JPH02271879A - 火災判断装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、火災シミュレーションの数学モデルを導入し
て発熱量、発煙量、発生ガス量等の火災源情報を計算し
て火災を判断するようにした火災判断装置に関する。

［従来技術］ 従来の火災判断にあっては、センサにより検出された火
災に伴う二次的な温度、煙濃度、ＣＯガス濃度の時間的
な変化から火災を判断することを基本としている。最も
単純な方式としてセンサ検出値が設定閾値を越えた時に
火災と判断する。またセンサ検出値を微分して渇だ時間
変化率が所定値を越えた時に火災と判断する。更に現在
時点までのセンサ検出値の変化から一次関数近似又は二
次関数近似により将来の変化を予測して火災を判断する
方式も提案されている。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、このような従来の火災判断は、火災によ
り二次的に生成される熱（温度）、煙、ガス等をセンサ
で捕えて火災を判断することを基本としている。しかし
火災の発生過程は多様であり、火災の拡大過程において
も燃焼物質と周囲環境条件などが複雑にかかわり合うの
で、二次的に生成される熱（温度）、煙、ガス等の性状
もまた多様に変化し、このような多様性をもつセンサ情
報から火災を正確且つ迅速に判定するには多くの困難が
伴い、本願発明者にあっても鋭意研究開発を押し進め、
より理想に近ずく努力を続けている。

本発明は、このような状況に鑑みてなされたもので、火
災により二次的に生成される熱、煙濃度、ＣＯガス濃度
等のセンサ情報から発熱量、発煙量、ガス発生量等の火
災発生源そのものの情報（−次的火災原情報）を火災シ
ミュレーションの数学モデルを導入して算出することで
火災を判断する全く新規な火災判断装置を提供すること
を目的とする。

［課題を解決するための手段］ この目的を達成するため本発明にあっては、火災監視区
画に設置された温度、煙濃度、ＣＯガス濃度等の火災に
伴う物理的現象を検出するセンサと：該センサの検出情
報に基づいて火災源の発熱量、発煙量、発生ガス量等の
一次的な火災原情報を算出する火災源情報計算部と；該
火災源情報計算部で算出された火災原情報の変化量から
火災を判断する火災判断部と；を設けるようにしたもの
である。

［作用］ このような構成を備えた本発明の火災判断装置にあって
は、室内で生じた火災の性状を解析する火災シミュレー
ションの数学モデルの逆演算によリセンサで検出した温
度、煙濃度、ＣＯガス濃度から火災発生源そのものの発
熱量、発煙量、ガス発生量を算出し、これら火災発生源
の一次的情報の変化量から火災を判断することができる
。

このような火災源の一次的情報、即ち、発熱量、発煙量
、ガス発生量は燃焼物質、周囲環境条件に影響されるこ
となく本来は一義的に決まるものであり、火災原情報の
算出精度を向上することで火災判断の信頼性を大幅に向
上することができる。

［実施例］ 第１図は本発明の一実施例を示した実施例構成図である
。

第１図において、１０は湯度センサ、１２は煙濃度セン
サ、１４はＣＯガス濃度センサであり、各センサは火災
監視区画の天井面に設置され、温度θ、煙濃度Ｃｓ及び
ＣＯガス濃度Ｇをアナログ的に検出して検出信号を出力
する。温度センサ１０、煙濃度センサ１２及びＣＯガス
濃度センサ１４の検出出力はサンプリング回路部１６に
信号線接続され、サンプリング回路部１６で所定周期毎
にサンプリングされた後、ＡＤコンバータによりデジタ
ル信号に変換されて出力される。

この実施例において１つの火災監視区画には、温度セン
サ１０、煙濃度センサ１２及びＣＯガス濃度センサ１４
を１つずつ設置しているが、必要に応じて同一種類のセ
ンサを複数設置するようにしても良い。また、各センサ
とサンプリング回路部１６との間の信号伝送方式はアナ
ログ信号をそのまま送る直結方式以外に、サンプリング
回路部１６側からセンサ側をポーリングして検出信号を
送出させるポーリング方式等、速算の信号伝送方式を適
用することができる。

