黄晓家等： 智慧喷头研究的发展与回顾
导 读
回顾了传统自动喷水灭火系统的应用与发展，针对传统喷头被动启动的原则以及响应时间长、过火面积大、水渍损失大、投资高等缺点，提出了智慧喷头的研究意义，介绍了智慧喷头的研究发展历程。概述了智慧喷头的火灾感知、火灾判断、火灾定位、喷头激活和系统通信控制等关键功能，分析了智慧喷头喷水灭火的主动性与智能性，相比传统的灭火喷头，智慧喷头具有更高的敏感度、精确性和稳定性，可以更早地发现火灾，更精确地定位火灾，减少火灾损失，以提升消防安全保障水平。
引用本文：黄晓家，袁辉武，卢金锁，等. 智慧喷头研究的发展与回顾［J］. 给水排水，2023，49（12）：141-149.
中国中元国际工程有限公司总工程师，教授级高级工程师，全国工程勘察设计大师。主要研究方向为建筑与工业给水排水、城市节水、海绵城市、特殊消防设计、智慧消防、智慧机电、智慧医院等。
智慧喷头是一项正在开发的新技术。其开发重点是应用现成的商业技术，以最大限度地减少时间和资源，利用烟雾和热探测器产品、软件逻辑和线管操作来控制喷头或喷头组。在许多应用中，仅使用传统喷头的天花板方法是不够的，可将智慧喷头与湿式喷水灭火系统一起使用，智慧喷头实际是火灾探测和自动喷水喷头的有机融合，借助智慧喷头，旨在将快速探测、智能火灾定位和灭火连接起来。智慧喷头可实现早期探测、主动开启喷头扑救火灾的目标，达到灭早灭小的高能效效果。采用了同步监测、评估和响应技术，并提供了多种功能，本文介绍了智慧喷头的火灾探测、火灾定位、喷头启动和灭火等功能，概述了其在工程中的应用与发展。
01、火灾感知
火灾的感知元通常是对火灾过程中产生的烟雾、离子、温度、火焰、CO、辐射热、图像等进行感知。在整个火灾过程中，烟雾的释放远远早于其他火灾。火灾探测可以通过使用不同类型的探测方法来实现，这些方法识别各种火灾现象，包括燃烧产物生成（烟或气体）、对流传热和火焰辐射。这些检测方法实现为烟雾探测器、热探测器和火焰（光学）探测器。现在已有技术可以测量燃烧前或燃烧过程中产生的几乎任何稳定气体种类。例如，分布式光纤温度传感器，为隧道、地下铁路、车站等环境条件恶劣的场合提供消防保护。火灾探测也可以通过使用多种以上的探测器来实现，这被定义为多传感器探测技术。使用两种不同类型的检测器，即多传感器检测，旨在减少可能导致不必要的水损害的错误警报。
02、火灾事件判断
需要判断从烟雾和热等传感器检测到的信号，以确定是否发生了火灾事件。火灾探测器是智能喷头的重要组成部分，其基本功能就是对物质燃烧过程中产生的各种气、烟、热、火焰等表征火灾信号的物理、化学参量做出有效响应。
烟雾探测器可以被认为是对特定粒径分布敏感的粒子探测器。烟雾探测器有离子感烟式、光电感烟式和红外光束感烟式等几种形式，根据探测器的发展、改进和电子技术工业的发展，烟雾探测器的演变历史过程可以分为四代。
第一代烟雾探测器被认为直到1960年才被开发出来，从1960年代初到1975年，第二代烟雾探测器即离子感烟探测器被开发出来，最先由ALERT于1964年研制出24V电源的电离感烟探测器。第三代烟雾探测器(1975-1990)的特点是对烟雾探测器关键部件的改变，如采用发光二极管作为光源，提高了探测器的敏感性。第四代烟雾探测器(1990年至今)的特点是在一个回路中使用多个探测器，并应用算法。微电子技术的发展使许多不同功能的应用成为可能。这对于所有类型的探测器来说都是特别重要的，通过利用微电子技术，这些探测器可以作为智能元件生产。这样，检测器就可以集成一些基本的评价和决策功能。
火焰探测器是主要用于探测和响应火焰发生的探测器。一般有两种类型，一种类型是检测火焰的红外线辐射；另一种类型是检测紫外线辐射。火焰探测器通过感应火焰的电磁辐射来工作，图1为火焰光谱。
图1 火焰光谱
