Development of Fire Detection Systems in the Intelligent Building
Z. Liu, J. Makar and A. K. Kim
Institute for Research in Construction
National Research Council of Canada, Ottawa, Canada, Email: zhigang.liu@nrc.ca
Abstract
Fire detection and its corresponding safety systems are crucial parts of an intelligent building.This paper reviews the current state of development of fire detection and alarm systems in the intelligent building. New technologies and concepts developed in intelligent buildings, such as advanced multi-function sensors, computer vision systems and wireless sensors, real-time control via the Internet, and integrated building service systems, have also been reviewed and discussed.These new technologies and concepts will improve the capability of fire detection systems to discriminate between fire and non-fire threats and will increase the time available for property and life protection. However, much effort is still needed to remove barriers to the further development of these new technologies.
Introduction
An intelligent building can be defined as one that combines the best available concepts, designs, materials, systems and technologies to provide a responsive, effective and supportive intelligent environment for achieving the occupantsiacute; objectives over the full life-span of the building [1-6].Compared with traditional buildings, intelligent buildings should be able to reduce energy consumption, reduce maintenance and service operation costs, provide improved security services, improve ease of layout planning and re-planning, and increase the satisfaction of building occupants [4-7]. Other benefits should include its adaptability to changing uses and technology and its environmental performance in providing safer, healthier and more comfortable working conditions.Intelligent building proponents also believe that these buildings will improve worker productivity through improved work environments. Over the last two decades, the intelligent building concept has become an important consideration in the planning of many new or upgraded office buildings [3-6]. It has also been further developed to embrace other types of living and working environments such as homes, factories and education facilities.
Fire detection and the corresponding safety systems are crucial parts of an intelligent building.Billions of dollars are spent annually to install and maintain fire detection systems in buildings to assure safety from unwanted fires [8]. Intelligent systems developed in the intelligent building offer opportunities to meet this task more effectively, efficiently and economically.New sensors will produce earlier and more reliable fire detection.Wireless systems will eliminate the need for cabling and offer opportunities for fire fighters to work out fire fighting strategies before arrival at the fire scene.Integrated building systems hold the potential for reducing false alarms, speeding building evacuation and assisting in fire fighting. These changes will create new ways to provide fire safety and new markets for fire detection, alarm and fighting systems [9].As these technologies mature, changes to building practices may also result.
This paper reviews the current state of the art for fire detection and alarm systems in intelligent buildings.It identifies new technologies and concepts developed for intelligent buildings that could be used to improve the capability of fire safety systems. The potential effects of integrated building service systems and barriers to the development of fire detection and alarm systems in intelligent buildings are discussed. The paper concludes by examining how these new systems may be combined to provide the next generation of intelligent fire safety systems.
Emerging Sensor Technologies
New sensor technologies will be key components in the next generation of intelligent buildings. Current intelligent buildings often have embedded processors and dedicated information networks. The new generation is expected to add the capability to learn about the building is circumstances and its occupantsi needs and change the behaviour of its control systems accordingly [10]. The employment of a large number of sensors within the building will allow it to operate in a responsive manner, rather than using preprogrammed control models as are employed in the first two generations of intelligent building. The information provided by sensors includes changes in both internal and external environments of a building, such as smoke, temperature and humidity, air quality, air movement, and the number of building occupants as well as a host of other properties.The system will use sensors to identify how a particular person tends to react to particular circumstances and to learn different behaviours for different people.
The number of sensors required to obtain this type of functionality is quite high, especially since one of the major goals of intelligent buildings is to allow individualized control of an environment.This need will increase the cost of intelligent buildings and make it difficult to manage the resulting large amount of data. Development of cost-effective sensors has consequently been identified as a key need for intelligent buildings [11].Fortunately, many of the properties that need to be monitored can be used for multiple purposes. Security systems that can track the entry and exit of occupants from an office building can also be used to ensure complete evacuation of a building during a fire or even, in more advanced forms, determine where occupants may be trapped and unable to escape. Similarly, parameters such as temperature and air movement are as relevant to fire detection as the maintenance of the indoor working environment.
