戎鳳儀 田立偉 陳紅光 李毅

摘要：自動噴水滅火系統(tǒng)作為國際公認最安全可靠、經(jīng)濟有效的滅火設(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频?、商業(yè)綜合體等多類建筑的自動噴水滅火系統(tǒng)中出現(xiàn)的隱患故障進行梳理及分析，提出了基于經(jīng)典可靠性理論和數(shù)據(jù)分析方法的自動噴水滅火系統(tǒng)及核心部件故障預(yù)警發(fā)展思路，對發(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：自動噴水滅火系統(tǒng)；典型故障分析；可靠性

自動噴水滅火系統(tǒng)作為國際公認最安全可靠、經(jīng)濟有效的滅火設(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)生時可自動打開噴頭進行噴水報警滅火，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)的不斷進步，該系統(tǒng)也愈加成熟。但是，在自動噴水滅火系統(tǒng)的設(shè)計、安裝、施工及日常使用中，會出現(xiàn)一些故障，這嚴重影響了自動噴水滅火系統(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噴水滅火系統(tǒng)等設(shè)施，但由于日常檢修維護不到位，在火災(zāi)發(fā)生時系統(tǒng)未及時響應(yīng)，沒能在火災(zāi)初期進行有效撲救，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)濟損失1600余萬元。因此，對自動噴水滅火系統(tǒng)的智能化故障和預(yù)警方法進行分析十分必要。

1 自動噴水滅火系統(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)計中主張融入可靠性原理，Richard W.B[2]在針對消防系統(tǒng)設(shè)計和運行階段提出了較為全面的可靠性研究。英國Warrington研究所[3]基于德爾菲方法對消防系統(tǒng)及部件之間的可靠性進行了離散估計。瑞士的Daniel Malm.al[4]等對7個國家的系統(tǒng)故障可靠性統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行了分析，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態(tài)故障樹對建筑噴淋系統(tǒng)進行了可靠性分析。

國內(nèi)重慶大學(xué)范海英[7]對消防給水系統(tǒng)的各類元件的功能及可靠性概率進行了研究。南華大學(xué)張勇明[8]針對自動噴水滅火系統(tǒng)的各子系統(tǒng)和元件進行了模型分析。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、白國強等[10]， 于博文等[11]開展了自動噴水滅火系統(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，各類先進理念與技術(shù)已被引入消防系統(tǒng)。

1.2? 自動噴水滅火系統(tǒng)數(shù)據(jù)特點分析

1.2.1? 數(shù)據(jù)類型種類復(fù)雜

自動噴水滅火系統(tǒng)大數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)來自系統(tǒng)設(shè)計、產(chǎn)品本身、工程施工、維保管理等多個環(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)分析方法進行運用，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)備對系統(tǒng)狀態(tài)進行監(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、記錄和初級設(shè)定閾值報警階段，缺乏深度挖掘運用的方法。

1.2.2? 數(shù)據(jù)價值密度差異大

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

1.2.3? 數(shù)據(jù)獲取頻率跨度大

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

1.2.4? 數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)性較強

自動噴水滅火系統(tǒng)的組成部件復(fù)雜，各個關(guān)鍵設(shè)備既獨立運行又相互影響，系統(tǒng)運行環(huán)環(huán)相扣，系統(tǒng)運行可靠性又與環(huán)境狀態(tài)、運行工況密切相關(guān)，數(shù)據(jù)間呈現(xiàn)強關(guān)聯(lián)性。如報警閥門前后監(jiān)測到的管網(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)分析方法進行，需要在數(shù)據(jù)分析時調(diào)用大量的行業(yè)專家經(jīng)驗。

鑒于自動噴水滅火系統(tǒng)數(shù)據(jù)類型多、價值差異大、采集頻率多樣、關(guān)聯(lián)性強等主要特點，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，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)合自動噴水滅火系統(tǒng)典型故障梳理、數(shù)據(jù)特點分析，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噴水滅火系統(tǒng)故障分析與預(yù)警

結(jié)合自動噴水滅火系統(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)對風(fēng)險性和可靠性進行分析的故障樹分析與Go法為例，介紹運用經(jīng)典可靠性方法開展自動噴水滅火系統(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、簡單有效的評價方法之一。其基本原理是由上至下的演繹式失效分析法，從目標對象故障出發(fā)，基于布林邏輯低階事件，分層次細化目標對象的失效原因。首先將自動噴水滅火系統(tǒng)最不希望發(fā)生的故障狀態(tài)作為故障分析的目標，即頂事件，一般為自動噴水滅火系統(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)時序特性系統(tǒng)進行可靠性分析的方法。首先，設(shè)定系統(tǒng)可靠性為目標，基于研究對象的物理結(jié)構(gòu)，明確系統(tǒng)的功能和所包含的部件，即自動噴水滅火系統(tǒng)的各個元部件，包括灑水噴頭、報警閥組、水流指示器、管網(wǎng)系統(tǒng)等，并用操作符來表示，通過信號流表示各個元件間的輸出輸入信號。然后明確規(guī)定范圍，確定成功準則，建立GO圖。定量GO運算是將系統(tǒng)所有單元的狀態(tài)概率數(shù)據(jù)，按操作符編號輸入進行可靠性運算。而遇到復(fù)雜系統(tǒng)時，無法進行定量運算，則可進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)分析的自動噴水滅火系統(tǒng)故障分析與預(yù)警

