СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ ЛЕСНОГО ПОЖАРА Российский патент 2015 года по МПК A62C3/02 

Изобретение относится к области предупреждения пожаров при возгораниях на больших площадях и может быть использовано для раннего обнаружения лесного пожара в отдаленных районах.

Известен способ мониторинга лесных пожаров (RU 2486594 C2, МПК G08B 13/194 (2006.01) А62С 3/00 (2006.01), опубл. 27.06.2013), характеризующийся тем, что мониторинг ведут, по меньшей мере, с двух точек, расположенных на мачтах сотовой связи посредством тепловизионной камеры и видеокамеры, установленных так, что их оси параллельны, и закрепленных на сканирующей платформе, размещенной на каждой мачте сотовой связи. При этом передают изображения, полученные в тепловом и видеоканалах, совместно с данными углового и азимутального направления осей камер, полученными с помощью угломерно-азимутного измерителя, на центральный сервер, в котором преобразуют изображения, полученные от тепловизионных и видеокамер, и данные от угломерно-азимутных измерителей, расположенных на мачтах сотовой связи, в систему географических координат. Осуществляют привязку очагов возгорания к географическим координатам с отображением на электронной карте местности. Накладывают видеоизображение на изображение от тепловизионной камеры и выводят полученные изображения в виде трех отдельных изображений - полученного наложением разносенсорного панорамного изображения, тепловизионного изображения и видеоизображения на монитор оператора и/или на запоминающее устройство.

Этот способ имеет слабую автономность и зависит от инфраструктуры: мачт сотовой связи, линий электропередачи и др. Поэтому для отдаленных от инфраструктуры лесных районов данный способ не применим.

Известен способ обнаружения лесного пожара (RU 2410140 C1, МПК А62С 3/02 (2006.01), опубл. 27.01.2011), включающий передачу в эфир в качестве сигнала о пожаре электромагнитного излучения, сформированного посредством электрической энергии, полученной восприятием тепловой энергии пожара, превращением ее во внутреннюю энергию рабочего тела, обеспечивающую кипение жидкой фазы последнего, и последующим преобразованием связанными между собой магнитоэлектрической и колебательной системами энергии волн, образуемых на поверхности жидкой фазы при кипении и выталкивающей силы, действующей на паровой пузырь. Колебательную систему выполняют в виде двух связанных подсистем, одну из которых используют в качестве преобразователя энергии волн и выталкивающей силы в колебательную энергию, а другую - как транслятор этой энергии.

Недостатком этого способа является необходимость близкого нахождения источника тепла, т.е. пожара, к магнитоэлектрической и колебательной системам. Это необходимо, чтобы вызвать кипение рабочего тела в течение определенного времени, за которое электромагнитное излучение в качестве сигнала о пожаре, сформируется посредством электрической энергии, полученной от преобразования энергии волн, образуемых на поверхности жидкой фазы при кипении. Близость такого источника тепла (температура самовоспламенения древесины 250-300°C, а температура горения 800-1000°C) может быстро вывести из строя всю систему за счет высокой температуры. Реализация такого способа требует определенных затрат на защиту всех элементов от высокой температуры пожара.

Известен способ обнаружения пожара (RU 2492899 C1, МПК А63С 3/02 (2006.01), опубл. 20.09.2013), выбранный в качестве прототипа, который заключается в отслеживании изменения температуры с помощью n-го количества датчиков, расположенных на контролируемой территории, кодировании сигнала каждого датчика в соответствии с его номером и передаче его по радиоканалу на пульт слежения. В качестве температурного датчика используют температурный выключатель, соединенный с источником питания, срабатывание которого при повышении температуры выше пороговой, включает схему передатчика, причем температурный выключатель расположен в земле на глубине 5-10 см, но выше остальной части передающей схемы.

Этот способ не позволяет идентифицировать вид пожара: низовой или верховой при ограниченном количестве датчиков.

Задачей изобретения является расширение арсенала средств аналогичного назначения.

