Videodetekce požáru
Videodetekce požáru patří mezi nejmodernější mechanismy detekce jevů a procesů doprovázejících požár. Její hlavní výhodou je schopnost rychlé detekce kouře nezávisle na dopravení kouře k čidlu. Videodetekce požáru může současným sledováním různých parametrů ve velkém prostoru dosahovat vyšší citlivosti detekce než jiná čidla EPS.
Princip činnosti
Požární videodetekce využívá ke zjištění požáru videokamery, které sledují střeženou oblast. Požár je identifikován v zorném poli kamer podle oblaků, povrchových vzorů, hran, pohybů nebo barev odpovídajících charakteristickým znakům plamene a kouře.
Označení
V dostupné literatuře a různých normativech se uvádí řada zkratek pro videodetekční zařízení (viz rámeček). V některých článcích je uváděna zkratka VID (Video Image Detection), která označuje libovolnou detekci objektů nebo pohybu v obraze a není tak pro označení videodetekce požáru zcela vhodná. Americká norma NFPA 72 používá zkratky VISD pro videodetekci kouře a VIFD pro videodetekci plamene. Tyto zkratky vznikly v počátcích vývoje videodetekce a v současnosti nejsou vyhovující, protože řada videodetektorů umožňuje detekovat současně kouř i plamen. Proto specializovaná norma FM 3232 v roce 2011 [1] zavedla souhrnné označení VIFD pro označení videodetektoru požáru, tj. kouře i plamene.
Označení VIFD (Video Image Fire Detector – videodetektor požáru) standardu FM 3232 bude používáno dále v textu.
| VID | Video Image Detection | videodetekce |
| VISD | Video Image Smoke Detection | videodetekce kouře |
| VIFD | Video Image Flame Detection | videodetekce plamene |
| VSD | Video Smoke Detection | videodetekce kouře |
| VFD | Video Flame Detection | videodetekce plamene |
| VSD | Video Smoke Detector | videodetektor kouře |
| VFDS | Video Fire Detection System | požární videodetekce |
| VIFDS | Video Image Fire Detection System | videodetekční požární systém |
| VIFD | Video Image Fire Detector | videodetektor požáru |
Naše norma ČSN 34 2710 uvádí bez vysvětlení zkratku VSD pro označení „požární videodetekce“ jako metody „detekce kouře a plamene“. V literatuře však zkratka VSD vychází z anglického názvu Video Smoke Detection a označuje pouze detekci kouře. Význam zkratky je proto nejasný. | ||
Architektura
Standard FM 3232 definuje dvě základní architektury videodetekčních zařízení:
- Videodetekční požární systém je systém složený z více komponent, určený pro detekci kouře a plamene, vznikajících při požáru, na základě analýzy videosignálu v reálném čase. Komponentami systému obvykle jsou standardní videokamera, vyhodnocovací jednotka a zálohovaný napájecí zdroj. Videodetekční analýzu provádí vyhodnocovací jednotka, která nevyžaduje přímý výhled na střežený prostor ani ve střeženém prostoru nemusí být. Přímý výhled na střeženou plochu vyžaduje videokamera systému. K systému EPS je vyhodnocovací jednotka připojena prostřednictvím vstupně-výstupního zařízení. Aby mohl být systém začleněn do EPS, musí obsahovat řadu komponent, především zálohovaný napájecí zdroj (UPS), dostatečný pro zajištění náhradního napájení systému po dobu požadovanou normativy EPS, vstupně-výstupní zařízení, rozvaděč pro umístění vyhodnocovací jednotky a záložního zdroje apod.
- Videodetektor požáru je samostatné automatické zařízení pro detekci kouře a plamene, vznikajících při požáru, na základě analýzy videosignálu v reálném čase s výstupem do EPS. Detektor je kompaktní a vyžaduje přímý výhled na střeženou plochu. Detektor se do systému EPS připojuje standardním způsobem jako speciální hlásič. Napájení detektoru je zajištěno systémem EPS.
