經(jīng)濟(jì)型火災(zāi)探測(cè)器性能評(píng)估實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

曲 娜， 李忠海， 劉金海， 王曉曉

(1.沈陽(yáng)航空航天大學(xué) a.安全工程學(xué)院；b.自動(dòng)化學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110136；2.東北大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110000)

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·儀器設(shè)備研制與開(kāi)發(fā)·

經(jīng)濟(jì)型火災(zāi)探測(cè)器性能評(píng)估實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

曲 娜1a， 李忠海1b， 劉金海2， 王曉曉1b

(1.沈陽(yáng)航空航天大學(xué) a.安全工程學(xué)院；b.自動(dòng)化學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110136；2.東北大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110000)

火災(zāi)探測(cè)器性能評(píng)估實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是對(duì)火災(zāi)探測(cè)器綜合性能進(jìn)行評(píng)價(jià)的重要設(shè)備。經(jīng)濟(jì)型火災(zāi)探測(cè)器性能評(píng)估實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由實(shí)驗(yàn)管道、下位機(jī)和上位機(jī)組成。實(shí)驗(yàn)管道是環(huán)形通風(fēng)管道，采用開(kāi)閉結(jié)合的方法設(shè)計(jì)，分為模擬段和測(cè)試段兩部分。下位機(jī)主要控制軸流風(fēng)機(jī)、加熱器、加濕器和加塵器的大小，并采集溫濕度傳感器、風(fēng)速傳感器的值。上位機(jī)對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行監(jiān)控，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，提供人機(jī)界面。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)不但可以模擬火災(zāi)和非火災(zāi)時(shí)的環(huán)境，完成火災(zāi)探測(cè)器綜合性能評(píng)估，而且價(jià)格便宜，成本縮小到數(shù)十分之一，使普通用戶對(duì)火災(zāi)探測(cè)器性能評(píng)估成為可能。

火災(zāi)探測(cè)器； 性能評(píng)估； 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)； 經(jīng)濟(jì)型

0 引 言

火災(zāi)探測(cè)器是火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)不可缺少的組成部分，相當(dāng)于系統(tǒng)的“感覺(jué)器官”，通過(guò)探測(cè)被保護(hù)區(qū)域內(nèi)的煙霧、溫度、火焰、氣體等火災(zāi)信號(hào)，確定是否或即將發(fā)生火災(zāi)。火災(zāi)探測(cè)器的性能直接影響火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和保護(hù)人民生命財(cái)產(chǎn)的能力，因此需要對(duì)火災(zāi)探測(cè)器性能進(jìn)行評(píng)估，設(shè)計(jì)出經(jīng)濟(jì)型火災(zāi)探測(cè)器性能評(píng)估實(shí)驗(yàn)平臺(tái)具有重要意義。

Grosshandler建議附加更多的測(cè)量以便得到更為完整標(biāo)準(zhǔn)火特征，提出了火災(zāi)模擬器/探測(cè)器評(píng)估器的概念，該模擬器可以模擬更全面的火災(zāi)環(huán)境[1]。德國(guó)Duisberg-Essen大學(xué)火災(zāi)實(shí)驗(yàn)室研制了火災(zāi)模擬器/探測(cè)器評(píng)估器，能夠模仿大范圍的火災(zāi)和非火災(zāi)環(huán)境，可以模擬火災(zāi)時(shí)的空氣流動(dòng)，溫度、煙霧和燃燒氣體直至火災(zāi)探測(cè)器報(bào)警[2]。胡君健等通過(guò)火災(zāi)模擬器/探測(cè)器評(píng)估平臺(tái)上的一系列實(shí)驗(yàn), 測(cè)量了離子感煙探測(cè)器、光電感煙探測(cè)器在不同環(huán)境下的抗干擾性, 并進(jìn)行了理論分析[3]。厲劍等提出了火災(zāi)探測(cè)器性能綜合評(píng)估算法，分析了進(jìn)行整體評(píng)估的因素，設(shè)計(jì)了完整的考核模式和每種模式下的具體試驗(yàn)方法[4]。董文輝等針對(duì)特殊應(yīng)用場(chǎng)所的特點(diǎn)，通過(guò)模擬火災(zāi)探測(cè)器的應(yīng)用環(huán)境，建立了一個(gè)集成平臺(tái)對(duì)火災(zāi)探測(cè)器的綜合性能進(jìn)行評(píng)價(jià)[5]。馬鮮萌等對(duì)感煙火災(zāi)探測(cè)器性能檢測(cè)現(xiàn)狀進(jìn)行分析[6]。張黎麗介紹了適用于波長(zhǎng)范圍4.2～4.7 μm的點(diǎn)型紅外線火焰探測(cè)器的性能綜合測(cè)試平臺(tái)[7]。宋偉鋒對(duì)紅外光束感煙探測(cè)器性能進(jìn)行分析，提出了不同靈敏度設(shè)置下探測(cè)器發(fā)射器和接收器之間的合理安裝距離[8]。蘭乾玉等設(shè)計(jì)一個(gè)復(fù)合火災(zāi)探測(cè)器綜合性能評(píng)估模擬試驗(yàn)平臺(tái)，能仿真模擬火災(zāi)信號(hào)、環(huán)境信號(hào)和典型的干擾信號(hào)[9]。

