戎鳳儀 田立偉 陳紅光 李毅

摘要：自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)作為國際公認(rèn)最安全可靠、經(jīng)濟(jì)有效的滅火設(shè)施已在國內(nèi)外各類復(fù)雜建筑內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用，在火災(zāi)初期起到了良好的控制效果，在很大程度上降低了火災(zāi)造成的損失?；趯?duì)酒店、商業(yè)綜合體等多類建筑的自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)中出現(xiàn)的隱患故障進(jìn)行梳理及分析，提出了基于經(jīng)典可靠性理論和數(shù)據(jù)分析方法的自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)及核心部件故障預(yù)警發(fā)展思路，對(duì)發(fā)展數(shù)字消防、智能消防、可靠消防具有一定的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)；典型故障分析；可靠性

自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)作為國際公認(rèn)最安全可靠、經(jīng)濟(jì)有效的滅火設(shè)施已在國內(nèi)外各類復(fù)雜建筑內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用。該系統(tǒng)主要由噴頭、報(bào)警閥組、水流指示器、壓力開關(guān)、管網(wǎng)及供水裝置、水泵等部件組成，在火災(zāi)發(fā)生時(shí)可自動(dòng)打開噴頭進(jìn)行噴水報(bào)警滅火，為建筑設(shè)施提供了有力的消防安全保障。

目前，自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)在國內(nèi)外的各類商業(yè)體、賓館、醫(yī)療機(jī)構(gòu)中已較為普及，隨著產(chǎn)品技術(shù)和應(yīng)用技術(shù)的不斷進(jìn)步，該系統(tǒng)也愈加成熟。但是，在自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝、施工及日常使用中，會(huì)出現(xiàn)一些故障，這嚴(yán)重影響了自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)的正常工作，導(dǎo)致其不能發(fā)揮應(yīng)有作用。近年來發(fā)生的多起重特大建筑火災(zāi)事故中，均因消防設(shè)施未能有效發(fā)揮作用控制初期火災(zāi)而造成了重大的人員和財(cái)產(chǎn)損失。如2019年9月，位于東莞市的某公司生產(chǎn)廠房發(fā)生一起較大火災(zāi)事故，該建筑雖配備了自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)等設(shè)施，但由于日常檢修維護(hù)不到位，在火災(zāi)發(fā)生時(shí)系統(tǒng)未及時(shí)響應(yīng)，沒能在火災(zāi)初期進(jìn)行有效撲救，導(dǎo)致火災(zāi)迅速蔓延，最終過火面積約7300m2，造成3人死亡，3人受傷，直接經(jīng)濟(jì)損失1600余萬元。因此，對(duì)自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)的智能化故障和預(yù)警方法進(jìn)行分析十分必要。

1 自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)及核心部件智能化故障分析和預(yù)警方法

1.1? 自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析方法發(fā)展及現(xiàn)狀

近年來，國內(nèi)外已有很多科研機(jī)構(gòu)的專家學(xué)者圍繞基于可靠性理論的故障數(shù)據(jù)分析與應(yīng)用開展了系列研究。自1972年Damelinet.al[1]第一次在管網(wǎng)設(shè)計(jì)中主張融入可靠性原理，Richard W.B[2]在針對(duì)消防系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行階段提出了較為全面的可靠性研究。英國Warrington研究所[3]基于德爾菲方法對(duì)消防系統(tǒng)及部件之間的可靠性進(jìn)行了離散估計(jì)。瑞士的Daniel Malm.al[4]等對(duì)7個(gè)國家的系統(tǒng)故障可靠性統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，并提出了提升系統(tǒng)可靠性的措施。Moinuddin[5]、Khan Shahid[6]等均基于故障樹及動(dòng)態(tài)故障樹對(duì)建筑噴淋系統(tǒng)進(jìn)行了可靠性分析。

國內(nèi)重慶大學(xué)范海英[7]對(duì)消防給水系統(tǒng)的各類元件的功能及可靠性概率進(jìn)行了研究。南華大學(xué)張勇明[8]針對(duì)自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)的各子系統(tǒng)和元件進(jìn)行了模型分析。西安建筑科技大學(xué)的孟川[9]基于韋布爾分布度系統(tǒng)組件的可靠性建立了系統(tǒng)故障樹。陳長飛、白國強(qiáng)等[10]， 于博文等[11]開展了自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)研究。近年來，隨著傳感器、數(shù)字化技術(shù)的快速發(fā)展，各類先進(jìn)理念與技術(shù)已被引入消防系統(tǒng)。

1.2? 自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)數(shù)據(jù)特點(diǎn)分析

