Способ определения пожарным, находящимся на объекте пожара, направлений на выходы из помещений, коридоров, вестибюлей в условиях пониженной видимости путем использования носимого нелинейного радиолокатора, входящего в экипировку пожарного, и параметрических рассеивателей Российский патент 2022 года по МПК A62B3/00 A62B5/00 G01S13/06 

Способ определения пожарным, находящимся на объекте пожара, направлений на выходы из помещений, коридоров, вестибюлей в условиях пониженной видимости путем использования носимого нелинейного радиолокатора, входящего в экипировку пожарного, и параметрических рассеивателей.

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к системам повышения эффективности деятельности и обеспечения безопасности пожарных подразделений при тушении пожара и проведении аварийно-спасательных работ.

Уровень техники

Возможность уверенно ориентироваться в пространстве объекта пожара в условиях отсутствия видимости в дыму является одной из важнейших составляющих успешного и безопасного проведения работ по ликвидации пожара и аварийно-спасательных работ на объекте пожара. Сама потеря ориентации в пространстве объекта пожара является предвестником более опасных аварийных ситуаций:

- завал конструкциями, поврежденными пожаром (при низком пределе огнестойкости конструкций и затяжном пожаре);

- истощение запаса воздуха (кислорода) в баллоне (баллонах) средств индивидуальной защиты органов дыхания (СИЗОД) [Тактические приемы аварийной разведки и спасения при тушении пожаров. Учебно-методическое пособие по дисциплине «Организация тушения пожаров и подготовки пожарно-спасательных гарнизонов» / А.Н. Денисов, М.М. Данилов, О.И. Степанов, Е.Е. Зайцева - М. : Академия ГПС МЧС России, 2020. - 53 с.].

Известно специализированное осветительное оборудование для ориентирования в задымленном пространстве КВАЗАР. Предназначена для обозначения путей эвакуации в задымленном или темном помещении (пространстве) при отсутствии других ориентиров. Состоит из контейнера с блоком управления и катушек со светящимся проводом. Пожарные раскатывают провод по мере продвижения вглубь объекта пожара. Светящийся провод виден в дыму и служит ориентиром для пожарных [https://www.peleng.info/product/quazar50, Тактические приемы аварийной разведки и спасения при тушении пожаров. Учебно-методическое пособие по дисциплине «Организация тушения пожаров и подготовки пожарно-спасательных гарнизонов» / А.Н. Денисов, М.М. Данилов, О.И. Степанов, Е.Е. Зайцева - М.: Академия ГПС МЧС России, 2020. - 53 с.]. Отличием от изобретения является необходимость нахождения в непосредственной близости от светящегося провода, возможная потеря ориентации при утрате с ним визуального контакта.

Известен направляющий (путевой) трос НТ-ГДЗС - текстильный канат, состоящий из арамидного сердечника в текстильной оплетке общим диаметром 5,0 мм, уложенный в сумку. Концы троса заделаны в коуши с карабинами. Длина троса 50 метров. По всей длине троса вплетена нить с флуоресцентным эффектом и установлены маячки яркого желто-зеленого цвета.

Сумка - текстильная емкость с возможностью ношения на плече, ремне или ноге с креплением посредствам ремней. Сумка предназначена для укладки и переноски направляющего троса. Сумка имеет отверстие через которое трос, закрепленный на посту безопасности, при движении звена ГДЗС беспрепятственно разматывается, не создавая помех движению. Внутри сумки имеется петля для фиксации второго конца троса посредствам карабина. На лицевой стороне сумки имеется накладной карман для размещения комплекта ключей подключения дополнительных направляющих тросов НТ-ГДЗС.

Карабин - соединительный элемент для закрепления направляющего троса.

Маячок - конструктивное эллипсовидное утолщение на направляющем тросе, выполненное из пластических материалов. Маячки размещены по всей длине направляющего троса группами 3+1, что облегчает ориентацию в условиях ограниченной видимости. Источник: https://fireman.club/statyi-polzovateley/putevoy-tros-zvena-gdzs-naznachenie-i-opisanie/. Отличием от изобретения является необходимость непосредственного контакта с канатом, ограниченность перемещения, связанная с длиной каната.

