火灾报警系统的研究现状及改进思路.pdf

48STONE2023No.9STONE应急救援石材火灾报警系统的研究现状及改进思路谢依彤，吴辉，张英豪，战乃岩，张晓禾（吉林建筑大学，吉林长春13 0 119）摘要：火灾自动探测报警技术是将传感技术、通讯技术和智能化信息处理应用于火灾预防的一项综合性技术。火灾报警系统是为了能够在早时间探测到火灾的发生，从而影响人员采取措施。关键词：智慧消防，火灾报警系统本文就火灾报警系统的研究现状进行具体分析，并提出一种基于无线传感网的火灾自动报警方法。1社会重大火灾影响分析近年来重大火灾频频发生，居住建筑起火比比皆是。在2 0 18 年全国共接报火灾2 3.7 万起，死伤人数超过2 0 0 0 人次，直接财产损失约在3 6.7 5亿元；2 0 19 年全国共接报火灾2 3.3 万起，死伤人数超过2 0 0 0 人次，直接财产损失在3 6.12 亿元；在2 0 2 0 年全国共接报火灾25.2万起，死伤人数临近2 0 0 0 人次，直接财产损失在40.09亿元；2 0 2 1年全国共接报火灾7 4.8 万起，死伤人数超过4 0 0 0 人次，直接财产损失在6 7.5亿元。随着科技的发展，火灾发生次数、人员伤亡程度和财产损失数据理应逐渐下降，但是通过数据分析所得的结果却恰恰相反。较为重大的火灾事件有，2 0 19 年巴黎圣母院起火，源于电线短路；2 0 2 0 年澳大利亚森林大火，起因为天干物燥；2 0 2 2 年11月2 4 日新疆乌鲁木齐发生大火，由于逃生通道和救援通道堵塞，最终人员伤亡严重。无论是居住建筑起火，或是森林火灾，都给人们敲响了警钟。应加大宣传力度，引起民众对消防安全的高度重视；同时提高预防火灾的能力，在各类建筑中增加火灾自动报警器的数量，不断发展火灾自动探测技术，将火灾隐患扼杀在萌芽状态2智慧消防的背景随着智能建筑不断发展，火灾自动探测技术也逐步走向“智能化”。智慧消防最早可追溯到十九世纪，英国人研发出依靠受热会膨胀的金属，从而使其自动报警的传感器。而在二十世纪，瑞士人发现铬离子会受到烟霾粒子的干扰，因而发明了烟雾探测器，这是所知最早的烟雾自动探测器，极大地推动了自动报警器的发展，促成了火灾探测技术的创新。然而，基于传感器的传统自动报警系统中双总线的设计和布线虽然比较简单，但仍然存在许多问题。比如安装和维护成本以及改良难度，特别是对于家庭和一些特殊应用场所，有些实际需求显然无法满足。例如，在有线火灾报警器的安装过程中，必须开槽和设置穿墙管道，会对建筑物造成损坏，所以使用有线火灾报警器系统仍存在诸多不便。近年来，随着物联网技术的兴起和大数据、云计算普及，无线火灾自动报警系统在国内外引起了广泛的关注。对于结构较复杂的建筑物、小街商店和临时建筑物等等，则更适合使用无线火灾报警系统。无线火灾报警系统安装方便，无需穿墙布置管道和布线，不会损坏建筑物，且能适应建筑物的用途和功能变化。一些发达国家通过数据库及前端智能消防设备的研发和测试，对大数据进行有效管理和分析，动态评估城市火灾风险，开发出第一代无线报警系统。越来越多的高科技成果涌现，不断地应用在火灾报警系统与火灾自动探测器上。近几十年的发展中，先进的智能火灾报警系统能够逐渐为人所接受，依靠的是其灵敏度高，信息统计迅速，安装灵活方便，操作简单快捷，便于集中管控等优点。目前火灾报警系统在国外已经得到广泛应用，例如澳大利亚的GO-DEX型空气采样早期智能报警系统，这是最具有代表性的产品。同时，在国内也已经有一些简单的雏形，同样具有高基金项目：本文系吉林省大学生国家级创新创业计划项目新型火灾自动报警系统算法优化及软件开发研究的阶段性研究成果之一（项目编号为2 0 2 2 10 19 10 2 9）作者简介：谢依彤（2 0 0 3 一），女，汉族，黑龙江省人。吉林建筑大学本科生49石材2023年9 期SHICAI应急救援灵敏度、传输速度快等优点，且已经有一定规模的使用。