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智能建筑中火灾探测系统的发展
Z.刘，学者马卡尔和A.K.光金
建筑研究协会加拿大国家研究委员会，电子邮件：zhigang.liu @ nrc.ca
摘要
火灾探测和其相应的安全系统是智能建筑的关键部分。本文论述了火灾探测及报警系统在智能建筑中最新的发展趋势。新的技术和概念在智能建筑中的开发，例如先进的多功能传感器，计算机视觉系统和无线传感器通过因特网实时控制，对综合服务体系建设同时也进行了审查和讨论。这些新技术和概念将提高火灾探测系统对区分火和非火威胁的能力并且将增加更多有效的时间进行生命财产保护。然而，仍然需要许多的努力去消除这些新技术进一步发展所遇到的障碍。
简介
智能建筑可以被定义为一个结合了最佳概念，设计，材料，系统和技术，可以提供快速响应，有效的可支持智能的环境，为实现以上目标所具有充分生命跨度的建筑[1-6]。与传统建筑相比，智能建筑能够减少能源消耗，减少维修和服务操作的成本，提供更好的安全服务，改进易用的布局规划和重新规划，并增加了建设占用的满意度[4-7]。其他好处还包括对提供更安全，更健康，更舒适的工作条件和环保成效和不断变化的用途、技术的适应。智能建筑的支持者还认为这些建筑物将通过改善工作环境来提高员工的生产能力。在过去二十年来，智能建筑的概念在许多新的或扩建办公室的规划中已成为一个重要的参考因素[3-6]。这也进一步发展到涵盖了其他类型的居住与工作环境，如家庭，工厂和教育设施环境。
火灾探测和相应的安全系统是智能化建筑的关键部分。在每年的安装和维护建筑中火灾探测系统要花费数十亿美元，以确保来自避免不了的火灾的安全[8]。智能建筑中智能系统的发展为使完成这项任务更有效，更高效，更经济提供了机会。新型传感器将生产的更早，提供更可靠的消防检测。无线系统将消除对布线的需要并为消防人员在到达火灾现场之前提供机会去制定灭火策略。综合建筑系统会减少误报的可能性，提升建筑疏散和协助灭火的速度。这些变化将创造出新的方式来提供消防安全、火灾探测、报警和灭火系统的新市场[9]。由于这些技术的成熟，也可能造成建设方式的改变。
本文回顾了智能建筑中火灾探测及报警系统的当前的走势。它确定了新技术和智能开发的概念可用于改善消防安全系统。对潜在的综合建筑服务体系的影响和火灾检测和报警系统在智能楼宇中的发展障碍进行了讨论。本文的结论
通过研究这些新的系统可能被合并以提供下一代智能消防安全系统。
新兴传感器技术
新的传感器技术在下一代智能建筑中将是关键组成部分。当前智能楼宇往往有嵌入式处理器和专用信息网络。新一代预计将增加功能去了解建筑的具体情况和居民的需求并且改变相应的控制系统的走势[10]。建筑内大量的传感器它的建设将是一个负责任的经营方式，而不是使用预先编程控制模型应用于前两代的智能建设。由传感器提供的信息包括在建筑物内部的和外部环境的变化，如烟雾，温度，湿度，空气质量，空气流动，和建设占用的数目以及一大堆其他的性质。该系统将使用传感器来识别某个特定的人在特定情况下如何作出反应，学习不同的人的不同的行为。
按规定须获得此类型功能的传感器数量相当高，尤其是智能建筑的主要目标之一是在环境中的个性化控制。这需要增加智能建筑的成本并很难管理产生的大量数据。因此具有成本效益的传感器的发展在智能建筑中被确定为一个关键需要[11]。幸运的是，许多需要监测的性能可以用于多种用途。安全系统可以跟踪办公楼的入口和出口的住户还可以用来确保在火灾中建筑物内的完全疏散，在更先进的形式中确定居民可能被困在那里和无法逃脱。同样，如温度和空气流动这些参数在室内的工作环境中作为火灾检测相关的维护。双重使用传感器和传感器系统非常灵活，可以从不同的事件中说明数据将是制造成本高效的智能大厦的关键。
目前正在努力开发能够同时探测火灾和监控室内空气质量的多功能传感器（IAQ）。多功能传感器结合了投入几种不同的化学或物理过程预计将减少假警报几率和增加对实际问题的检测速度。因此，他们应该加强消防安全的同时降低总体系统得成本。化学气体这种传感器具有潜在的应用类型。化学传感器技术现在可用于测量几乎任何稳定的气体排放的种类在材料燃烧之前[12]。化学物质可以感觉到多数的相互作用，包括催化，电化学，机械化工和光学流程。在一平方英寸上，几百个独立传感器可放置在一个阵列中。包覆每一个传感器就用一个不同的绝缘材料，几百不同的气体读数签名可以由一个专家系统做出了[13]。最近，有一个嗅觉传感器阵列系统已研发出来并应用于环境监测和火灾烟雾检测[14]。这种系统由一个具有广泛选择性阵列化学传感耦合微处理器为基础的模式来识别环境条件的改变，如一氧化碳，二氧化碳和烟雾这些变化可以检测到。