サンプリング回路部１６に続いては火災源情報計算部１
８が設けられる。火災源情報計算部１８には火災シミュ
レーションの計算モデルが予め設定されており、この計
算モデルの逆演算の実行により温度θ、煙濃度Ｃｓ及び
ＣＯガス濃度Ｇから火災源の発熱量、発煙量及びガス発
生量を計算する。

火災源情報計算部１８に対しては、火災シミュレーショ
ンの計算モデルを実行するための各種の初期値が初期値
設定部２０から与えられており、センサ設置場所となる
火災警戒区画の条件に従った初期値設定を受けてセンサ
検出情報から−次的な火災原情報を計算するようになる
。

火災源情報計算部１８で計算された火災原情報、即ち発
熱量、発煙量及びガス発生量は火災判断部２２に与えら
れ、火災判断部２２にあっては、各火災原情報の変化量
が予め設定した起動レベルを越えたときに火災と判断す
るか或いは起動レベル以上となったときにそれまでに得
られた火災原情報を使用して一次関数又は二次関数に従
った火災予測演算等を行なって火災を判断する。火災判
断部２２で火災原情報に基づく火災判断結果が得られる
と警報表示部２４に対し火災判断出力が与えられ、火災
警報表示が行なわれる。

次に、第１図の火災源情報計算部１８で行なわれる火災
原情報の演算原理を詳細に説明する。

現在、室内で生じた火災の性状を解析する数学的モデル
は大別してフィールドモデルとゾーンモデルに分類でき
る。これらの数学的モデルは火源の発熱量或いは発煙量
から室内の温度或いは煙濃度の流動を微分方程式の解か
ら求めるものである。

ここで、フィールドモデルはあらゆる出入口、扉、窓が
閉じられている１つの室内閉空間を基準とし、室内を数
１０ｃｍ単位以下で数百以上に分割し、各分割空間毎に
質量保存の方程式、運動量保存の方程式、エネルギー保
存の方程式、状態方程式、及び境界条件を適用して室内
の温度或いは煙濃度の流動を求めるものである。このフ
ィールドモデルの特徴としては細分化した室内の濃度に
ついて詳細な計算を行なうため、温度分布や煙濃度分布
等の火災時の現象を正確に把握することができる。しか
し、フィールドモデルにあっては、数百の分割空間の各
々に対して計算を行なうため演算時間が膨大となり、実
時間処理という面から問題があり、また演算パラメータ
の値を容易に変更できない不便さもある。

これに対しゾーンモデルの基本は１つの室内閉空間を基
準とし、室内閉空間を上下方向に数層、即ち２層以上に
分割して考えるものである。シンモデルの特徴は上層部
の平均温度、或いは平均の煙濃度を求めるもので、単純
なモデルであるため計算時間が少なくてすみ、パーソナ
ルコンピュタ等で実時間処理が可能である。また、部屋
の大きさ（天井面積と天井高さ）、周囲温度、熱損失率
或いは単位時間当りの発熱量等の要素が自由に設定変更
可能であり、また変換も容易であること及び境界層まで
の高さが求まること、室内の危険な層の大まかな状況が
把握できるなどの利点がある。しかし、ゾーンモデルは
、演算に差分法を用いていること、及び演算時間の向上
のために演算を使用する項数を打ち切っていることなど
により精度は余り良いとは言えない。

従って、本発明の火災源情報計算部１８にあっては、詳
細且つ正確な演算を必要とする場合にはフィールドモデ
ルを使用し、実時間処理を必要とする場合にはゾーンモ
デルを使用すれば良い。

以下の実施例の説明にあっては、火災検出時に得られる
情報が室内に設置したセンサ出力からのみであることな
どの理由により初期火災を判断するためには多少精度は
悪くても実時間対応が可能なゾーンモデルを採用するも
のとする。