从图1中可以看出3个火焰辐射曲线凸起部分，其中一个是紫外段0.28μm以下部分，另两个部分是红外段4.4μm和2.6μm附近。其中4.4μm附近出现的火焰波峰辐射部分，是燃烧产物CO2受热而发出的共鸣辐射发光光谱，比其他光谱具有绝对大的辐射强度，此特征为火焰所特有，通常对火焰的红外探测就是利用本波段。红外式火焰探测器中有一个灵敏元电容，在外部电压和红外光照射下，通过电容充放电在传感器源极产生一个几十微伏的电压信号输出，然后经放大滤波处理后加以利用，当感受到光强度达到一定阈值后，发出火灾警报，还可以根据火焰的燃烧起伏频率作为判据，提高了红外式探测器的可靠性；因大气层的强烈吸收，太阳光辐射在0.28μm以下短波长辐射在地球表面上极少能观测到，该波段被称为“日光盲区”紫外波段。紫外式火焰探测器中的紫外光电管响应波长范围为180~260nm，而对其他频谱范围的光线不敏感，从而获得较高的探测灵敏度。当紫外线透过紫外光电管外壳入射到阴极金属表面时，当光频率大于极限频率值时，就可产生光电效应而在瞬间逸出光电子，火灾规模越大，入射光强度就越大，单位时间内阴极发射的光电子也随之增多，光电子在到达阳极后产生一个输出的脉冲，通过监测脉冲宽度从而判断火灾的发生。但探测器本身易受环境影响，烟雾或工业蒸汽都会降低它们的探测能力，而探测器的光学窗口也会因受到灰尘、污垢、油或工业废水污染而误报。
火灾最明显的特征就是热量的释放。物质的燃烧会产生大量的热，使周围温度发生变化。感温式火灾探测器是对警戒范围中某一点或某一线路周围温度变化作出响应的火灾探测器。1890年第一个感温探测器在英国研制成功，1896年几种不同类型的定温探测器在英格兰办公署出版的保险手册中作了介绍。20世纪20至30年代，为了满足迅速探测火灾的需要，人们利用温升速率原理，发明了差温探测器。这种探测器在升温速率超过预定值发出报警信号。利用感温元件接受监测环境或被监测物体对流、传导或辐射传递的热量，把环境温度或被接触温度的变化信号转化成其他形式的物理量，如电压、电流和位移等，根据输出信号判断火灾是否发生，达到火灾报警的目的。
感温探测器与环境之间热量传递总热流量Φtotal可表示为式（1）：
式中 Φcond——导热热流量；
Φconv——对流热流量；
Φrad——辐射热流量。
则探测器的热平衡方程为式（2）：
式中 m——感温元件的质量，kg；
cp——感温元件的比定压热容，J/(kg·K)；
Tg、Te——环境温度和感温元件温度，K；
h——感温元件表面传热系数，W/(m²·K)；
A——感温元件表面积，m²。
对式（2）进行变形，令：
可得式（3）：
式中 u——烟气流动速率，m/s；
RTI——响应时间指数，m·s1/2；
τ——时间常数，s。
通过求解式（3），即可得到探测器感温元件温度随时间的变化规律。
根据监测温度参数的特性不同，可分为定温式、差温式和差定温式等几种。对于定温式探测器，当室内温度达到一定温度，其节点闭合状态发生改变，或接通或断开原先的电气线路，从而启动报警装置；差温式探测器的工作原理是当室内的温升速率超过某一界限时报警。差温式探测器的探头主要有两个温度变化系数不同的热敏元件组成。当温度迅速上升时，一个元件的某种性质变化大，而另一种变化小；温度上升速率越大，其差值越大，当其达到一定值便可发出报警信号；差定温式探测器又称差动补偿式感温探测器，其原理是将差温式探测器与某种定温装置联合使用，只有当室内温度达到某一值后，差温探测器才开始工作。定温探测器是以标准温度25℃作为基准点来测量温升的，在温度达到54℃之前，Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级灵敏度的探测器均不应动作。差温探测器只对温度的变化率敏感，差温探测器感温元件值探测观察周期始末的状态差值。Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级灵敏度的探测器要分别以1、2、3℃/min的升温速率升温，15min内应不动作；Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级灵敏度的探测器要分别以10、20、30℃/min的升温速率升温，1min内应动作。需要注意的是定温、差定温探头各级灵敏度探头的动作温度分别不大于1级62℃、2级70℃、3级78℃。
