KR101357283B1 - 위치 센서에 의한 전기 화재 소화 시스템 및 방법 - Google Patents

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강현일
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한밭대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 위치 센서에 의한 전기 화재 소화 시스템 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전기화재가 발생하기 전에 아크 현상을 검출하여 전기화재 징후의 신호를 보내는 화재 예측 장치와 상기 아크 현상의 검출이 소정시간이 경과할 때까지 지속되면, 상기 아크 현상의 발생위치를 파악하는 위치 센서와 상기 위치센서에서 파악된 아크 현상의 발생위치에서 가장 근접한 거리에 있는 소화장치에서 소화약제가 아크 현상 발생위치 방향으로 살포되는 소화장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 화재 소화 시스템 및 전기화재 발생 전에 전기 패널 내의 화재를 사전예측하도록 전기신호 특성을 분석, 전기적인 화재징후를 실시간으로 검출하는 웨이블릿 기반 아크 판별 단계와 상기 화재징후가 소정시간이 경과할 때까지 지속되면, 위치 센서에 의해 상기 화재 징후의 발생위치를 파악하는 단계와 상기 파악된 화재 징후의 발생위치에서 가장 근접한 거리에 있는 소화장치에서 소화약제가 화재 징후 발생위치로 살포되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화재 소화 방법에 관한 것이다.

Description

위치 센서에 의한 전기 화재 소화 시스템 및 방법 {Electricity Fire of extinguishing system and method by position sensor}
본 발명은 위치 센서에 의한 전기 화재 소화 시스템 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전기화재가 발생하기 전에 아크 현상을 검출하여 전기화재 징후의 신호를 보내는 화재 예측 장치와 상기 아크 현상의 검출이 소정시간이 경과할 때까지 지속되면, 상기 아크 현상의 발생위치를 파악하는 위치 센서와 상기 위치센서에서 파악된 아크 현상의 발생위치에서 가장 근접한 거리에 있는 소화장치에서 소화약제가 아크 현상 발생위치 방향으로 살포되는 소화장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 화재 소화 시스템 및 전기화재 발생 전에 전기 패널 내의 화재를 사전예측하도록 전기신호 특성을 분석, 전기적인 화재징후를 실시간으로 검출하는 웨이블릿 기반 아크 판별 단계와 상기 화재징후가 소정시간이 경과할 때까지 지속되면, 위치 센서에 의해 상기 화재 징후의 발생위치를 파악하는 단계와 상기 파악된 화재 징후의 발생위치에서 가장 근접한 거리에 있는 소화장치에서 소화약제가 화재 징후 발생위치로 살포되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화재 소화 방법에 관한 것이다.
많은 산업현장에서 전기패널에서 발생하는 전기화재의 초기 진화 및 화재확산 방지를 위해 특,고압 수배전반 및 ACB반, 고압전동기 기동반 등에 대하여 도 1a와 같은 수배전반용 개별식 자동소화장치를 설치하여 운영중에 있다.
수배전반용 개별식 자동소화장치는 상기 도 1a와 같이 소화기, 감지기, 컨트롤 박스로 구성되며, 화재시 온도가 상승하여 70도 이상이 되면 정온식 스포트형 열감지기가 작동하여 컨트롤 박스 내에 메인 PCB에서 화재신호를 받아서, 소화기 모터구동부에 전기신호를 전달하여 소화약제를 방출하여 화재를 진압한다. 이에 대한 경보시스템은 도 1b와 같이 자동화재탐지설비 및 HMI(Human Machine Interface)화면을 통한 알람으로 구성하고 있다.
현재 대부분의 산업현장에서의 화재감시체계는 도 1c와 같이 감지기를 통해 열과 연기의 전기적인 신호를 단위공정설비의 RCS까지 와이어를 통해 전송하고, 그곳에서 통신케이블(RS485, Ethernet 등)로 중앙제어실 HMI까지 화재신호를 전송하여 감시자에게 화재경보를 전송하도록 구성되어 있다.