ゾーンモデルは、種々の方法で実用化を図っているが、
まだ確立した理論とはなっていない。そこで本発明にあ
っては、Ｌ、Ｙ、　　Ｃｏｏｐｃ「氏によって解析され
、その理論を基にＷ、　　Ｄ、　Ｗａｌｔｏｎ氏が開発
した数学モデルのプログラムの１っである２層モデルの
Ａ　Ｓ　Ｅ　Ｔ　（Ａ　ｖａｉｌａｂｌｅ　　Ｓ　ａｌ
ｅＥ　Ｂｅｔｓ　Ｔ　ｉｍｅ、）−Ｂを適用し、センサ
検出データを基に逆演算を行なうことにより発熱量の変
化、発煙量の変化、更にはガス発生量の変化を算出し、
これらの算出結果を基に火災を判断する。

第２図は本発明の火災源情報計算部１８で算出される火
災シミュレーション計算モデルとしてのゾーンモデルの
概要を示す。

第２図のゾーンモデルは２層ゾーンモデルであり、上層
部２８の平均温度θｈ、或いは平均煙濃度Ｃａ１ｌを求
める単純なモデルであるため次のような条件を設定して
いる。

室内において、床面からの僅かな漏れを除いてはあらゆ
る出入口、扉、窓が閉じられており、室内の圧力は一定
であるものとし、圧力の増加は床面からの洩れによって
ないものと仮定している。

火災は床面上に設定した火点において起こるものとし、
火点から生成された熱や暖かい煙は、浮力によって上昇
し、天井面に達する。このとき形成されるプルーム２６
は、周囲の冷たい空気を巻き込みながら上昇する。天井
に到達した熱気流は拡散し、壁面に到達し、暖かい層即
ち上層部２８を形成する。そして、下層部３０の空気の
層との間に境界３２を作る。火災の進展に伴う上層部２
８との境界３２は時間と共に徐々に床面へと下降する。

このような２層ゾーンモデルにあっては暖かい上層部２
８、周囲温度となる下層部３０内の温度、更には煙濃度
はそれぞれの層内で均一であり、層の間の熱交換等はプ
ルーム２６を通して行なうものであると仮定している。

シミュレーションは予め分かっている燃焼材料の単位時
間当りの発熱量から、上層部２８の温度θｈや境界３２
までの高さＺを求める。

即ち、火点から上層部２８の境界３２までの高さＺと、
上層部２８の平均温度θｈ及び煙濃度Ｃｓｈは次に示す
微分方程式を解くことにより与えられる。尚、微分方程
式と同時に初期値設定部２０により設定される初期条件
を合わせて示す。更に、ＣＯガスのガス濃度Ｇｈについ
ては、煙濃度Ｃｓｈと同様の関係式を適用する。

初期条件（を−〇） Δ０ｆ−ｄ△Ｏｏ／ｄ　ｔ　、ΔＣ５ｒ−ｄ△Ｃｓｏ／
ｄｔ（ｔ−０）ΔＱ：単位時間当りの発熱量、　△Ｃ３
：単位時間当りの発浬量ΔＱＯ：初期の発熱量、　ΔＣ
ＳＯ：初期の発懲ｉ　Ｓ天井面積、Ｈ１天井高さ、　Ｆ
：火点の高さ、　ＣＰ：比熱、　ＬＲ１熱輻射率、ＬＣ
：熱損失率、　θ０：周囲温度、　９：重力加速度、　
ρ：空気の密度このような２層ゾーンモデルにあっては
、温度変化或いは煙濃度の変化は単位時間当りの発熱量
の変化或いは単位時間当りの煙の発生量の変化として捕
えており、境界３２の高さについては、単位時間当りの
発熱量の変化を単位面積当りの変化として捕えるもので
ある。更に前記微分方程式の解法には改良型オイラーの
方法によって演算を行なうことができる。

