Детекция огня и дыма

Детекция огня и дыма — это совокупность методов и технических средств, предназначенных для автоматического обнаружения признаков пожара (открытого пламени, тления, задымления, повышения температуры) на ранней стадии его развития. Является ключевой функцией автоматических систем пожарной сигнализации (АУПС) и систем оповещения и управления эвакуацией (СОУЭ). Основная цель детекции — минимизация времени между возникновением очага возгорания и выдачей сигнала тревоги, что позволяет своевременно принять меры по тушению и эвакуации людей.

История развития

Первые автоматические пожарные извещатели появились в конце XIX века. В 1890 году английский инженер Фрэнсис Роббинс Аптон запатентовал устройство, реагировавшее на повышение температуры (тепловой извещатель). В 1902 году в Германии был создан первый дымовой извещатель, работавший на принципе изменения электрической проводимости воздуха при задымлении.

Массовое внедрение электронных пожарных извещателей началось в 1960-1970-х годах с развитием полупроводниковой электроники. В 1970-е годы появились первые ионизационные дымовые извещатели, использующие радиоактивный источник (америций-241). В 1980-х годах на смену им пришли оптические (фотоэлектрические) извещатели, ставшие основным типом дымовых датчиков в жилых и коммерческих зданиях.

В 1990-2000-х годах с развитием микропроцессоров и алгоритмов обработки сигналов появились мультисенсорные (комбинированные) извещатели, способные одновременно анализировать несколько параметров (дым, тепло, угарный газ). В 2010-х годах активное развитие получили системы видеодетекции огня и дыма, использующие алгоритмы компьютерного зрения и нейронные сети.

Классификация методов детекции

Методы детекции огня и дыма делятся на контактные (точечные) и бесконтактные (дистанционные). Контактные методы предполагают установку датчиков непосредственно в контролируемой зоне, бесконтактные — анализ физических полей (излучения, видеопотока) на расстоянии.

По физическому принципу обнаружения

Тепловые (термические) извещатели — реагируют на повышение температуры окружающей среды. Делятся на:

Максимальные (срабатывают при достижении порогового значения, обычно 54-70 °C).
Дифференциальные (срабатывают при превышении скорости нарастания температуры, например, 8-10 °C/мин).
Комбинированные (максимально-дифференциальные).

Применение: помещения с высоким уровнем запыленности, гаражи, склады, где ложные срабатывания дымовых извещателей часты.

Дымовые извещатели — наиболее распространённый тип. Реагируют на появление в воздухе частиц продуктов горения (аэрозоля). Основные подтипы:

Оптические (фотоэлектрические) — используют принцип рассеяния инфракрасного или лазерного излучения на частицах дыма. В камере извещателя расположены светодиод и фотоприёмник под углом друг к другу. При отсутствии дыма свет не попадает на фотоприёмник. При задымлении частицы отражают свет, и фотоприёмник регистрирует сигнал. Эффективны для обнаружения тлеющих пожаров (крупные частицы дыма).
Ионизационные — содержат радиоактивный источник (америций-241), ионизирующий воздух в камере. При появлении дыма ионы связываются с частицами, ток в камере падает, что фиксируется электроникой. Эффективны для обнаружения быстрых, пламенных пожаров (мелкие частицы). В настоящее время в большинстве стран вытесняются оптическими из-за проблем утилизации и безопасности.
Аспирационные (заборные) — активные системы, принудительно засасывающие воздух из контролируемой зоны через систему трубок и анализирующие его в центральном блоке с помощью высокочувствительного лазерного датчика. Обеспечивают сверхраннее обнаружение (на стадии тления). Используются в серверных, музеях, чистых помещениях.

Применение: жилые и офисные помещения, коридоры, гостиницы, больницы.

Извещатели пламени (огня) — реагируют на электромагнитное излучение, характерное для открытого пламени. Работают в ультрафиолетовом (УФ), инфракрасном (ИК) или комбинированном (УФ/ИК) диапазонах. Датчики анализируют спектр и частоту мерцания излучения (пламя мерцает с частотой 1-20 Гц). Позволяют обнаружить пожар за доли секунды, но неэффективны в условиях задымления или при наличии экранирующих предметов. Применение: нефтехимическая промышленность, газовые терминалы, ангары, склады горючих жидкостей.

Газовые извещатели — реагируют на появление продуктов горения в газовой фазе, прежде всего на оксид углерода (CO) и диоксид углерода (CO₂). CO-датчики (электрохимические или полупроводниковые) особенно эффективны для обнаружения тлеющих пожаров (например, в электропроводке, матрасах), когда дыма ещё мало. Часто используются в комбинированных извещателях (дым+CO).

Видеодетекция (анализ видеопотока) — бесконтактный метод, при котором камера видеонаблюдения передаёт изображение на сервер, где алгоритмы машинного зрения (нейронные сети) анализируют его на наличие признаков огня и дыма. Алгоритмы обучены распознавать характерные цветовые спектры (оранжево-красные для огня, серо-белые для дыма), текстуру, движение и изменение формы. Применение: открытые пространства (леса, парки, склады), большие ангары, тоннели, исторические здания, где установка точечных датчиков затруднена.