但是相较于国外仍不够完善，基本停留在初级阶段，仅实现实时数据采集和监控，且存在平台发展规模较小、产品兼容性不足、数据掌控完整度不足、智能化不足等问题，仍有较大的发展空间。3智慧消防的基础知识智慧消防，即火灾自动报警系统，包括：火灾探测器、手动报警按钮、火灾报警控制装置、连接控制装置、现场消防设备、电源等部件。其中，探测器是有效燃烧感觉的基础和核心。中央控制器的作用是火灾报警的信息收集和控制，并且在火灾控制操作结束时，通过连接控制装置执行联动处理2 。火灾自动报警系统在实现自动报警功能的基础上可触发自动喷淋设施，并统计现场数据判断火势严重大小、需要的人力物力，将结果及时反馈给相关部门，同时指挥应急疏散，采取基本防护措施，火灾发生前两个阶段会产生大量气体粒子，火灾探测系统检测出该粒子，从而开启自动报警、自动喷淋。就目前状况，吸烟产生的烟雾粒子同样会被火灾探测系统检测到，进而引发喷淋。要解决此类问题，可以在火灾自动报警系统中嵌人一个固定的数据模板，在勘测时根据模板进行分析，是否需要自动报警或者自动喷淋。同时在发生火灾的过程中，需要确保自动探测系统的稳定性、持续性，进而保障所传输数据的准确性、高速性、真实性，来避免因探测结果出现差错，而浪费人力物力，或者因抢救不及时导致人员大量损失。火灾报警系统的核心就是对火情的及时感知，并且自我判断是否需要联动控制处理。未来智能化不断地发展，人们的生活将更加智能。为了应对智能化的需求，解决火灾探测技术不够安全可靠，实际系统的数据管理困难，统计和技术仍处于落后位置等问题，应进一步研究探讨主机与外围设备通信方式以及协议选择，确保处理与传输的数据保持一致，优化系统结构和软件以提高运行速度，并加强对数据的统计分析能力。4火灾自动报警系统改进思路为认真贯彻落实党中央、国务院决策部署，细化国家“十四五”规划纲要在消防领域部署安排，分解落实“十四五”规划，加快加强推进消防治理体系和能力的现代化，国家消防工作规划提出需要加强远程监控、物联网监测、电气监控等信息化手段运用，从而保障一切安全。本研究主要结合无线传感网与数据融合技术，提出一种新的火灾自动报警方法。系统首先利用传感器分析周围环境，获取相应环境实时数据；然后通过物联网使数据流动，汇集于上位机中；在上位机内整理分类融合所得数据，快速判断当前环境是否发生火灾，是否需要自动报警与自动喷淋。设计该系统的重难点在于如何提升开发板与传感器之间数据传输的速度和准确率，并在传统算法中融入视频监测图像数据。经过实验，研究人员利用GPIO通信模块和Python语言实现开发板与传感器的数据传输，并且对原始火灾数据进行多层次分级融合，利用MATLAB进行算法优化，融合图像数据，提高火灾探测数据的准确性。研究人员将数字图像处理技术、数据融合技术与无线传感网技术相结合，实现火灾实时探测；开发出可视化界面，实现对火灾数据的采集和实时显示，并且可查询节点信息及探测结果，发出指令进行消防联动。使用该系统能够在火灾发生前期就迅速做出应对，将火灾带来的危害降到最低。以福州市第二医院的有线火灾自动报警控制系统为例，其采用两总线集中控制的GST系统。设置一台自动报警控制器配套的两台联动控制器（分别用于防灾系统和灭火系统），控制器均置于底层控制室内，监控从地下1层到地上12 层所有设备。对比发现现有设备老化严重，设备智能化程度低，无法满足对监控场所对话和联动设备的控制管理功能的同时与上级建筑设备监控系统，实现同步数据共享，而解决这些问题是本项目研究的根本目的!。5火灾报警系统专用通信技术目前最具代表性的无线通信技术是2.4G无线网络技术，也是火灾报警系统中最常用的通信技术之一。2.4G传输的优势在于覆盖范围大，传输距离远，但是障碍物的存在会对其传播产生重大影响。对于一些规模大、格局复杂的建筑，为了保证2.4G网络的传输质量，需要大幅度增加功率，从而导致成本增加，无法实现无线火灾自动报警系统低成本、低功耗的设计目标。而在解决多场所、多街边商铺的检测需求时，例50STONE2023No.9STONE应急救援石材如在砖砌或木制历史建筑、临时建筑等场所中，有线火灾自动报警系统若要实现传输距离远、覆盖范围大，则成本变高、施工难度增大。