Известна система ориентации пожарных на основе установки радиобуев внутри и вокруг объекта пожара и оснащения пожарных устройствами связи и передачи данных на эти буи с дальнейшей обработкой информации в центре управления с целью определения местоположения пожарных в локальной системе позиционирования и в систем GPS [https://engineering.cmu.edu/news-events/magazine/fall-2017/tracking-firefighters-heat-smoke.html]. Отличием от изобретения является невозможность непосредственного определения пожарным направления на выход из помещения или из здания.

Известна система позиционирования пожарных на основе развертывания локальной системы позиционирования, состоящей из базовой станции с радиооборудованием и приемников, находящихся у пожарных. Система позволяет определять местоположение пожарного в локальной системе позиционирования [https://www.jpl.nasa.gov/news/pointer-seeing-through-walls-to-help-locate-firefighters]. Отличием от изобретения является невозможность непосредственного определения пожарным направления на выход из помещения или из здания.

Наиболее близким аналогом изобретения является специализированное осветительное оборудование КВАЗАР. Оборудование обладает следующими признаками, близкими с признаками изобретения: служит средством обозначения путей эвакуации, непосредственно, без посредничества оператора какой-либо системы, обеспечивает пожарного информацией о нахождении выхода. Отличием от изобретения является необходимость находиться вблизи светящегося троса, ограниченность длины троса, невозможность обнаружения входов в помещения из задымленных вестибюлей и коридоров для поиска возможно имеющихся в них пострадавших.

Изобретение расширяет арсенал технических средств повышения эффективности деятельности и обеспечения безопасности пожарно-спасательных подразделений при тушении пожаров и проведении аварийно-спасательных работ.

Техническим результатом является создание в условиях ограниченной видимости возможности для пожарного непосредственного находить направления на выходы, ведущие из помещений здания на общие пути эвакуации (в коридоры, вестибюли, далее - пути эвакуации), и находить направления на выходы, ведущие из этих путей эвакуации наружу, на лестничную клетку или в иную безопасную зону. При этом исключается выбор тех выходов, где температура окружающей среды составляет более 80-100°С, т.е. близка к критической для нахождения пожарного. Разрешаемая техническая проблема - создание ориентиров и средства поиска этих ориентиров в условиях отсутствия видимости и на удалении, превышающем дальность действия оборудования на основе направляющих тросов и световых приборов, без необходимости уточнения своего местоположения во внешней системе позиционирования и без необходимости поддержания связи с другим участниками тушения пожара.

Раскрытие сущности изобретения

Технический результат достигается установкой нелинейных параметрических рассеивателей двух типов (далее - маркеров) в помещениях и на путях эвакуации и проведением пожарным их поиска с помощью носимого малогабаритного нелинейного радиолокатора, находящегося в его распоряжении.

При отсутствии видимости, направление на выход, ведущий на путь эвакуации, или правильное направление движения по пути эвакуации обнаруживаются по сигналам нелинейного радиолокатора, имеющего узкую диаграмму направленности и в зону облучения которого попадает нелинейный маркер. Основой маркера является полупроводниковый диод. Полупроводниковые приборы при увеличении температуры теряют свои нелинейные свойства, поэтому в условиях повышенной температуры маркер теряет свойства нелинейного параметрического рассеивателя как такового и перестает обнаруживаться нелинейным локатором. Тем самым, пожарный не выберет путь в зону повышенной температуры.

Установка маркеров производится одним из следующих способов или их сочетанием:

- во время строительства и эксплуатации здания. Маркеры крепятся над дверными проемами к поверхностям стен или конструкций;

- установка предусмотренных нормами пожарной безопасности знаков пожарной безопасности и пожарных оповещателей с заранее встроенными маркерами;

- во время тушения пожара самими пожарными в составе пожарно-спасательных подразделений при продвижении вглубь здания. Размеры маркеров позволяют оснащать пожарных маркерами для размещения по ходу движения. В этом случае производится установка маркеров одного типа, позволяющих определить направление обратного движения к выходу. Маркеры могут крепиться на поверхности стен, так как они обладают небольшим весом, или даже могут быть просто брошены на пол.

