【上海水處理設備網www.esdzu.com】回顧了保守自動噴水滅火系統的應用與發展，針對保守噴頭主動啟動的原則以及響應時間長、過火面積大、水漬損失大、投資高等缺點，提出了智慧噴頭的研究意義，介紹了智慧噴頭的研究發展歷程。概述了智慧噴頭的火災感知、火災判斷、火災定位、噴頭激活和系統通信控制等關鍵功能，分析了智慧噴頭噴水滅火的主動性與智能性，相比保守的滅火噴頭，智慧噴頭具有更高的敏感度、精確性和穩定性，可以更早地發現火災，更精確地定位火災，減少火災損失，以提升消防平安保證水平。

引用本文：黃曉家，袁輝武，盧金鎖，等.智慧噴頭研究的發展與回顧［J］.給水排水，20234912141-149.

中國中元國際工程有限公司總工程師，教授級高級工程師，全國工程勘察設計大師。主要研究方向為建筑與工業給水排水、鄉村節水、海綿鄉村、特殊消防設計、智慧消防、智慧機電、智慧醫院等。

智慧噴頭是一項正在開發的新技術。其開發重點是應用現成的商業技術，以最大限度地減少時間和資源，利用煙霧和熱探測器產品、軟件邏輯和線管操作來控制噴頭或噴頭組。許多應用中，僅使用保守噴頭的天花板方法是不夠的可將智慧噴頭與濕式噴水滅火系統一起使用，智慧噴頭實際是火災探測和自動噴水噴頭的有機融合，借助智慧噴頭，旨在將快速探測、智能火災定位和滅火連接起來。智慧噴頭可實現早期探測、主動開啟噴頭撲救火災的目標，達到滅早滅小的高能效效果。采用了同步監測、評估和響應技術，并提供了多種功能，本文介紹了智慧噴頭的火災探測、火災定位、噴頭啟動和滅火等功能，概述了其在工程中的應用與發展。

01火災感知

火災的感知元通常是對火災過程中產生的煙霧、離子、溫度、火焰、CO輻射熱、圖像等進行感知。整個火災過程中，煙霧的釋放遠遠早于其他火災�；馂奶綔y可以通過使用不同類型的探測方法來實現，這些方法識別各種火災現象，包括燃燒產物生成（煙或氣體）對流傳熱和火焰輻射。這些檢測方法實現為煙霧探測器、熱探測器和火焰（光學）探測器。現在已有技術可以丈量燃燒前或燃燒過程中產生的幾乎任何穩定氣體種類。例如，分布式光纖溫度傳感器，為隧道、地下鐵路、車站等環境條件惡劣的場所提供消防維護�；馂奶綔y也可以通過使用多種以上的探測器來實現，這被定義為多傳感器探測技術。使用兩種不同類型的檢測器，即多傳感器檢測，旨在減少可能導致不用要的水損害的錯誤警報。

02火災事件判斷

需要判斷從煙霧和熱等傳感器檢測到信號，以確定是否發生了火災事件�；馂奶綔y器是智能噴頭的重要組成局部，其基本功能就是對物質燃燒過程中產生的各種氣、煙、熱、火焰等表征火災信號的物理、化學參量做出有效響應。

煙霧探測器可以被認為是對特定粒徑分布敏感的粒子探測器。煙霧探測器有離子感煙式、光電感煙式和紅外光束感煙式等幾種形式，根據探測器的發展、改進和電子技術工業的發展，嘉興GMP純水設備煙霧探測器的演變歷史過程可以分為四代。

第一代煙霧探測器被認為直到1960年才被開發出來，從1960年代初到1975年，第二代煙霧探測器即離子感煙探測器被開發出來，最先由ALERT于1964年研制出24V電源的電離感煙探測器。第三代煙霧探測器(1975-1990特點是對煙霧探測器關鍵部件的改變，如采用發光二極管作為光源，提高了探測器的敏感性。第四代煙霧探測器(1990年至今)特點是一個回路中使用多個探測器，并應用算法。微電子技術的發展使許多不同功能的應用成為可能。這對于所有類型的探測器來說都是特別重要的通過利用微電子技術，這些探測器可以作為智能元件生產。這樣，檢測器就可以集成一些基本的評價和決策功能。