本文設(shè)計(jì)了經(jīng)濟(jì)型火災(zāi)探測(cè)器性能評(píng)估實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，主要由實(shí)驗(yàn)管道、下位機(jī)和上位機(jī)三部分組成。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)不僅可以完成火災(zāi)探測(cè)器的火災(zāi)探測(cè)性能、防誤報(bào)性能、環(huán)境適應(yīng)性等評(píng)估，而且價(jià)格便宜，成本縮小到普通火災(zāi)探測(cè)器性能評(píng)估實(shí)驗(yàn)平臺(tái)數(shù)十分之一，滿足普通用戶對(duì)火災(zāi)探測(cè)器性能評(píng)估的需求。

1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的主要功能為模擬火災(zāi)和非火災(zāi)環(huán)境，并評(píng)估感煙、感溫火災(zāi)探測(cè)器綜合性能。火災(zāi)探測(cè)器綜合性能包括火災(zāi)探測(cè)性能、防誤報(bào)性能、環(huán)境適應(yīng)性和可維護(hù)性4方面。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由實(shí)驗(yàn)管道、下位機(jī)和上位機(jī)三部分組成。

1.1 實(shí)驗(yàn)管道設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)管道是環(huán)形通風(fēng)管道，管壁內(nèi)外均為不銹鋼板，鋼板之間填充硅棉隔熱層。采用開(kāi)閉結(jié)合的方法設(shè)計(jì)，通過(guò)3個(gè)調(diào)節(jié)閥配合控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的工作方式，選擇為開(kāi)環(huán)或閉環(huán)，如圖1所示。實(shí)驗(yàn)管道分為模擬段和測(cè)試段兩部分。模擬段安裝用于模擬火災(zāi)或非火災(zāi)環(huán)境的設(shè)備，主要設(shè)備有軸流風(fēng)機(jī)、加熱器、加濕器和加塵器。通過(guò)調(diào)節(jié)相應(yīng)設(shè)備可以控制管道內(nèi)的風(fēng)速、溫度、濕度和灰塵濃度。測(cè)試段用于安裝測(cè)量?jī)x器，以測(cè)量火災(zāi)探測(cè)器工作環(huán)境參數(shù)，主要設(shè)備有感煙探測(cè)器、感溫火災(zāi)探測(cè)器、溫濕度傳感器、風(fēng)速傳感器等。在管道的側(cè)面裝有集煙罩，在其下方既可進(jìn)行木材明火、木材熱解陰燃火、棉繩陰燃火、新聞紙燃燒火等實(shí)驗(yàn)，也可進(jìn)行烹調(diào)油煙等抗干擾性實(shí)驗(yàn)。

圖1 實(shí)驗(yàn)管道結(jié)構(gòu)圖(mm)

1.2 下位機(jī)設(shè)計(jì)

下位機(jī)主要控制軸流風(fēng)機(jī)、加熱器、加濕器和加塵器的大小，并采集溫濕度傳感器、風(fēng)速傳感器的值。采用Arduino Mega2560核心電路板進(jìn)行設(shè)計(jì)，處理器核心是ATmega2560，同時(shí)具有54路數(shù)字輸入/輸出口，16路模擬輸入，4路UART接口，一個(gè)16 MHz晶體振蕩器，一個(gè)USB口，一個(gè)電源插座，一個(gè)ICSP header和一個(gè)復(fù)位按鈕。