1.2.1? 數(shù)據(jù)類型種類復(fù)雜

自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)大數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)來自系統(tǒng)設(shè)計(jì)、產(chǎn)品本身、工程施工、維保管理等多個(gè)環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)系統(tǒng)，包括結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)以及非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)及參數(shù)和產(chǎn)品本身的性能參數(shù)等結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的分析運(yùn)用可以借鑒電網(wǎng)、城市供水管網(wǎng)等領(lǐng)域大數(shù)據(jù)研究成果的數(shù)據(jù)分析方法進(jìn)行運(yùn)用，但工程施工、維保管理等產(chǎn)生的記錄、圖像、視頻等非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)尚無分析運(yùn)用方法，特別是隨著智慧消防的發(fā)展，通過外接感知設(shè)備對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控采集的數(shù)據(jù)所占比例越來越高，這些大量的數(shù)據(jù)還停留在顯示、記錄和初級(jí)設(shè)定閾值報(bào)警階段，缺乏深度挖掘運(yùn)用的方法。

1.2.2? 數(shù)據(jù)價(jià)值密度差異大

自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)的數(shù)據(jù)類型復(fù)雜多樣，不同類型數(shù)據(jù)的信息含量與價(jià)值密度存在較大差異，如：主管網(wǎng)閥門的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)可視化圖像與運(yùn)維分析報(bào)告中所包含的信息量一般遠(yuǎn)高于傳感器采集的壓力、流量等時(shí)間序列數(shù)據(jù)，但通過大量傳感器采集的壓力、流量等時(shí)間序列數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，又可以獲取甚至預(yù)測(cè)主管網(wǎng)閥門的運(yùn)行狀態(tài)。在進(jìn)行數(shù)據(jù)分析的階段，從數(shù)據(jù)分析的效率考慮，對(duì)系統(tǒng)關(guān)鍵影響因素的分析，更應(yīng)直接關(guān)注價(jià)值密度較大的數(shù)據(jù)，對(duì)信息含量低較低的因素，應(yīng)進(jìn)行深度挖掘凝練。

1.2.3? 數(shù)據(jù)獲取頻率跨度大

自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)數(shù)據(jù)的采集與處理覆蓋系統(tǒng)的全生命周期。其中，既有日?qǐng)?bào)表、月報(bào)表、季度報(bào)表、維檢修記錄、年度檢測(cè)記錄等低頻率數(shù)據(jù)，又有秒、分鐘級(jí)別的外接傳感器感知的高頻數(shù)據(jù)。如：消防水泵的維護(hù)維修通常以月或季度進(jìn)行，體現(xiàn)機(jī)械性能的數(shù)據(jù)記錄頻率較低，而消防泵進(jìn)出口壓力等參數(shù)可以進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，各類數(shù)據(jù)的時(shí)效性及其對(duì)響應(yīng)速度的要求均不相同，這就需要在進(jìn)行數(shù)據(jù)分析方法選擇時(shí)進(jìn)行全面考慮。

1.2.4? 數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)性較強(qiáng)

自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)的組成部件復(fù)雜，各個(gè)關(guān)鍵設(shè)備既獨(dú)立運(yùn)行又相互影響，系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)環(huán)相扣，系統(tǒng)運(yùn)行可靠性又與環(huán)境狀態(tài)、運(yùn)行工況密切相關(guān)，數(shù)據(jù)間呈現(xiàn)強(qiáng)關(guān)聯(lián)性。如報(bào)警閥門前后監(jiān)測(cè)到的管網(wǎng)壓力，既能直接體現(xiàn)閥門的自身狀態(tài)，又能間接體現(xiàn)穩(wěn)壓系統(tǒng)的穩(wěn)壓區(qū)間設(shè)置和穩(wěn)壓泵的運(yùn)行良好性。此類數(shù)據(jù)關(guān)系的分析不能僅靠常規(guī)的數(shù)據(jù)分析方法進(jìn)行，需要在數(shù)據(jù)分析時(shí)調(diào)用大量的行業(yè)專家經(jīng)驗(yàn)。

鑒于自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)數(shù)據(jù)類型多、價(jià)值差異大、采集頻率多樣、關(guān)聯(lián)性強(qiáng)等主要特點(diǎn)，發(fā)展智能化的故障預(yù)警技術(shù)需要根據(jù)故障特征與相關(guān)數(shù)據(jù)特點(diǎn)，集成多種數(shù)據(jù)分析與故障診斷方法，形成靈活、可靠的方法框架。

1.3? 自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)及部件故障智能化分析與預(yù)警方法框架

結(jié)合自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)典型故障梳理、數(shù)據(jù)特點(diǎn)分析，本文提出了基于經(jīng)典可靠性理論和數(shù)據(jù)分析的故障分析和預(yù)警方法框架。

1.3.1? 基于經(jīng)典可靠性理論的自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)故障分析與預(yù)警