Поставленная задача достигается тем, что способ обнаружения лесного пожара так же, как и прототип включает отслеживание изменения температуры с помощью n-го количества датчиков, расположенных на контролируемой территории, кодирование сигнала каждого датчика в соответствии с его номером и передачу его по радиоканалу в центр слежения, при этом в датчике используют соединенный с источником питания температурный выключатель, срабатывание которого при повышении температуры выше пороговой, включает схему передатчика, причем температурный выключатель расположен в земле на глубине 5-10 см, но выше остальной части передающей схемы, по коду датчика в центре слежения определяют его местоположение.

Согласно изобретению после срабатывания температурного выключателя измеряют значения звукового давления (шум) лесного пожара с помощью акустического сенсора, расположенного рядом с температурным выключателем, преобразуют эти значения в электрический сигнал и передают по радиоканалу вместе с кодом датчика в центр слежения, где по нему идентифицируют низовой или верховой пожар, сравнивая амплитуды временных диаграмм и спектры частот звукового давления с заранее известными для низового и верхового пожаров.

Известно, что скорость распространения низовых и верховых лесных пожаров существенно отличается. Если у низового пожара она составляет в среднем 1-3 м/мин, то у верховых она составляет: 25 м/мин (устойчивый верховой пожар) и 75 м/мин и более (беглый верховой пожар) (http://www.transparentworld.ru/ru/environment/monitoring/fires/method/fire-type/). При обнаружении пожара очень важно идентифицировать его вид, поскольку для верховых видов пожаров необходимо применять более экстренные меры в связи с высокой скоростью их распространения.

Известно, что лесной пожар сопровождается сильной акустической эмиссией, которая приводит к изменению звукового давления (шуму). Причем звук этого шума имеет характерные особенности, которые зависят от вида пожара (низовой или верховой).

При горении сухой древесины (валежник) при низовом пожаре из-за резкой деформации древесины от температурных градиентов возникают так называемые «щелчки» - резкие кратковременные возрастания амплитуды звукового давления. Количество таких «щелчков» достигает до 1000 в минуту на лабораторном образце размером 13 мм (Grosshandler W., Jackson М. Acoustic Emission of Structural Materials to Open Flames, Fire Safety Journal, No.22, 1994, pp. 209-228).

При верховом пожаре горит древесина на корню. Влажность свежей древесины составляет от 50% и выше (http://tree-http://forest.ru/classification/vlagnost-drevesiny/). Поэтому при горении влажной древесины (стволы растущих деревьев, свежая листва, хвоя) возникает характерный шум, вызванный кипением воды. Также при верховом пожаре вспыхивают кроны деревьев, что сопровождается локальными флуктуациями звукового давления в зоне горения. Это приводит к возникновению характерного низкочастотного гула, заглушающего «щелчки» низового пожара.

Следовательно, амплитуда звукового давления шума верхового пожара должна быть существенно выше, чем у низового, а спектр частот должен иметь существенное возрастание в области низких частот.

Измерение этого звукового давления с помощью акустического сенсора после срабатывания температурного выключателя, преобразование его в электрический сигнал и передача по радиоканалу вместе с кодом датчика в центр слежения, где дополнительно производится вычисление спектра частот звукового давления, позволяет определить местоположение пожара и идентифицировать верховой или низовой пожар. В качестве образцов для сравнения с вновь поступающими в центр слежения данными можно использовать записи шумов и спектры частот заранее известных низового и верхового пожаров.

Таким образом, предложенный способ позволяет обнаруживать местоположение лесного пожара и идентифицировать его вид: низовой или верховой.

На фиг. 1 представлена схема реализации способа обнаружения лесного пожара.

На фиг. 2 представлены временные диаграммы звукового давления фрагментов записи шума лесных пожара разного вида, где а) - для низового, б) - для верхового лесного пожара.

На фиг. 3 представлены графики спектров частот звукового давления фрагментов записи шума лесных пожаров разного вида, где а) - для низового, б) - для верхового лесного пожара.

Способ обнаружения лесного пожара может быть реализован с помощью n датчиков 1 (Д), каждый их которых содержит температурный выключатель 2, первый выход которого соединен с источником питания 3, а второй связан с первым входом электропитания передатчика 4 (П), второй вход которого соединен с выходом акустического сенсора 5, а выход связан с радиопередающей антенной 6. В центре слежения радиоприемная антенна 7 связана со входом приемника 8 (ПР), выход которого связан со звуковоспроизводящим устройством 9 (ЗВУ).