此外，有线火灾自动报警系统的黄铜管保护会确保高质量传输信号，从而在火灾发生时能够高容量、高稳定性地检测出烟气并实现自动报警功能。而无线火灾报警系统采用开放式信号传输，受距离和障碍物的影响较大，因此与有线系统相比，无线系统传输速率和容量略低，但能确保无差错实时传输火灾报警信号和消防设施的监控信号。因此，本研究提出了新型火灾自动报警系统架构和专用通信途径方案，对于火灾报警系统的应用模式，应设计不同的建筑模型，并且根据现场可用的消防设施采用不同方式：（1）对于已设置有线系统的大型建筑物群，当内部单元的布局发生变化，或者单元建筑发生变化时，需要对现有的系统进行改造或扩展，而无线系统可以用补充子系统连接到现有的有线系统的电缆系统。在这种组合模式下，有线系统仍作为主要系统，整体系统稳定性高，同时使用无线系统，能够根据实时环境的特点更新系统，配置灵活，改造成本低。（2）对于未设置有线系统的小型建筑物或有使用期限的临时建筑物，火灾自动报警系统应采用无线形式，虽然系统容量小，但可以保证无差错地实时信号传输。该系统可以采用两种独立的架构模式用于无线通信环境和有线无线组合环境，分别通过无线信号或总线连接火灾报警控制器。无线通信的特点是单次通信数据少但实时性高，数据量少有助于降低传输功率。一顿数据总共包含十个字节，其中日期、前导字节和同步字节是固定字节，类型、状态和数据字段均使用一个字节，地址字段的源地址和目标地址各用一个字节，各种类型的探测器和消防设施的类型和状态为一个字节，共有256种类型和2 5 6 种状态。通过系统通信特性的功率约束，通信越频繁，电池电量消耗越快。而根据实时通信和字段重复的特点，更多的网络节点呈现的规律是在一个周期中发生的通信越多，功率越大。因此，网络规模大小和功率消耗量是一对相互约束的参数。此外，在一个周期内，一系列查询字段会根据网络的模块数量分配给每个字段模块。无线火灾自动报警系统具有鲜明特点：（1）单次通信数据量低，火灾自动报警系统传输所需的数据包括火灾探测和报警信息以及综合消防信息。(2)实时性要求高，根据相关规定，火灾探测器发出的火灾报警信号应在10 s内，同时任何模块在系统中发生故障时，火灾报警控制器应在10 0 s内检测到故障。（3）故障监控通信，实现各模块状态信息的实时监控。在系统中，为了满足10 0 s内获取模块故障情况的需求，系统需要固定周期查询模块状态。（4）火灾报警信号传输，通过监测信息分析不同时间段的环境信息，偶尔会出现误判，从而出现错误火灾报警信号，导致人力物力消耗。（5）功率限制，与有线系统不同，无线报警系统中的模块通常由电池供电，能量有限。因此无线系统的通信在有限能量的约束下工作。（6）针对上述特点，系统充分压缩通信数据，并提出轮询协议。使每轮周期的时间尽可能地延长，方便在没有定期监测火灾的情况下，通过让通信模块数量下降，来降低通信功率。（7）网络流量的主要负载移动到中继模块。由于继电器模块使用消防电源，因此没有功率消耗限制，以便在实际应用中实现高实用性。（8）发生火灾时，在每次信息查询的间隔插人相应火灾救援指令，从而很好地规避火灾报警器出现传输延迟时对系统时效性造成的影响，并且在每次周期延长时，报警信号传输仍能满足实时要求。6结语智慧消防是未来消防产业升级的必然方向。本研究提出一种新型火灾自动报警系统结构，通过实现无线数据传输，将各原始数据传输至汇聚节点融合与处理，从而提高火灾探测的准确性，降低误报率。根据火灾自动报警系统的体系结构，利用新信号的波长优势，设计开发新系统模块，并构想出通信区间插人逻辑，有效降低平均功率消耗，从而完成无线火灾报警系统的设计与开发。在此基础上利用各类新工艺、新设备对现有系统加以改进，降低维护费用，向高科技、技术智能化方向发展。参考文献1秦家伟.基于无线传感网的智慧消防预警系统 D.南京邮电大学,2 0 18.2苏瑾.智能建筑火灾报警控制系统的设计与研究 D.中南大学,2 0 0 8.