По способу передачи сигнала

Проводные — передача сигнала по двух- или четырёхпроводной линии связи (шлейфу сигнализации). Наиболее надёжны, но требуют прокладки кабелей.
Беспроводные — передача по радиоканалу (Wi-Fi, Zigbee, LoRaWAN, собственные протоколы). Удобны для модернизации существующих зданий, но требуют замены элементов питания и подвержены радиопомехам.
Адресные — каждый извещатель имеет уникальный адрес, что позволяет точно определить место срабатывания. Широко используются в современных системах.
Неадресные (пороговые) — извещатели объединяются в шлейф, и при срабатывании любого из них сигнал подаётся общий, без указания конкретного датчика.

Устройство и принцип работы типового оптического дымового извещателя

Основные элементы:

Оптическая камера (лабиринт) — тёмная камера с перегородками, предотвращающими попадание внешнего света, но пропускающими дым.
Инфракрасный светодиод — источник излучения.
Фотодиод — приёмник излучения.
Микроконтроллер — обрабатывает сигнал, реализует алгоритмы фильтрации помех (например, от пыли или насекомых).
Пьезоизлучатель — для звуковой сигнализации (в автономных моделях).
Клеммная колодка — для подключения к шлейфу.

Принцип работы: в дежурном режиме светодиод не освещает фотодиод. При попадании дыма в камеру часть света рассеивается на частицах и попадает на фотодиод. Микроконтроллер измеряет уровень сигнала. Если он превышает порог в течение заданного времени (обычно 5-10 секунд), формируется сигнал «Пожар». Современные извещатели используют алгоритмы адаптивной фильтрации, снижающие вероятность ложных срабатываний от пыли, пара, табачного дыма.

Применение

Системы детекции огня и дыма обязательны к установке в зданиях и сооружениях согласно законодательству РФ (Федеральный закон № 123-ФЗ «Технический регламент о требованиях пожарной безопасности», СП 484.1311500.2020). Области применения:

Жилые здания (квартиры, частные дома) — автономные дымовые извещатели (с батарейкой) обязательны в новостройках с 2021 года.
Общественные здания (школы, больницы, торговые центры, офисы) — адресные системы пожарной сигнализации.
Промышленные объекты (нефтехимия, газодобыча, энергетика) — взрывозащищённые извещатели пламени и газа.
Транспорт (метро, поезда, самолёты, корабли) — специализированные датчики, устойчивые к вибрациям и перепадам температур.
Лесное хозяйство — системы видеодетекции на вышках сотовой связи, спутниковый мониторинг, авиационное патрулирование.

Критерии эффективности и проблемы

Основные характеристики:

Время срабатывания — чем меньше, тем лучше. Для дымовых извещателей — от 10 до 60 секунд, для извещателей пламени — менее 1 секунды.
Чувствительность — для дымовых извещателей нормируется в дБ/м (ослабление светового потока на 1 метр). Типовые значения: 0,05-0,2 дБ/м.
Устойчивость к ложным срабатываниям — ключевая проблема. Основные источники ложных тревог: пар (от кухни, душа), пыль, табачный дым, насекомые, строительные работы. Для борьбы применяются алгоритмы анализа скорости нарастания сигнала, комбинированные датчики, адаптивные пороги.
Срок службы — обычно 10 лет для дымовых извещателей, после чего датчик подлежит замене (из-за деградации светодиода и загрязнения камеры).

Современные тенденции

Интеграция с IoT (Интернет вещей) — «умные» извещатели с Wi-Fi-модулем, отправляющие уведомления на смартфон владельца и в пожарную службу.
Мультисенсорные извещатели — объединение в одном корпусе датчиков дыма, тепла, CO и иногда газа, с обработкой данных по сложным алгоритмам (например, нейросетевым).
Видеодетекция на основе глубокого обучения — использование свёрточных нейронных сетей (CNN) для распознавания огня и дыма в реальном времени с точностью до 95-99% при условии качественного обучения.
Аспирационные системы с лазерным анализом — способны обнаружить пожар на стадии пиролиза (выделения газов без видимого дыма) за несколько минут до возгорания.

Нормативное регулирование в РФ

В Российской Федерации требования к системам детекции огня и дыма устанавливаются:

Федеральный закон от 22.07.2008 № 123-ФЗ «Технический регламент о требованиях пожарной безопасности».
СП 484.1311500.2020 «Системы пожарной сигнализации и автоматизация систем противопожарной защиты».
ГОСТ Р 53325-2012 «Техника пожарная. Извещатели пожарные. Общие технические требования и методы испытаний».
Нормы пожарной безопасности (НПБ) — ряд устаревших, но частично действующих документов.

Обязанность установки и обслуживания систем пожарной сигнализации возлагается на собственника здания. Неисправность или отсутствие системы влечёт административную ответственность (ст. 20.4 КоАП РФ).

Источники

Федеральный закон от 22.07.2008 № 123-ФЗ «Технический регламент о требованиях пожарной безопасности».
СП 484.1311500.2020 «Системы пожарной сигнализации и автоматизация систем противопожарной защиты».
ГОСТ Р 53325-2012 «Техника пожарная. Извещатели пожарные. Общие технические требования и методы испытаний».
Шаровар Ф. И. «Автоматические системы пожарной сигнализации». — М.: Стройиздат, 1989.
Кривошеев А. В. «Современные методы обнаружения пожара: от тепловых датчиков до нейросетей» // Пожарная безопасность, 2021, № 4.
Техническая документация производителей (Honeywell, Bosch, «Системы безопасности», «Рубеж»).

BFOmetr — база данных и аналитика по компаниям России.

На главную BFOmetr →