1.3 上位機(jī)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)需要PC機(jī)對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行監(jiān)控，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，提供人機(jī)界面。采用RS-232串行接口與下位機(jī)通訊,下位機(jī)接到傳感器的報(bào)警信號(hào)后通過(guò)串口傳給上位機(jī)。上位機(jī)軟件采用VB編制，利用MSComm控件實(shí)現(xiàn)串行端口傳輸和接收數(shù)據(jù)。設(shè)定兩個(gè)ACCESS數(shù)據(jù)庫(kù)，一個(gè)用于保存設(shè)定的初始值和各傳感器的編號(hào)、位置及描述信息；另一個(gè)用于儲(chǔ)存實(shí)驗(yàn)管道溫濕度、風(fēng)速等歷史數(shù)據(jù)等。上位機(jī)界面能夠?qū)崟r(shí)顯示煙霧濃度、溫度、濕度和風(fēng)速的值，畫(huà)出曲線。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，可設(shè)置目標(biāo)溫濕度值和風(fēng)速值等測(cè)試需要的環(huán)境數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)風(fēng)扇和加熱器的自動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)穩(wěn)定在目標(biāo)值附近。待溫濕度和風(fēng)速值穩(wěn)定后，能夠記錄煙感的濃度值，顯示濃度變化曲線，并建立數(shù)據(jù)庫(kù)保存所有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)回放。上位機(jī)主界面如圖2所示。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)時(shí)，將被測(cè)火災(zāi)探測(cè)器安裝于實(shí)驗(yàn)管道的測(cè)試段，并將火災(zāi)報(bào)警控制器與其連接，用來(lái)采集被測(cè)火災(zāi)探測(cè)器的報(bào)警和故障信號(hào)。依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目如表1所示。

圖2 上位機(jī)主界面

3 火災(zāi)探測(cè)器性能綜合評(píng)估

火災(zāi)探測(cè)器綜合性能評(píng)分根據(jù)下式得出：

式中：Si為當(dāng)前指標(biāo)得分；Sj為下一級(jí)指標(biāo)分?jǐn)?shù)；aj為權(quán)重。二級(jí)指標(biāo)分?jǐn)?shù)可以依托實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)得出，權(quán)重可以根據(jù)專家打分法、層次分析法、模糊綜合評(píng)價(jià)法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法等得出[10-15]，進(jìn)而求出一級(jí)指標(biāo)得分以及火災(zāi)探測(cè)器綜合性能得分。得分80～100屬于A級(jí)；60～80屬于B級(jí)；60以下屬于C級(jí)。具體評(píng)價(jià)指標(biāo)如表2所示。

表1 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

表2 評(píng)價(jià)指標(biāo)

表3 設(shè)備價(jià)格明細(xì)表

4 經(jīng)濟(jì)性分析

設(shè)備價(jià)格明細(xì)如表3所示，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)成本僅需2萬(wàn)余元，成本縮小到傳統(tǒng)火災(zāi)探測(cè)器性能實(shí)驗(yàn)評(píng)估平臺(tái)的幾十分之一，使普通用戶對(duì)火災(zāi)探測(cè)器性能進(jìn)行評(píng)估成為可能。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文介紹了火災(zāi)探測(cè)器性能評(píng)估實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)管道設(shè)計(jì)、下位機(jī)設(shè)計(jì)和上位機(jī)設(shè)計(jì)，給出了整個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的成本，進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性分析。設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和綜合評(píng)估方法。表明可以利用該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)火災(zāi)探測(cè)器綜合性能進(jìn)行評(píng)估。

[1] Gross handler W L. Towards the development of a universal f ire emulator/detect or evaluator [J]. Fire Safety, 1997, 29(1):113-127.

[2] Thomas C, Michelle D, William G. The f ire emulator /detector evaluator: design, operation, and performance[C]// International Conference on Automatic Fire Detection "AUBE '01", 12th. Proceedings. National Institute of Standards and Technology: Gaithersburg, USA, 2001: 312-323.

[3] 胡君健, 謝啟源, 戎 軍，等. 感煙火災(zāi)探測(cè)器的抗干擾實(shí)驗(yàn)及其分析[J]. 火災(zāi)科學(xué), 2005, 15(2): 111-117.