Поскольку маркеры являются пассивными (не имеют источников питания), их размещение не оказывает влияния на работоспособность систем противопожарной защиты, инженерных систем, систем связи и других электронных систем здания.

Способ применение изобретения

Для применения изобретения в помещениях, коридорах, вестибюлях здания устанавливаются два различных типа маркера, каждый из которых настроен для работы на своей частоте. Настройка достигается выбором полупроводникового прибора и размеров элементов контуров маркеров. Один тип маркера (М_П) используется для обозначения выходов, ведущих из помещений на пути эвакуации. Другой тип маркера (М_Э) - для обозначения выходов, ведущих наружу, на лестничную клетку, в безопасную зону, а также для обозначения поворотов и разветвлений путей эвакуации. Установка маркеров производится над дверными проемами. В местах обозначения разветвлений и поворотов путей эвакуации маркеры устанавливаются на подвесах под потолком или на стенах на высоте, соответствующей высоте установки других маркеров.

Пожарные, которые заходят внутрь здания, обеспечиваются нелинейными радиолокаторами, которые способны обнаруживать направление отдельно на каждый из двух типов маркеров.

Применение маркеров различного типа для выбора пути иллюстрируется следующими рисунками.

Примем, что пожарный находился в помещении, когда видимость существенно ограничилась из-за распространяющегося по зданию дыма пожара. Пожарный защищен изолирующим дыхательным аппаратом, но не имеет возможности визуально обнаружить выходы.

На рисунке 1 схематично представлен процесс поиска пути из помещения при потере ориентации и ограниченной видимости в дыму. С помощью регулировки мощности и чувствительности локатора (ручной или автоматической), поворачивая локатор, пожарный обнаруживает направление на один из ближайших маркеров М_П, обозначающий дверь из помещения. Двигаясь в этом направлении, пожарный выходит в коридор и переключает локатор на поиск маркеров другого типа.

Из рисунка 2 видно, что после выхода из помещения, в случае направления локатора в тупиковую часть коридора (не имеющего выхода на лестничную клетку), пожарный не получит сигнала о наличии там выхода, поскольку в этом направлении отсутствует маркер М_Э.

Из рисунка 3 видно, что при направлении локатора в противоположную сторону, по сравнению с рисунком 2, в зоне действия локатора появляется маркер М_Э, обозначающий направление к эвакуационному выходу, и пожарный выбирает это направление.

При отсутствии маркеров в здании, пожарные, которые продвигаются внутрь здания, могут оставлять маркеры по пути движения на расстоянии, меньшем радиуса действия радиолокатора. Практически возможно будет устанавливать маркеры только одного типа, но это, тем не менее, обеспечивает нахождение обратного пути.

Наличие предварительно установленных в здании маркеров позволит пожарным, продвигающимся через холл, коридор или вестибюль внутрь здания в условиях пониженной видимости, оперативно обнаруживать двери помещений. Это позволит в кратчайший срок осуществлять поиск людей, возможно оставшихся в этих помещениях и нуждающихся в спасении.

Кроме выходов, маркерами могут быть отмечены окна, конструкция которых позволяет вскрыть их и эвакуироваться наружу.

Современный уровень развития техники позволяет создать маркеры малого размера и малогабаритные носимые нелинейные радиолокаторы, которые могут быть включены в экипировку пожарного.

Осуществление изобретения

Маркеры

Для осуществления изобретения должны быть изготовлены маркеры небольшого размера, который позволит свободно размещать их в нужном количестве в здании и иметь при себе пожарными, занимающимися тушением пожара и проведением аварийно-спасательных работ.