火焰探測器是主要用于探測和響應火焰發生的探測器。一般有兩種類型，一種類型是檢測火焰的紅外線輻射；另一種類型是檢測紫外線輻射�；鹧嫣綔y器通過感應火焰的電磁輻射來工作，圖1為火焰光譜。

黃曉家等：智慧噴頭研究的發展與回顧

圖1火焰光譜

從圖1中可以看出3個火焰輻射曲線凸起局部，其中一個是紫外段0.28μm以下局部，另兩個部分是紅外段4.4μm和2.6μm附近。其中4.4μm附近呈現的火焰波峰輻射局部，燃燒產物CO2受熱而發出的共鳴輻射發光光譜，比其他光譜具有絕對大的輻射強度，此特征為火焰所特有，通常對火焰的紅外探測就是利用本波段。紅外式火焰探測器中有一個靈敏元電容，外部電壓和紅外光照射下，通過電容充放電在傳感器源極發生一個幾十微伏的電壓信號輸出，然后經放大濾波處置后加以利用，當感受到光強度達到一定閾值后，發出火災警報，還可以根據火焰的燃燒起伏頻率作為判據，提高了紅外式探測器的可靠性；因大氣層的強烈吸收，太陽光輻射在0.28μm以下短波長輻射在地球外表上極少能觀測到該波段被稱為“日光盲區”紫外波段。紫外式火焰探測器中的紫外光電管響應波長范圍為180~260nm而對其他頻譜范圍的光線不敏感，從而獲得較高的探測靈敏度。當紫外線透過紫外光電管外殼入射到陰極金屬外表時，當光頻率大于極限頻率值時，就可發生光電效應而在瞬間逸出光電子，火災規模越大，入射光強度就越大，單位時間內陰極發射的光電子也隨之增多，光電子在達陽極后發生一個輸出的脈沖，通過監測脈沖寬度從而判斷火災的發生。但探測器自身易受環境影響，煙霧或工業蒸汽都會降低它探測能力，而探測器的光學窗口也會因受到灰塵、污垢、油或工業廢水污染而誤報。 嘉興GMP純水設備

火災最明顯的特征就是熱量的釋放。物質的燃燒會產生大量的熱，使周圍溫度發生變化。感溫式火災探測器是對警戒范圍中某一點或某一線路周圍溫度變化作出響應的火災探測器。1890年第一個感溫探測器在英國研制勝利，1896年幾種不同類型的定溫探測器在英格蘭辦公署出版的安全手冊中作了介紹。20世紀20至30年代，為了滿足迅速探測火災的需要，人們利用溫升速率原理，發明了差溫探測器。這種探測器在升溫速率超越預定值發出報警信號。利用感溫元件接受監測環境或被監測物體對流、傳導或輻射傳遞的熱量，把環境溫度或被接觸溫度的變化信號轉化成其他形式的物理量，如電壓、電流和位移等，根據輸出信號判斷火災是否發生，達到火災報警的目的