그러나, 집적 플랜트가 아닌 분산 플랜트에서는 각 단위공정별 건물마다 운영자의 상시 HMI 화면감시가 어려운 상황이므로 패널 내 화재발생 여부를 실시간으로 인지하기에는 한계가 있다는 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명은 화재가 발생하기 전에 화재징후를 화재를 미리 방지할 수 있는 화재예측 장치와 화재징후가 소정시간 지속되면 화재 징후의 위치를 파악하는 위치센서와 소화약제를 살포하는 소화장치를 포함하는 전기화재 소화 시스템을 제공하는 데 있는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 전기 패널 내의 화재를 사전예측하도록 전기신호 특성을 분석, 전기적인 화재징후를 실시간으로 검출하고 상기 화재징후가 소정시간이 경과할 때까지 지속되면, 위치 센서에 의해 상기 화재 징후의 발생위치를 파악하여 가장 근접한 거리에 있는 소화장치에서 소화약제가 화재 징후 발생위치로 살포되는 전기화재 소화 방법을 제공하는데 있는 것이다.
이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 발명의 전기 화재 소화 시스템은 전기화재가 발생하기 전에 아크 현상을 검출하여 전기화재 징후의 신호를 보내는 화재 예측 장치;와 상기 아크 현상의 검출이 소정시간이 경과할 때까지 지속되면, 상기 아크 현상의 발생위치를 파악하는 위치 센서;와 상기 위치센서에서 파악된 아크 현상의 발생위치에서 가장 근접한 거리에 있는 소화장치에서 소화약제가 아크 현상 발생위치 방향으로 살포되는 소화장치;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 화재 예측 장치는 아크현상을 분석하여 시간영역, 주파수 영역 및 웨이블릿 변환영역에서 모두 아크로 판별했을 때, 전기화재 징후 신호를 보내며, 상기 소화약제는 소화튜브의 파열에 의해 약제가 살포되는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 전기 화재 소화 시스템은 화재 감지시 화재의 확산방향을 예측하여 소화약제를 미리 분사하는 화재 확산 방지 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 전기 화재 소화 방법은 전기화재 발생 전에 전기 패널 내의 화재를 사전예측하도록 전기신호 특성을 분석, 전기적인 화재징후를 실시간으로 검출하는 웨이블릿 기반 아크 판별 단계;와 상기 화재징후가 소정시간이 경과할 때까지 지속되면, 위치 센서에 의해 상기 화재 징후의 발생위치를 파악하는 단계;와 상기 파악된 화재 징후의 발생위치에서 가장 근접한 거리에 있는 소화장치에서 소화약제가 화재 징후 발생위치로 살포되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 웨이블릿 기반 적응 알고리즘을 이용한 아크 판별 단계는 전기 패널 내의 전기신호를 검출하는 단계; 상기 검출된 전기신호를 시간 영역 및 주파수 영역에서 분석하여 아크를 판정하는 단계; 상기 검출된 전기신호를 웨이블릿 변환영역에서 분석하여 아크를 판정하는 단계; 상기 시간영역, 주파수 영역 및 웨이블릿 변환 영역에서 상기 검출된 전기신호가 모두 아크로 판정될 때에만 상기 검출된 전기신호를 아크로 최종 판별하는 단계;를 포함한다.
또한, 상기 소화약제가 화재 징후 발생위치로 살포되는 단계는 소화장치에서 소화튜브에 전기적으로 가열하는 단계; 소화튜브에서의 감지 온도가 100℃ ~ 110℃ 사이에서 파열되는 단계; 상기 소화튜브에서 파열과 동시에 소화약제가 자동적으로 살포되는 단계를 포함하며, 상기 살포되는 단계 이후에 화재가 감지되면 화재의 확산방향을 예측하여 소화약제를 미리 분사하는 화재 확산 방지 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
따라서, 본 발명은 아크검출 알고리즘을 적용하여 화재징후에 대한 검출 신뢰도를 향상시키고, 아크에 의해 화재징후가 소정시간 지속적으로 검출되면 자동으로 소화튜브가 파열되어 소화약제가 분출됨으로써 화재에 완전 대비할 수 있어 기술적, 경제적 효과도 가질 수 있다. 또한 화재감지시에는 화재지점을 정확히 감지하고 화재의 확산방향을 예측, 추적하여 소화 약제를 분사하므로 소량의 소화설비로 소공간 화재, 대공간 화재에 모두 우수한 효과가 있다.
