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煙草行業智能化電氣火災預警模型的研究
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煙草行業智能化電氣火災預警模型的研究

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產品描述

楊建鳴 1,程衛 1, 喻民軍 1,孫滿 2

1.重慶市煙草專賣局安全處,重慶市 400023

2.北京創源信誠管理體系認證有限公司北京市 100029

 

為有效預防火災事故的發生,徹底解決火災隱患,提升煙草行業安全管理整體水平,開展智能化一體電氣火災預警系統研究。結果表明,采用硬件設施監控與軟件系統分析相結合的新型電氣火災預警,可實現由現階段的事后報警向事前預防的轉變,提升了電氣火災的整體預警能力,實現了報警更迅速、用電更安全的目標。研究成果為煙草行業的火災預警和安全管理提供了技術支撐。

  隨著電氣設備的逐步應用,在降低勞動強度、提高生產效率的同時,也增加了電氣火災發生的可能性。據統計,2015 年由電氣原因引起的火災占全年火災總數的 30.1%,較大火災中有 56.7%是由于電氣原因引發(見圖 1)。

 

 

  2016 年由電氣原因引起的火災占全年火災總數的 30.4%(如圖 2),已經成為全年引發火災的最主要原因。

 

 

  煙草行業近年來聯合工房的大量修建,新型自動化生產設備的不斷應用,在改善作業環境、提高生產效率的同時,也不可避免地增加了電氣火災發生的可能性。

 

1 煙草行業電氣火災預警現狀

 

  1.1 預防系統均為事后警系統

 

  目前,煙草企業采用的大多數電氣火災監控系統報警信息的發布均建立在已經檢測到煙霧或火焰出現的基礎上,不是在還未發生火情時對嚴重火災隱患進行預警,只能起到事故應急的作用,而未能達到事先預防的目的。事故前期所造成的損失不可避免,也損失了火災事故前期最佳的撲滅時機。

  1.2 預警系統均為單一參數監測

  目前,部分煙草企業已經開始嘗試使用火災電氣預警系統,采取的措施多為定期監測相關數據如電流或溫度等,一旦超過限值進行整改等來對火情進行預先防控。此舉起到了一定的效果,但隨著時間的推移面臨著逐漸老化的現象,這種技術未能考慮到火情產生的復雜性和偶然性,上述的數據監控都是數據孤島,導致精準度差,誤報率高。

  1.3 預警系統受人為因素影響大

  目前,火災監控系統由于誤報率高等原因,大多數都被使用單位或人員設置手動狀態,由值班安保人員進行管理,而值班安保人員通常是保安公司派遣,由于近年勞動力工資上漲等原因,在崗的值班保安的流動性高,多數在崗值班保安的上崗培訓不足,緊急情況應變性差,當火情真正發生時,消滅火災發生的現場最佳應急處理時間只有 3-5分鐘,在手動報警的情況下,以現在的保安的素質在 3-5 分鐘內做出最正確最快速的反應基本是無法實現的。

  目前,煙草行業內普遍采用的電氣火災監控系統還存在許多問題,如報警精準性不高,經常出現誤報、漏報甚至不報的情況時有發生;不能依據系統實時運行狀態檢測數據進行火災綜合風險水平預測,只能起到事故應急處置的作用,而無法達到事先預警、提前預防的目的,受操作、使用人員人為因素影響較大,無法實現事故及時應急處理、處置的作用。

 

2 國內外電氣火災預警系統發展現狀

 