自動噴水滅火系統(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)計方法檢測獲取到的數(shù)據(jù)異常情況，然后通過統(tǒng)計方法、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方法等手段，修正或替換檢測到的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)挖掘可以通過對故障數(shù)據(jù)庫進行統(tǒng)計，借助數(shù)據(jù)報表統(tǒng)計分析關(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)展趨勢等信息，從而得出相應(yīng)的系統(tǒng)維護指導(dǎo)性建議。隨著系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集、儲存、傳輸能力的發(fā)展，基于機器學(xué)習(xí)的數(shù)據(jù)挖掘方法是實現(xiàn)系統(tǒng)運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，其基本原理是對實際問題的諸多影響因素進行分級，通過對同級及因素之間進行比較和計算，從而確定各因素在所屬層級的比重。層次分析法，需首先確定層次結(jié)構(gòu)，將決策的目標、因素和決策對象按照相互關(guān)系分為最高層即自動噴水滅火系統(tǒng)可靠性評價，中間層由需要考慮的準則及子準則構(gòu)成，包括自動噴水滅火系統(tǒng)的各部件，如管網(wǎng)、灑水噴頭、報警閥組等，最底層由為實現(xiàn)預(yù)定目標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，并對系統(tǒng)可靠性參數(shù)進行比較。最終對同一層次因素對于預(yù)期目標相對重要性的排序權(quán)重值，得到各部件故障對于自動噴水滅火系統(tǒng)整體故障的權(quán)重，并得出總一致性指標，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)點關(guān)系和概率，基于概率推理的圖形化網(wǎng)絡(luò)直觀表達變量的聯(lián)合概率分布及條件獨立性，可實現(xiàn)多元信息的融合。對自動噴水滅火系統(tǒng)可靠性進行貝葉斯網(wǎng)絡(luò)分析，首先是確定分析對象，即自動噴水滅火系統(tǒng)可靠性，其整體系統(tǒng)由灑水噴頭、報警閥組、管網(wǎng)供水等部件組成，這些部件的可靠性對于整體系統(tǒng)可靠性就是子系統(tǒng)可靠性。其次是確定對系統(tǒng)功能有影響的因素，其中每一個因素都被視作一個節(jié)點。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，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，對數(shù)據(jù)進行收集和分析，以得出各節(jié)點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。

一是自動噴水滅火系統(tǒng)數(shù)據(jù)多源異構(gòu)、數(shù)據(jù)分析場景復(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現(xiàn)，需要不同領(lǐng)域的專家圍繞具體應(yīng)用各場景，開發(fā)出大量預(yù)測、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)用于自動噴水滅火系統(tǒng)的經(jīng)典可靠性方法可以用于表達系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能及邏輯關(guān)系，但面對存在大量部件單元、變量、復(fù)雜邏輯關(guān)系的系統(tǒng)時，這些方法需結(jié)合具體問題對系統(tǒng)進行大幅簡化，同時，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)的可靠性評價和基于可靠性的決策支持提供模型基礎(chǔ)。

三是在自動噴水滅火系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與傳輸、數(shù)據(jù)存取、計算架構(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)標準，提高數(shù)據(jù)質(zhì)量。

參考文獻：

[1]NFPA.US Experience with Sprinklers[M].2021.

[2]Bukowski R W，Budnick E K，Schemel CF.Estimates of the operational

reliability of fire protection systems[J].ResearchGate，1999（1）：

111-124.

[3]Warrington Fire Research Consultants.Eustons station fire safety case study[R].Report for British Rail.

[4]Daniel Malm，Ann-Ida Pettersson Reliabilitity of automatic sprinkler systems[D].Sweden：Lund University，2008.

[5]MOINUDDIN K，THOMAS I，CHEA S.Estimating the reliability of sprinkler systems in Australian high － rise office buildings[J].Fire Safety Science，2009，9（4）：515－526．

[6]Khan Shahid （RWTH Aachen University， Germany）.Modelling

and Analysis of Fire Sprinklers by Verifying Dynamic Fault

Trees[C]//10th Latin-American Symposium on Dependable

Computing，LADC 2021.

[7]范海英.高層公共建筑消防水系統(tǒng)可靠性應(yīng)用研究[D].重慶：重慶大學(xué).2006.

[8]張勇明.自動噴水滅火系統(tǒng)可靠性應(yīng)用研究[D].衡陽：南華大學(xué).2008.

[9]孟川.地下建筑消防給水系統(tǒng)可靠性研究[D].西安：西安建筑科技大學(xué)，2007.

[10]陳長飛，白國強.貝葉斯網(wǎng)絡(luò)在消防系統(tǒng)可靠性分析中的應(yīng)用[J].中國安全科學(xué)學(xué)報，2018，28（6）：97-102.

[11]于博文，王益祥.基于GO法的自動噴水滅火系統(tǒng)的可靠性分析[J].機械制造與自動化，2018，47（1）：197-199+217.

[12]李廣華，楊振凱.自動噴水滅火系統(tǒng)技術(shù)改進措施探討[J].消防界（電子版），2020，6（13）：91+93.

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