Výchozí architektura videodetekčního zařízení požáru souvisela s primární implementací analytických výpočetních metod na osobním počítači. Analogový videosignál byl v počítači digitalizován grabovacím zařízením a následně analyzován. První generace videodetekčních zařízení zahrnovala analogové kamery, osobní počítač s grabovací kartou, digitalizačním a vyhodnocovacím software a vstupně-výstupní zařízení (obr. 1).
Obr. 1 Architektura VIFD s vyhodnocovacím počítačem
Druhá generace videodetekčních zařízení byla založena na jednoúčelových vyhodnocovacích jednotkách, určených pro připojení a vyhodnocení obvykle 8 analogových kamer. Vyhodnocovací jednotky s integrovanými vstupy a výstupy odstranily problémy nekompatibility komponent osobních počítačů a podstatně usnadnily instalaci zařízení (obr. 2).
Obr. 2 Architektura VIFD s vyhodnocovací jednotkou
Rychlý vývoj síťových technologií včetně IP kamer umožnil obrození první generace videodetekčních systémů. Implementace digitálních kamer osvobodila počítač od náročného digitalizačního procesu a z velké části odstranila potřebu speciálního hardware (obr. 3).
Obr. 3 Architektura VIFD s digitálními kamerami
Vývoj mikroelektroniky následně umožnil implementovat vyhodnocovací algoritmus přímo do kamer. Vznikl tak kompaktní videodetektor požáru, který se vůči systému CCTV chová jako IP kamera a vůči EPS jako speciální detektor s poplachovým a poruchovým relé. Moderní videodetektory sdružují výhody IP CCTV – monitorování na více dohledových místech po datové síti včetně záznamu videosignálu na síťových IP rekordérech a výhody kompaktních detektorů kouře a plamene s velkým dosahem. Moderní videodetektory z hlediska připojení splňují standardní parametry speciálního detektoru EPS (obr. 4).
Obr. 4 Architektura VIFD s vyhodnocovacím algoritmem přímo v kamerách
Historie
Jedna z prvních norem, která stručně zmínila videodetekci požáru jako součást EPS, byla britská norma BS 5839 v roce 2002. Systematicky VIFD popsala a zařadila americká norma NFPA 72 v roce 2007. Přesná pravidla pro návrh videodetekce požáru byla dlouhou dobu diskutována, nicméně vždy platilo, že VIFD musí splňovat podobné požadavky jako jiná čidla EPS. Vydání NFPA 72 z roku 2010 ve shodě s předchozím vydáním zahrnuje VIFD mezi čidla EPS a klade na ně stejné požadavky. Videodetekce kouře je zařazena mezi kouřová čidla, videodetekce plamene je zařazena mezi plamenná čidla.
V roce 2011 byla vydána specializovaná norma FM 3232 „Schvalovací pravidla pro videodetektory požáru EPS“ [1]. Tato norma stanovuje pravidla pro VIFD a požaduje, aby byla schopnost VIFD detekovat plamen testována podle FM 3260, normy pro plamenné detektory, a schopnost detekovat kouř podle UL 268, normy pro kouřové detektory.
Z hlediska pravidel instalace, provozu, užívání a servisu VIFD je stejně jako u ostatních speciálních detektorů EPS ponechána volnost výrobcům zařízení, aby stanovili vlastní předpisy, odpovídající vlastnostem zařízení.
FM 3232 stanovuje pro VIFD tyto povinné normy:
- NEMA 250 (2003)
- ANSI / IEC 60529 (2004)
- NFPA 70-2005
- NFPA 72-2007
- ANSI / UL 268-5 (sekce 39&40)
- ANSI / FM 3260 (2004)
Databáze FM Approvals aktuálně obsahuje 4 schválená zařízení videodetekce podle pravidel FM:
- pro videodetekci plamene je schválen 1 typ VIFD,
- pro videodetekci kouře je schválen 1 typ VIFD,
- pro současnou videodetekci kouře i plamene jsou schválené 2 typy VIFD.