感溫探測器與環境之間熱量傳送總熱流量Φtotal可表示為式（1

黃曉家等：智慧噴頭研究的發展與回顧

式中 Φcond導熱熱流量；

Φconv對流熱流量；

Φrad輻射熱流量。

則探測器的熱平衡方程為式（2

黃曉家等：智慧噴頭研究的發展與回顧

式中 m感溫元件的質量，kg

cp感溫元件的比定壓熱容，J/kgK

TgTe環境溫度和感溫元件溫度，K

h感溫元件外表傳熱系數，W/m2K

A 感溫元件外表積，m2

對式（2進行變形，令：

黃曉家等：智慧噴頭研究的發展與回顧

可得式（3

黃曉家等：智慧噴頭研究的發展與回顧

式中 u煙氣流動速率，m/

RTI響應時間指數，ms1/2

τ—時間常數，s

通過求解式（3即可得到探測器感溫元件溫度隨時間的變化規律。

根據監測溫度參數的特性不同，可分為定溫式、差溫式和差定溫式等幾種。對于定溫式探測器，當室內溫度達到一定溫度，其節點閉合狀態發生改變，或接通或斷開原先的電氣線路，從而啟動報警裝置；差溫式探測器的工作原理是當室內的溫升速率超越某一界限時報警。差溫式探測器的探頭主要有兩個溫度變化系數不同的熱敏元件組成。當溫度迅速上升時，一個元件的某種性質變化大，而另一種變化��；溫度上升速率越大，其差值越大，當其達到一定值便可發出報警信號；差定溫式探測器又稱差動彌補式感溫探測器，其原理是將差溫式探測器與某種定溫裝置聯合使用，只有當室內溫度達到某一值后，差溫探測器才開始工作。定溫探測器是以標準溫度25℃作為基準點來測量溫升的溫度達到54℃之前，Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級靈敏度的探測器均不應動作。差溫探測器只對溫度的變化率敏感，差溫探測器感溫元件值探測觀察周期始末的狀態差值。Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級靈敏度的探測器要分別以123℃/min升溫速率升溫，15min內應不動作；Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級靈敏度的探測器要分別以102030℃/min升溫速率升溫，1min內應動作。需要注意的定溫、差定溫探頭各級靈敏度探頭的動作溫度分別不大于1級62℃、2級70℃、3級78℃。嘉興GMP純水設備 

對于單個探測器，可以設置一個閾值來判斷火災事件，但由于探測器的靈敏度較高，許多裝置中對于非火災條件過于敏感，會導致呈現難以接受的誤報率。而對于多個傳感器，這可以使用交叉相關或簡單的邏輯操作來完成。來自不同傳感器信號的互相關原理已經在美國的一項專利中提出。該專利考慮了來自熱探測器和光探測器的信號相關性，公開了一種比率窗檢測器電路，來評估是否發生火災事件。ISHII等通過結合數學模型，提出了一種估算空間內火源的熱釋放速率和物質釋放速率的方法。已經標明，利用傳感器收集的數據，可以相當合理地估計火災事件，提高了可靠性。

03實時火災位置計算

一旦火災事件得到確認，下一步就是確定火源。這對于確定滅火時需要啟動的灑水噴頭的數量和模式至關重要。如果只在空間某點上發生了火災，這就要保證不只能有效撲滅火災，還要降低空間內因受到水的浸漬所造成的損失，因此需要精準定位實時火源位置。

近年來，自動跟蹤定位迅速發展，大量研究人員對其進行了多方面的深入研究，取得了豐碩的效果�；�于計算機視覺的火源定位精度較高，可以有效定位大型空間建筑內的火源。然而，其很容易受到強光等的干擾，導致錯誤識別，增加了系統的誤報概率，此外，數字化圖像處置需要消耗大量時間，導致定位性能下降。

王洋等提出了一種基于紅外陣列傳感器的火源快速定位方法，紅外圖像上利用圖像重心算法計算火源重心坐標，該算法以紅外圖像的中心為原點建立坐標系，設原點坐標為(x0,y0像素點的坐標為Pi,j對應的溫度為Tij則火源重心在紅外圖像上的坐標為式（4式（5

黃曉家等：智慧噴頭研究的發展與回顧

根據火源重心的坐標距離圖像中心的偏差(Δx,Δy并進行反饋算法調整，達到更好的火源定位精度。

此外，國際火災安全商FM于2015年完成了智慧型噴水滅火系統，也能夠對火災進行定位。其研究中，煙霧探測器只提供一個事件信號。天花板上的熱電偶(TC用于確定火災位置。確定火災位置的算法是基于計算出的天花板高度的熱質心。對于給定時間，上限TC數據首先通過最大值和最小值進行歸一化；然后將試驗場地邊界的90%以上的歸一化溫度值納入質心計算；最后通過式(6式（7計算熱質心坐標。 寧波純水設備