도 1a는 종래의 수배전반용 개별식 자동소화장치를 도시한 도면.
도 1b는 종래 기술의 HMI(Human Machine Interface)
도 1c는 종래의 자동소화시스템을 도시한 도면.
도 2a는 본 발명의 화재예측장치로 정상 파형을 시간영역, 주파수 영역 및 웨이블릿 영역에서 분석한 그래프.
도 2b는 본 발명의 화재예측장치로 아크 파형을 시간영역, 주파수 영역 및 웨이블릿 영역에서 분석한 그래프.
도 2c는 본 발명의 화재예측장치로 아크파형과 유사한 파형을 시간영역, 주파수 영역 및 웨이블릿 영역에서 분석한 그래프.
도 3은 본 발명에 의한 소화튜브의 사진.
도 4는 본 발명에 의한 소화튜브가 소화장치에 포설된 것을 나타낸 도면.
도 5a는 본 발명에 의한 전기 화재 예측과 소화 시스템의 구성도.
도 5b는 본 발명 시스템을 모니터링하는 스마트폰 화면.
도 6은 웨이블릿 기반의 아크 판별 방법의 플로우 차트 도면.
도 7은 화재를 추적하는 방법을 설명한 플로우 차트 도면.
이하에서는 본 발명의 실시 예를 도면을 첨부하여 상세히 설명하기로 한다.
하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지의 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
도 2a는 본 발명의 화재예측장치로 정상 파형을 시간영역, 주파수 영역 및 웨이블릿 영역에서 분석한 그래프이고, 도 2b는 본 발명의 화재예측장치로 아크 파형을 시간영역, 주파수 영역 및 웨이블릿 영역에서 분석한 그래프이고, 도 2c는 본 발명의 화재예측장치로 아크파형과 유사한 파형을 시간영역, 주파수 영역 및 웨이블릿 영역에서 분석한 그래프이고, 도 3은 본 발명에 의한 소화튜브의 사진이고, 도 4는 본 발명에 의한 소화튜브가 소화장치에 포설된 것을 나타낸 도면이고, 도 5a는 본 발명에 의한 전기 화재 예측과 소화 시스템의 구성도이고, 도 5b는 본 발명 시스템을 모니터링하는 스마트폰 화면이고, 도 6은 웨이블릿 기반의 아크 판별 방법의 플로우 차트이다.
본 발명의 전기 화재 소화 시스템은 아크 현상을 검출하여 전기 화재를 예측하는 화재 예측 장치와, 아크가 소정 시간 이상 검출되면 아크 현상의 발생위치를 파악하는 위치센서와 위치 센서에서 파악된 아크 현상의 발생위치로 소화약제가 살포되는 소화장치를 포함한다.
이하에서는 각 구성요소에 대한 구성과 작용에 대한 설명을 하기로 한다.
1) 화재 예측 장치;
본 발명의 화재 예측 장치는 아크 현상을 검출하여 아크 경보신호를 스마트 폰과 같은 통신기기에 보내어 사전에 미리 화재 예측을 하게 되는 것이다.
(1) 지금까지 알려진 아크검출방법은 시간영역, 주파수 영역, 이산 웨이블릿 분석 등이 있다. 시간영역을 이용한 방법은 최대치 및 실효치의 변화를 통해 아크를 검출할 수 있으나 저항성 부하 등에서는 그 변화가 미소하여 한계가 있고, 주파수 영역을 이용한 방법은 고조파, 내부 고조파의 실효치 및 에너지 등을 통하여 아크를 검출하지만 시간 정보가 없고, 스위치 등의 순간적인 surge 등에서는 정확한 주파수 분석이 어려운 단점이 있다.
이산 웨이블릿을 이용한 방법은 아크 파형을 근사계수와 상세계수로 분해하여 최대치 및 실효치의 변화율로 아크를 검출할 수 있으나 파형의 특성에 따라 적합한 분해레벨과 주파수 범위를 선정해야 하기 때문에 다양한 부하에서 정확히 검출하기에는 어려움이 있었다.