Analýza videosignálu
Plamen a kouř jsou identifikovány digitální analýzou videosignálu v reálném čase na základě svých spektrálních a prostorových charakteristik. Metody analýzy jsou založeny na pokročilých matematických a fyzikálních postupech, např. fraktálech, frekvenčních analýzách, vlnkových transformacích, Bayesovské statistice apod. Obraz je analyzován ve vícerozměrném prostoru, se zvyšováním počtu rozměrů zpracování videosignálu ale dochází k významnému nárůstu výpočetní náročnosti. Proto jsou některé modely zpracovány na základě čistě prostorových analýz, jiné na základě čistě frekvenčních analýz.
Problémem videodetekce požáru je obtížné modelování plamene a kouře díky dynamické povaze jejich tvaru i textury, vyplývající ze stochastického pohybu částic. Analýzu komplikují dynamické změny v prostoru nesouvisející s požárem, především pohyb osob a objektů, změny světelných podmínek, vznik překážek zakrývající část prostoru, větrání prostoru nebo nezamýšlený pohyb kamery.
Za základní oblast videodetekce požáru se považují požáry třídy A a třídy B podle ČSN EN 2. Požáry ostatních tříd doposud nebyly ve větší míře analyzovány. Z počátku byla videodetekce požáru určena především pro detekci požáru v exteriérech, kde nejsou použitelná klasická čidla EPS, avšak vývoj technologie a metod potlačení falešných poplachů umožnily její použití i ve vnitřních prostorech.
Falešné poplachy
VIFD jsou mnohem citlivější na externí podmínky než klasická čidla EPS a mohou generovat podstatně více falešných poplachů. Rozhodujícím zdrojem falešných poplachů je pohyb v zorném poli. VIFD musí být schopen libovolnou formu pohybu akceptovat bez vyhlášení poplachu nebo poruchy a se zachováním citlivosti detekce projevů požáru. Dalším zdrojem falešných poplachů jsou změny osvětlení střeženého prostoru, způsobené zapínáním/vypínáním vnitřního osvětlení, slunečním světlem nebo pohybem stínů. Sluneční paprsky mohou vytvářet světelné skvrny, vzdáleně připomínající ohnisko požáru.
Snížení vlivu falešných podnětů na detektor může být řešeno různými cestami. Proto se odolnost vůči falešným poplachům různých typů VIFD liší. Některé detektory umožňují označit a při provozu ignorovat oblasti zorného pole, ve kterých zdroje falešných poplachů mohou vznikat. Nevýhodou této metody je, že pokud v označených oblastech vypukne požár, pak není detekován. Jiné typy VIFD sledují časový vývoj událostí s cílem vyloučení standardního pohybu, krátkodobých kmitů nebo přechodných událostí. Radikálním řešením odstranění falešných poplachů je automatická změna citlivosti podle denní doby, která vyloučí generování falešných poplachů v době, kdy dochází ve střeženém prostoru k pohybu. Uvedené metody sice potlačují vznik falešných poplachů, ale současně snižují detekční schopnost VIFD.
Důsledky falešných poplachů lze snížit generováním předpoplachů. VIFD obvykle mohou generovat předpoplach a tím poskytují obsluze dostatek času pro kontrolu střeženého prostoru před vyhlášením poplachu. Nevýhodou této funkce je vysoká zátěž obsluhy, způsobená nutnou účastí při prověřování každého předpoplachu. Předpoplachy mají význam především pro zabránění plané aktivace hasicích zařízení s následnými škodami, vzniklými hašením.
Osvětlení
Specifikem požární videodetekce je závislost na osvětlení sledovaného prostoru. Většina videodetektorů kouře není ve tmě funkční. Funkčnost videodetektorů plamene s klesajícím osvětlením prostoru naopak stoupá.
Pro videodetekci kouře je nezbytná minimální úroveň osvětlení, která musí být stanovena již při návrhu systému a při provozu musí být dodržována. Některé typy VIFD mohou při použití videokamer citlivých v IR oblasti využívat pro kompenzaci špatných světelných podmínek IR zářiče.