  目前,國外電氣火災監控產品的市場主要由一些歐美公司所占據,如德國西門子公司的 Cerberus ECO FS18,法國施耐德公司的 WEFPT-40FRYD,美國愛德華公司的 EST3。多采用剩余電流式和測溫式電氣火災監控探測器,剩余電流式電氣火災監控探測器只能檢測漏電電流,對短路、負荷過載等問題不能有效防范;另外,線路老化后導致其絕緣性變差,從而產生漏電電流,此時剩余電流式探測器經常會產生不必要的誤動作,影響系統的準確率。而測溫式電氣火災監控探測器的報警原理是當采集到的溫度超過設置的閾值后觸發報警,然而多數傳感器缺少模數轉換功能,增加了處理器的處理負擔,進而導致發現、處理響應滯后。同時此類監測系統無法反映電氣系統的綜合運行狀態,比如電壓、頻率、電流、溫度等關鍵因素的關聯變化與相關作用。雖然這些產品在市場中占據很大份額,但其原理基本均采用閾值法,當被保護線路中的被探測參數(漏電電流、電線溫度等)超過報警基準值時,才能發出報警控制信號,指示報警部位,并無預警預測火災風險的能力。

  我國現在主要是通過配電箱內的各類探測器對探測點的電流、電壓、溫度以及接地故障產生的剩余電流等參數進行實時監測,當探測點監測參數出現異常時,探測器發出控制和報警信號。這類電氣火災監控設備本質上仍屬于報警系統,不能全面、有效的預防電氣火災的發生。

 

3 智能化一體電氣火災預警系統構想

 

  為了解決電氣火災安全預警技術精準度不足,誤報、漏報率較高,不能實現提前預警以及及時應急響應等問題,真正實現事故的提前預防和處置,變事故應急為事故預防,保證企業安全生產運行。

  首先,通過構建的大數據分析模型對實時檢測的電氣系統運行狀態參數和作業環境條件參數的整體性綜合分析與運算,解決監控參數單一化和閾值設定固定化問題,提高火災隱患數據分析的準確度。

  其次,通過數據模型反映的電氣系統各關鍵設備與電氣線路的安全運行狀態,預測火災風險發生的可能性和評判綜合風險水平,提前 1-2 天發布嚴重電氣火災安全隱患預警信息,提前 1-2 周發布一般電氣火災安全隱患預警信息,真正解決電氣火災監控系統誤報、漏報率較高的問題,有效提高預警信息發布的精準性。

  最后,該系統還可以在發生不可預見事故時與應急處置系統(如消防自動噴淋系統等)實現實時聯動,解決目前事故應急處置系統均處于手動運行狀態和受人為因素影響的響應滯后問題,達到及時、有效進行事故應急處理、處置的目的。新舊兩個系統的功能、效果和原理對比詳見表 1。

  表 1 現有電氣火災監控系統與新型智能化電氣火災預警系統對比分析

 

系統類別

現有電氣火災監控系統

新型智能化電氣火災預警系統

基本原理

基本原理:是傳統的單一閾值法,即定期監測相關數據如電流或溫度等,一旦超過限值進行采取整改等措施對火災及隱患進行防控。

主要問題:未能考慮到火情產生的復雜性和偶然性,數據監控都是數據孤島,導致精準度差,誤報率高。

基本原理:通過構建大數據分析模型,實時檢測的電氣系統運行狀態參數和作業環境條件參數,快速進行整體性運算與綜合分析,依據火災綜合風險水平提前發布預警和及時應急處置。

改進創新:解決監控參數單一化和閾值設定固定化問題,極大地提高火災隱患數據分析的準確度。

監測方案

監測方案:采用傳統的節點控制方式進行布點和監測方案設計。

主要問題:未使用現代最先進的技術進行調整和優化等,現場監測數據噪聲量大,數據運算分析速度慢、滯后時間長,導致系統誤報率較高。

監測方案:采用網格化與節點控制相結合的方式進行布點和監測方案的優化。

改進創新:使用現代最新的監控方法,通過大數據技術的快速、精準運運算,有效消除噪聲影響,解決誤報率高的問題

預警、報警功能

預警、報警功能:現有電氣火災監控系統多為電氣火災報警系統,屬于事中處理,小部分系統具有一定的預警功能。

主要問題:報警信號發布是在已經檢測到煙霧或火焰的基礎上,即真正發生火情后才能報警,現場最佳的反應時間短,只有 3-5 分鐘,對現場處置人員快速反應能力要求高,管理難度大。