(2) 본 발명의 화재 예측 장치는 그림 2와 같이 아크를 시간 주파수, 웨이블릿 변환영역의 3단계에서 분석하여 각 단계별 아크판별 결과로 전기화재 징후를 예측한다.
도 2a는 정상파형이 입력되었을 때, 단계별 아크판정을 나타낸다. 정상파형이 입력되었을 때에는 각 단계별로 모두 정상파형으로 판정하였다. 본 발명의 화재예측장치는 시간영역단계에서 정상파형으로 판정하면 푸리에 변환이나 웨이블릿 변환을 수행하지 않고 다음 신호 파형을 받아들인다.
도 2b는 아크 파형이 입력되었을 때, 단계별 아크 판정을 나타낸다. 아크 파형이 입력되었을 때에는 각 단계에서 모두 아크파형으로 판정하였다.
도 2c는 아크와 유사한 정상파형이 입력되었을 때, 단계별 아크판정을 나타낸다. 스위칭이나 Surge로 인하여 발생한 정상파형의 왜곡은 실시간 영역 및 주파수 영역에서 아크로 오판정하였다. 이는 왜곡파형의 특성이 아크 발생시 나타나는 전기적 특성인 실효값 감소, 홀수 고조파 및 고조파 성분 증가를 보이고 있기 때문이다. 그러나, 웨이블릿 변환단계에서 Threshold값을 넘지 않아 정상파형으로 판정하였고, 이것으로 인하여 최종 정상파형으로 판정하였다.
2) 위치 센서
아크 현상이 소정시간 이상 지속적으로 검출되면 아크 현상이 지속적으로 발생되는 위치에서 화재감지기가 인식하지 못하는 정도의 화재가 발생하였을 수도 있으므로, 본 발명의 위치 센서는 아크 현상이 소정시간 이상 지속되는 경우에 아크 현상의 위치를 파악하는 센서이다.
여기서 소정의 시간이란 실험과 관찰, 또는 경험을 통해 어느 정도 아크 현상이 지속되면 전기화재가 발생한다는 것을 파악한 시간으로 5분 이내이다. 여기서는 화재를 예측한다는 측면에서 3분 동안 아크 현상이 지속적으로 검출되면 그 부분에서 전기화재가 있다고 인식한다.
3) 소화장치
소화장치는 화재를 감지하여 튜브파열로 인한 소화약제 방출로 화재를 진압하는 장치로서, 화재 발생 전에 동작하는 전기화재 예측시스템의 기능상실에 대한 확실한 후비보호 기능을 수행하기 위한 것이다.
상기 소화튜브는 폴리에틸렌, 폴리염화비닐, 폴리프로필렌, 폴리스틸렌 중 어느 하나의 고분자 화합물에 생분해성 고분자물질인 PLA(Polylactic acid), PBS(Poly butylene succinate), PCL(Poly e-caprolactone)를 첨가제로 사용하고, 촉매제(PHA, PPC)를 사용하였다.
또한, 본 발명의 소화튜브는 첨가되는 상기 PLA는 상기 고분자 화합물의 5~30 중량%, 첨가되는 상기 PBS는 상기 고분자 화합물의 5~10 중량% 및 첨가되는 PCL은 상기 고분자 화합물의 5~10 중량%인 것이다.
그리고, 본 발명의 발화감지 자동 소화 튜브는 촉매제로 PHA 및 PPC를 사용하는 것을 특징으로 하며, 첨가되는 PHA 및 PCL은 각각 상기 고분자 화합물의 1~5 중량% 인 것이다.
도 3은 본 발명에 의한 소화튜브의 사진이다.
본 발명에 의한 소화튜브의 재질, 감지온도, 설치 및 유효길이에 관한 것이다.
재질 : 생분해성 고분자 소재 폴리머
감지온도 : 100~110도
설치 유효길이 2.5~20m
상기 규격에서 보듯이 본 발명의 소화튜브는 감지온도가 100℃~ 110℃사이에서 파열되며 파열과 동시에 소화약제가 파열부위에서 화재가 발생한 곳으로 곧 바로 분사된다. 따라서, 전기화재 징후가 있는 곳에 소화약제가 분사됨으로서 조기에 화재가 진화될 수 있는 것이다.