Výhody integrace
Přímá integrace EPS s kamerami významně zvyšuje kvalitu a efektivitu požární ochrany. Kamery umožňují průběžnou vizuální kontrolu prostoru a rychlé zhodnocení situace v okamžiku poplachu. Významným přínosem integrace je možnost videozáznamu střeženého prostoru. Videozáznam požáru umožní následně identifikovat příčinu požáru, videozáznam falešných poplachů zase poskytne podklady pro zdokonalení videodetektoru.
Zjištění citlivosti detekce
Podle FM 3232 musí výrobce kouřového VIFD otestovat citlivost detektoru na kouř, vznikající ze 4 různých zdrojů:
- hoření papíru,
- hoření dřeva,
- hoření hořlavé kapaliny,
- doutnání.
Plamenné VIFD musí být testovány na detekci plamene při hoření následujících látek:
- N-heptan v nádobě s hladinou o rozměru 0,3×0,3 m,
- alkohol v nádobě s hladinou o rozměru 0,3×0,3 m,
- metanový plamen o velikosti 1 m, vycházející z otvoru 9,5 mm,
- 2 ks hořící lepenkové krabice 0,25×0,25×0,1 m, vyplněné 4 zmačkanými listy papírů formátu letter.
V dokumentaci k VIFD musí být popsány podmínky testování a výsledky testu: především typ a množství paliva, velikost střeženého prostoru, minimální a maximální detekční dosah detektoru a detekční doba. Detekční doba přitom musí ověřena pro minimální i maximální detekční vzdálenost.
Ve všech případech musí VIFD konzistentně detekovat požár v době kratší než 30 sekund od iniciace zdroje. Citlivost detekce také musí být rovnoměrná v celé ploše zorného pole s maximální odchylkou menší než 10 %.
Zjištění odolnosti proti falešným poplachům
VIFD se musí bez vyhlášení falešného poplachu vyrovnat s různými modulovanými a nemodulovanými signály, které mohou být zdrojem falešných poplachů. Především s přímým nebo odraženým slunečním světlem nebo se změnami umělého osvětlení. Při detekci stanovených zdrojů signálu nesmí VIFD vyhlásit ani poplach ani poruchu. Současně by měl za vlivu těchto zdrojů standardně reagovat na skutečný požár. Jde o následující zdroje [1]:
- přímé a odražené sluneční světlo (pouze venkovní VIFD),
- obloukové svařování (0,3-0,5 cm, 180-200 A),
- topná tělesa (1500W elektrický ohřívač),
- umělé osvětlení (100W žárovka),
- umělé osvětlení (40W zářivka),
- umělé osvětlení (500W halogen).
Návrh systému
Na činnost VIFD má vliv prostředí, pozadí střeženého prostoru (např. konstrukce, stěny, zařízení), barvy stěn a předmětů, osvětlení nebo pohyb v zorném pole kamery. Výrobci mohou z tohoto důvodu omezit použití VIFD pouze na některé aplikace. Proto je velmi důležité vybrat pro konkrétní aplikaci takový VIFD, který je pro dané prostředí a podmínky detekce určen.
Detekční vlastnosti každého VIFD závisí na vyspělosti implementované analýzy videosignálu a měly by být výrobcem popsány ve specifikaci detektoru. Popis detekčních schopností musí obsahovat následující údaje:
- oblast použití detektoru,
- druhy látek, jejichž hoření je zařízením detekovatelné,
- minimální objem a velikost projevů kouře a plamene nutné k detekci požáru,
- velikost střežené oblasti,
- minimální a maximální dosah detekce,
- rychlost odezvy detektoru,
- akceptovatelné zdroje falešných poplachů ve střežené oblasti.
Pro návrh konkrétního typu VIFD jsou rozhodující následující výchozí údaje:
- Charakteristika návrhových (pravděpodobných) požárů
Návrhové požáry vyplývají z konkrétního požárního zatížení střeženého prostoru, například typu a rozmístění hořlavých látek, a měl by je stanovit zpracovatel požárně bezpečnostního řešení. - Charakteristika střeženého prostoru
Charakteristika střeženého prostoru obsahuje rozlišení venkovního a vnitřního prostředí, popis pozadí, osvětlení prostoru, prašnost, popis pohybu ve střeženém prostoru atd. - Detekční vlastnosti zvažovaného typu VIFD
Detekční vlastnosti každého VIFD jsou závislé na použitých metodách analýzy a technické úrovni implementovaného detekčního algoritmu a měli by být uvedeny u každého typu videodetekčního zařízení.
