CN114049738B - 基于烟雾、温度、电气量的建筑电气火灾辨识方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于烟雾、温度、电气量的建筑电气火灾辨识方法及系统，所述方法包括：根据建筑结构进行空间区域划分，各个区域内布置烟雾监测单元、温度监测单元以及电气量监测单元；在线采集烟雾浓度数据、环境温度数据和电气量监测数据，进行数据预处理；根据烟雾浓度数据和环境温度数据进行火源信息辨识；根据电气量监测数据进行电气故障信息辨识：汇总火源与电气故障信息，根据火源与电气故障在时序逻辑和空间区域上的信息重合度，判断火灾是否由电气故障引起。本发明利用火源和电气故障的时空信息的重合度来区分电气火灾与非电气火灾类型，有助于提高建筑电气火灾判定的准确率，有着广泛的实际应用价值。

Description

基于烟雾、温度、电气量的建筑电气火灾辨识方法及系统

技术领域

本发明涉及建筑电气火灾的辨识技术领域，具体是一种基于烟雾、温度、电气量的建筑电气火灾辨识方法及系统。

背景技术

随着社会的不断发展，电能已经成为社会生产和日常生活中不可替代的重要能源，人类对电能的需求越来越大。建筑中各种电气、电子系统日趋复杂，家用电器繁多，复杂的线路环境和愈大的用电负荷使得电气火灾隐患日益增加。大量火灾统计资料表明，电气火灾无论是在火灾起因还是在火灾直接经济损失方面，多年来都处于各类建筑火灾统计数的前列。电气火灾除了发生频率高之外，还往往有可能会发展成为损失不堪设想的重大火灾。因此，立足电气火灾防治责任，全面建设电气火灾监测与辨识系统，监测建筑内烟雾、温度、电气量的状态信息，以各类电气火灾特征物理量信息为依据，进行建筑电气火灾辨识工作，对减少火灾带来的损失，最大程度地预防类似事故发生，显得十分必要。

在火灾发生的初期，由于可燃物的不完全燃烧，使得火势不强而浓烟较大，环境温度还未完全上升，此时可利用烟雾信息来确定火源时间和位置信息。随着可燃物的完全燃烧，环境温度急剧上升，此时还可利用环境温度信息进一步确定火源的时空信息。从火灾情况看，能引起电气火灾的直接原因主要是漏电、短路、电弧、过负荷、接触电阻过大等电气故障造成的高温发热，可利用低压配电物联网平台，通过同步采集建筑内各电气量监测单元的三相电流、三相电压和剩余电流等电气量信息，确定电气故障的发生时间及区域位置。

由于火灾模式多样，建筑电气火灾现场鉴定往往是个难题。目前的火灾现场鉴定技术存在局限性，各类火灾鉴定技术和方法之间缺乏协同性，这严重制约了电气火灾鉴定技术的发展和鉴定方法的使用。针对建筑电气火灾辨识工作，可将电气故障传播规律与火灾发展态势相结合，一定程度上可得出适用性较强的结论。本发明提出一种基于烟雾、温度、电气量的建筑电气火灾辨识技术，根据所采集的各类电气火灾特征物理量判断火源和电气故障的时间和空间位置信息，利用二者在时序逻辑及空间位置上的信息重合度区分电气火灾与非电气火灾类型，提高建筑电气火灾判定的准确率。

发明内容

本发明目的在于解决建筑电气火灾辨识问题，提供一种基于烟雾、温度、电气量的建筑电气火灾辨识方法，通过监测建筑内各类电气火灾特征物理量，获取火源信息与电气故障信息，根据二者在时序逻辑和空间区域上的信息重合度来区分电气火灾与非电气火灾类型，进而提高建筑电气火灾判定的准确率。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于烟雾、温度、电气量的建筑电气火灾辨识方法，包括以下步骤：