화재감지가 되지 않아서 소화튜브에 감지온도가 100℃~ 110℃가 되지 않았지만 아크 현상의 지속적 검출로 인하여 소화튜브의 파열이 필요한 경우에는 본 발명의 소화장치에서 소화튜브의 내부에 연결된 가열선을 통해 화재발생위치에 있는 소화튜브가 가열되어 소화튜브의 감지온도를 100℃~ 110℃로 만들어 준다.
가열선을 통해 특정부위의 소화튜브가 파열되기 위해서는 가열선마다 일정거리만큼 가열스위치를 설치하며, 가열스위치는 고유의 어드레스를 갖고 있으며, 소화장치의 제어부에서 화재 징후의 발생위치에 해당하는 어드레스를 파악하여 그 어드레스에 해당되는 가열스위치를 On 시켜 그 부분만 가열되도록 한다.
도 4는 본 발명의 소화튜브가 소화장치에 설치가 된 것을 나타낸 도면이다. 도면에 도시한 바와 같이, 소화장치 전체에 걸쳐 포설되어 있는 것이다.
3) 소화약제를 미리 분사하는 화재 확산 방지 장치
대공간의 화재방호를 위해서는 건물 천장이나 벽 측면에 영상감시장치 일체형 화재추적 소화설비를 설치하여 화재의 위치를 정확히 인식하고 화염이 있는 곳과 확산경로에 소화약제를 분사할 수 있어야 한다.
따라서, 영상인식을 통하여 화재지점의 정확한 감지와 확산방향을 예측하고 추적하며 소화약제를 살포하여 소량의 소화설비로 대공간 화재에 대응하는 것이 중요하다.
그런데, 화재 영상정보는 처리과정 중 불확실성 및 잡음을 포함하고 있으며, 상태천이 자체도 불규칙한 성분이 존재하므로 이러한 불확실성 및 잡음을 최소화하고 상태를 추정할 수 있는 칼만필터를 적용한 알고리즘을 사용하였다.
도 5a는 본 발명의 전기화재 소화 시스템의 전기화재 징후를 전송받아 전력 품질을 원격제어하는 통신기기의 구성도이다.
구성도에 나타나 있는 바와 같이, 본 발명에 의한 시스템은 스마트폰을 통해 아크의 전기적 신호 및 전력품질을 원격으로 상시 모니터링하며 또한, 원격제어가 가능하도록 구성하였다.
이를 상세히 설명하면, 본 발명의 전기화재 소화시스템은 LAN 통신을 통하여 각 개소에서 화재의 징후 및 발생 여부를 모니터링을 하고 있으며, 모니터링된 데이터는 중앙 서버에 취합된다. 취합된 상기 데이터는 저장되고, 또한, 전기화재 징후를 도 5b에 나와 있는 것과 같은 스마트 폰과 같은 통신기기에 전송하여 주고 스마트 폰을 통해 전력의 온/오프 등 전력 품질을 원격으로 제어하도록 구성하였다.
이하에서는 본 발명에 의한 전기 화재 소화 방법에 관하여 설명하기로 한다.
본 발명에 의한 전기화재 소화 방법은 전기 패널 내의 화재를 사전예측하도록 전기신호 특성을 분석, 전기적인 화재징후를 실시간으로 검출하는 웨이블릿 기반 아크 판별 단계;와 상기 화재징후가 소정시간이 경과할 때까지 지속되면, 위치 센서에 의해 상기 화재 징후의 발생위치를 파악하는 단계; 상기 파악된 화재 징후의 발생위치에서 가장 근접한 거리에 있는 소화장치에서 소화약제가 화재 징후 발생위치로 살포되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 것이다.
그러면, 소(小)공간에서 전기화재가 발생하기 전 화재를 사전예측하도록 전기신호 특성을 분석, 전기적인 화재징후를 실시간으로 검출하는 아크 판별단계에 관하여 설명하기로 한다.
1) 웨이블릿 기반 아크 판별 단계
도 6은 본 발명에 따른 웨이블릿 기반의 아크 판별방법을 플로우차트로 나타낸 도면이다.