任何一个传感器系统的主要问题就是区分检测事件的不同原因。高于预期水平的二氧化碳，例如，可能是一个迹象火，但也可能是一个空气不流通的房间的征兆。当单独的为了消防安全，舒适度控制和环境建设监测的传感器可以被整合，监控火灾的灵敏度和防误报能力显著增强[15]。这些传感器在建筑中分布在不同的位置上。一旦发生火灾时，该系统可以采取多种火灾识别和空间关系，并考虑到邻近的探测器的位置作出决定。分开的火灾敏感信息由这些传感器将传送到一个控制小组如火灾信号处理和报警及故障判断。一个强大的中央处理单元在控制面板（CPU）的将允许系统使用复杂的算法去进行火灾识别和先进的信号处理鉴定。
控制面板在提高火灾探测能力中的角色已被公认，与系统使用控制面板进行决策是两种主要智能火灾探测系统的版本之一[16]。现代控制面板功能强大，由于数字集成电路和广泛使用灵活组件，要充分发挥功能,让电脑控制。这些控制面板具有强大的信号处理能力，并使用人工智能技术，以提高火灾探测系统的可靠性，初期火灾的响应时间，虚警率和维护要求。NIST的建设与火灾研究实验室最近发起了一个项目，以进一步开发先进的火灾探测及报警面板[8]。这一项目旨于利用先进的传感器和火灾模型提供的信息增长和烟雾扩散到建筑火灾或非建筑火灾威胁，确定建筑物发生火灾的确切位置，并提供持续短期和长期增长的火灾和烟雾的蔓延短期行为。这种信息将使建设运营商和消防人员任何与在建筑物火灾有关的事件中作出更准确的反应，控制火灾和监督疏散。
计算机视觉系统还可以用来作为多功能传感器类型。计算机视觉系统应用于包括建筑安全，提高反应速度和暖通空调系统节能来查明乘员数量和它们的位置[17]，电力配电监测和控制面板[18]和照明度传感器控制[2]。计算机视觉检测和监测火灾也有很强的优势。相机和计算机视觉中的所需的相应设施，系统已为其他许多建筑应用作为标准功能。另外火灾探测能力可以通过改变增加最小的成本在软件与计算机视觉系统和其他传感器关联。这样的一个应用是机器视觉火灾探测系统（MVFDS），它使用一个视频摄像机，计算机和人工智能技术的结合[19-22]。很短的时间内这个进程光谱图像实时可靠地检测到远距离的小火。它也可以识别一个火源位置，追踪其走势，监测灭火。对于某些应用，进一步结合MVFDS辐射传感器（紫外线和红外线），以提高其检测能力或一台CCD摄像机通过评估现场自动识别与之相关联的明亮的区域的火焰辐射,增加系统的可靠性，[21，22]。这个电脑视觉系统的发展仍在进行中，并被认为由于需要昂贵和复杂的软件和硬件受到一定的限制。
无线传感器是另一个重要的新兴智能建筑技术。无线火灾探测器已经上市了。报警信号通过无线电，红外线传输，超声波和微波的控制的面板检测当烟雾或温度急剧变化的时候。其意义不是来自于他们能够测量新的参数，而是因为他们不需要硬件连接在数据采集系统，并记录他们的读数。这一功能不仅是让无线传感器位于房间内任何地方，同时也意味着他们可以安装在外部信封或其他地过于昂贵或实际上无法以任何其他方式监测的地点[2]。无线技术也可能适合安装在对智能建筑技术十分必要的旧楼中，其中安装难度和成本是一个重大障碍。在许多情况下在旧楼建筑系统安装智能需要进行重大整修。它可以很少，如果有的话，是没有伤害的现有的墙壁，地板和天花板。这很可能需要用无线网络开发改造旧建筑。如果没有这些技术，这些旧建筑物将逐步成为与新的建筑无竞争力，减少现有的建筑环境的价值。
在大型建筑物中，无线传感器通信系统通过与其他建筑的无线网络来进行交流。内部办公网络的数据，10 GHz无线网络已经被广泛使用[23]。无线网络中的中低比特率将成为许多智能建筑的主导媒体网络应用。然而，大量的进一步发展，有必要让它们充分发挥其潜力，克服衰减问题，如从墙，窗户和其他表面吸收分区办事处和反思。其他主要问题包括需要大大降低无线传感器的成本，以及对合适的电力供应系统的发展要求，这将使企业对这些传感器进行长期操作。
发展远程监视与控制技术
有越来越多的远程监控系统建设服务的同行。智能远程监控可显著提高效率，在管理操作上降低建筑成本。他们可能是特别重要的，如技术监督的小设施，否则太昂贵也是考虑的问题。这些系统可以让一个人监督大量的建筑物。