結(jié)合自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)的故障模式與原因，這里以同樣起源于美國，均以圖像分析為基礎(chǔ)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)性和可靠性進(jìn)行分析的故障樹分析與Go法為例，介紹運(yùn)用經(jīng)典可靠性方法開展自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)故障分析與預(yù)警的思路。

一是故障樹分析法（Fault Tree Analysis， FTA）。故障樹分析法是目前在可靠性、安全性分析中使用最廣泛、簡單有效的評(píng)價(jià)方法之一。其基本原理是由上至下的演繹式失效分析法，從目標(biāo)對(duì)象故障出發(fā)，基于布林邏輯低階事件，分層次細(xì)化目標(biāo)對(duì)象的失效原因。首先將自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)最不希望發(fā)生的故障狀態(tài)作為故障分析的目標(biāo)，即頂事件，一般為自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)失效，其次通過系統(tǒng)分解原理列出可能導(dǎo)致頂事件發(fā)生的各類直接原因和因素，再遞推直至找到故障的底事件。最終結(jié)合故障樹的定性分析和定量分析，得出影響頂事件的故障事件組合、頂事件的概率。通過確定頂事件的概率和基本事件的薄弱環(huán)節(jié)，從而提出規(guī)避故障發(fā)生的改進(jìn)優(yōu)化意見。

二是GO法。GO法是一種以成功為導(dǎo)向，基于多狀態(tài)時(shí)序特性系統(tǒng)進(jìn)行可靠性分析的方法。首先，設(shè)定系統(tǒng)可靠性為目標(biāo)，基于研究對(duì)象的物理結(jié)構(gòu)，明確系統(tǒng)的功能和所包含的部件，即自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)的各個(gè)元部件，包括灑水噴頭、報(bào)警閥組、水流指示器、管網(wǎng)系統(tǒng)等，并用操作符來表示，通過信號(hào)流表示各個(gè)元件間的輸出輸入信號(hào)。然后明確規(guī)定范圍，確定成功準(zhǔn)則，建立GO圖。定量GO運(yùn)算是將系統(tǒng)所有單元的狀態(tài)概率數(shù)據(jù)，按操作符編號(hào)輸入進(jìn)行可靠性運(yùn)算。而遇到復(fù)雜系統(tǒng)時(shí)，無法進(jìn)行定量運(yùn)算，則可進(jìn)行定性分析以確定系統(tǒng)故障的最小割集，從而明確判斷出整體系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，直觀有針對(duì)性地改善系統(tǒng)整體可靠性。

1.3.2? 基于數(shù)據(jù)分析的自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)故障分析與預(yù)警

自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理方法應(yīng)包括數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)特征篩選及數(shù)據(jù)特征重構(gòu)。數(shù)據(jù)清洗首先應(yīng)通過多種統(tǒng)計(jì)方法檢測(cè)獲取到的數(shù)據(jù)異常情況，然后通過統(tǒng)計(jì)方法、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方法等手段，修正或替換檢測(cè)到的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)挖掘可以通過對(duì)故障數(shù)據(jù)庫進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，借助數(shù)據(jù)報(bào)表統(tǒng)計(jì)分析關(guān)鍵部件或系統(tǒng)出現(xiàn)故障事件的頻率、相關(guān)數(shù)據(jù)均值、發(fā)展趨勢(shì)等信息，從而得出相應(yīng)的系統(tǒng)維護(hù)指導(dǎo)性建議。隨著系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集、儲(chǔ)存、傳輸能力的發(fā)展，基于機(jī)器學(xué)習(xí)的數(shù)據(jù)挖掘方法是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行智能高效的重要方法之一[12]。

在此基礎(chǔ)上，方可開展基于數(shù)據(jù)分析方法的故障分析與預(yù)警。為了便于理解，本文以層次分析法和貝葉斯網(wǎng)絡(luò)這兩類常用數(shù)據(jù)分析方法為例進(jìn)行說明。

一是層次分析法。層次分析法又稱AHP法，其基本原理是對(duì)實(shí)際問題的諸多影響因素進(jìn)行分級(jí)，通過對(duì)同級(jí)及因素之間進(jìn)行比較和計(jì)算，從而確定各因素在所屬層級(jí)的比重。層次分析法，需首先確定層次結(jié)構(gòu)，將決策的目標(biāo)、因素和決策對(duì)象按照相互關(guān)系分為最高層即自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)可靠性評(píng)價(jià)，中間層由需要考慮的準(zhǔn)則及子準(zhǔn)則構(gòu)成，包括自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)的各部件，如管網(wǎng)、灑水噴頭、報(bào)警閥組等，最底層由為實(shí)現(xiàn)預(yù)定目標(biāo)可供選擇的各類措施及決策方法構(gòu)成，內(nèi)容為各部件的具體故障參數(shù)形式。在確定層次結(jié)構(gòu)后，下一步是利用判斷矩陣的方法確定各層次元素權(quán)重，并對(duì)系統(tǒng)可靠性參數(shù)進(jìn)行比較。最終對(duì)同一層次因素對(duì)于預(yù)期目標(biāo)相對(duì)重要性的排序權(quán)重值，得到各部件故障對(duì)于自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)整體故障的權(quán)重，并得出總一致性指標(biāo)，為提升系統(tǒng)整體可靠性提供理論依據(jù)。