步骤a.根据建筑结构进行空间区域划分，各个区域内布置烟雾监测单元、温度监测单元以及电气量监测单元；

步骤b.通过烟雾监测单元、温度监测单元以及电气量监测单元分别在线采集烟雾浓度数据、环境温度数据和电气量监测数据，进行数据预处理；

步骤c.根据烟雾浓度数据和环境温度数据进行火源信息辨识：预设异常情况阈值，对预处理后的烟雾浓度数据和环境温度数据进行判断，当结果大于异常情况阈值，认为具有火灾情况，利用各个烟雾监测单元、温度监测单元数据的时间和位置信息判断起火时间和火源所在区域；

步骤d.根据电气量监测数据进行电气故障信息辨识：预设电气故障情况阈值，对预处理后的故障电气量监测数据进行判断，当结果大于电气故障情况阈值，认为发生了电气故障，利用各个电气量监测单元所采集的信息判断电气故障发生时刻和所在区域；

步骤e.汇总火源与电气故障信息，根据火源与电气故障在时序逻辑和空间区域上的信息重合度，判断火灾是否由电气故障引起。

进一步的，步骤c具体包括：

预设异常情况阈值，即烟雾浓度变化率判断阈值P₀和环境温度变化率判断阈值K₀；

计算烟雾监测单元、温度监测单元所采集各时刻数据的数值变化率：

式中，i为时间刻度值；S(i)为烟雾监测单元在i时刻测得的烟雾浓度数据；P_i为i时刻的烟雾浓度变化率；T(i)为温度监测单元在i时刻测得的环境温度数据；K_i为i时刻的环境温度变化率；；

判断采集数据是否超过异常情况阈值和电气故障情况阈值：

D_F＝H(P_i-P₀)+H(K_i-K₀)

式中，D_F为火灾警报值；P₀为烟雾浓度变化率判断阈值；K₀为环境温度变化率判断阈值；H(x)为单位阶跃函数，如下式所示；

当D_F＝0时，判断无火灾情况发生；当D_F>0时，判断有火灾情况发生，并根据烟雾监测单元和温度监测单元的时间和位置信息判断出起火时间T_F和火源所在区域Z_F。

进一步的，步骤d具体包括：

预设电气故障情况阈值，即电压变化率判断阈值V₀和电流变化率判断阈值C₀；

计算电气量监测单元所采集各时刻数据的数值变化率：

式中，i为时间刻度值；U(i)为电气量监测单元在i时刻测得的电压数据；V_i为i时刻的电压变化率；I(i)为电气量监测单元在i时刻测得的电流数据；C_i为i时刻的电流变化率；

判断采集数据是否超过电气故障情况阈值：

D_E＝H(V_i-V₀)+H(C_i-C₀)

式中，D_E为电气故障警报值；V₀为电压变化率判断阈值；C₀为电流变化率判断阈值；H(x)为单位阶跃函数，如下式所示；

当D_E＝0时，判断无电气故障情况发生；当D_E>0时，判断有电气故障情况发生，并根据电气量监测单元所采集信息判断电气故障发生时刻T_E、所在区域Z_E和故障致火水平L_E；其中，故障致火水平L_E与故障持续时间t、功率P_E相关：L_E＝f(P_E,t)。

进一步的，步骤e中完成数据汇总后，按照下面的逻辑进行电气火灾与非电气火灾辨识分析：

a.当(Z_E≠Z_F)∪(D_E＝0)＝1，即利用烟雾浓度数据、环境温度数据判断的火源区域与电气故障区域无重合区域，或者未监测到电气故障，判断为非电气火灾；

b.当(Z_E＝Z_F)∩((T_F-T_E)＞T₀)＝1，即利用烟雾浓度数据、环境温度数据判断的火源区域与电气故障区域具有重合区域，且在起火时间前T₀这一时间段中，重合区域内无电气故障产生，判断为非电气火灾；

