Пожарные извещатели: способны ли видеотехнологии заменить традиционные методы детекции дыма и пламени

Современные противопожарные датчики оперативно выявляют возгорания с минимальными ложными срабатываниями. Технологический прогресс стимулирует интеграцию устройств и решений. Например, системы видеонаблюдения уже способны распознавать дым и огонь через анализ изображения. Вопрос полной замены традиционных датчиков видеокамерами на сегодня остается открытым. При сравнительно высокой стоимости на фоне традиционных систем пожарной автоматики эти технологии имеют низкую практику внедрения, а значит, их применение может быть связано с неизвестными рисками. Однако именно практическое применение альтернативных средств обнаружения возгораний позволит максимально выявить их потенциал.

Текст: Алексей Зайцев

Нормативная база

На сегодня для систем видеообнаружения пожара в России и за рубежом действует следующая нормативная база:

Межгосударственный ГОСТ 34698-2020 «Извещатели пожарные. Общие технические требования. Методы испытаний» принят в России, Белоруссии, Казахстане, Узбекистане, Киргизии, Армении и Таджикистане. Действует с 1 июля 2023 года, распространяется на извещатели пожарные, применяемые на территории Евразийского экономического союза, и устанавливает общие технические требования и методы испытаний.

В сегменте рассматриваемых решений принята следующая терминология:

извещатель пожарный, ИП — техническое средство, предназначенное для обнаружения пожара посредством контроля изменений физических параметров окружающей среды, вызванных пожаром (факторов пожара), и/или формирования сигнала о пожаре;
извещатель пожарный пламени, ИПП — автоматический ИП, реагирующий на электромагнитное излучение пламени или тлеющего очага;

извещатель пожарный с видеоканалом обнаружения, ИПВ — автоматический пожарный извещатель, выполняющий функцию обнаружения возгорания посредством анализа видеоизображения контролируемого поля зрения;

источник подсветки ИПВ — встроенный или выносной источник света, позволяющий ИПВ обнаруживать пожар в условиях низкого уровня освещенности.

поле зрения ИПВ — контролируемая часть объекта защиты, в которой возникновение пожара может быть обнаружено ИПВ;

порог срабатывания извещателя — численное значение контролируемого фактора пожара, при превышении которого ИП формирует сигнал о пожаре.

Также ГОСТ делит ИПП по диапазонам рабочего спектра: УФ, ИК, видимая часть спектра и многодиапазонные. ИПВ, реагирующие на появление в поле зрения пламени и/или задымления, подразделяются по классам: А (пламя), В (задымление) и С (пламя и задымление).

В техническом описании к этим устройствам должны указываться параметры объектива, размер матрицы, тип обнаруживаемого очага возгорания и диапазоны расстояния, на котором ИПВ обнаруживает возгорание. ГОСТ 34698-2020 предусматривает, что характеристики ИПВ могут отличаться от требований стандарта, если устройства предназначены для защиты объектов, требования к которым регламентируются ведомственными или специальными нормативными документами.

Обнаруживаемые типы возгораний должны соответствовать ТП-5 и ТП-6 — тестовым очагам пожаров, которые используют для огневых испытаний пожарных извещателей. ТП-5 — горение легковоспламеняющейся жидкости с выделением дыма (например, бензина). ТП-6 — горение легковоспламеняющейся жидкости без выделения дыма (например, спирта).

Качественные характеристики тестовых очагов пожара:

ИПВ и классические извещатели

Системы ИПВ могут анализировать не только видимый спектр, но и ИК/УФ-диапазоны благодаря возможностям видеосенсоров. Основа их работы — обнаружение дыма или пламени через анализ изображения в видимом спектре (камеры фиксируют больше, чем человек). Однако это не тепловизоры, которые работают исключительно с ИК-излучением для поиска возгораний.

Для пожарных детекторов и извещателей основные качества — точность и скорость выявления дыма и/или пламени, рабочее расстояние (удаленность очага возгорания и размер зоны контроля), допустимые условия применения (устойчивость к ложным срабатываниям). У традиционных специализированных дымовых и тепловых извещателей имеется инерционность срабатывания, что в ряде случаев может быть существенной проблемой. Дополнительным преимуществом устройства будет верификация при детектировании, отсутствие которой — еще один недостаток традиционных извещателей.

На рынке представлен огромный выбор традиционных (классических) устройств, работающих в ИК/УФ-диапазонах или одновременно с двумя такими сенсорами. Зачастую они работают с конкретными типами возгораний, например, пламенем углеводородов (жидких, газообразных, твердых). При этом может заявляться устойчивость к электросварке, молнии, высоким концентрациям паров и т.д.