預警、報警功能:新研發的電氣火災監控系統是真正的電火災預警系統,屬于事前預防。

改進創新:新系統將通過大數據運算模型,實時反映電氣系統關鍵設備與電氣線路的運行狀態,預測火災事故發生的可能性,提前 1-2 天發布嚴重電氣火災安全隱患預警信息,提前 1-2 周發布一般電氣火災安全隱患預警信息,有充足的時間隱患整改,事故預防,現場管理難度大大降低。

預警、報警精度

預警、報警精度:精度較差,誤報、漏報以及不報情況嚴重。主要問題:由于同一傳感器本身的精度存在個體差異,而且又受安裝位置、環境溫度以及電磁干擾等環境的影響;而不同傳感器之間針對同一情況往往也會輸出不同的結果,因而會引起電氣火災的誤報、漏報現象。

預警、報警精度:精度較高,誤報、漏報率將控制 5%-10%以下,無不報現象。

改進創新:將多參數綜合分析法引入火災風險水平的判定過程中,有效提高預警信息的準確性。當受監控的某一線路的漏電流、工作電流、電壓或線路溫度等參數經過智能綜合評判模型判定,達到或超過預期風險水平值時,及時發出預警信號。

應急處置

應急處置:現有電氣火災應急系統基本上都被設置到手動狀態,報警信息第一時間反應給值班保安,由值班保安通知處理。

主要問題:值班保安通常由外協的保安公司派遣,流動性高,素質低,以現在保安的素質很難在火情處理的最佳時間 3-5分鐘內對火災報警信息做出快速準確的反饋和處理,管理人員不能第一時間指揮反應,易于錯過火情最佳處理時間,一旦發生火情,后果非常嚴重。

應急處置:依據高精準度的預測的結果,實現提前預警和及時應急處置。

改進創新:通過與手機聯動,嚴重火災隱患預警信息提前1-2 天發布給值班保安以及各層級主要安全負責人,使管理者有充足的時間指揮反應,事先消滅電氣火災隱患,解決了現有電氣故障造成的火災應急報警反應時間短保安素質低風險大的問題。新系統還將與應急處置系統實時聯動,解決事故應急處置系統均處于手動運行狀態和受人為因素影響的響應滯后問題,達到及時、有效進行事故應急處理、處置的目的。

 

  此外,本項目的成果不僅能夠應用于生產廠房、庫房的電氣火災事故預警,同時可以廣泛應用于辦公場所,高層住宅樓等的電氣火災預警,項目的研究成果具有廣闊的應用前景和工程價值。

 

4 模型的研究與建立

 

  4.1 優化實時監控參數,設計合理監測方案

  在廣泛調研,收集資料,并對國內外電氣火災安全管理模式的分析實驗的基礎上,根據現場實地調研所獲得的信息,對于所需要的檢測不同類型的電氣系統狀態參數(如電流、電壓、溫度等)和作業環境條件參數(溫度、濕度、粉塵濃度等)進行合理優化,確定出所要監測的參數集合;結合試點場所實際情況確定出合理的布點與監測方案。

  4.2 運用先進技術,建立預警模型

  運用 MATLAB,SPSS,SAS 等數學軟件對實驗室的基礎實驗數據、采集的現場實驗數據進行大數據分析,并進行以綜合預警信息數據庫為基礎的數值模擬研究,在大數據云分析時,實現數據倉庫的高度可擴展性、高性能、高度容錯性、支持異構環境、較低的分析延遲、易用且開放接口、較低成本和向下兼容性,在數據的采集與獲取階段,研究一套高效的數據過濾處理方法,將多源數據進行融合計算,進行初始數據處理,從而得到高質量的大數據源。