Использование изобретения не требует обеспечивать обнаружение маркера на большом расстоянии. Достаточно, чтобы компоненты изобретения (локатор и маркеры) обеспечивали обнаружение маркера на расстоянии не более 35-40 м с учетом незначительного затухания СВЧ сигналов в дыму и затуханием, вызванным размещением маркеров за преградами в виде пластмассовых корпусов пожарных оповещателей различного назначения или внутренних перегородок здания. Достаточность этой дальности действия обусловлена тем, что нормативная длина тупикового коридора не должна превышать 30 м [табл. 6 Свода правил СП1.13130.2020 Системы противопожарной защиты. Эвакуационные пути и выходы]. Длина пути по коридору при расположении между наружными выходами может составлять 120 м [табл.1 6 Свода правил СП1.13130.2020]., но при этом в коридоре на расстоянии 25 м друг от друга должны быть установлены знаки пожарной безопасности, указывающие направление движения [п. 5.4 Свода правил СП3.13130.2009 Системы противопожарной защиты. Система оповещения и управления эвакуацией людей при пожаре ]. Установка этих знаков должна быть совмещена с установкой маркеров М_Э, что обеспечит возможность их обнаружения из любой точки коридора. Уменьшение дальности обнаружения маркера локатором способствует уменьшению массогабаритных параметров, что очень важно для носимого оборудования.

В качестве маркеров используются пассивные параметрические рассеиватели. Хорошо разработана теория и практика применения двух типов рассеивателей радиоволн - нелинейных рассеивателей и параметрических рассеивателей [Бабанов, Н. Ю. Анализ, моделирование и синтез конструкций пассивных нелинейных и параметрических рассеивателей : специальность 05.12.04 "Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения" : диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук, 2016]. Первые формируют ответный сигнал Foc на частоте второй гармоники запросного сигнала локатора: Foc=2Fзс, вторые - на частоте половиной субгармоники запросного сигнала локатора: Foc=0,5 Fзс. В изобретении применяются только параметрические рассеиватели, поскольку имеющиеся в помещениях здания электронные приборы (компьютеры, телефоны, пожарные оповещатели и извещатели, охранные извещатели, светодиодные световые приборы и т.п.), являясь также рассеивателями, в основном не формируют ответный сигнал на частоте субгармоники запросного сигнала. Таким образом, маркер будет единственным ориентиром для поиска локатором, чем повышается вероятность правильного и уверенного обнаружения маркера.

В целом, маркеры могут быть изготовлены на основе патентов RU2495450 C1, RU2491573 C1, RU2652150 C2, в которых приведены конструкции и свойства параметрических рассеивателей на основе диодов, и проволочных индуктивностей и антенн.

Конструкция маркеров М_П и М_Э обеспечивает формирование ответного сигнала при облучении запросным сигналом только одной частоты (одной частоты для маркеров М_П и другой частоты для маркеров М_Э). При облучении такого маркера запросным сигналом другой частоты ответный сигнал отсутствует либо чрезвычайно слаб, чтобы быть обнаруженным. Настройка маркера на нужную частоту реализуется путем изготовления колебательного контура с определенными размерами [Бабанов, Н.Ю. Анализ, моделирование и синтез конструкций пассивных нелинейных и параметрических рассеивателей : специальность 05.12.04 "Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения" : диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук, 2016]. Элементная база маркера проста и включает полупроводниковые диоды, индуктивности в виде части витков проволоки (дуг проволоки), приемных и передающих антенн. Целям изобретения в большой степени отвечают маркеры в виде параметрических рассеивателей с антеннами полоскового типа [Конструирование полоскового параметрического рассеивателя-четырехполюсника / Н.Ю. Бабанов, А.В. Клюев, С.В. Ларцов, В.П. Самарин // Радиотехника. - 2020. - Т. 84. - № 12(23). - С. 48-60. - DOI 10.18127/j00338486-202012(23)-06]. Маркеры такого типа имеют плоскую конструкцию небольшой толщины и могут быть размещены непосредственно на различных поверхностях, в том числе проводящих.