Эти устройства чаще рассчитаны на большой охват по ширине, около 100 градусов, но дальность обнаружения составляет всего десятки метров. Это ограничивает их применение помещениями. На улице, на открытых пространствах такие извещатели будут неэффективны из-за больших объемов и потоков воздуха. Еще одна слабая сторона традиционных ИПП — сложности с фильтрацией «рабочих» очагов пламени или дыма в зоне детекции и верификация события при срабатывании.

Но есть модификации с меньшими углами зоны детекции и большей дальностью действия, так как в них применяются специальные бленды для отсекания внешних оптических воздействий, в результате чего дальность обнаружения источников пламени может достигать сотни метров. Применяются и комбинированные решения — извещатель пламени используется вместе с видеокамерой. Это позволяет традиционным способом определять случай возгорания, одновременно с этим контролировать и проверять факт появления очага на цветном видеоизображении (например, ИПП «СПАРК» ИП 329-20).

Важно помнить, что регламенты в пожарной безопасности более жесткие, чем в видеонаблюдении. Так что комбинированных решений стоит ждать, скорее, от производителей противопожарного оборудования, а не от производителей видеонаблюдения.

Детекция пламени и дыма по видеоизображению: общие положения, плюсы и минусы

Для применения ИПВ имеются особенности, которые часто декларируются и в общем подходе детектирования дыма и пламени по видеоизображению.

Преимущества (теоретически, в сравнении с традиционными ИК, УФ, ИК/УФ-датчиками):

видеоверификация событий;
запись видеоматериалов для постинцидентного анализа;
срабатывание быстрее/время реагирования на инцидент меньше;
расстояние обнаружения больше;
контролируемая зона больше;
возможность работать на открытых пространствах;
мониторинг больших пространств с помощью одной PTZ-камеры;
устойчивость к неугрожающим источникам излучения в кадре;
обнаружение очагов возгорания с «небольшой» температурой пламени;
возможность комбинирования с другими алгоритмами видеоаналитики (например, определяющими наличие людей в кадре);
в сравнении с детекторами, которые устанавливаются на потолке, не подвержены влиянию эффекта стратификации на обнаружение очага возгорания (например, в помещениях с высокими потолками).

Недостатки (теоретически, поскольку работают, в основном, в видимом спектре и близком к нему ИК-спектре, в соответствии со спектральной чувствительностью камер):

могут быть ослеплены сильным освещением, включая прямой солнечный свет;
могут формировать недостаточно качественное изображение из-за нехватки динамического диапазона;
признаки возгорания могут быть сильно замаскированы атмосферными загрязнениями: туман и паровые облака;
ночью дым может быть плохо различим или же невидим совсем;
при использовании ИК-подсветки «картина» наблюдаемой зоны может сильно поменяться из-за свойств материалов к ИК-ремиссии;
устройства дороже в сравнении с классическими;
требуется более производительный канал передачи данных, так как, помимо информации о детектировании, передаются видеоданные (есть вариант с записью видео на встроенную карту памяти, но она ограничена по объему и может получить критические повреждения, если повреждена камера);
ограничение по работе при высоких температурах, но есть специализированные кожухи, которые позволяют вести наблюдение при 150-200°С (кожухам требуется проточная вода).

Программные алгоритмы детекции пламени и дыма по видеоизображению

ИПВ могут обнаруживать пламя и дым по видеоизображению. Разработчики ПО для видеонаблюдения предлагают решать задачу с помощью централизованной программной обработки на сервере изображения от видеокамер. На сегодняшний день компании предлагают:

В целом обнаружение по видео осуществляется на основе анализа параметров объекта в кадре: цвет, форма, движение. Еще один характерный момент — ценовая политика компаний-разработчиков относительно этих алгоритмов. Например, детекторы TRASSIR Smoke и TRASSIR Fire разработчик предлагает бесплатно, SATVISION — комбинированный детектор по цене 2-3 лицензий на видеоканалы, а у ISS закрытый проектный прайс-лист.

Очевидный недостаток реализации детекторов на стороне ПО: могут использоваться совсем неподходящие для этих алгоритмов видеокамеры, выбранные, например, по приоритету цены, либо смонтированные на объекте ранее.

Тепловизоры классические и гибридные

В тепловизорах для определения очагов возгорания используется технология микроболометров, из которых состоит матрица для формирования тепловизионного изображения объекта с повышенной температурой.