大多数商业监控系统使用一个调制解调器和远程拨号访问建设群的操作系统。报警信息从建筑系统也可以直接送到设备制造商没有干预的建筑群中。最近，研究已经进行了使用实时互联网来对建筑物自动化系统的控制[24，25]。相比,声音/按钮式界面，互联网能够提供更多的信息（文字，图片和声音片段）。在英国埃塞克斯大学的研究人员正在开发一种在建筑物内嵌入式互联网，将允许用户或厂家建立直接沟通，建立服务体系[24]。香港城市大学已进行了初步研究项目，用互联网来实时控制楼宇自动化系统[25]。他们的研究表明，互联网有潜力去扩大监测和典型的楼宇自动化系统的建设，使用户能够在任何时间和任何地点访问。他们工作还表明，一个中心24小时管理办公室能够管理一个房地产投资组合与数百幢房屋。
远程监测和控制也有可能改善消防安全。据估计这百分之67的火灾发生在办公时间外[26]。消防远程监控检测和报警系统可以减少响应时间，提高反应的有效性，通过提供足够的消防信息建设的主管来激活火灾灭火系统，并立即召集适当的消防队。
目前一些先进的消防控制面板已经纳入了远程调制解调器访问控制。随着通过互联网的实时控制，系统的整体污染的影响之前火灾检测装置研制系统将执行与预警传感器自动故障检测。在第一次警告标志中的人类干预应当允许更高的效率与重视火灾与非火灾威胁。当火灾发生时，当地消防的充分信息可以被直接发送到合适的消防部门。消防队员也可以访问信息从网上找出潜在的有害物质或有谁需要特别援助离开火源的位置。完全集成的远程访问系统将允许对抗救火途中发生的火灾，而不是在规划建筑群的消防面板。因此，远程访问系统应提供更多的宝贵时间和生命财产的保护。
然而，实时通过互联网监测，仍处于起步阶段[25]。先进的发展，基于Internet的远程访问系统，以互联网为基础的远程接入消防系统上面所描述的都还没开始。此外，重大问题，如实时控制安全和防护，仍然需要加以考虑。有关计算机和网络安全方面互联网的消防安全系统也造成其自己独特的消防安全问题。全部基于Internet的监测系统的实施将需要强有力保证数据的完整性和抵抗电脑黑客。如果没有这些保护，消防战士可能会收到有关存在，位置或大小火灾的虚假信息。
综合服务系统建设
今天的火灾探测和报警系统已部分被结合到其他综合建筑系统中。一旦发生火灾，火灾探测及报警系统将激活各种消防安全措施，如烟雾控制系统，以及各种加压和排烟系统。他们还将激活电梯和房门的释放系统，闪烁的出口指示牌和灭火系统[27]。然而，目前在所有不同的建筑系统中集成程度仍然有限。即使建设服务系统具有类似的功能，例如消防安全制度，安全系统，空调系统和照明系统已经集成在一起[5，6]，有一个信息共享系统也是有限的水平。系统基于同一电缆都是由同一制造商提供。各种建筑服务系统涉及暖通空调，照明，消防安全和安全监控建设是没有集成在一起但是有一个共同的通信协议的基础。这主要是由于建筑和通讯等行业的分裂，不愿改变既定做法以及标准化的缺乏，通信协议使服务体系建设不同类型互相沟通。由于过于复杂的担忧很多住户和开发商也希望有一个较小的系统整合潜在的整体系统失败和缓慢的中央控制[28，29]。
各种方法和概念已经发展为了提高建筑一体化系统和提高综合系统的可靠性[5，6，30]。同时努力正在开发的通信协议使不同厂家互操作在一起，让建筑系统通过网络互相沟通[8]。这些协议包括的BAC net，Lon Works技术，能，鸟巢，EHSA和政制事务局[10]。他们规定的规则和程序管理方面的详细设置为从一个信息交流的合作机移动到另一个。 BAC net则倾向层次模型,使整个系统分为多个子系统，每一个都是单独的中央处理单元[31]。该子系统的协调硬连线实现互连或软件的互连。该方法简化了安装和维护和造成的环境破坏失效的处理器，环境与设备监控系统和消防安全系统仅限于当地的水平，而不是向整个集成系统。
BAC net是最适合传统的加工通讯模型所使用的现行暖通硬件。然而，BAC net不支持动态网络结构，也不强调分布式处理。当局正在努力扩大BAC net暖通空调领域。第一商业BAC net的消防系统产品将在未来两年内推出，新功能也被加入到协议中，这将提高BAC net在life safety系统中的使用[8]。
其它通信协议，如Lon Works技术，另一方面，更喜欢在没有中央处理器的单元进行网络整合，就是智能领域内阁。每个智能领域的内阁是一个在网络单元上的节点，与其他节点具有同等地位。每个机柜控制本地或划为所有的能源管理功能，所有消防烟雾报警功能和控制功能。它不依赖于任何遥控中央加工单位或其他智能现场内阁。在田地里的微处理器机柜可以支持先进的诊断和管理所有的本地建筑功能。该网络中的
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