본 발명에서는 검출된 전기신호를 아날로그-디지털 (ADC) 변환한다. 그리고, 디지털 변환된 값으로부터 전류파형 왜곡값을 계산하고, 계산된 전류파형 왜곡값이 미리 정해진 값보다 높은 지를 판별하게 된다.
시간 영역에서의 전기신호의 분석 및 전류파형 왜곡값은 아래와 같이 산출한다.
먼저, 시간영역의 분석을 위해 정상적인 전기신호의 정펄스 시작점부터 다음 정펄스 시작점까지 한 주기를 2의 n배수(n은 3 이상의 자연수)로 샘플링하여 디지털 변환하고, 그 값을 저장하며, 검출된 전기 신호를 2의 n배수(n은 3 이상의 자연수)로 샘플링하여 디지털 변환한다. 그리고, 정상적 전기신호의 저장된 디지털 변환 값과 검출된 전기신호의 디지털 변환 값의 절대값 차이의 평균값을 연산하며, 정상적 전기신호의 저장된 디지털 변환 값 중 최하위의 값과 상기 검출된 전기 신호의 디지털 변환 값의 최하위 값의 절대값을 구한다.
또한, 시간축의 차이값을 계산하기 위하여 정상적 전기신호의 저장된 디지털 변환 값 중 최하위의 값에 대한 시간값과 검출된 전기 신호의 디지털 변환 값의 최하위 값의 시간값의 차이를 절대값으로 연산한다.
이렇게 연산된 평균값, 최하위값의 절대값 및 시간값 차이의 절대값의 합을 전류파형의 왜곡값으로 결정하게 된다.
전류파형 왜곡값을 통해 아크 여부를 판별하기 위한 기준값은 아크가 없을 경우에는 0에 근접한 값이나, 아크나 임펄스 발생시 그 값이 변화하므로 기준값인 파형의 왜곡값을 설정하기 위해 부하 상태에 따른 전류파형의 패턴을 며칠 간(약 15일) 저장 후 민감도에 따라 판별 기준값을 결정한다.
또한, 본 발명에서는 검출된 전기신호를 퓨리에 변환하여 고조파 및 고주파가 정해진 값보다 큰 지를 판별하게 된다. 본 발명에서는 주파수 영역에서의 홀수 고조파 증가율이 기준치보다 크거나 1kHz이상의 고주파 검출을 아크로 판별하게 된다.
그리고, 본 발명에서는 시간영역 분석과 주파수 영역의 분석만으로는 전기화재를 유발할 수 있는 아크를 모두 판별해낼 수 없거나 또는 아크가 아님에도 불구하고 시간 영역과 주파수 영역에서 아크로 판정되는 아크 유사 파형을 판별하기 위하여 웨이블릿 변환하고, 정해진 문턱값보다 높은 경우에는 아크로 판별한다.
즉, 본 발명은 시간영역, 주파수 영역 및 웨이블릿 변환영역에서 모두 아크로 판정되어야만 전기화재를 유발할 수 있는 아크로 최종판별하게 된다.
그리고, 이렇게 아크로 최종 판별하게 되면, 관리자가 전기화재의 유발요소가 있음을 인식할 수 있도록 알람 또는 LED로 경보하게 되고, 스마트폰과 같은 통신기기로도 전기화재 징후 신호를 보낸다.
2) 화재징후 신호가 소정시간 이상 지속되는 경우 화재징후 발생위치 파악단계
본 단계는 화재를 감지하여 튜브 파열로 인한 소화약제 방출로 화재를 진압하는 단계로서, 이전에 발생하는 웨이블릿 기반 아크 판별 단계의 기능상실에 대한 확실한 후보호적 기능을 수행하기 위한 것이다.
아크 현상이 소정시간 이상 지속적으로 검출되면 아크 현상이 지속적으로 발생되는 위치에서 화재감지기가 인식하지 못하는 정도의 화재가 발생하였을 수도 있으므로, 본 발명의 위치 센서는 아크 현상이 소정시간 이상 지속되는 경우에 아크 현상의 위치를 파악한다.
