自动喷水灭火系统典型故障智能化预警方法探讨

戎凤仪 田立伟 陈红光 李毅

摘要：自动喷水灭火系统作为国际公认最安全可靠、经济有效的灭火设施已在国内外各类复杂建筑内得到了广泛的应用，在火灾初期起到了良好的控制效果，在很大程度上降低了火灾造成的损失。基于对酒店、商业综合体等多类建筑的自动喷水灭火系统中出现的隐患故障进行梳理及分析，提出了基于经典可靠性理论和数据分析方法的自动喷水灭火系统及核心部件故障预警发展思路，对发展数字消防、智能消防、可靠消防具有一定的借鉴意义。

关键词：自动喷水灭火系统；典型故障分析；可靠性

自动喷水灭火系统作为国际公认最安全可靠、经济有效的灭火设施已在国内外各类复杂建筑内得到了广泛应用。该系统主要由喷头、报警阀组、水流指示器、压力开关、管网及供水装置、水泵等部件组成，在火灾发生时可自动打开喷头进行喷水报警灭火，为建筑设施提供了有力的消防安全保障。

目前，自动喷水灭火系统在国内外的各类商业体、宾馆、医疗机构中已较为普及，随着产品技术和应用技术的不断进步，该系统也愈加成熟。但是，在自动喷水灭火系统的设计、安装、施工及日常使用中，会出现一些故障，这严重影响了自动喷水灭火系统的正常工作，导致其不能发挥应有作用。近年来发生的多起重特大建筑火灾事故中，均因消防设施未能有效发挥作用控制初期火灾而造成了重大的人员和财产损失。如2019年9月，位于东莞市的某公司生产厂房发生一起较大火灾事故，该建筑虽配备了自动喷水灭火系统等设施，但由于日常检修维护不到位，在火灾发生时系统未及时响应，没能在火灾初期进行有效扑救，导致火灾迅速蔓延，最终过火面积约7300m2，造成3人死亡，3人受伤，直接经济损失1600余万元。因此，对自动喷水灭火系统的智能化故障和预警方法进行分析十分必要。

1 自动喷水灭火系统及核心部件智能化故障分析和预警方法

1.1  自动喷水灭火系统数据分析方法发展及现状

近年来，国内外已有很多科研机构的专家学者围绕基于可靠性理论的故障数据分析与应用开展了系列研究。自1972年Damelinet.al[1]第一次在管网设计中主张融入可靠性原理，Richard W.B[2]在针对消防系统设计和运行阶段提出了较为全面的可靠性研究。英国Warrington研究所[3]基于德尔菲方法对消防系统及部件之间的可靠性进行了离散估计。瑞士的Daniel Malm.al[4]等对7个国家的系统故障可靠性统计数据进行了分析，并提出了提升系统可靠性的措施。Moinuddin[5]、Khan Shahid[6]等均基于故障树及动态故障树对建筑喷淋系统进行了可靠性分析。

国内重庆大学范海英[7]对消防给水系统的各类元件的功能及可靠性概率进行了研究。南华大学张勇明[8]針对自动喷水灭火系统的各子系统和元件进行了模型分析。西安建筑科技大学的孟川[9]基于韦布尔分布度系统组件的可靠性建立了系统故障树。陈长飞、白国强等[10]， 于博文等[11]开展了自动喷水灭火系统的薄弱环节研究。近年来，随着传感器、数字化技术的快速发展，各类先进理念与技术已被引入消防系统。

1.2  自动喷水灭火系统数据特点分析

1.2.1  数据类型种类复杂

自动喷水灭火系统大数据的数据来自系统设计、产品本身、工程施工、维保管理等多个环节的数据系统，包括结构化数据、半结构化数据以及非结构化数据。系统设计及参数和产品本身的性能参数等结构化数据的分析运用可以借鉴电网、城市供水管网等领域大数据研究成果的数据分析方法进行运用，但工程施工、维保管理等产生的记录、图像、视频等非结构化数据尚无分析运用方法，特别是随着智慧消防的发展，通过外接感知设备对系统状态进行监控采集的数据所占比例越来越高，这些大量的数据还停留在显示、记录和初级设定阈值报警阶段，缺乏深度挖掘运用的方法。

1.2.2  数据价值密度差异大

自动喷水灭火系统的数据类型复杂多样，不同类型数据的信息含量与价值密度存在较大差异，如：主管网阀门的实时运行状态可视化图像与运维分析报告中所包含的信息量一般远高于传感器采集的压力、流量等时间序列数据，但通过大量传感器采集的压力、流量等时间序列数据进行分析，又可以获取甚至预测主管网阀门的运行状态。在进行数据分析的阶段，从数据分析的效率考虑，对系统关键影响因素的分析，更应直接关注价值密度较大的数据，对信息含量低较低的因素，应进行深度挖掘凝练。