黃曉家等：智慧噴頭研究的發展與回顧

其中xi和yi第i個TC坐標，T*i使用最大值和最小值的歸一化溫度。使用90%截止閾值的目的通過消除與環境溫度相差極小的值的偏置效應來提高確定質心的準確性。

目前的工作中，測試了不同的算法來計算熱質心的x-y坐標，該坐標被視為二維平面圖中的火災位置。一種方法是簡單地使用所有TC值來計算質心，針對只有相對較少的TC裝置在天花板下。第二種方法是假設最高溫度應該呈現在火災中心附近，僅包括位于離最高溫度點預定距離內的TC后一種方法的要點還在于通過消除相對小的值的影響來提高質心計算的精度。

為了量化計算出的火災位置的準確性，將熱質心位置與點火位置之間的距離定義為熱質心偏差dci熱質心偏差dci可計算為式（8

黃曉家等：智慧噴頭研究的發展與回顧

其中質心位置坐標為(xctd,yctd點火位置坐標為(xign,yign

為了確定熱質心位置如何準確地接近實際火災位置，將熱質心偏差與灑水噴頭間距lspc進行比擬。如果熱質心位置是火災位置的一個很好的近似值，dci值應該遠遠小于灑水器間距lspc但當dci大于lspc時，僅考慮火災傳達的情況下，可能需要額外啟動一圈噴頭。因此，無量綱量Rdl定義為式（9

黃曉家等：智慧噴頭研究的發展與回顧

Rdl為歸一化熱質心偏差，表示從熱質心到由噴頭間距歸一化的點火位置的距離。基于溫度的熱質心算法進行火災定位，相較于其他定位技術更為便利且反饋及時，更利于早期的火災撲滅。

04系統控制與噴頭動作

系統組件之間的控制與通信對于實現上述所有功能尤其是噴頭動作噴水滅火至關重要。保守的灑水噴頭系統中，噴頭動作只有一種火災控制，即熱敏元件達到其額定溫度損壞。由于噴頭之間的啟動不協調，較早打開的噴頭噴出的水可能會沖擊到相鄰噴頭，導致遠離火源的噴頭比火源附近的噴頭更早啟動，這種現象被定義為噴頭跳躍。

對于智慧噴頭，當確認火災事件和確定火災位置時，通過同時激活一組噴頭可以有效地消除跳躍問題。系統之間需要設計成能協調火災事件評估、火災位置計算以實現整體維護目標。針對上述各個單元，配備收發器，通過有線通信相互連接。同時，每個收發器與中央控制單元進行無線通信。火災事件評估、火災位置計算、噴頭啟動確定等都在中央控制單元執行。

