火灾预警系统的应用现状与发展趋势

王宗超 方江平

摘要：随着科技不断发展，火灾预警系统技术取得了较大的发展，但仍有值得改善的地方。文章调研了建筑电气的火灾预警系统发展现状，介绍了火灾预警系统的关键技术，总结了火灾预警系统的几种典型应用，最后展望火灾预警系统的未来发展趋势。

关键词：消防技术;火灾预警系统;建筑电气

中图分类号：TU892       文献标识码：A       文章编号：2096-1227（2022）04-0032-03

1  火灾预警系统的研究现状

消防安全问题一直是人们日常生活中非常重要的问题。火灾报警器对于保护人们的生命和财产非常重要。然而，传统的烟雾报警传感器，仅仅基于阈值法的原理，只有烟雾浓度达到一定的阈值，才会启动报警系统，但这时的火灾可能已经造成较大的损失。火灾预警不仅弥补了火灾报警技术的不足，还消除了火灾前的隐患，从而给出及时准确的预警。

我国在火灾预警方面的研究起步较晚，目前主要分为四个阶段[1]：（1）分立元件阶段：虽然能够实现实时监控的功能，但是速度慢，无法实现预警要求。（2）多线制开关量式阶段：虽然能够实现对小型火灾的监控预警功能，但是布线量大、安装维护复杂，可靠性低。（3）总线制阶段：可以控制联动设备，并能够实现自检、故障检测等功能，具有易于安装和调试、高可靠性和低成本的优点。（4）数字式分布阶段：其特征是报警格式采用数字量，灵敏度可以任意设置，所以能够实现对探测器的智能处理，可以实现智能分析功能，极大程度上能够提高系统的稳定性和可靠性。

目前，我国主要研究的技术和方法为以下几种：腊片试温法或变色漆法、传统接触式测温法、故障电弧探测技术、电子鼻技术、红外热像技术、红外传感器技术。国外对于火灾预警系统的研究相对较早，主要经历了以下几个阶段：（1）单一传感器阶段：主要运用感温探测器。（2）数据融合技术的多传感器阶段：分为总线式和智能化。其中，智能火灾报警系统是各种先进的激光和空气采样技术的结合。具有灵敏度高、适应性强、处理速度快的优点。（3）当前，国外采用无线火灾预警系统，它的不同之处是用无线设备来实现火灾预警系统的上下位机之间的通信。优点是不受场景限制、易于安装和调试灵活。

在实际应用方面，国外主要研究的技术和方法主要包括：多传感探测技术、空气采样感烟探测技术、红外点型可燃气体检测技术。其中，红外点型可燃气体检测技术是国外研究方向中的重点。

2  火灾预警系统的基本结构和功能特点

火灾预警系统主要有三个部分[2]：（1）火灾监测系统;（2）消防设备电源监测系统;（3）可燃气体探测器报警系统。火灾监测系统通常与火灾报警系统相结合，实现实时监控功能，组成部分有：火灾监控设备、火灾监控探测器、火灾声光报警器。许多火灾由于停电而导致消防设备故障，因此有必要安装消防设备电源监测系统，实现监控预警功能。它的组件是电源监测主机、电源监测检测器和监测模块。可燃气体探测器报警系统包括可燃性气体报警控制器、可燃性气体探测器和火灾声光报警器。具体框图如图1所示。

其中，多传感器检测技术主要是一种通过在感温或感烟的基础上添加一个一氧化碳传感器或红外传感器等方式来增强其探测能力的技术。精灵S-Quad探测器便是采用了这项技术，有能够实现快速火灾探测以及误报少的优点。空气采样感烟技术是一种能够主动地对空气中的颗粒物进行采样，对可燃性物体在空气中燃烧后散布的颗粒物进行迅速识别的技术。该技术在国外已广泛应用，并开始在国内流行。红外点型可燃气体探测技术是目前国外消防探测技术的研究重点，它是一种基于朗伯-比尔定律[3]的气体探测技术。

3  火灾预警系统的典型应用

3.1  CAN总线技术在火灾预警系统中的应用

CAN是对控制器局域网的一种简称，它是在ISO或者国际标准化下的一种串行通信协议。CAN是一种现场总线，它具有以下几个优势：周期短、高性能和可靠度高[4]。它是当前的一项国际标准，并已经发展成为目前使用最多的技术。普遍使用分布式控制系统及三级等联结构。整个系统由上位机、CAN总线收发器、控制单元、现场监控节点组成[3]。上位机负责接收环境数据及其状态并对报警作出反应。CAN总线收发器负责将传感器接收的数据通过CAN总线发送到控制部分进行数据处理并再通过收发器发送到上位机。控制单元负责处理传感器接收到的数据。现场监控节点就由温湿度传感器和烟雾传感器构成，整体组成如图2所示。

3.2  Zigbee技术在火灾预警系统中的应用

Zigbee技术是一种无线通信技术。如今，无线传输技术通常用于构建具有早期火灾警报的大规模无线火灾探测器网络[5]。这项技术进一步提高了扩展性能，从而避免了布线的复杂性，便于移动和修改以及更多的网络模式，灵活可靠。但是，通过该技术传输的数据量非常小，仅适用于小型设备，无法放置大型模块。尽管网络监测的范围很广，但是使用了许多设备并且有局限性，只能用于监测。

