отложено время t, измеряемое в секундах. Вместо времени можно воспользоваться количеством циклов контроля. Цикл контроля в представленном примере повторяется каждые 5 с. По оси ординат отложена температура Т, измеряемая в градусах Цельсия. Условимся считать, что в помещении установившийся температурный режим наступает тогда, когда в течение отрезка времени длительностью 20 с во всех пяти точках контроля температура не изменялась. На графике видно, что установившийся температурный режим в помещении, когда температура во всех пяти точках контроля оставалась неизменной x=const, х=const, x=const, x=const, x=const, был до момента времени t. С момента времени t по t происходили изменения в точках контроля 4, 3 и 5. В точках контроля 1 и 2 температура не изменялась. С момента времени t можно считать, что вновь наступил установившийся режим. Отличительный цифровой ряд, идентифицирующий ситуацию в помещении для рассмотренного случая, будет 43500.
Длительность отрезков времени между началом роста температуры в каждой последующей паре точек контроля будут определены как:
21
2
1
Δt=t-t=5c для точек контроля 4-3;
42
4
2
Δt=t-t=10c для точек контроля 3-5.
Значения разницы температур в точках контроля в различные моменты времени будут определены как:
1
в момент времени t:
x<sub>5</sub>-x<sub>1</sub>=27-25=2;
х<sub>4</sub>-х<sub>1</sub>=29,5-25=4,5;
x<sub>3</sub>-х<sub>1</sub>=26-25=1;
х<sub>5</sub>-х<sub>2</sub>=27-30=-3;
х<sub>4</sub>-х<sub>2</sub>=29,5-30=-0,5;
x<sub>3</sub>-х<sub>2</sub>=26-30=-4;
х<sub>5</sub>-х<sub>3</sub>=27-26=1;
х<sub>4</sub>-х<sub>3</sub>=29,5-26=3,5;
x<sub>1</sub>-х<sub>2</sub>=25-30=-5;
x<sub>5</sub>-x<sub>4</sub>=27-29,5=-2,5;
2
в момент времени t:
х<sub>5</sub>-х<sub>1</sub>=27-25=2;
х<sub>4</sub>-х<sub>1</sub>=29,5-25=4,5;
х<sub>3</sub>-х<sub>1</sub>=26,5-25=1,5;
х<sub>5</sub>-х<sub>2</sub>=27-30=-3;
х<sub>4</sub>-х<sub>2</sub>=29,5-30=-0,5;
x<sub>3</sub>-х<sub>2</sub>=26,5-30=-3,5;
х<sub>5</sub>-х<sub>3</sub>=27-26,5=0,5;
х<sub>4</sub>-х<sub>3</sub>=29,5-26,5=3;
x<sub>1</sub>-х<sub>2</sub>=25-30=-5;
x<sub>5</sub>-х<sub>4</sub>=27-29,5=-2,5;
3
в момент времени t:
x<sub>5</sub>-x<sub>1</sub>=27-25=2;
x<sub>4</sub>-x<sub>1</sub>=30,5-25=5,5;
x<sub>3</sub>-x<sub>1</sub>=26,5-25=1,5;
x<sub>5</sub>-x<sub>2</sub>=27-30=-3;
x<sub>4</sub>-x<sub>2</sub>=30,5-30=0,5;
x<sub>3</sub>-x<sub>2</sub>=26,5-30=-3,5;
х<sub>5</sub>-х<sub>3</sub>=27-26,5=0,5;
x<sub>4</sub>-x<sub>3</sub>=30,5-26,5=4;
x<sub>1</sub>-x<sub>2</sub>=25-30=-5;
x<sub>5</sub>-x<sub>4</sub>=27-30,5=-3,5;
4
в момент времени t:
x<sub>5</sub>-x<sub>1</sub>=28,5-25-3,5;
x<sub>4</sub>-x<sub>1</sub>=30,5-25-5,5;
x<sub>3</sub>-x<sub>1</sub>=28-25=3;
x<sub>5</sub>-x<sub>2</sub>=28,5-30=-1,5;
x<sub>4</sub>-x<sub>2</sub>=30,5-30=0,5;
x<sub>3</sub>-х<sub>2</sub>=28-30=-2;
x<sub>5</sub>-x<sub>3</sub>=28,5-28=0,5;
х<sub>4</sub>-х<sub>3</sub>=30,5-28=2,5;
x<sub>1</sub>-x<sub>2</sub>=25-30=-5;
x<sub>5</sub>-x<sub>4</sub>=28,5-30,5=-2.
1
4
Максимально достигнутые значения разницы температур в точках контроля за период времени от t до t для рассмотренной ситуации с идентифицирующим цифровым рядом 43500 будут следующими:
|x<sub>5</sub>-x<sub>1</sub>|=3,5;
|х<sub>4</sub>-x<sub>1</sub>|=5,5;
|x<sub>3</sub>-x<sub>1</sub>|=3;
|x<sub>5</sub>-x<sub>2</sub>|=3;
|х<sub>4</sub>-х<sub>2</sub>|=0,5;
|х<sub>3</sub>-х<sub>2</sub>|=4;
|x<sub>5</sub>-x<sub>3</sub>|=1;
|х<sub>4</sub>-х<sub>3</sub>|=4;
|x<sub>1</sub>-х<sub>2</sub>|=5;
|x<sub>5</sub>-x<sub>4</sub>|=3,5.