c.当(Z_E＝Z_F)∩((T_F-T_E)≤T₀)∩L_E＜L₀)＝1，即利用烟雾浓度数据、环境温度数据判断的火源区域与电气故障区域具有重合区域，且在起火时间前T₀这一时间段中，重合区域内有电气故障产生，但电气故障未达到故障致火水平L₀，判断为非电气火灾；

d.当(Z_E＝Z_F)∩(T_F-T_E)≤T₀)∩(L_E≥L₀)＝1，即利用烟雾浓度数据、环境温度数据判断的火源区域与电气故障区域具有重合区域，且在起火时间前T₀这一时间段中，重合区域内有电气故障产生，但电气故障达到故障致火水平门槛值L₀，判断为电气火灾。

所述故障致火水平门槛值L₀和时间范围T₀的设定针对不同类型电气故障，结合所需检测电气故障类型进行定值整定。

一种基于烟雾、温度、电气量的建筑电气火灾辨识系统，包括监测单元和主控制单元，所述主控制单元包括通信模块、分析处理模块，监测单元包括烟雾监测单元、温度监测单元以及电气量监测单元

烟雾监测单元、温度监测单元以及电气量监测单元分别用于在线采集烟雾浓度数据、环境温度数据和电气量监测数据，然后通过通信模块传输给分析处理模块进行数据预处理；

分析处理模块，用于根据烟雾浓度数据和环境温度数据进行火源信息辨识，根据电气量监测数据进行电气故障信息辨识，汇总火源与电气故障信息，根据火源与电气故障在时序逻辑和空间区域上的信息重合度，判断火灾是否由电气故障引起。

进一步的，所述主控制单元还包括与分析处理模块连接的存储模块，所述存储模块用于存储处理后的包括火源信息、电气故障信息，利用自定义字段存放于所述存储模块的数据库中，供给所述显示模块进行查询。

进一步的，所述主控制单元包括与分析处理模块连接的显示模块，所述显示模块用于根据存储模块中存储的火源信息、电气故障信息中所发生的各类事件记录，以事件顺序记录进行排序显示。

进一步的，所述各类事件包括火灾事件或者电气故障事件。

本发明的有益之处在于：与现有技术相比，本发明通过监测建筑内烟雾、温度、电气量这些电气火灾特征物理量的状态信息，判断火源和电气故障的时空信息，利用二者在时序逻辑和空间区域上的信息重合度来区分电气火灾与非电气火灾类型。本发明对提高建筑电气火灾判定的准确率，减少火灾带来的损失，最大程度地预防类似事故发生，有着广泛的实际应用价值。

附图说明

图1为本发明基于烟雾、温度、电气量的建筑电气火灾辨识方法其中一个实施例的流程图；

图2为本发明实施例中基于异常情况阈值的火源信息辨识的流程图；

图3为本发明实施例中基于电气故障情况阈值的电气故障信息辨识方法的流程图；

图4为本发明建筑内区域划分与监测单元布局示意图；

图5为本发明电气火灾与非电气火灾辨识逻辑示意图；

图6为本发明基于烟雾、温度、电气量的建筑电气火灾辨识系统其中一个实施例的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明实施例提供一种基于烟雾、温度、电气量的建筑电气火灾辨识方法，包括如下步骤：

步骤S10、根据建筑结构进行空间区域划分，各个区域内布置烟雾监测单元、温度监测单元以及电气量监测单元，如图4所示，监测单元的设置原则为：每个监测区域内至少设置不同类型监测单元各一个，烟温监测单元周围不应有遮挡物，安装间距根据其保护面积和保护半径等参数确定。

步骤S20、通过烟雾监测单元、温度监测单元以及电气量监测单元分别在线采集烟雾浓度数据、环境温度数据和电气量监测数据，进行数据预处理；电气量监测针对漏电、短路、电弧、过负荷等致火电气故障，所采集电气量监测数据包括三相电流、三相电压和剩余电流等信息。