Датчики 1 (Д) размещают на контролируемой территории вокруг центра слежения, так что радиопередающая антенна 6 каждого датчика 1 (Д) расположена на ближайшем от него дереве, а акустический сенсор 5 и температурный выключатель 2 - в земле на глубине 5-10 см, причем передатчик 4 (П) и источник питания 3 - ниже температурного выключателя 2.

В случае возникновения лесного пожара в зоне расположения датчика 1 (Д) в температурном выключателе 2 замыкается электрическая цепь с помощью биметаллической пластины внутри (при повышении температуры выше порогового значения). Напряжение источника питания 3 подается на первый вход электропитания передатчика 4 (П), который кодирует номер датчика и начинает транслировать в эфир на выделенной частоте (по радиоканалу) код датчика 1 (Д) и показания акустического сенсора 5, который измеряет звуковое давление в зоне пожара (шум), преобразует его в электрический сигнал и подает его на второй вход передатчика 4 (П). Радиоприемная антенна 7 в центре слежения принимает это электромагнитное излучение, передает его на вход приемника 8 (ПР), который преобразует электромагнитное излучение в электрический сигнал, отделяет от него и индицирует код датчика 1 (Д), от которого пришел сигнал, и передает принятый электрический сигнал на звуковоспроизводящее устройство 9 (ЗВУ), которое воспроизводит звук шума пожара, индицирует временную диаграмму и спектр частот звукового давления, сравнивает их с заранее известными для низового и верхового пожаров. Оператор центра слежения определяет местоположение пожара по индицируемому приемником 8 (ПР) коду датчика 1 (Д) и идентифицируют низовой или верховой пожар по показаниям звуковоспроизводящего устройства 9 (ЗВУ).

Учитывая ограниченность частотного ресурса в выделенном диапазоне, для обеспечения одновременной работы нескольких датчиков 1 (Д) можно использовать кодовое либо временное разделение радиоканала.

Частотный диапазон, в котором может работать предлагаемый способ, выбирается в области от десятков до сотен мегагерц при прямой передаче электромагнитного излучения в центр слежения. Это обеспечивает минимальное поглощение электромагнитного излучения в условиях леса. Этот диапазон должен быть согласован с Решением ГКРЧ о выделении полос частот. Например, может быть использован диапазон 446 МГц (решение ГКРЧ №05-10-02-001 от 28 ноября 2005 г.), который минимально загружен, разрешенная мощность составляет 500 мВт, а дальность в прямой видимости - около 5 километров. При увеличении излучаемой мощности дальность расположения центра слежения от датчиков 1 (Д) может быть увеличена до нескольких десятков километров.

Также можно использовать передачу сигнала от датчиков 1 (Д) в центр слежения через спутник связи в одном из разрешенных диапазонов частот: в С-диапазоне - от 4 до 8 ГГц, в Ku-диапазоне - от 10,7 до 18 ГГц, в Ка-диапазоне - от 18 до 26,5 ГГц. В этом случае дальность расположения центра слежения от датчиков 1 (Д) может быть увеличена до нескольких тысяч километров и ограничивается только зоной покрытия спутника связи.

Полученные временные диаграммы (фиг. 2) представляют собой изменение во времени амплитуды звукового давления (шума) лесных пожаров, измеренного акустическим сенсором 5, в качестве которого использовался встроенный микрофон цифровой видеокамеры Cisco Flip HD, где а) - для низового, б) - для верхового лесного пожара. Они содержат выборку 8000 цифровых отсчетов относительной амплитуды звукового давления, отложенной по вертикальной оси, полученных при частоте дискретизации 8 кГц. По оси абсцисс отложены номера шагов по времени, в которых проводилась оцифровка записанного шума.

По значениям, представленным на временных диаграммах (фиг. 2), в звуковоспроизводящем устройстве 9 (ЗВУ), в качестве которого использовался персональный компьютер со специальной программой обработки звука, были вычислены спектры частот шумов низового лесного пожара а) и верхового пожара б) на фиг. 3. По оси абсцисс отложены относительные значения частот, нормированные на 10 кГц, по оси ординат отложены значения дискретного преобразования Фурье шума, которые характеризуют частотный спектр и рассчитаны по формуле:

где k, m - текущий номер и количество цифровых отсчетов шума,

S_k - текущее значение цифрового отсчета амплитуды шума,

j - индекс текущей частотной составляющей шума,

j=0…m-1,

omega_j=(j+1)/(m-1).