[4] 厲 劍，董文輝，梅志斌，等. 火災(zāi)探測(cè)器性能綜合評(píng)估算法研究[J]. 大連理工大學(xué)學(xué)報(bào), 2005,45(6):883-887.

[5] 董文輝, 厲 劍, 梅志斌, 等. 火災(zāi)探測(cè)性能綜合評(píng)估試驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)[J]. 消防科學(xué)與技術(shù), 2006,25(6):789-792.

[6] 馬鮮萌，馬 良，張 征. 感煙火災(zāi)探測(cè)器性能檢測(cè)現(xiàn)狀分析[J]. 安防科技, 2010(9):54-57.

[7] 張黎麗. 紅外火焰探測(cè)器性能綜合測(cè)試平臺(tái)的設(shè)計(jì)[D]. 哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué),2011：1-6.

[8] 宋偉鋒. 紅外光束感煙火災(zāi)探測(cè)器響應(yīng)性能研究[D]. 北京：北京建筑大學(xué)，2014:49-56.

[9] 蘭乾玉, 陸愈實(shí), 楊瑞奇, 等. 復(fù)合火災(zāi)探測(cè)器綜合性能評(píng)估試驗(yàn)平臺(tái)[J]. 消防科學(xué)與技術(shù)，2015,34(1)：89-92.

[10] 張麗敏, 裴建國(guó), 周 煒. 消防指揮自動(dòng)化系統(tǒng)效能評(píng)估指標(biāo)體系研究[J].消防科學(xué)與技術(shù),2010,29(4):311-313.

[11] 杜棟，龐慶華，吳 炎. 現(xiàn)代綜合評(píng)價(jià)方法與案例精選[M].北京：清華大學(xué)出版社，2012:12-13.

[12] 徐曉虎, 鄭 欣, 趙海榮. 火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)可靠性研究[J]. 安全與環(huán)境學(xué)報(bào)，2012,12(3):149-153.

[13] 邵二國(guó). 基于事故樹(shù)分析法的火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)失效風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估[J]. 武警學(xué)院學(xué)報(bào)，2012,28(10)：41-43.

[14] Liu Z G. Investigation on the Performance of Fire Detection Systems for Tunnel Applications——Part 2: Full-Scale Experiments under Longitudinal Airflow Conditions[J]. Fire Technology, 2011, 47: 191-220.

[15] Marty Ahrens. Smoke Alarm Presence and Performance in US Home Fire[J]. Fire Technology, 2011, 47: 699-720.

Design of Economic Experimental Platform for Performance Evaluation of Fire Detector

QUNa1a,LIZhong-hai1b,LIUJin-hai2,WANGXiao-xiao1b

(1a. School of Safety Engineering; 1b. School of Automation, Shenyang Aerospace University, Shenyang 110136, China; 2. School of Information Science and Engineering, Northeastern University, Shenyang 110000, China)

Fire detector is a device to detect and find the fire. The performance of the fire detector directly affects the accuracy of the whole fire alarm system. The experimental platform is the important equipment for evaluating the comprehensive performance of fire detectors. However, the prices of traditional experimental platform are very high, so that ordinary users can not afford. The design of economic experimental platform includes the experimental pipeline, the upper computer and lower machine. The experimental pipeline is a ventilating duct, which is designed by the open method and close method and includes the simulation section and the test section. The secondary computer controls axial flow fan, heater, humidifier etc. and obtains values of temperature and humidity sensor and wind speed sensor. The host computer monitors the whole experiment platform and stores the data and provides the man-machine interface. It not only can simulate fire and no fire environment to complete comprehensive performance evaluation of fire detectors, but also its price is cheap and the ordinary user can afford.

fire detector; performance evaluation; experimental platform; economic form

2015-07-23

國(guó)家自然科學(xué)基金(61473069)；2015年沈陽(yáng)航空航天大學(xué)教學(xué)改革立項(xiàng)

曲 娜(1979-)，遼寧營(yíng)口人，講師，從事火災(zāi)報(bào)警技術(shù)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方向研究。Tel.:024-89723834；E-mail:11502332@qq.com

TP 29

A

1006-7167(2016)05-0056-04