Při návrhu VIFD pro konkrétní aplikaci musí být porovnány charakteristiky návrhových požárů a střeženého prostoru s detekčními vlastnostmi dostupných VIFD. Konkrétní typ VIFD lze použít pouze tehdy, pokud jeho detekční vlastnosti zajistí spolehlivou detekci stanovených návrhových požáru v řešeném prostoru.
Provoz systému
Pro začlenění do EPS musí VIFD splňovat následující požadavky:
- Vyhovující provozní parametry pro určené prostředí
- Nepřetržitá kontrola základních funkcí a parametrů zařízení.
- Kontrola integrity přenosových cest.
- Zálohované napájení podle standardu EPS.
- Otevřená architektura pro připojení do EPS.
- Možnost testování.
VIFD musí nepřetržitě provádět kontrolu základních funkcí a parametrů zařízení. Jedním z požadavků na VIFD je vlastní diagnostika hardware, software, napájení, kvality obrazu kamery, zakrytí části zorného pole nebo jiné závady s cílem zajištění integrity a funkčnosti detektoru po celou dobu provozu detektoru.
Závažným problémem může být samovolné vychýlení kamery, pokud se zorné pole posune mimo střeženou oblast. Požadavek detekce vychýlení kamery je jedním z požadavků, kladených na VIFD.
VIFD musí při provozu signalizovat formou hlášení poruchy:
- poruchu přenosové cesty,
- ztrátu kontrastu obrazu,
- ztrátu čistoty obrazu,
- provoz detektoru v jiném než normálním režimu,
- ztrátu nebo kolísání napětí napájení některé z komponent zařízení,
- poruchu primárného nebo záložního zdroje napájení.
V uvedených případech nesmí VIFD signalizovat požární poplach. Při napájení v rozsahu 85 % až 110 % stanoveného napájecího napětí zařízení nesmí projevovat žádnou nestabilitu, poruchový signál, ani změnu citlivosti detekce o více než 10 %.
Pro vnitřní aplikace musí být rozsah provozních teplot VIFD minimálně 0 °C až 49 °C, komponenty VIFD pro venkovní aplikaci musí být rozsah pracovních teplot minimálně −40 °C až 60 °C. V uvedeném rozsahu pracovních teplot nesmí VIFD vykazovat nestabilitu činnosti.
VIFD musí obsahovat vstupy a výstupy nebo integrační modul pro připojení do systému EPS. Minimální počet jsou dva výstupní signály, poplachový a poruchový signál. Žádoucí je plná integrace do systému EPS prostřednictvím kruhových modulů nebo komunikačních portů, které umožní přenos poplachu, předpoplachů, ovládání a přesné identifikace poruchových stavů.
Údržba systému
Pro provoz systému je rozhodující zajistit pravidelnou údržbu kamer:
- udržovat čistotu průzoru,
- zabránit zamlžování průzorů a čoček kamery,
- zabránit nechtěnému pohybu detekčních kamer,
- zabránit vzniku překážek v prostoru, bránících ve výhledu kamery,
- zabránit zhoršování kvality osvětlení prostoru.
Znečištění kamer může vyřadit VIFD z provozu. Proto je nutné kamery udržovat v čistotě. Je možné použít doplňková zařízení, například ofukování kamer a diagnostický software, upozorňující na špatnou kvalitu obrazu.
V rámci údržby nejsou přípustné změny software a firmware VIFD, pokud nový software nebo firmware neprošly odpovídající certifikací a nebyly schváleny.
Testování
Testování VIFD je obecně možné třemi způsoby:
- Pomocí zkušebního ohně, generujícího kouř a plamen.
- Pomocí generátoru testovacích signálů.