数据预处理包括对所收集数据进行审核、筛选、排序这些必要的处理：

a.数据审核：审核监测单元的数据是否符合逻辑，各监测数据之间有无相互矛盾；

b.数据筛选：去除某些有明显错误的数据；

c.数据排序：根据区域划分，将相同区域的监测单元数据按照时序变化进行排序。

步骤S30、根据烟雾浓度数据和环境温度数据进行火源信息辨识；

步骤S40、根据电气量监测数据进行电气故障信息辨识；

步骤S50、汇总火源与电气故障信息，根据火源与电气故障在时序逻辑和空间区域上的信息重合度，判断火灾是否由电气故障引起。

如图2所示，步骤S30火源信息辨识的步骤包括：

步骤S31、预设异常情况阈值，即烟雾浓度变化率判断阈值P₀和环境温度变化率判断阈值K₀；烟温监测单元的阈值设定参考关于火灾监测报警系列产品的国家标准。

步骤S32、对预处理后的各时刻烟雾浓度变化率P_i和环境温度变化率K_i进行判断，当结果大于异常情况阈值时，认为具有火灾情况；

步骤S33、利用各个烟雾监测单元、温度监测单元数据的时间和位置信息判断起火时间T_F和火源所在区域Z_F；

如图3所示，步骤S40电气故障信息辨识的步骤包括：

步骤S41、预设电气故障情况阈值，即电压变化率判断阈值V₀和电流变化率判断阈值C₀；电气量监测单元的阈值设定应针对不同电气故障，满足所有低压电气故障监测需求。

步骤S42、对预处理后的各时刻电压变化率V_i和电流变化率C_i进行判断，当结果大于电气故障情况阈值，认为发生了电气故障；

步骤S43、利用各个电气量监测单元所采集信息判断故障发生时刻T_E、故障所在区域Z_E和故障致火水平L_E。

下面结合图4、图5对建筑电气火灾辨识分析予以进一步说明：

以图4所示办公建筑为例，具体展示出其中两层建筑结构，内有楼梯和电梯设施，每层均有8个房间，每个房间内设有门窗。根据建筑结构进行空间区域划分，可分为如下监测区域：楼梯、电梯、走廊1-3、房间1-8。各个监测区域内布置烟雾监测单元、温度监测单元以及电气量监测单元，且每个区域内至少设置不同类型监测单元各一个。

烟温监测单元的阈值设定参考关于火灾监测报警系列产品的国家标准，如可设定烟雾浓度变化率判断阈值P₀为2(％obs/m)/s，环境温度变化率判断阈值K₀为0.5℃/s。在线采集不同区域内各个烟温监测单元数据，若监测到高于阈值的异常情况数据，认为具有火灾情况，再根据各个烟温监测单元数据的时间和位置信息，进行火源定位与火灾时间分析，判断出起火时间T_F和火源所在区域Z_F。

电气量监测针对漏电、短路、电弧、过负荷等致火电气故障，所采集电气量数据包括三相电流、三相电压和剩余电流等信息。电气量监测单元制订监测方案应针对不同电气故障，如可根据电流波形凹凸性以及累积电弧周期是否均超过设定阀值来监测电弧故障，再利用上下游监测单元对电弧电压、电流特征感受程度的不同，实现故障点定位。同步采集建筑内各个电气量监测单元的三相电流等电气量信息，若监测到高于阈值的电气故障情况数据，认为发生了电气故障，再根据各个电气量监测单元所采集信息，判断故障发生时刻T_E、所在区域Z_E和故障致火水平L_E。