Результаты расчета по формуле (1), представленные на фиг. 3 , получены с помощью функции CFFT системы Mathcad.

Отличия шума низового от шума верхового лесного пожара наглядно продемонстрированы на фиг. 2 и фиг. 3. Первое отличие состоит в том, что амплитуда звукового давления (шума) верхового пожара (б) на фиг. 2) существенно выше, чем амплитуда звукового давления (шума) низового пожара (а) на фиг. 2). Второе отличие состоит в том, что спектр частот шума верхового пожара (б) на фиг. 3) имеет существенное возрастание в области низких частот (в начале диаграммы) по сравнению со спектром частот шума низового пожара (а) на фиг. 3). Полученные временные диаграммы (фиг. 2) и спектры частот звукового давления (фиг. 3) можно использовать в качестве образцов для идентификации низового и верхового пожара.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет при срабатывании датчика 1 (Д) определить местоположение лесного пожара и дополнительно идентифицировать низовой или верховой пожар, сравнивая с заранее записанными образцами: амплитуды временных диаграмм звукового давления (имеющие существенное различие по абсолютному значению) и спектры частот звукового давления (имеющие существенное различие в области низких частот), а также прослушивая шум для определения в нем характерных «щелчков» (низовой пожар) или низкочастотного гула (верховой пожар).

Кроме того, характерной особенностью предлагаемого способа, так же, как и в прототипе, является то, что датчики 1 (Д) потребляют электроэнергию от источника питания 3 только после срабатывания температурного выключателя 2, что позволяет существенно повысить их надежность и срок службы элементов питания.

Изобретение относится к области предупреждения пожаров при возгораниях на больших площадях и может быть использовано для раннего обнаружения лесного пожара в отдаленных районах. Способ обнаружения вида лесного пожара путем отслеживания изменения температуры с помощью n-го количества датчиков, расположенных на контролируемой территории, кодирования сигнала каждого датчика в соответствии с его номером и передачи его по радиоканалу в центр слежения, при этом в датчике используют соединенный с источником питания температурный выключатель, срабатывание которого при повышении температуры выше пороговой включает схему передатчика, причем температурный выключатель расположен в земле на глубине 5-10 см, но выше остальной части передающей схемы, по коду датчика в центре слежения определяют его местоположение. После срабатывания температурного выключателя измеряют значения звукового давления (шум) лесного пожара с помощью акустического сенсора, расположенного рядом с температурным выключателем, преобразуют эти значения в электрический сигнал и передают по радиоканалу вместе с кодом датчика в центр слежения, где по нему идентифицируют низовой или верховой пожар, сравнивая амплитуды временных диаграмм и спектры частот звукового давления с заранее известными для низового и верхового пожаров. Технический результат: возможность при обнаружении местоположения лесного пожара идентифицировать его вид: низовой или верховой. 3 ил.

Способ обнаружения вида лесного пожара путем отслеживания изменения температуры с помощью n-го количества датчиков, расположенных на контролируемой территории, кодирования сигнала каждого датчика в соответствии с его номером и передачи его по радиоканалу в центр слежения, при этом в датчике используют соединенный с источником питания температурный выключатель, срабатывание которого при повышении температуры выше пороговой включает схему передатчика, причем температурный выключатель расположен в земле на глубине 5-10 см, но выше остальной части передающей схемы, по коду датчика в центре слежения определяют его местоположение, отличающийся тем, что после срабатывания температурного выключателя измеряют значения звукового давления (шум) лесного пожара с помощью акустического сенсора, расположенного рядом с температурным выключателем, преобразуют эти значения в электрический сигнал и передают по радиоканалу вместе с кодом датчика в центр слежения, где по нему идентифицируют низовой или верховой пожар, сравнивая амплитуды временных диаграмм и спектры частот звукового давления с заранее известными для низового и верхового пожаров.