여기서 소정의 시간이란 실험과 관찰, 또는 경험을 통해 어느 정도 아크 현상이 지속되면 전기화재가 발생한다는 것을 파악한 시간으로 5분 이내이다. 여기서는 화재를 예측한다는 측면에서 3분 동안 아크 현상이 지속적으로 검출되면 그 부분에서 전기화재가 있다고 인식한다.
화재징후가 지속적으로 검출된 경우에는 혹시라도 모를 전기화재를 예방하기 위하여 화재징후가 지속적으로 발생된 위치로 소화약제를 살포한다.
본 발명의 소화약제 살포단계는 비록 화재가 감지되지 않았지만 소화약제를 미리 살포하는 것이기 때문에 소화장치에서 소화튜브에 가열하여 소화튜브가 파열되는 온도인 100도 ~ 110도 사이에서 소화튜브가 파열되게 한다.
소화튜브는 파열과 동시에 소화약제가 자동적으로 살포되어 살포된 소화약제가 화재가 발생한 곳에 분사되어, 화재가 진압되는 단계를 거치게 된다.
3) 화재를 추적하여 소화시키는 단계
건물 천장이나 벽 측면에 영상감시장치 일체형 화재추적 소화설비를 설치하고 화재의 위치를 정확히 인식하여 화염이 있는 곳과 확산경로에 소화약제를 분사하여야 하는 시스템의 필요성이 대두되고 있다.
따라서, 화재가 발생하였다면 칼만필터를 응용하여 영상인식을 통해 화재지점을 정확히 감지하고 화재의 확산방향을 예측하여 소화약제를 분사하므로 소량의 소화설비로 대공간 화재에 대응할 수 있다.
이러한 방법을 실현시키기 위하여, 도 7에 도시한 플로우 챠트를 설명하기로 한다.
① 화재 위치의 추정값과 상기 추정값의 오차 공분산을 예측하는 단계
Figure 112012063764115-pat00001
Pk :추정오차의 공분산 행렬, φk는 상태천이 행렬이며, φT k는 φk의 전치 행렬이고, 아래 첨자 k는 k번째 데이터를 의미한다.
② 상기 화재 위치의 추정값의 오차를 최소로 하는 칼만필터 이득을 계산하는 단계;
추정오차의 공분산 행렬 PK - 와 관측행렬 Hk, 측정잡음의 공분산 행렬 Rk로 추정오차를 최소로 하는 최적의 필터이득 Kk을 구하면, 이는 아래 식(2)의 형태로 나타난다.
Figure 112012063764115-pat00002
여기서, 변수 PK - 는 앞 단계에서 계산한 값을 이용한다. 그리고, Hk와 Rk는 칼만필터 알고리즘의 밖에서 미리 결정하는 값이다.
③ 영상인식장치의 화면상에서 화재 위치를 측정하고, 그 측정값으로 화재 상태를 추정하여 추정값을 계산하여 화재위치의 출력값으로 출력하는 단계
다음은 입력된 측정값으로 상태를 추정하여 추정값을 계산하여 화재위치의 출력값으로 출력하는 과정으로 이하의 식과 같이 추정벡터의 상태천이 모델에 이전단계의 추정벡터와 측정벡터 zk 간의 오차에 필터이득을 곱한 이노베이션(innovation) 항이 부가되어 최적 상태를 추정한다.
Figure 112012063764115-pat00003
Figure 112012063764115-pat00004
Figure 112012063764115-pat00005
윗 첨자 ∧ 는 추정값을 의미한다.
④ 상기 화재위치의 계산된 추정값의 정확도를 알기 위하여 추정오차 공분산을 계산하는 단계;
다음은 추정 값이 얼마나 정확한가를 알려주는 척도인 추정 오차 공분산을 구하는 단계이다. 이하의 식 (4)와 같이 추정오차의 공분산 행렬을 수정하는 과정을 거치고 다시 앞의 식의 과정으로 순환한다.
