空气采样式感烟火灾探测报警器误报概率分析

＿＿消防　设；备研　究　空气采样式感烟火灾探测报警器误报概率分析　王卫东　，傅荣生。　（１．北京市消防总队，北京１０００３５；２．厦门市消防支队，福建厦门３６１０１２）　摘　要：简单介绍了空气采样感烟火灾探测报警器的工作　原理，及其应用于超净空间的特点。探讨了此探测器应用于普　通防火场所的情况，分别进行了此探测器应用于普通防火场所　的探测灵敏度分析、阈值的设定、报警等级的划分以及误报率　的分析等，并就其在高灵敏度的状况下报警阈值的调整方法进　行了理论探讨。　关键词：感烟探测器；灵敏度；报警闽值；误报率　中图分类号：Ｘ９２４．４，ＴＵ８９２　文献标志码：Ｂ　文章编号：ｌ００９—００２９（２００８）０９—０６６８—０３　空气采样式感烟探测器的学术名称为空气品质测　量仪，它通过特定的光学测量装置及微弱信号放大设　施将扩散在空气中０．００３～１０　Ｆｍ之间的固体颗粒测　量出来。此类产品多使用于集成电路生产车间（超净　间）。集成电路生产车间对空气品质的要求极高，通常　分成十万级、万级、千级（即超净间内空气每立方英尺　内含大于０．５　Ｆｍ尘埃颗粒在十万个、一万个、几千个）　甚至百级等多个档次。要达到这种级别，就必须将空气　反复过滤，每小时须将空气反复过滤几十次甚至上百　次，过滤器采用超细玻璃纤维纸及胶板纸，组成的过滤　网从２０　Ｆｍ、１　Ｆｍ、０．５　Ｆｍ、０．１　Ｆｍ等分成多个级别依　次排列，滤网愈细成本愈昂贵。　超净间空气的洁净程度首先决定了集成电路的成　品率。例如，对于一个０．３　ｍ线径其线与线间距０．１　ｍ的集成电路，如果在生产过程中有一个０．１　Ｆｍ的　尘埃粒子落在上面，就会造成短路或高频性能下降。而　高密度集成电路的生产已进入０．１　Ｆｍ阶段，故对超净　间的洁净度提出了更高的要求，因而就必须利用一种　设备能够精确地监督空气中的含尘量，发现超标立即　报警。　空气品质测量仪在超净间可以达到上述效果，可　以测量从０．００３４　１０　Ｆｍ范围内的一切尘埃颗粒，一旦　此设备报警，可以避免大批量集成片废品的产生，同时　保护０．１　Ｆｍ级的昂贵过滤设备，意义非常重大。　１　空气采样式感烟探测器在超净间的应用特点　（１）超净间环境温度及湿度控制得非常精确稳定。　（２）超净间内的尘埃数比普通场合要少几千倍至　数万倍。所以，当空气采样感烟探测器使用在超净间　时，由于环境保持不变，对设备本身的报警灵敏度是否　６６８　自动调整便不作要求。超净间中的尘埃粒子含量较少，　对空气采样式感烟探测器的过滤器要求不高，过滤器　使用周期一般可维持３～５　ａ更换一次。　２　空气采样式感烟探测器在普通防火领域的应用　２．１空气采样式感烟探测器的灵敏度分析　由于空气品质测量仪对空气中所含的固体颗粒灵　敏度极高，因而生产商逐渐将其推广到普通的防火领　域，并宣传为极早期空气采样式感烟探测器。火灾早期　一般都会因高温分解游离出未燃烧的物质，此物质以　微细的颗粒分散在空气中。早期的颗粒较小，一般小于　０．３　Ｆｍ，扩散性好；后期的颗粒大于０．３　Ｆｍ，其分散在　空气中时，自然光对其散射可被肉眼所见。早期火灾烟　的颗粒较小，肉眼无法识别，但空气品质测量仪能够准　确判断。因此，当空气品质测量仪应用到火灾报警时，　能够早期发现阴燃时扩散到空气中的微小颗粒（人肉　眼无法发现），做到早期报警。　目前，灵敏度最高的空气品质测量仪的灵敏度可　达到０．００１　５　ｏｂｓ／ｍ（ｏｂｓ／ｍ为一光学单位，俗称遮　光率），而普通感烟探头灵敏度一般为１　～１０　ｏｂｓ／　ｍ，故空气品质测量仪的灵敏度是普通感烟探头的上　千倍。　２．２空气采样式感烟探测器报警阈值的设定　如此高的灵敏度，如何设定报警阈值？一般单片机　数据线为８位，即２５６级。一级按最高灵敏度分辨率为　０．００１　５　ｏｂｓ／ｍ，则线性计算２５６级灵敏度为　０．３８４　ｏｂｓ／ｍ，即灵敏度覆盖最低范围为０．００１　５　～０．３８４％ｏｂｓ／ｍ。如果前期采用脉冲计数并数字化　处理，后期采用浓度式，其灵敏度可覆盖更大的范围。　由于超净间中并非一尘不染，一般用空气品质测　量仪测量时，若当前值停留在０．０１～０．０５　ｏｂｓ／ｍ之　间，四级报警的首级可以设定在（０．０１～０．０５）×１．５　倍，超净间环境基本不变，报警阈值在机器自学习１５　ｍｉｎ以后，如当前平均值在０．０２，报警阈值可自动设定　在０．０２×１．５—０．０３位置，并保持不变，见图１所示。　２．３空气采样式感烟探测器的误报率分析　空气采样式感烟探测器由于灵敏度高，能发现早　期烟雾，一般将报警分成四级，即：前期预警级、中期行　动级、火警１级、火警２级。　Ｆｉｒｅ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ　２００８，Ｖｏｌ　２７，Ｎｏ．９　维普资讯 http://www.cqvip.com