1.2.3  数据获取频率跨度大

自动喷水灭火系统数据的采集与处理覆盖系统的全生命周期。其中，既有日报表、月报表、季度报表、维检修记录、年度检测记录等低频率数据，又有秒、分钟级别的外接传感器感知的高频数据。如：消防水泵的维护维修通常以月或季度进行，体现机械性能的数据记录频率较低，而消防泵进出口压力等参数可以进行实时采集，各类数据的时效性及其对响应速度的要求均不相同，这就需要在进行数据分析方法选择时进行全面考虑。

1.2.4  数据关联性较强

自动喷水灭火系统的组成部件复杂，各个关键设备既独立运行又相互影响，系统运行环环相扣，系统运行可靠性又与环境状态、运行工况密切相关，数据间呈现强关联性。如报警阀门前后监测到的管网压力，既能直接体现阀门的自身状态，又能间接体现稳压系统的稳压区间设置和稳压泵的运行良好性。此类数据关系的分析不能仅靠常规的数据分析方法进行，需要在数据分析时调用大量的行业专家经验。

鉴于自动喷水灭火系统数据类型多、价值差异大、采集频率多样、关联性强等主要特点，发展智能化的故障预警技术需要根据故障特征与相关数据特点，集成多种数据分析与故障诊断方法，形成灵活、可靠的方法框架。

1.3  自动喷水灭火系统及部件故障智能化分析与预警方法框架

结合自动喷水灭火系统典型故障梳理、数据特点分析，本文提出了基于经典可靠性理论和数据分析的故障分析和预警方法框架。

1.3.1  基于经典可靠性理论的自动喷水灭火系统故障分析与预警

结合自动喷水灭火系统的故障模式与原因，这里以同样起源于美国，均以图像分析为基础对风险性和可靠性进行分析的故障树分析与Go法为例，介绍运用经典可靠性方法开展自动喷水灭火系统故障分析与预警的思路。

一是故障树分析法（Fault Tree Analysis， FTA）。故障树分析法是目前在可靠性、安全性分析中使用最广泛、简单有效的评价方法之一。其基本原理是由上至下的演绎式失效分析法，從目标对象故障出发，基于布林逻辑低阶事件，分层次细化目标对象的失效原因。首先将自动喷水灭火系统最不希望发生的故障状态作为故障分析的目标，即顶事件，一般为自动喷水灭火系统失效，其次通过系统分解原理列出可能导致顶事件发生的各类直接原因和因素，再递推直至找到故障的底事件。最终结合故障树的定性分析和定量分析，得出影响顶事件的故障事件组合、顶事件的概率。通过确定顶事件的概率和基本事件的薄弱环节，从而提出规避故障发生的改进优化意见。

二是GO法。GO法是一种以成功为导向，基于多状态时序特性系统进行可靠性分析的方法。首先，设定系统可靠性为目标，基于研究对象的物理结构，明确系统的功能和所包含的部件，即自动喷水灭火系统的各个元部件，包括洒水喷头、报警阀组、水流指示器、管网系统等，并用操作符来表示，通过信号流表示各个元件间的输出输入信号。然后明确规定范围，确定成功准则，建立GO图。定量GO运算是将系统所有单元的状态概率数据，按操作符编号输入进行可靠性运算。而遇到复杂系统时，无法进行定量运算，则可进行定性分析以确定系统故障的最小割集，从而明确判断出整体系统的薄弱环节，直观有针对性地改善系统整体可靠性。

1.3.2  基于数据分析的自动喷水灭火系统故障分析与预警

自动喷水灭火系统数据处理方法应包括数据清洗、数据特征筛选及数据特征重构。数据清洗首先应通过多种统计方法检测获取到的数据异常情况，然后通过统计方法、数据转换方法等手段，修正或替换检测到的数据。数据挖掘可以通过对故障数据库进行统计，借助数据报表统计分析关键部件或系统出现故障事件的频率、相关数据均值、发展趋势等信息，从而得出相应的系统维护指导性建议。随着系统数据采集、储存、传输能力的发展，基于机器学习的数据挖掘方法是实现系统运行智能高效的重要方法之一[12]。

在此基础上，方可开展基于数据分析方法的故障分析与预警。为了便于理解，本文以层次分析法和贝叶斯网络这两类常用数据分析方法为例进行说明。

一是层次分析法。层次分析法又称AHP法，其基本原理是对实际问题的诸多影响因素进行分级，通过对同级及因素之间进行比较和计算，从而确定各因素在所属层级的比重。层次分析法，需首先确定层次结构，将决策的目标、因素和决策对象按照相互关系分为最高层即自动喷水灭火系统可靠性评价，中间层由需要考虑的准则及子准则构成，包括自动喷水灭火系统的各部件，如管网、洒水喷头、报警阀组等，最底层由为实现预定目标可供选择的各类措施及决策方法构成，内容为各部件的具体故障参数形式。在确定层次结构后，下一步是利用判断矩阵的方法确定各层次元素权重，并对系统可靠性参数进行比较。最终对同一层次因素对于预期目标相对重要性的排序权重值，得到各部件故障对于自动喷水灭火系统整体故障的权重，并得出总一致性指标，为提升系统整体可靠性提供理论依据。