PK = PK - - KK HK PK -
= (I - KK HK)PK - (4)
⑤ 상기 추정오차의 공분산을 수정하여 상기의 단계들을 계속적으로 반복하는 단계
즉, 칼만필터 알고리즘은 시스템 모델(φk, Qk)을 기초로 다음 시각에 상태와 오차 공분산이 어떤 값이 될지를 예측하고, 측정 값과 예측 값을 보상해서 새로운 추정 값을 계산하는 과정을 반복하여 최종 화재위치를 추적하는 것이다.
이렇게 최종 화재위치를 예측하고, 추적하게 되며, 화재가 더욱 확산되는 것을 방지하기 위하여 소화약제를 예측된 최종 화재위치에 미리 분사하도록 한다. 소화약제는 스프링쿨러, 소화튜브에 의해 분사될 수 있으며, 소화튜브는 본 발명에서 설명한 소화튜브로서 소화튜브를 가열함으로서 파열하여 소화약제가 분사되도록 하는 것이다.
따라서, 이상과 같이 서술한 대로, 본 발명에 의한 전기 화재 소화 시스템 은 화재를 사전에 예측하기 위한 화재 예측 장치 및 화재 징후에 따라 소화약제가 자동으로 살포되는 소화튜브 및 화재영상인식 및 추적장치로 구성되어 대공간화재 뿐만 아니라 소공간화재에도 만전에 대비할 수 있는 시스템과 방법인 것이다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (8)

  1. 전기화재가 발생하기 전에 아크 현상을 검출하여 전기화재 징후의 신호를 보내는 화재 예측 장치 ; 상기 아크 현상의 검출이 소정시간이 경과할 때까지 지속되면, 상기 아크 현상의 발생위치를 파악하는 위치 센서 ; 상기 위치센서에서 파악된 아크 현상의 발생위치에서 가장 근접한 거리에 있는 소화장치에서 소화약제가 아크 현상 발생위치 방향으로 살포되는 소화장치;를 포함하여 구성되고,
    화재 감지시 화재의 확산방향을 예측하여 소화약제를 미리 분사하는 화재 확산 방지 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 화재 소화 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 화재 예측 장치는 아크현상을 분석하여 시간영역, 주파수 영역 및 웨이블릿 변환영역에서 모두 아크로 판별했을 때, 전기화재 징후 신호를 보내는 것을 특징으로 하는 전기 화재 소화 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 소화약제는 소화튜브의 파열에 의해 약제가 살포되는 것을 특징으로 하는 전기 화재 소화 시스템.
  4. 삭제
  5. 전기화재 발생 전에 전기 패널 내의 화재를 사전예측하도록 전기신호 특성을 분석, 전기적인 화재징후를 실시간으로 검출하는 웨이블릿 기반 아크 판별 단계;
    상기 화재징후가 소정시간이 경과할 때까지 지속되면, 위치 센서에 의해 상기 화재 징후의 발생위치를 파악하는 단계;
    상기 파악된 화재 징후의 발생위치에서 가장 근접한 거리에 있는 소화장치에서 소화약제가 화재 징후 발생위치로 살포되는 단계를 포함하고,
    상기 살포되는 단계 이후에 화재가 감지되면 화재의 확산방향을 예측하여 소화약제를 미리 분사하는 화재 확산 방지 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 화재 소화 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 웨이블릿 기반 적응 알고리즘을 이용한 아크 판별 단계는
    전기 패널 내의 전기신호를 검출하는 단계;
    상기 검출된 전기신호를 시간 영역 및 주파수 영역에서 분석하여 아크를 판정하는 단계;
    상기 검출된 전기신호를 웨이블릿 변환영역에서 분석하여 아크를 판정하는 단계;
    상기 시간영역, 주파수 영역 및 웨이블릿 변환 영역에서 상기 검출된 전기신호가 모두 아크로 판정될 때에만 상기 검출된 전기신호를 아크로 최종 판별하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 화재 소화 방법.
  7. 제5항에 있어서, 상기 소화약제가 화재 징후 발생위치로 살포되는 단계는
    소화장치에서 소화튜브에 전기적으로 가열하는 단계;
    소화튜브에서의 감지 온도가 100℃ ~ 110℃ 사이에서 파열되는 단계;
    상기 소화튜브에서 파열과 동시에 소화약제가 자동적으로 살포되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 화재 소화 방법.
  8. 삭제
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