步骤S50具体为：完成关于火源和电气故障的信息汇总后，按照如图5逻辑判断火灾是否由电气故障引起，以下列出电气火灾与非电气火灾辨识分析的结果：

a.建筑内有火灾情况发生(D_F>0)，火源区域定位结果为房间1○(Z_F＝room1)，并且未监测到发生任何电气故障(D_E＝0)。综上，可判断为发生了非电气火灾。

b.建筑内有火灾情况发生(D_F>0)，火源区域定位结果为房间1○(Z_F＝room1)，并且监测到建筑内发生了电气故障(D_E>0)，根据电气量监测单元数据定位电气故障发生区域为房间○6(Z_E＝room6)，火源区域与电气故障区域不重合(Z_F≠Z_E)。综上，可判断为发生了非电气火灾。

c.建筑内有火灾情况发生(D_F>0)，火源区域定位结果为房间1○(Z_F＝room1)，并且监测到建筑内发生了电气故障(D_E>0)，根据电气量监测单元数据定位电气故障发生区域为房间1○(Z_F＝room1)，火源区域与电气故障区域重合(Z_F＝Z_E)，根据监测单元数据进行时间分析，得出起火时间早于电气故障发生时间(T_F<T_E)。综上，可判断为发生了非电气火灾。

d.建筑内有火灾情况发生(D_F>0)，火源区域定位结果为房间1○(Z_F＝room1)，并且监测到建筑内发生了电气故障(D_E>0)，根据电气量监测单元数据定位电气故障发生区域为房间1○(Z_F＝room1)，火源区域与电气故障区域重合(Z_F＝Z_E)。根据监测单元数据进行时间分析，得出起火时间晚于电气故障发生时间(T_F>T_E)。综上，可判断为发生了电气火灾。

本发明实施例还提供一种基于烟雾、温度、电气量的建筑电气火灾辨识系统，如图6所示，所述系统包括主控制单元100和监测单元200，所述主控制单元包括通信模块110、分析处理模块120、存储模块130和显示模块140，监测单元200包括烟雾监测单元、温度监测单元以及电气量监测单元。

烟雾监测单元、温度监测单元以及电气量监测单元分别用于在线采集烟雾浓度数据、环境温度数据和电气量监测数据，然后通过通信模块传输给分析处理模块进行数据预处理；

所述通信模块110分别与烟雾监测单元210、温度监测单元220以及电气量监测单元230连接，驱动监测单元工作、周期性或定时接收所需监测数据，并将数据传输至所述分析处理模块120；

所述分析处理模块120用于根据烟雾浓度数据和环境温度数据进行火源信息辨识，根据电气量监测数据进行电气故障信息辨识，汇总火源与电气故障信息，根据火源与电气故障在时序逻辑和空间区域上的信息重合度，判断火灾是否由电气故障引起，并将所处理数据信息利用自定义字段存放于所述存储模块130；

所述存储模块130存储处理后的包括火源信息、电气故障信息等数据信息，利用自定义字段存放于所述存储模块130的数据库中，供给所述显示模块140进行查询；

所述显示模块140用于根据存储模块中存储的火源信息、电气故障信息中所发生的各类事件(火灾事件或者电气故障事件)记录，以事件顺序记录(SOE)进行排序显示。

可选的，上述电气火灾成因辨识系统中的监测单元包括烟雾监测单元、温度监测单元以及电气量监测单元。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (1)

1.一种基于烟雾、温度、电气量的建筑电气火灾辨识方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

步骤a.根据建筑结构进行空间区域划分，各个区域内布置烟雾监测单元、温度监测单元以及电气量监测单元；

步骤b.通过烟雾监测单元、温度监测单元以及电气量监测单元分别在线采集烟雾浓度数据、环境温度数据和电气量监测数据，进行数据预处理；

步骤c.根据烟雾浓度数据和环境温度数据进行火源信息辨识：预设异常情况阈值，对预处理后的烟雾浓度数据和环境温度数据进行判断，当结果大于异常情况阈值，认为具有火灾情况，利用各个烟雾监测单元、温度监测单元数据的时间和位置信息判断起火时间和火源所在区域；