При этом не берутся в расчет характерные признаки пламени и дыма. К тому же видеоизображение в тепловом спектре имеет свои особенности и не всегда способно дать достаточно информации об инциденте при расследовании. Другой вопрос — модели, в которых имеется как тепловизионный блок, так и видеоблок для работы с видимой частью спектра (традиционная камера видеонаблюдения). Хотя на рынке не так много подобных устройств: например, биспектральные тепловизоры Dahua —HY-FT431LDP и HY-FT121LD.

Они имеют тепловизионный канал с разрешением 120х90 пикселей и обзором 90°х67,5° для обнаружения пламени размером 10х10 см на расстоянии 10 м. Также представлена функция обнаружения возгораний, детекция горячих и холодных точек, сигнализация при обнаружении определенной температуры в кадре. Можно отследить положение пламени. Однако данный тип устройств не подходит под определение ИПВ из ГОСТ 34698-2020.

Извещатели пламени с видеоканалом (ИПВ)

Существуют устройства, которые имеют больше всего шансов соответствовать определению ИПВ из ГОСТ 34698-2020. Концептуально они представляют собой камеры для видеонаблюдения, но перечень критериев позволяет называть их ИПВ.

Araani / Axis Communications

Совместное решение компаний Araani (Бельгия) и Axis Communications (Швеция). На базе камеры Axis установлен программный модуль Araani FireCatcher (AXIS Camera Application Platform, ACAP). Для этого решения существует ОЕМ под маркой Siemens.

Этот программный модуль можно адаптировать и для работы с камерами других производителей либо на других серверах. Модуль FireCatcher предназначен для обнаружения пламени и дыма. К панели управления пожарной сигнализацией ИПВ подключается через релейные контакты (передаются сигналы тревоги и состояния ИПВ). Видео от него транслируется с метаданными.

Это решение не сертифицировано на выявление очагов возгорания, поэтому не может применяться в соло-режиме на объекте, где требуется пожарная безопасность (сертифицированы Araani SmokeCatcher и Araani FlameCatcher Certified). ИПВ имеет класс защиты IP67, NEMA 4X, IK10.

Детектирование возгораний:

дым: 2% от поля зрения;
пламя: 0,01% от поля зрения.

«Синкросс» 328/330-1-1-Ex-X «УИД-01»

Обнаруживает пламя углеводородов и иных горючих материалов по инфракрасной и видимой областям спектра излучения пламени.

В основе ИПВ используется матрица с разрешением 2МП (1600х1200) видимого спектра и матрица ИК-диапазона, с помощью которой детектируется огонь.

Принцип работы этого ИПВ основан на цифровой обработке видеообразов с дублированием по ИК каналу для исключения ложного срабатывания и формировании сигнала о пожаре при одновременном срабатывании видео- и ИК-каналов. Время срабатывания на ТП-5 и ТП-6 на расстоянии 25 м не более 10 с. Возможна передача состояний ИПВ (передаются коды): дежурство, неисправность, внимание, пожар.

Dräger Flame 3000/5000

ИПВ сочетают в себе цветную видеокамеру (размер изображения видимого спектра 640х480) и детектор пламени. Модели отличаются размером области детекции и, соответственно, дальностью обнаружения пламени. Могут работать как автономно, так и совместно с системой управления или панелью пожарной сигнализации. Детектируют пламя на основе обработки изображений алгоритмами распознавания характеристик пламени.

Детектор нечувствителен к источникам ложных тревог: сварочным работам, выбросам горячего CO2 и отраженному пламени. Типовое время срабатывания — 4 секунды, настраивается до 30 секунд. В CD-F-301 встроена карта памяти microSD для видеозаписи обнаруженных пожаров до и после тревоги.

Заявленные параметры обнаружения (огонь в поддоне 0,1 кв. м.) в пределах поля зрения 120° по горизонтали и 80° по вертикали:

Bosch FCS-8000-VFD-B

IP-камера FCS-8000-VFD-B в стандартном исполнении. Детектирование дыма и пламени реализуется на борту ИПВ с помощью нейросетевой аналитики (заявлен собственный алгоритм Bosch). Может настраиваться и работать параллельно с другими встроенными алгоритмами. Функция доступна при освещенности до 7 лк. Имеются выходы реле для передачи тревожных сигналов на панель пожарной сигнализации FPA-5000. Детектор пламени и дыма можно настраивать по времени срабатывания, чувствительности, размеру объекта и детекции зоны детектирования.