Ｐ　）　级报警阀值　前平均值　Ｏ　图１空气品质测量仪在超净空环境中的摄警阈值　图２正态密度函数（阴影面积为１）　，ｉｘ）　１　当此设备应用于普通甚至肮脏的场合时，由于环　境不如超净间那样稳定，所以固定报警阈值的方式根　本无法使用。因此，必须人为地重新设置报警阈值，一　般设置在０．１　Ｎ０．５　ｏｂｓ／ｍ范围才能保证不误报，　但这样做也失去了早期预警的特点。如此高的灵敏度　必然会导致相当高的误报率，因此要将空气品质测量　仪用于普通消防场所作为感烟探测器，必须解决报警　阈值的设置问题，否则极易发生误报。　笔者认为，高灵敏度空气采样探测器可在系统开　通后１５　ｒａｉｎ内根据每个探测器的当前烟雾值建立一　组数据库，作为对该探测器四级报警阈值调整的参考。　由于环境等储多因素，该系列数据往往都是没有规律、　离散性很大的信号。为解决个别信号离散性的影响，每　采集到一个信号值就与这些数据中的参考值相比较。　首先采用剔除粗大误差法去除瞬间过低或过高的信　号，将余下信号经处理后存人参数据库再作为系统的　当前状态值的参考值，这样系统不断采集到探测器的　当前状态值，这些值再渐渐变成参考值，通过对数据库　中参考值的概率论分析，能形成一个以当前烟雾值为　横坐标，其出现概率为纵坐标，形成一个代表烟雾值分　布规律的非标准正态分布曲线。　假设探测器在某一时段和环境统计的烟雾平均中　心值为　，另一个代表分布离散度的参数为　，则根据当　前烟雾分析，烟雾平均值为　，且以平均值　为中心，烟　雾在　两边对等分布，　的位置出现概率最高，而　的　两边出现概率依次降低，其概率分布密度函数Ｐ（ｚ）见　图２所示，正态分布函数Ｆ（ｚ）见图３所示。　上述函数中，　为中心值，　为标准方差，　代表正　态分布在　中心值附近的集中与分散的程度，３值愈　小分布愈集中，　值愈大分布愈分散。　的估计计算方法为点估计方式中的矩估计法，　即平均相加再除以次数，如式（１）所示。　一∑，Ｔｇ　（　１，２，３，…）　（１）　。的估计计算方法为；ｚ值与平均值相减平方后　相加再除以次数，如式（２）所示。　一∑（ｘ－－ｚ）　（２）　消防科学与技术２００８年９月第２７卷第９期　Ｏ．５　／／　／一　一，，／　／　图３正态分布函数　空气采样主机在工作过程中不断地对当前烟雾值　平均得到／ｚ，同时将当前值和／ｚ相减再平方后依次平均　成　，通过长时间运算后得到代表分布函数的两个变　量　和　。　将当前烟雾值ｚ换算成　Ｕ　一ｚ，ｚ值称为标准　化变换后的新变量，此时新变量的分布函数为标准正　态分布。　上述计算可以通过查询《正态分布表》（如表１所　示）得到相应的数值。　表１正态分布表　当Ｚ一０　Ｆ（Ｚ）一０．５　当前烟雾值大于０×　＋　的概率　１０，５＝５０　当Ｚ＝１．０　Ｆ（Ｚ）　０．８４１　３　当前烟雾值大天１×　＋　的概率　１０，８４１　３—１５．８７　当Ｚ＝２．０　Ｆ（Ｚ）：０．９７７　２　当前烟雾值大于２×　＋　的概率　１—０．９７７　２—２．２８　当Ｚ＝３．０　Ｆ（Ｚ）一０．９９８　７　当前烟雾值大于３×　＋　的概率　１—０．９９８　７＝０．１３％　当Ｚ一４．０　Ｆ（Ｚ）一０．９９９　９７　当前烟雾值大于４×　＋　的概率　１０．９９９　９７—０．００３　当Ｚ一５．０　Ｆ（Ｚ）一０．９９９　９９９　７　当前烟雾值大于５×　＋　的概率　１０．９９９　９９９　７—０．０００　０３　当ｚ：６．０　Ｆ（Ｚ）一０．９９９　９９９　９９９　１当前烟雾值大于６×　＋　的概率　９９９　９９９　９９９—０．０００　０００　１　如将火警１级的位置放置在ｚ×　＋　，则有表２所　示的结果。　