对于单个探测器，可以设置一个阈值来判断火灾事件，但由于探测器的灵敏度较高，在许多安装中对于非火灾条件过于敏感，会导致出现难以接受的误报率。而对于多个传感器，这可以使用交叉相关或简单的逻辑操作来完成。来自不同传感器信号的互相关原理已经在美国的一项专利中提出。该专利考虑了来自热探测器和光探测器的信号相关性，公开了一种比率窗检测器电路，来评估是否发生火灾事件。ISHII等通过结合数学模型，提出了一种估算空间内火源的热释放速率和物质释放速率的方法。已经表明，利用传感器收集的数据，可以相当合理地估计火灾事件，提高了可靠性。
03、实时火灾位置计算
一旦火灾事件得到确认，下一步就是确定火源。这对于确定灭火时需要启动的洒水喷头的数量和模式至关重要。如果只在空间某点上发生了火灾，这就要保证不仅能有效扑灭火灾，还要降低空间内因受到水的浸渍所造成的损失，因此需要精准定位实时火源位置。
近年来，自动跟踪定位迅速发展，大量研究人员对其进行了多方面的深入研究，取得了丰硕的成果。基于计算机视觉的火源定位精度较高，可以有效定位大型空间建筑内的火源。然而，其很容易受到强光等的干扰，导致错误识别，增加了系统的误报概率，此外，数字化图像处理需要消耗大量时间，导致定位性能下降。
王洋等提出了一种基于红外阵列传感器的火源快速定位方法，在红外图像上利用图像重心算法计算火源重心坐标，该算法以红外图像的中心为原点建立坐标系，设原点坐标为(x0,y0)，像素点的坐标为P(i,j)，对应的温度为Tij，则火源重心在红外图像上的坐标为式（4）、式（5）：
根据火源重心的坐标距离图像中心的偏差(Δx,Δy)，并进行反馈算法调整，达到更好的火源定位精度。
此外，国际火灾保险商FM于2015年完成了智慧型喷水灭火系统，也能够对火灾进行定位。在其研究中，烟雾探测器只提供一个事件信号。天花板上的热电偶(TCs)用于确定火灾位置。确定火灾位置的算法是基于计算出的天花板高度的热质心。对于给定时间，上限TC数据首先通过最大值和最小值进行归一化；然后将试验场地边界的90%以上的归一化温度值纳入质心计算；最后通过式(6)、式（7）计算热质心坐标。
其中xi和yi是第i个TC的坐标，T*i是使用最大值和最小值的归一化温度。使用90%截止阈值的目的是通过消除与环境温度相差极小的值的偏置效应来提高确定质心的准确性。
在目前的工作中，测试了不同的算法来计算热质心的x-y坐标，该坐标被视为二维平面图中的火灾位置。一种方法是简单地使用所有TC值来计算质心，针对只有相对较少的TC安装在天花板下。第二种方法是假设最高温度应该出现在火灾中心附近，仅包括位于离最高温度点预定距离内的TCs。后一种方法的要点还在于通过消除相对小的值的影响来提高质心计算的精度。
为了量化计算出的火灾位置的准确性，将热质心位置与点火位置之间的距离定义为热质心偏差dci。热质心偏差dci可计算为式（8）。
其中质心位置坐标为(xctd, yctd)，点火位置坐标为(xign, yign)。
为了确定热质心位置如何准确地接近实际火灾位置，将热质心偏差与洒水喷头间距lspc进行比较。如果热质心位置是火灾位置的一个很好的近似值，dci的值应该远远小于洒水器间距lspc。但当dci大于lspc时，在仅考虑火灾传播的情况下，可能需要额外启动一圈喷头。因此，无量纲量Rdl定义为式（9）。
Rdl为归一化热质心偏差，它表示从热质心到由喷头间距归一化的点火位置的距离。基于温度的热质心算法进行火灾定位，相较于其他定位技术更为便捷且反馈及时，更利于早期的火灾扑灭。
04、系统控制与喷头动作
系统组件之间的控制与通信对于实现上述所有功能尤其是喷头动作喷水灭火至关重要。在传统的洒水喷头系统中，喷头动作只有一种火灾控制，即热敏元件达到其额定温度损坏。由于喷头之间的启动不协调，较早打开的喷头喷出的水可能会冲击到相邻喷头，导致远离火源的喷头比火源附近的喷头更早启动，这种现象被定义为喷头跳跃。
对于智慧喷头，当确认火灾事件和确定火灾位置时，通过同时激活一组喷头可以有效地消除跳跃问题。系统之间需要设计成能协调火灾事件评估、火灾位置计算以实现整体保护目标。针对上述各个单元，配备收发器，通过有线通信相互连接。同时，每个收发器与中央控制单元进行无线通信。火灾事件评估、火灾位置计算、喷头启动确定等都在中央控制单元执行。