- Pomocí testovacích videonahrávek.
Všechny kontroly a zkoušky VIFD musí být provedené kalibrovanými testovacími přístroji, pomůckami nebo postupy podle předpisu výrobce a v souladu s národními normami.
Použití
Základní výhodou VIFD je schopnost střežit velkou plochu a při tom zajistit vysokou rychlost detekce. Jsou vhodné především pro střežení otevřených ploch, velkých nebo vysokých prostorů, kde je použití klasických čidel EPS obtížné nebo neefektivní. VIFD nejsou určené k náhradě klasických požárních detektorů. Naopak nabízejí schopnosti, které u klasických detektorů nejsou k dispozici.
Vhodné použití videodetekce požáru je:
- lesy, skládky, smetiště,
- parkoviště, tunely, automobilová závodiště,
- letiště, hangáry,
- výrobní haly, strojovny, velká a vysoká skladiště,
- výzkumná a jaderná zařízení,
- technologická zařízení, bezobslužné provozy,
- obchodní pasáže, atria, veletrhy, trhy, poutě,
- historické budovy, historické vesnice, skanzeny,
- muzea, galerie, výstavy.
| Klady | Zápory |
|---|---|
| + zajištění venkovních prostorů | − náchylnost k falešným poplachům |
| + zajištění vysokých prostorů | − citlivost na pohyb v zorném poli |
| + zajištění velkých ploch | − nároky na světelné podmínky |
| + rychlejší odezva | − možnost zakrytí zorného pole |
| + zajištění prostoru z jednoho místa | − citlivost na otřesy |
| + minimalizace nároků na kabeláž | − minimum experimentálních údajů |
| + integrace s kamerovým dohledem | − nedostatečná standardizace |
| + možnost videozáznamu událostí | − vysoké náklady na pořízení |
Experimentální certifikace
Do budoucnosti je nutné zavést program zkoušek, který umožní stanovit funkčnost jednotlivých výrobků VIFD v různých prostředích. V současnosti chybí nezávislé experimentální údaje o funkčnosti a použitelnosti VIFD, na základě kterých by bylo možné zapracovat videodetekci požáru do požárně bezpečnostního řešení konkrétních staveb.
Experimentální údaje musí obsahovat nejen citlivost konkrétních typů VIFD, ale také jejich odolnost vůči falešným poplachům. Je žádoucí, aby se testy VIFD prováděly společně s klasickými detektory EPS s cílem jejich srovnání. Bez zkoušek, dostatečného experimentálního výzkumu a pokročilého modelování není vůbec zřejmé, že VIFD při detekci skutečného požáru v reálném provozu neselžou.
Odkazy
- [1] FM 3232 Approval Standard for Video Image Fire Detectors for Automatic Fire Alarm Signaling, 12/2011, 22 stran, vydal FM Approvals LLC, zpracovatel: kolektiv autorů
- [2] NFPA 72 National Fire Alarm and Signaling Code 2010 Edition, 8/2009, 361 stran, vydal American National Standards Institute, zpracovatel: National Fire Protection Association, kolektiv autorů
- [3] ANSI/UL 268 Smoke Detectors for Fire Protective Signaling, 8/2009, 168 stran, vydal American National Standards Institute, zpracovatel: Underwriters Laboratories, kolektiv autorů
- [4] BS 5839-1 Fire detection and fire alarm systems for buildings – Part 1: Code of practice for system design, installation, commissioning and maintenance, 10/2002, 140 stran, vydala British Standards Institution, kolektiv autorů
- [5] Video Image Detection Systems Installation Performance Criteria, 10/2008, vydala Fire Protection Research Foundation, zpracovatel: Daniel T. Gottuk
Video Image Fire Detection is a modern fire detection mechanism of phenomena and processes accompanying fire. Main advantage is the ability and speed of smoke detection, independent of the arrival of the smoke to the sensor. Video Image Fire Detection can achieve higher sensitivity than conventional fire sensors by simultaneously monitoring different parameters in a large area. The article gives basic requirements for Video Image Fire Detector for Automatic Fire Alarm Signaling.