二是貝葉斯網(wǎng)絡(luò)分析方法。貝葉斯網(wǎng)絡(luò)分析法的核心是節(jié)點(diǎn)關(guān)系和概率，基于概率推理的圖形化網(wǎng)絡(luò)直觀表達(dá)變量的聯(lián)合概率分布及條件獨(dú)立性，可實(shí)現(xiàn)多元信息的融合。對(duì)自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)可靠性進(jìn)行貝葉斯網(wǎng)絡(luò)分析，首先是確定分析對(duì)象，即自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)可靠性，其整體系統(tǒng)由灑水噴頭、報(bào)警閥組、管網(wǎng)供水等部件組成，這些部件的可靠性對(duì)于整體系統(tǒng)可靠性就是子系統(tǒng)可靠性。其次是確定對(duì)系統(tǒng)功能有影響的因素，其中每一個(gè)因素都被視作一個(gè)節(jié)點(diǎn)。各部件的狀態(tài)參數(shù)變量構(gòu)成了貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的末端節(jié)點(diǎn)，其工作狀態(tài)直接影響各子系統(tǒng)的可靠性。最后，在確定影響因素后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集和分析，以得出各節(jié)點(diǎn)的概率及相互之間的關(guān)系，并根據(jù)分析結(jié)果，建立貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型。

2 建議和展望

數(shù)據(jù)分析是智慧自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)的核心內(nèi)涵，當(dāng)前的研究還處于探索階段，建議從以下三個(gè)方面繼續(xù)開展深入研究，為系統(tǒng)智能化水平的全面提升提供支持。

一是自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)數(shù)據(jù)多源異構(gòu)、數(shù)據(jù)分析場(chǎng)景復(fù)雜多樣，數(shù)據(jù)分析是跨學(xué)科、跨領(lǐng)域的復(fù)雜系統(tǒng)工程，難以通過特定框架方法完美實(shí)現(xiàn)，需要不同領(lǐng)域的專家圍繞具體應(yīng)用各場(chǎng)景，開發(fā)出大量預(yù)測(cè)、感知、推理、決策等方面的數(shù)據(jù)分析方法，最終集成為自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析技術(shù)體系。

二是應(yīng)用于自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)的經(jīng)典可靠性方法可以用于表達(dá)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能及邏輯關(guān)系，但面對(duì)存在大量部件單元、變量、復(fù)雜邏輯關(guān)系的系統(tǒng)時(shí)，這些方法需結(jié)合具體問題對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行大幅簡化，同時(shí)，可借鑒電網(wǎng)、城市供水管網(wǎng)等領(lǐng)域大數(shù)據(jù)研究成果，發(fā)展適用于自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)特性、業(yè)務(wù)邏輯的數(shù)據(jù)分析方法，以期為系統(tǒng)的可靠性評(píng)價(jià)和基于可靠性的決策支持提供模型基礎(chǔ)。

三是在自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與傳輸、數(shù)據(jù)存取、計(jì)算架構(gòu)等方面還需不斷完善大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施，不斷發(fā)展傳感器接口、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)編碼、數(shù)據(jù)傳輸?shù)确矫娴募夹g(shù)標(biāo)準(zhǔn)，提高數(shù)據(jù)質(zhì)量。

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Discussion on intelligent early warning method for typical failures of automatic sprinkler system

Rong Fengyi，Tian Liwei，Chen Hongguang，Li Yi

（Tianjin Fire Research Institute of Ministry of Emergency Management， Tianjin 300381）

Abstract： As the internationally recognized safest， most reliable and most cost-effective firefighting facility， the automatic sprinkler system has been widely used in various complex buildings at home and abroad. It has played a good control effect in the early stage of the fire and greatly reduced the losses caused by the fire. Based on sorting out and analyzing the hidden faults in the automatic sprinkler system of hotels， commercial complexes and other buildings， the development idea of automatic sprinkler system and core component fault early warning based on classical reliability theory and data analysis method is proposed， which has a certain reference for the development of digital fire protection， intelligent fire protection and reliable fire protection.

Keywords： automatic sprinkler system; typical fault analysis; reliability