ИПВ имеет разрешение видео Full HD (6МП), матрицу размера 1/1.8” и объектив с обзором 101х 56°- 46х26°. Для определения максимального расстояния детектирования от объектива камеры до очага возгорания (пламя и дым) производитель приводит такие параметры:

Параметры для работы алгоритма:

ДЫМ: мин. размер объекта для детектирования (стандартные настройки) — 2,3% (по ширине кадра);
ДЫМ: скорость дыма 0,7-8,4% (от высоты кадра/с);
ДЫМ: мин. плотность 40%;
ПЛАМЯ: мин. размер объекта для детектирования (стандартные настройки) — 1,6% (по ширине кадра);
мин. освещенность 7 лк.

Пламя анализируется по цвету: базовые белый и оранжевый. Другие цвета пламени не учитываются. Например, синее пламя может быть не обнаружено. Объекты с похожей моделью движения могут вызывать ложные тревоги.

Дым детектируется на основе физических характеристик и обнаруживается при тлеющих пожарах. Алгоритм распознает только нейтральный по цвету дым (белый, серый, черный). Окружающий дым (область, в которой плотность дыма уменьшается) не будет обнаружен.

Имеется взрывобезопасное решение на базе камеры Bosch и наклонно-поворотной платформы — совместная разработка с отечественной компанией «Бик-Информ».

FireVu 8/ NetVu

Используемая в этом ИПВ на базе IP-камеры технология обнаружения дыма и пламени запатентована.

По данным разработчика, детектирование дыма может производиться при освещенности до 20 лк без какой-либо подсветки, в полной темноте — с применением ИК-подсветки.

В приведенных данных для определения расстояния детектирования горения: в сковороде 300х300 мм 750 мл горючего.

Для двухсенсорной модификации MultiDetector дополнительный блок имеет следующие параметры:

объектив 6 мм — обзор 39ᵒ;
объектив 2,4 мм — обзор 90ᵒ;
разрешение 82х62 пкс;
детекция дыма, пламени, низкой/высокой температуры.

Указывается поддержка карт памяти до 64 Гб.

FlameSpec-IR3-HD Triple IR Flame Detector

Этот ИПВ предназначен для обнаружения всех типов углеводородных возгораний (видимых и невидимых). Работает в трех диапазонах длин волн в ИК-спектре (в интервале 4-5 мкм). В видимом диапазоне фиксирует изображение в формате HD.

Дальность работы до 30 м (время срабатывания менее 1,5 с; опционально доступно со временем реакции менее 0,5 с). Заявляется, что детекция дыма/пламени происходит в течение 40 мс (1,2 с — на расстоянии 15 м; 4,1 с — на расстоянии 70 м).

Автоматическая предзапись (1 минута) и постзапись (3 минуты) видео при выявлении инцидентов. Встроенная система самодиагностики — автоматическая и ручная чистоты окна и работы ИПВ в целом. Предусмотрен диод цветовой индикации (три цвета).

FlameVision (Tyco) серии FV300

Обнаружение пламени в FV300 осуществляется на основе обработки видеоизображения, используется массив пироэлектрических датчиков (16х16 шт.), что позволяет одновременно идентифицировать несколько источников возгорания в поле зрения, и фильтр на 4,5 мкм.

В поле зрения можно маскировать отдельные зоны. Предусмотрено автоматическое самотестирование ИПВ. Для фильтрации ложных тревог используется набор методов спектрального анализа и анализа во временной области, что позволяет отличить реальное пламя от сильно нагретых объектов.

В FV300 реализован метод отклонения модулированного излучения от прямого или отраженного солнечного света, а также модулированного излучения от сильных источников искусственного освещения, основанный на многократной обработке сигнала на разных длинах волн. Устройство ищет пламя в очень узком диапазоне волн, где большая часть солнечного излучения поглощается газами CO2 в атмосфере. Эффект вторичного излучения от нагретых солнцем оптических компонентов минимизируется дополнительным длинноволновым ИК-фильтром на защитном канале и специальным солнцезащитным покрытием на линзе массива.

FV300 оснащен третьим датчиком, специально определяющим излучения в видимом и коротковолновом инфракрасном диапазоне. Дальность обнаружения более 50 м для 0,1 м2 н-Гептана на сковороде, поле зрения 90° по горизонтали, 80° по вертикали. Исполнен во взрывозащищенном корпусе.

Типы угроз, на которые срабатывают/не срабатывают ИК- и УФ-датчики ИПВ FV300.

Массив датчиков FV300 вместе с соответствующей цифровой обработкой сигнала может идентифицировать более одного пожара, происходящего одновременно в поле зрения извещателя. В любой момент времени может быть подано до четырех сигналов тревоги от наиболее сильного пламени. Пожары, находящиеся достаточно близко или в одной линии видимости, создадут объединенные кластеры активности на массиве датчиков и могут быть идентифицированы только как одно пожарное событие.