Конструкция маркера и его линейные размеры должны быть выбраны исходя из возможности предварительного размещения в здании, возможности оснащения маркерами пожарных для размещения их по ходу продвижения внутрь объекта пожара, возможностей радиолокационной техники. В изобретении используются нелинейные радиолокаторы с достаточно узкой диаграммой направленности. Технически достижимое и практически используемое в носимых радиолокаторах значение ширины диаграммы направленности 16 градусов обеспечивается на частотах порядка 3,6 ГГц (λ=0,083 м) [https://suritel.ru/catalog/all/apparatura-poiska-kanalov-utechki/nljd/nelineynyy-lokator-lornet-36/]. Эта ширина диаграммы направленности приемлема для целей настоящего изобретения. С увеличением частоты ширина диаграммы направленности уменьшается, что еще в большей степени отвечает целям изобретения. Таким образом, целесообразно строить маркеры одного из типов с длиной полосковой антенны, выбранной для работы на частоте, не ниже указанной. Частота ответного сигнала маркера этого типа 1,8 ГГц.

Размер антенн полоскового маркера, т.е. длина прямоугольников, составляет 0,49λ, где λ - длина волны запросного или ответного сигнала. Исходя из частоты 3,6 ГГц (λ=0,083 м) маркер будет с размером приемной полосковой антенны 0,041 м, передающей полосковой антенны 0,082 м. В зависимости от применяемого диэлектрика толщина полосковой антенны может составить до нескольких миллиметров. Маркеры такого размера вполне пригодны к размещению в здании и могут использоваться как маркеры М_П, которые размещаются в здании заранее.

Для маркеров М_Э необходимо выбрать более высокие частоты запросного и ответного сигналов с учетом частотного диапазона генерации, чтобы запросный сигнал для маркера М_П не вызывал ответного сигнала маркера М_Э. Ответный сигнал переизлучается маркером в диапазоне около 300 МГц. Тогда для маркера М_Э частота ответного сигнала должна быть 2,1 ГЦ (λ=0,142 м), а частота запросного сигнала 4,2 ГГц (λ=0,071 м). Размер антенн маркера М_П при этом составит: приемной 0,035 м, передающей 0,069 м. Маркеры такого размера вполне пригодны к размещению в здании и могут использоваться как маркеры М_Э, которые размещаются в здании заранее, а также как маркеры, которыми экипируются пожарные для размещения в здании по мере продвижения вглубь объекта пожара.

Дальность обнаружения маркеров оценивается по [Бабанов, Н. Ю. Анализ, моделирование и синтез конструкций пассивных нелинейных и параметрических рассеивателей: специальность 05.12.04 "Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения": диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук, 2016] для длины волны запросного сигнала 0,1 м (3 ГГц). Указанные выше частоты запросных сигналов маркер М_П и М_Э лежат достаточно близко к этой частоте. Кроме того, имеется обширный выбор СВЧ диодов, необходимых для параметрической генерации, на базе которых могут быть построены маркеры с требуемыми параметрами на других частотах, включая уровень возбуждения колебаний облучающим запросным сигналом.

Минимальное значение мощности запросного сигнала, необходимой для возбуждения маркера, составляет:

где

Тогда для дальности обнаружения в 40 м необходима мощность составит:

Эта мощность вполне соответствует средней мощности излучения носимых нелинейных локаторов [https://suritel.ru/catalog/all/apparatura-poiska-kanalov-utechki/nljd/nelineynyy-lokator-lornet-36/].

Мощность принимаемого ответного сигнала составит:

где

Тогда мощность на входе приемника составит:

Эта мощность вполне соответствует чувствительности носимых нелинейных локаторов и даже превышает ее [https://suritel.ru/catalog/all/apparatura-poiska-kanalov-utechki/nljd/nelineynyy-lokator-lornet-36/]. Тем самым, имеется энергетический запас радиолинии локатор-маркер-локатор, который позволит оптимизировать массогабаритные размеры оборудования.

Нелинейный радиолокатор

В изобретении применяется нелинейный радиолокатор, который может работать в непрерывном или импульсном режимах. Радиолокатор может излучать запросный сигнал на частоте настройки маркера М_П или на частоте маркера М_Э, и, соответственно, принимать половинную субгармонику от одного из этих маркеров. Радиолокатор имеет диаграмму направленности шириной 16 градусов и менее, чем обеспечивается возможность поиска маркера в определенном направлении. Радиолокатор имеет регулировку чувствительности и излучаемой мощности, что необходимо для выделения наиболее сильного сигнала, соответствующего ближайшему маркеру, находящемуся в середине главного лепестка диаграммы направленности. Источник питания радиолокатора должен обеспечивать работу в течение времени работы пожарного на объекте пожара, что составляет не более 90 минут.