表２将火警１级的位置放置在ｚ×６＋　时的结果　Ｚ　０　火警１级一０×　＋　误报率５０　Ｚ　１　火警１级＝１×　＋　误报率１５，８７％　Ｚ一６　火警１级一６×　＋　误报率０．０００　０００　１　６６９　维普资讯 http://www.cqvip.com 由表２可知，火警１级的位置随着ｚ的不同，则误　报率不同；一旦确定ｚ的值（误报率），火警１级的位置　会随着　和　的值变化。当环境变化时中心值　和方差　也有变化，由于ｚ的值保持不变，所以火警１级位置　也会改变。这样，火警１级的位置会随着环境的改变而　改变无需人工调节。　主机初始默认某一个ｚ值为６，在自学习１５　ｒａｉｎ后　初步确定一个　值和　值，并计算火警１的位置。１５　ａｒｉｎ以后主机一直在统计　值和　值，根据新统计的　值和　值，在ｚ值不变的前提下每隔４Ｏ　ｒａｉｎ后调整一　次火警１级的位置，但不允许连续上调三次，以防止非　常小的电气火灾缓慢阴燃造成漏报，即根据烟雾上升　的斜率诊断真正的火灾烟雾，报警阈值永远不断调节。　ｚ值可以通过人工设定加以改变，愈干净的场所　ｚ值愈小，反之愈大，一般设置为６。将中心值　和火警　１之间分成８格，将警觉级和行动级分别设置在１～８　格之中，此时警觉级、行动级也会随　值和　值的变化　而变化。　火警２的位置固定不动，以防当前烟雾值过大造　成漏报以及正常环境下人为或自动改变其阈值带来的　隐患。同时，为避免偶发烟雾的影响，空气采样探测器　设置了延时报警功能，其对低升烟（阴燃状态）情况比　较适合有效。　３　结束语　随着灵敏度不断提高，传统火灾探测器特别是空　气品质测量仪已经大量进入普通消防行业，以极高的　灵敏度可探测早期火灾烟雾。由于灵敏度高必导致相　应的误报率上升，研究智能化的报警阈值调整方案已　成为其能否在普通消防行业为大家接受的前提条件。　通过上述分析，以函数化确定误报率的阈值调整　方式可大大降低误报率，同时在误报率保持不变的前　提下，四级报警阈值能自动调整，做到环境愈干净，探　测设备愈灵敏，烟雾上升的斜率诊断及延时报警功能　可以使空气采样感烟火灾探测报警器误报的概率降到　最低。　参考文献：　［１］师玛乃，花铁森．火灾报警器［Ｍ　．北京：原子能出版社，１　９９５．　Ｅ２３马伟明，秦科雁．极早期火灾智能预警系统的分析研究＿Ｊ］．消防科　学与技术，２０００，１　９（３）：３３—３６．　［３］徐茜，李秋华．超早期火灾探测报警系统的应用分析ｒＪ］．消防科学　与技术．２００４，２３（２）：１５４—１　５６．　６７Ｏ　”“　“。”“。…”“　”““　“　“　”“　”“　…“”…”””””　”　’　”““　“　”“。“　“。“”　”　“　””“　”“　”““…。　・科技信息・　ＳｅｃｕｒｉＳｔａｒ⑧火灾探测器　Ｓｅｃｕｒｉｔｏｎ公司研制出新一代ＳｅｃｕｒｉＳｔａｒ￣火　灾探测器，这种智能探测器可在早期快速可靠地　探测到火灾，无论在何种环境下都具有最高安全　性。连接于系统的每个的ＳｅｃｕｒｉＳｔａｒ⑩探测器　都具有一个自己的ＵＮＩ（唯一号码标志）。这样仅　需一个插头就可以将探测器与系统连接，安装维　护方便。而且，通过这种方式任何电缆故障都可　立即定位。如果探测器被更换，换掉的探测器可　以自动沿用原有探测器的ＵＮＩ，方便快捷。　蒋　玲供稿　…ｌ¨　＿¨　ｌ¨Ｉ　＿．……　…ｌ¨　…ｌ¨．　……　ｌ１．ｈ　“…　．　…ｌ¨．…¨１…ｌ¨　…　…“…　．　…　……．．…　＋…ｌ¨　…　ＡｎａｌｙｓｉＳ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｆａｌｓｅ　ａｌａｒｍ　ｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ａｉｒ　ｓａｍｐｌｉｎｇ　ｓｍｏｋｅ　ｄｅｔｅｃｔｏｒ　ＷＡＮＧ　Ｗｅｉ—ｄｏｎｇ　．ＦＵ　Ｒｏｎｇ—ｓｈｅｎｇ　一～一一～一～～一一一～一～一～一　一～一　～一　作者简介：王卫东，男，山东乐陵人，北京市消防总　队防火部技术处副，高级工程师，主要从事消防产　品应用技术的研究及管理，北京市西直门内大街ｌ９Ｏ　号，１０００３５。　收稿日期：２００８—０４～ｌ　６　Ｆｉｒｅ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ　２００８，Ｖｏｌ　２７，Ｎｏ．９