步骤d.根据电气量监测数据进行电气故障信息辨识：预设电气故障情况阈值，对预处理后的故障电气量监测数据进行判断，当结果大于电气故障情况阈值，认为发生了电气故障，利用各个电气量监测单元所采集的信息判断电气故障发生时刻和所在区域；

步骤e.汇总火源与电气故障信息，根据火源与电气故障在时序逻辑和空间区域上的信息重合度，判断火灾是否由电气故障引起；

步骤c具体包括：

预设异常情况阈值，即烟雾浓度变化率判断阈值P₀和环境温度变化率判断阈值K₀；

计算烟雾监测单元、温度监测单元所采集各时刻数据的数值变化率：

式中，i为时间刻度值；S(i)为烟雾监测单元在i时刻测得的烟雾浓度数据；P_i为i时刻的烟雾浓度变化率；T(i)为温度监测单元在i时刻测得的环境温度数据；K_i为i时刻的环境温度变化率；；

判断采集数据是否超过异常情况阈值和电气故障情况阈值：

D_F＝H(P_i-P₀)+H(K_i-K₀)

式中，D_F为火灾警报值；P₀为烟雾浓度变化率判断阈值；K₀为环境温度变化率判断阈值；H(x)为单位阶跃函数，如下式所示；

当D_F＝0时，判断无火灾情况发生；当D_F>0时，判断有火灾情况发生，并根据烟雾监测单元和温度监测单元的时间和位置信息判断出起火时间T_F和火源所在区域Z_F；

步骤d具体包括：

预设电气故障情况阈值，即电压变化率判断阈值V₀和电流变化率判断阈值C₀；

计算电气量监测单元所采集各时刻数据的数值变化率：

式中，i为时间刻度值；U(i)为电气量监测单元在i时刻测得的电压数据；V_i为i时刻的电压变化率；I(i)为电气量监测单元在i时刻测得的电流数据；C_i为i时刻的电流变化率；

判断采集数据是否超过电气故障情况阈值：

D_E＝H(V_i-V₀)+H(C_i-C₀)

式中，D_E为电气故障警报值；V₀为电压变化率判断阈值；C₀为电流变化率判断阈值；H(x)为单位阶跃函数，如下式所示；

当D_E＝0时，判断无电气故障情况发生；当D_E>0时，判断有电气故障情况发生，并根据电气量监测单元所采集信息判断电气故障发生时刻T_E、所在区域Z_E和故障致火水平L_E；其中，故障致火水平L_E与故障持续时间t、功率P_E相关：L_E＝f(P_E,t)；

步骤e中完成数据汇总后，按照下面的逻辑进行电气火灾与非电气火灾辨识分析：

a.当(Z_E≠Z_F)∪(D_E＝0)＝1，即利用烟雾浓度数据、环境温度数据判断的火源区域与电气故障区域无重合区域，或者未监测到电气故障，判断为非电气火灾；

b.当(Z_E＝Z_F)∩((T_F-T_E)＞T₀)＝1，即利用烟雾浓度数据、环境温度数据判断的火源区域与电气故障区域具有重合区域，且在起火时间前T₀这一时间段中，重合区域内无电气故障产生，判断为非电气火灾；

c.当(Z_E＝Z_F)∩((T_F-T_E)≤T₀)∩L_E＜L₀)＝1，即利用烟雾浓度数据、环境温度数据判断的火源区域与电气故障区域具有重合区域，且在起火时间前T₀这一时间段中，重合区域内有电气故障产生，但电气故障未达到故障致火水平L₀，判断为非电气火灾；

d.当(Z_E＝Z_F)∩(T_F-T_E)≤T₀)∩(L_E≥L₀)＝1，即利用烟雾浓度数据、环境温度数据判断的火源区域与电气故障区域具有重合区域，且在起火时间前T₀这一时间段中，重合区域内有电气故障产生，但电气故障达到故障致火水平门槛值L₀，判断为电气火灾。

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