Радиолокатор может быть построен в том числе на основании следующих патентов: RU2441253 C1, RU2595775 C1. В них предлагаются методы повышения чувствительности и помехозащищенности радиолокаторов поиска нелинейных маркеров для увеличения дальности их работы. В изобретении это может использоваться как средство уменьшения массы и размера радиолокатора.

Массогабаритные и конструктивные параметры нелинейного радиолокатора должны обеспечивать возможность иметь его при себе пожарными в составе боевой экипировки. Так, массогабаритные характеристики изделия «Направляющий (путевой) трос НТ-ГДЗС» составляют: масса в сборе 1,8 кг, размеры сумки 172/340/120 мм. Современный уровень развития техники позволяет построить нелинейные радиолокаторы с аналогичными характеристиками для осуществления настоящего изобретения.

Изобретение относится к способам повышения эффективности деятельности и обеспечения безопасности пожарных подразделений при тушении пожара и проведении аварийно-спасательных работ. Способ определения пожарным, находящимся на объекте пожара, направлений на выходы из помещений, коридоров, вестибюлей в условиях пониженной видимости посредством использования средств обозначения путей эвакуации, характеризуется тем, что в качестве средств обозначения путей эвакуации применяют носимый нелинейный радиолокатор, входящий в экипировку пожарного, и параметрические рассеиватели – маркеры двух типов, каждый из которых настроен для работы на своей частоте, при этом основой маркера является полупроводниковый диод. Маркеры первого типа устанавливают над выходами из помещений на общие пути эвакуации, в холлы, коридоры, вестибюли или над окнами, которые могут использоваться для эвакуации, маркеры второго типа устанавливают над выходами из общих путей эвакуации наружу, на лестничную клетку или в безопасную зону. Обнаруживают с помощью нелинейного радиолокатора маркеры, установленные в процессе строительства или эксплуатации здания, или устанавливаемые при продвижении пожарного вглубь объекта пожара для дальнейшего поиска обратного направления, при этом полупроводниковые диоды при увеличении температуры теряют свои нелинейные свойства, что обеспечивает выбор пожарным направления, отличного от направления к зоне повышенной температуры. Техническим результатом является создание в условиях ограниченной видимости возможности для пожарного непосредственно находить направления на выходы, ведущие из помещений здания на общие пути эвакуации, и находить направления на выходы, ведущие из этих путей эвакуации наружу, на лестничную клетку или в иную безопасную зону. При этом исключается выбор тех выходов, где температура окружающей среды составляет более 80-100°С, т.е. близка к критической для нахождения пожарного. 3 ил.

Способ определения пожарным, находящимся на объекте пожара, направлений на выходы из помещений, коридоров, вестибюлей в условиях пониженной видимости посредством использования средств обозначения путей эвакуации, отличающийся тем, что

в качестве средств обозначения путей эвакуации применяют носимый нелинейный радиолокатор, входящий в экипировку пожарного, и параметрические рассеиватели – маркеры двух типов, каждый из которых настроен для работы на своей частоте, при этом основой маркера является полупроводниковый диод;

маркеры первого типа устанавливают над выходами из помещений на общие пути эвакуации, в холлы, коридоры, вестибюли или над окнами, которые могут использоваться для эвакуации, маркеры второго типа устанавливают над выходами из общих путей эвакуации наружу, на лестничную клетку или в безопасную зону;

обнаруживают с помощью нелинейного радиолокатора маркеры, установленные в процессе строительства или эксплуатации здания или устанавливаемые при продвижении пожарного вглубь объекта пожара для дальнейшего поиска обратного направления, при этом полупроводниковые диоды при увеличении температуры теряют свои нелинейные свойства, что обеспечивает выбор пожарным направления, отличного от направления к зоне повышенной температуры.