  選擇典型的監測點,連續采集所有優化后需要檢測的參數數據,將采集到的數據分別作為訓練樣本和測試樣本輸入系統,利用 Matlab 軟件進行歸一化處理,以及數學分析,對比訓練曲線與實際曲線,進行誤差分析,對建立的基于 BP 神經網絡方法的預測模型進行修正,保證模型的準確性和精確性。

  4.3 調試、運行系統,完成現場應用

  根據項目前期建立的預測模型,以及通過進行監測現場的環境狀況,制定出完善的系統安裝方法和運行的流程。通過數據庫、網絡結構以及權值閾值等參數的設定選擇預測數據,以風險的嚴重度、產生頻度和被發現的可能性等作為風險水平的判定依據,將系統在現場進行模擬測試的實際應用,以量變到質變理論為基礎進行風險水平等級劃分。評定最終的風險水平等級并進行量化。工作單位對預測的結果進行驗收,評價該結果是否有效、合理,預測是否準確,做到研究成果為煙草行業火災預警工作提供技術支撐,并具有切實的意義。

 

 

5 預期功能及特點

 

  建立一套符合我國煙草行業電氣系統安全現狀的電氣火災數字化預警系統。該系統將包括電氣火災關鍵影響因素實時監測與綜合分析模塊,智慧化風險預測模塊,多維度多渠道預警模塊和自動化應急處理處置模塊四部分。該系統主要特點與功能如下:

 

  5.1 全面、實時、關鍵參數監測分析

  針對基于電氣火災特點分析總結出的電氣火災關鍵影響因素(如電氣系統自身溫度、電路系統電流與電壓、環境溫度、環境可燃物等)進行實時監測,利用大數據技術對實時監測的數據進行規律性和關聯性分析,綜合確定各因素在電氣火災事故中的結構重要度、概率重要度和臨界重要度,進而明確各因素在電氣火災風險判定過程中的影響權重與關聯度,最終確定電氣火災綜合風險水平。

  5.2 智慧化火災風險預測

  系統能夠根據實時監控的火災風險關鍵影響因素數據,通過所建立的基于模糊綜合評判理論和 BP 神經網絡技術電氣火災綜合風險預測模型進行綜合分析,確定風險發生的可能性和風險后果嚴重程度量化值,最終確定電氣火災綜合風險水平數值。系統具有自我學習和自我完善功能,可達到高精度和高可靠性的風險預測目的。

  5.3 多維度、多渠道火災風險預警

  系統可以根據電氣火災綜合風險水平判斷結果,多維度、多渠道進行預警信息的發布與推送。多維度主要是指分層級、分范圍進行預警信息的發布和推送,如根據預測的綜合風險水平高低程度不同,預警信息會發布和推送給不同層次和范圍的企業領導層、安全管理層、生產管理層、現場操作層等人員。多渠道是指利用智能手機 APP、PC 客戶端等先進設備,進行火災預警信息的網絡信息化傳遞,同時運用可視化的實現工具完成數據到可視化圖像的轉換,在傳統文字與聲光報警的基礎之上,采取直觀形象的圖形演示、多媒體動畫等表達手段,尤其是利用地理信息系統進行高火災風險區域精準定位手段,進行預警信息的推送與發布。

  5.4 自動化應急處理處置

  系統可通過與煙草企業現有應急處理處置系統(如自動噴淋、超音速滅火等)的有機融合,在發生不可預見事故時及時有效的進行應急處置。應急系統的啟動與運行均由本系統輸出的高精度和高準確度的警示信息進行控制,實現對各類電氣安全事故的迅速響應、科學決策、有序調度和高效處置等目的。

 

6 結論

 

  (一)一套智能化的電氣火災預警系統可以有效預防煙草行業電氣火災事故。

  (二)預警系統的設計、預警模型的建立對預警系統的準確性起到了至關重要的作用。

 

參考文獻:

 

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