近年來，隨著物聯網技術的興起和大數據、云計算等概念的廣泛傳達，基于無線通信的火災探測通信系統受到國內外的廣泛關注。ALQOURA BA H等通過對物聯網技術的研究，構建了一個基于物聯網技術，氣體、溫度和煙霧傳感器的高效、有效的火災探測通信系統。該系統使用Ubidot平臺，以氣體、溫度和煙霧傳感器感知周圍環境，并將連續的讀數發送到中央控制單元，中央控制單元將數據轉換為圖形和統計方式來分析數據，系統判斷數據超越設置閾值時，則控制噴頭動作迅速滅火。MUHEDEM等提出了一種能夠探測火災報警的智能無線傳感器網絡（WSN技術，使用了Arduino硬件，為了保證系統的準確性，還設計了一個由火焰、氣體和溫度傳感器組成的Android系統。傳感器通過自組織方式組成網格，感知并收集溫度、氣體等火災監測參數等信息，當控制單元檢測到采集的數據超越預定義的閾值，就會啟動噴頭噴水滅火，并開啟與Wifi網絡的通信，向用戶發送報警信息。此外，SHA H開發了一種火災探測系統，通過溫度傳感器和煙霧傳感器感知煙霧和溫度的上升，并通過ArduinoUno控制器將感知的數據進行處置，一旦檢測到火災信息，將對各個控制系統發出通信，啟動噴頭的同時，也對人們發出預警，提前撤離到平安區域，最大水平地減小人員傷亡。白云龍等結合ZigBe無線網絡技術設計了基于ZigBe無線消防通信系統。利用ZigBe網絡的終端節點傳感器來感知環境中的溫度、煙霧和CO濃度等數據信息，運用多傳感器信息融合的技術，BP神經網絡算法提取數據信息特征，采用模糊推理技術決策是否有火災的發生。李天才等根據物聯網參考模型分析設計了無線監測系統，環境中煙霧、可燃氣體、溫度變化、粉塵濃度等數據均可被傳感器模塊采集，并將數據通過傳輸模塊經過終端分析處置后發送給控制模塊，進而控制噴頭啟動滅火。 寧波純水設備

張強等通過新型探測組件、電加熱灑水噴頭以及算法編程等技術，實現了智慧噴頭的主動性和智能性。系統控制主要包括區域控制器以及集中控制器。區域控制器是系統的核心部件，主要具備圖像火災探測功能、紅外火災探測功能、算法編程功能，以及相互關聯的噴頭控制組件。平時處于監控狀態，實現煙感、紅外、溫度等數據的監控感知，當傳感器狀態滿足報警條件時，比方煙感檢測到煙霧、紅外監測到高溫、溫度超越設定值等則系統立即啟動，對火源進行定位，同時依據一定算法對相應的噴頭進行通電加熱，啟動噴頭滅火。噴灑過程中，依然具有現場監控功能，并將信息傳送給控制中心進行顯示和存儲；集中控制器一般設置在消防指揮中心，可同時管理多個區域控制器，實現對整個系統的動態掌握，必要時可對一個或一組噴頭進行直接控制。

蔡軍通過對計算機應用、數字邏輯控制和光電子等技術，實現了對監控地區的三維空間定位及早期火災探測。當火焰呈現于紅外接收傳感器的探測范圍時。環境也會發生紅外輻射差和溫差，滅火裝置由起初的監控狀態轉換為搜索掃描狀態。單片機控制電路在火焰燃燒到一定水平時，對煙感信號、溫感信號、干擾信號、火焰信號進行判斷和識別火災位置，然后經過處置后向噴頭輸出驅動信號啟動噴頭進行噴水滅火，與此同時，并自動切斷非消防電源，發出報警信號。

05結語

通過將噴頭與檢測過程分離并以智能方式啟動噴頭，為消防提供了更及時有效地保護。與傳統噴頭在火災發生時呈現出的主動性相比，智慧噴頭具有智能精準定位功能，實現了全部噴頭的動態感知、智能控制、精準啟動、狀態反饋，從主動啟動向主動啟動的方式轉變，實現了維護場所火災的早期防控，同時減小了水漬損失，尤其在高凈空場所，智慧噴頭的優勢更為明顯，這將使噴頭更好地為消防平安服務。 寧波純水設備

隨著AIArtificiIntellig技術的發展，以及在工業化和倉儲自動化、建筑新型資料以及新能源電池的廣泛使用的大趨勢下，人們對于火災風險防范意識也在提高，對于已發火災滅早滅小的期望會更為迫切，此外，消防設計的難度隨著現代建筑業的發展逐漸增大，其內部的結構和功能也越來越復雜，這必將使得智慧噴頭會進一步發展，智慧噴頭的發展將為消防領域帶來革命性的革新，推動消防技術的不時升級和優化，為人們生命財富平安保駕護航。

“本文由上海皙全水處理設備網提供任何人和單位不得轉載盜用”。