ZigBee技术可以使用无线通信将设备定位在不同的方向上，并在网络中对其进行检测。万一发生火灾，可以使用蜂鸣器进行提醒，并自动将警报彩信发送到指定的手机，而无需任何控制。还可以远程监控实验室，以多种方式确保实验室的安全性，整个系统的硬件结构如图3所示。

3.3  PLC技术在电气火灾预警系统中的应用

信息时代的到来，计算机系统快速发展，这将会改变火灾报警系统与单片机相结合这种传统设计思想，进而改用PLC技术。它的工作方式是上位机的配置监测软件和下位机的PLC控制系统之间的通信使用无线传感器网络技术来检测电气设备的温度、线路故障和其他数据变化并执行数据[6]，并且能够做到分析和判断这些数据，可以有效防止火灾的爆发。当有火警信号时，系统使用温度、烟雾和其他传感器检测系统来确定是否存在危险情况。发生危险情況时，信号将发送到PLC，由PLC处理，然后再发送到更高级别的计算机配置监测系统。此时，计算机将显示电火警信号的位置。一旦显示并检测到火警信号，就会响起警报：蜂鸣声或指示灯等信号会通知人们危险，但是如果控制室发生危险情况，则立即检查是否有任何故障并采取纠正措施。当有火警信号时，通常处于休眠状态的红外传感器会自动开始检测人员位置，同时显示位置的配置界面，会通过网络实时传输到相应的设备。系统框图如图4所示：

4  火灾预警系统发展趋势

如今，人工智能和深度学习的研究进行地如火如荼，火灾预警技术也在迈向智能化时代。提高火灾监测准确率以及预警速度对于整个系统的性能至关重要。各种有关新型火灾预警系统的研究层出不穷，发展趋势主要有以下几点：

4.1  融入消防安防云智慧技术的消防系统

智能化的消防系统结合了许多先进技术，在对火灾的管控力度和防控力度上都更加优秀。其中包括的技术有[7]：网络通信技术、视频数据传输并处理技术、信息传输和处理技术、数据处理技术和自动报警技术。不仅能够实现火灾自动报警、预警报道、监管报警等功能，还能够进行防盗报警以及发挥消防灭火执行系统的消防功能，通过与现场数字视频智能控制系统进行实时联动的方式。

4.2  构建智能型火灾预警系统

智能型火灾预警系统是将现代无线通信技术与消防工程融合所构成的。整个系统由火警探测器、地区影像监视器、整合装置主机、广播喇叭以及其他联动装置构成[8]。能够实现的新功能有：利用广播喇叭进行逃生避难引导，向消防人员提供救灾信息等。

4.3  基于人工神经网络的火灾预警系统

结合人工智能的方法[9]，分析烟雾以及温度的变化，判断是否会发生火灾，进行火灾预警。相较于传统的系统，具有不再依赖阈值、能够做到提前预警、误判率小等优点。

4.4  基于计算机视觉的火灾预警系统

该系统主要是应用了计算机视觉技术，利用该技术进行火灾图像信息提取，在火灾监测问题以及预警问题做出了改进[10]，能够有效提升火灾检测准确率、降低误报率和减少反应时间，提高预警速度。

5  结语

本文针对建筑电气的火灾预警系统做了比较系统的研究，总结了几类火灾预警系统的典型应用及技术，发现传统的火灾预警系统的检测准确率以及预警效率不高等问题，分析后得出可利用融合新型技术和消防工程的方法来解决这两个问题。未来方向主要分为智能化和性能化两个方面：智能化相较于传统的系统添加了许多现代功能，性能化是为了提高火灾探测准确率以及减少预警时间。

参考文献：

[1]杨坤.基于PLC的建筑配电电气火灾预警系统研究[D].长春：吉林建筑大学，2018.

[2]魏立明，杨坤，陈妍希.建筑电气火灾预警系统的综述研究[J].吉林建筑大学学报，2017，34（03）：112-115.

[3]宋珍，刘凯，翁立坚，吴一羊.点型红外可燃气体探测技术[J].建筑电气，2007（02）：46-48.

[4]叶岍，王莉，程汉.基于CAN总线的实验楼火灾预警系统[J].长江技术经济，2020，4（S1）：26-27.

[5]閆亚玲，李博，刘伟杰.基于ZigBee的实验室防火远程监控系统设计[J].实验室研究与探索，2019，38（05）：282-285.

[6]魏立明，田益名，杨坤，等.基于PLC的建筑配电火灾预警系统设计[J].浙江水利水电学院学报，2018，30（03）：71-75.

[7]邵琳.消防安防云智慧技术在建筑消防系统中的应用[J].今日消防，2021，6（02）：12-13.

[8]唐黎标.智能型火灾预警系统在消防工程中的应用[J].中国消防，2015（Z1）：89-90.

[9]刘明，曹银杰.基于人工神经网络的火灾预警系统[J].现代计算机，2020（12）：127-130.

[10]何爱龙.基于计算机视觉的火灾检测及预警研究[D].南京：南京邮电大学，2020.