二是贝叶斯网络分析方法。贝叶斯网络分析法的核心是节点关系和概率，基于概率推理的图形化网络直观表达变量的联合概率分布及条件独立性，可实现多元信息的融合。对自动喷水灭火系统可靠性进行贝叶斯网络分析，首先是确定分析对象，即自动喷水灭火系统可靠性，其整体系统由洒水喷头、报警阀组、管网供水等部件组成，这些部件的可靠性对于整体系统可靠性就是子系统可靠性。其次是确定对系统功能有影响的因素，其中每一个因素都被视作一个节点。各部件的状态参数变量构成了贝叶斯网络的末端节点，其工作状态直接影响各子系统的可靠性。最后，在确定影响因素后，对数据进行收集和分析，以得出各节点的概率及相互之间的关系，并根据分析结果，建立贝叶斯网络模型。

2 建议和展望

数据分析是智慧自动喷水灭火系统的核心内涵，当前的研究还处于探索阶段，建议从以下三个方面继续开展深入研究，为系统智能化水平的全面提升提供支持。

一是自动喷水灭火系统数据多源异构、数据分析场景复杂多样，数据分析是跨学科、跨领域的复杂系统工程，难以通过特定框架方法完美实现，需要不同领域的专家围绕具体应用各场景，开发出大量预测、感知、推理、决策等方面的数据分析方法，最终集成为自动喷水灭火系统数据分析技术体系。

二是应用于自动喷水灭火系统的经典可靠性方法可以用于表达系统的结构、功能及逻辑关系，但面对存在大量部件单元、变量、复杂逻辑关系的系统时，这些方法需结合具体问题对系统进行大幅简化，同时，可借鉴电网、城市供水管网等领域大数据研究成果，发展适用于自动喷水灭火系统特性、业务逻辑的数据分析方法，以期为系统的可靠性评价和基于可靠性的决策支持提供模型基础。

三是在自动喷水灭火系统的数据采集与传输、数据存取、计算架构等方面还需不断完善大数据基础设施，不断发展传感器接口、数据采集、数据编码、数据传输等方面的技术标准，提高数据质量。

参考文献：

[1]NFPA.US Experience with Sprinklers[M].2021.

[2]Bukowski R W，Budnick E K，Schemel CF.Estimates of the operational

reliability of fire protection systems[J].ResearchGate，1999（1）：

111-124.

[3]Warrington Fire Research Consultants.Eustons station fire safety case study[R].Report for British Rail.

[4]Daniel Malm，Ann-Ida Pettersson Reliabilitity of automatic sprinkler systems[D].Sweden：Lund University，2008.

[5]MOINUDDIN K，THOMAS I，CHEA S.Estimating the reliability of sprinkler systems in Australian high － rise office buildings[J].Fire Safety Science，2009，9（4）：515－526．

[6]Khan Shahid （RWTH Aachen University， Germany）.Modelling

and Analysis of Fire Sprinklers by Verifying Dynamic Fault

Trees[C]//10th Latin-American Symposium on Dependable

Computing，LADC 2021.

[7]范海英.高層公共建筑消防水系统可靠性应用研究[D].重庆：重庆大学.2006.

[8]张勇明.自动喷水灭火系统可靠性应用研究[D].衡阳：南华大学.2008.

[9]孟川.地下建筑消防给水系统可靠性研究[D].西安：西安建筑科技大学，2007.

[10]陈长飞，白国强.贝叶斯网络在消防系统可靠性分析中的应用[J].中国安全科学学报，2018，28（6）：97-102.

[11]于博文，王益祥.基于GO法的自动喷水灭火系统的可靠性分析[J].机械制造与自动化，2018，47（1）：197-199+217.

[12]李广华，杨振凯.自动喷水灭火系统技术改进措施探讨[J].消防界（电子版），2020，6（13）：91+93.

Discussion on intelligent early warning method for typical failures of automatic sprinkler system

Rong Fengyi，Tian Liwei，Chen Hongguang，Li Yi

（Tianjin Fire Research Institute of Ministry of Emergency Management， Tianjin 300381）

Abstract： As the internationally recognized safest， most reliable and most cost-effective firefighting facility， the automatic sprinkler system has been widely used in various complex buildings at home and abroad. It has played a good control effect in the early stage of the fire and greatly reduced the losses caused by the fire. Based on sorting out and analyzing the hidden faults in the automatic sprinkler system of hotels， commercial complexes and other buildings， the development idea of automatic sprinkler system and core component fault early warning based on classical reliability theory and data analysis method is proposed， which has a certain reference for the development of digital fire protection， intelligent fire protection and reliable fire protection.

Keywords： automatic sprinkler system; typical fault analysis; reliability