В рассмотренных ИПВ в основном используется нейросетевая видеоаналитика. Но это не значит, что для них обязательно применяется один и тот же алгоритм. Дым имеет турбулентные особенности, пламя — динамические. И в описаниях к алгоритмам можно встретить указание, что детектировать дым сложнее, так как он представляет собой менее устойчивую структуру. Поэтому ИПВ имеют существенный недостаток: реагируют только на видимые проявления дыма и пламени и не работают с другими сопутствующими явлениями при возгораниях, например, увеличением концентрации угарного газа.

Также применение ИПВ может ограничиваться геометрией зоны, в которой необходим контроль. Еще одним недостатком детекции пламени и дыма по видео может стать и то, что пик излучения приходится на длине волны 4,4 мкм, которую излучает образующийся при горении углекислый газ (СО2).

Указание технических параметров ИПВ в ТД в соответствии с ГОСТ 34698-2020

Определение по видео можно настроить только на срабатывание в определенных частях изображения для контроля работ или технологического процесса, связанного с выделением высокой температуры, дыма, пара или яркими источниками света. Но больше это подходит для помещений. На открытых пространствах и даже в помещениях с окнами условия в кадре могут очень быстро и часто меняться. А это уже нивелирует одно из декларируемых достоинств способа детекции по видео — анализ больших открытых пространств в уличных условиях. Кроме того, по видео невозможно выявить появление угарного газа. Также ИПВ не может эффективно определять дым и пламя за фальшполом или фальшпотолком.

Выводы исследования

Для решения задач пожарной безопасности (извещение/детектирование пламени и дыма) предлагается несколько подходов. Это аппаратные (УФ, ИК, УФ/ИК), программные алгоритмы видеообработки (в том числе и нейросетевые), тепловизионные (типовые и биспектральные тепловизоры), комбинированные (видеоканал и датчик с дублированием друг друга) и программно-аппаратные на периферийных устройствах — видеокамерах. А на основе проведенного выше анализа можно сделать вывод, что детекция пламени и дыма по видеоизображению имеет право на жизнь, но только как вспомогательное, а не основное средство. Ведь до конца не ясно, как будет реагировать ИПВ, например, при постепенном наполнении помещения дымом, если источник возгорания не попадает в кадр и не настолько сильный, чтобы были клубы дыма высокой концентрации.

Остается открытым вопрос распознавания дыма и пламени при работе видеокамер в режиме с подсветкой. В случае ИПВ с LED-подсветкой дым и пламя теоретически могут отображаться, как при дневном свете. Для работы с ИК- или даже лазерной подсветкой на видеоизображении исчезает цветовая составляющая и добавляется часть ИК-диапазона, которая при работе в дневном режиме отсекается фильтром. В обоих случаях применения подсветки, белой и ИК, дальность работы ИПВ будет снижаться, что может свести на нет заявляемое преимущество детекции дыма и пламени по видеоизображению.

Принятие решения о возникновении пожара при одновременном использовании ИПП и анализа видеоизображения объекта защиты оператором приводит уже к тому, что обнаружение возгорания становится не автоматическим, а с привлечением человека. Получается, что данную систему пожарной сигнализации нельзя назвать автоматической.

Особняком стоит регламентация применимости нейросетевой видеоаналитики для детекции дыма и пламени. Здесь сложность в том, что обученная нейросеть — это своего рода «черный ящик», о котором известно, что он обучен на заданной выборке. Как будет себя вести алгоритм при возникновении нетипичной для него ситуации, предсказать сложно.

Детекция с применением нейросетей подразумевает возможность, а зачастую и необходимость их дообучения под индивидуальные условия объекта для эффективной работы. У разработчиков ПО обычно есть набор уже готовых нейросетей под типовые условия. Но здесь могут возникнуть сложности. Одно дело настроить систему на детектирование движения, пересечение линии в заданном направлении, исчезнувшие/появившиеся объекты. Тут можно сделать нужное количество тестов и подобрать настройки прямо на объекте. А как настроить систему на детекцию дыма и пламени, тем более если речь идет о контроле больших пространств? И как быть с настройками камеры, если она попутно решает задачи видеомониторинга?

Поэтому сейчас рано говорить о массовом внедрении таких ИПВ на российском рынке. Помимо того, что они могут использоваться лишь как вспомогательное решение, они также имеют высокую стоимость. Возможно, в ближайшее время с развитием технологий появится и массовый, бюджетный сегмент данных устройств. Однако параллельно должны совершенствоваться алгоритмы, которые в будущем, возможно, позволят ИПВ стать самостоятельным решением для детекции пламени и дыма.

Фото - freepik.com