近年来，随着物联网技术的兴起和大数据、云计算等概念的广泛传播，基于无线通信的火灾探测通信系统受到了国内外的广泛关注。ALQOURABAH等通过对物联网技术的研究，构建了一个基于物联网技术，气体、温度和烟雾传感器的高效、有效的火灾探测通信系统。该系统使用Ubidots平台，以气体、温度和烟雾传感器感知周围环境，并将连续的读数发送到中央控制单元，中央控制单元将数据转换为图形和统计方式来分析数据，系统判断数据超过设置阈值时，则控制喷头动作迅速灭火。MUHEDEM等提出了一种能够探测火灾报警的智能无线传感器网络（WSN）技术，它使用了Arduino硬件，为了保证系统的准确性，还设计了一个由火焰、气体和温度传感器组成的Android系统。传感器通过自组织方式组成网格，感知并收集温度、气体等火灾监测参数等信息，当控制单元检测到采集的数据超过预定义的阈值，就会启动喷头喷水灭火，并开启与Wifi网络的通信，向用户发送报警信息。此外，SHAH开发了一种火灾探测系统，通过温度传感器和烟雾传感器感知烟雾和温度的上升，并通过Arduino Uno控制器将感知的数据进行处理，一旦检测到火灾信息，将对各个控制系统发出通信，在启动喷头的同时，也对人们发出预警，提前撤离到安全区域，最大程度地减小人员伤亡。白云龙等结合ZigBee无线网络技术设计了基于ZigBee的无线消防通信系统。利用ZigBee网络的终端节点传感器来感知环境中的温度、烟雾和CO浓度等数据信息，运用多传感器信息融合的技术，BP神经网络算法提取数据信息特征，采用模糊推理技术决策是否有火灾的发生。李天才等根据物联网参考模型分析设计了无线监测系统，环境中烟雾、可燃气体、温度变化、粉尘浓度等数据均可被传感器模块采集，并将数据通过传输模块经过终端分析处理后发送给控制模块，进而控制喷头启动灭火。
张强等通过新型探测组件、电加热洒水喷头以及算法编程等技术，实现了智慧喷头的主动性和智能性。系统控制主要包括区域控制器以及集中控制器。区域控制器是系统的核心部件，主要具备图像火灾探测功能、红外火灾探测功能、算法编程功能，以及相互关联的喷头控制组件。平时处于监控状态，实现烟感、红外、温度等数据的监控感知，当传感器状态满足报警条件时，比如烟感检测到烟雾、红外监测到高温、温度超过设定值等则系统立即启动，对火源进行定位，同时依据一定算法对相应的喷头进行通电加热，启动喷头灭火。在喷洒过程中，依然具有现场监控功能，并将信息传递给控制中心进行显示和存储；集中控制器一般设置在消防指挥中心，可同时管理多个区域控制器，实现对整个系统的动态掌握，必要时可对一个或一组喷头进行直接控制。
蔡军通过对计算机应用、数字逻辑控制和光电子等技术，实现了对监控地区的三维空间定位及早期火灾探测。当火焰出现于红外接收传感器的探测范围时。环境也会发生红外辐射差和温差，灭火装置由起初的监控状态转换为搜索扫描状态。单片机控制电路在火焰燃烧到一定程度时，对烟感信号、温感信号、干扰信号、火焰信号进行判断和识别火灾位置，然后经过处理后向喷头输出驱动信号启动喷头进行喷水灭火，与此同时，并自动切断非消防电源，发出报警信号。
05、结语
通过将喷头与检测过程分离并以智能方式启动喷头，为消防提供了更及时有效地保护。与传统喷头在火灾发生时呈现出的被动性相比，智慧喷头具有智能精准定位功能，实现了全部喷头的动态感知、智能控制、精准启动、状态反馈，从被动启动向主动启动的方式转变，实现了保护场所火灾的早期防控，同时减小了水渍损失，尤其在高净空场所，智慧喷头的优势更为明显，这将使喷头更好地为消防安全服务。
随着AI(Artificial Intelligence)技术的发展，以及在工业化和仓储自动化、建筑新型材料以及新能源电池的广泛使用的大趋势下，人们对于火灾风险防范意识也在提高，对于已发火灾灭早灭小的期望会更为迫切，此外，消防设计的难度随着现代建筑业的发展逐渐增大，其内部的结构和功能也越来越复杂，这必将使得智慧喷头会进一步发展，智慧喷头的发展将为消防领域带来革命性的变革，推动消防技术的不断升级和优化，为人们的生命财产安全保驾护航。