13
3
1
Максимально достигнутые значения скорости изменения разницы температур в точках контроля определяют за установленный промежуток времени, кратный периодам между циклами контроля, например за 10 с.Тогда для точек контроля 4-3 в промежуток времени Δt=t-t=10c значения скорости изменения разницы температур будет определено как:
;
24
4
2
в промежуток времени Δt=t-t=10c:
;
35
5
3
в промежуток времени Δt=t-t=10c:
;
46
6
4
в промежуток времени Δt=t-t=10c:
.
В табл. 2 представлены значения скорости изменения разницы температур в точках контроля 4-3 и 3-5.
1
4
14
Достигнутые численные значения скорости роста температуры для точек контроля 1 и 2 за период времени от t до t, который можно обозначить как Δt, будут равны 0, то есть: .
Для точки контроля 3: .
Для точки контроля 4: .
Для точки контроля 5: .
14
Видно, что в точке контроля 5 в период времени Δt наблюдался наиболее интенсивный рост температуры.
После окончания периода обучения и самонастройки, при осуществлении пожарного контроля, последовательно выполняют следующие действия: идентифицируют ситуацию; определяют длительность отрезков времени между началом роста температуры в каждой следующей точке контроля и значения разницы температуры и скорости ее роста для каждой пары точек контроля; сравнивают полученные данные с соответствующими запомненными значениями; сигнализируют о возникновении в помещении начальной стадии пожара на этапе пожароопасной ситуации в случаях, если ситуация не была идентифицирована или длительность какого-либо отрезка времени между началом роста температуры в следующей точке контроля оказалась меньше запомненного значения или было обнаружено превышение запомненных численных значений показателей (разницы температур в точках контроля, скорости изменения разницы температур в точках контроля, скорости роста температуры в точках контроля) над текущими значениями.
Существенными признаками заявляемого изобретения являются:
- объединение множества контролируемых на объекте физических параметров в группы, каждая из которых характеризует процессы возникновения и развития пожара в конкретном помещении, с присвоением порядкового номера каждому контролируемому параметру в группе;
- формирование на каждом цикле контроля для каждой группы полученных значений параметров численных рядов в соответствии с присвоенными порядковыми номерами контролируемых параметров;
- запоминание в период обучения и самонастройки по каждой группе контролируемых параметров впервые сформированного численного ряда для последующего сравнения;
- сравнение сформированного на каждом цикле контроля численного ряда с запомненными по каждой группе контролируемых параметров;
- запоминание в период обучения и самонастройки по каждой группе контролируемых параметров сформированного численного ряда при условии несовпадения его с уже запомненными;
- определение длительности периода обучения и самонастройки временем, за которое изменения контролируемых параметров достигали максимально возможных значений, но не превысили предельно допустимых значений;
- сигнализация о возникновении начальной стадии пожара в помещении при обнаружении в результате сравнения появления численного ряда, отличного от запомненных;
- идентификация сложившейся ситуации путем использования отличительного цифрового ряда, образованного номерами, которые присвоены точкам контроля, в зависимости от последовательности начала роста температуры в них;
- запоминание последовательности начала роста температуры в точках контроля, номера которых образуют отличительный цифровой ряд, позволяющий идентифицировать каждую сложившуюся ситуацию;
- определение для каждой сложившейся ситуации длительности отрезков времени между началом роста температуры для всех последовательно образованных пар точек контроля;
- запоминание для каждой сложившейся ситуации минимально достигнутых значений длительности отрезков времени между началом роста температуры для всех последовательно образованных пар точек контроля;
- запоминание для каждой сложившейся ситуации максимально достигнутых значений разницы температуры и скорости ее роста для всех последовательно образованных пар точек контроля;
- сигнализация о возникновении в помещении пожароопасной ситуации в случае, если длительность какого-либо отрезка времени между началом роста температуры в следующей точке контроля оказалась меньше запомненного значения;
- сигнализация о возникновении в помещении пожароопасной ситуации при обнаружении превышения текущими значениями запомненных максимально достигнутых значений разницы температуры и скорости ее роста;
- сигнализация о возникновении в помещении пожароопасной ситуации, если ситуация не была идентифицирована.
Дополнительным техническим результатом является возможность обнаружения пожара на самом раннем этапе его развития при возникновении пожароопасной ситуации, когда складываются лишь условия его возникновения, а опасные факторы пожара себя еще не проявляют. Незамедлительное принятие соответствующих мер по устранению причин, способствовавших возникновению пожароопасной ситуации, позволяет избежать его дальнейшее развитие, то есть предупредить пожар.