そして、本発明にあっては、温度センサ１０．の検出温
度θ、及び煙濃度センサ１２の煙濃度Ｃｓをそれぞれ２
層モデルにおける上層部２８の平均温度θｈ及び平均煙
濃度Ｃｘｈとして取扱い、発熱量の変化及び発煙量の変
化を算出するようになる。

次に、第３図のフローチャートを参照して第１図の実施
例の処理動作を説明する。

第３図において、装置を起動するとまずステップＳ１で
初期値設定部２０により火災源情報計算部１８に対し、
初期値設定が行なわれる。この初期値の設定は、前記２
層ゾーンモデルの微分方程式の初期条件の但し書きに示
したＣＩ、　　Ｃ２，ΔＱｆ、ΔＣｓｆ、単位時間当り
の発熱量ΔＱ１単位時間当りの発煙量ΔＣｓを除く他の
値のすべてとなる。

ステップＳ１で初期値の設定が済むとステップＳ２に進
み、サンプリング回路部１６において温度センサ１０か
らの温度θ、煙濃度センサ１２からの煙濃度Ｃ８及びＣ
Ｏガス濃度センサ１４からのガス濃度Ｇのデータサンプ
リングが行なわれる。

次にステップ８３〜Ｓ６の処理により、まず発熱量の変
化ΔＱを求める。即ち、ステップＳ３でΔＧの初期設定
を行なってＡＳＥＴ−Ｂの演算によりステップＳ４で平
均温度θｈ及び煙の層の高さｚｈを算出する。続いて、
ステップＳ５でＡＳＥＴ−Ｂで算出された平均温度θｈ
と温度センサ１０で検出された検出温度θとの差の絶対
値が所定値以下、例えば０．００１以下になるまでステ
ップＳ３に戻って発熱量ΔＱを徐々に増加し、ステップ
Ｓ５の条件が満足された時点でのΔＧを発熱量の変化と
して、ステップＳ６で決定する。

次に、ステップＳ７に進んで発煙量ΔＣｓ及びガス濃度
ΔＧの設定を行ない、この時点ですでに求まった温度θ
ｈを使用し、ステップＳ８でＡＳＥＴ−Ｂの演算により
煙濃度Ｃｓｈ及びガス濃度Ｇｈを算出する。続いて、ス
テップＳ９でＣｓとＣｓｈとの差の絶対値及びＧとＧｈ
の差の絶対値が各々の所定値、例えば０゜００１以下に
なるまで、ΔＧ及びΔＣｓをステップＳ７に戻って徐々
に増加し、ステップＳ９の条件が満足された時点でのΔ
Ｃｓを発煙量の変化として求め、またΔＧを発生ガス量
の変化として求める（ステップ１０）。

続いてステップＳｌｌに進み、ステップＳ６で求めた発
熱量の変化ΔＱ及びステップＳＩＯで求めた発煙量の変
化ΔＣｓ及び発生ガス量の変化ΔＧに対し、予め設定し
た火災判断の演算起動レベル以上か否かを判定する。ス
テップＳｌｌで演算起動レベル以上であればステップ８
１２に進みそれまでに得られた発熱量６０１発煙量ΔＣ
ｓ、及び発生ガス量ΔＧを使用して予測演算を行なう。

予測演算としては例えばニュートンの後退補間公式を使
用して火災を判定するようになる。ステップＳ１２にお
ける火災判定のための演算としては、予測演算以外に起
動レベル以上となったときの現在時点から所定サンプリ
ングポイント前までの一次差分及び又は二次差分の変化
を求めるようにしても良い。

第４図は天井面積２８．８１ｍ２、天井面高さ２．５ｍ
の部屋の中央で椅子（材料：布、ウレタンホーム、木材
等）を燃焼させたときの火災実験に対する本発明の火災
源情報計算部１８による発熱量６０１発煙量ΔＣｓ、及
びガス発生量ΔＧの時間変化を温度θ、上層部境界高さ
Ｌ１煙濃度Ｃ８１及びガス濃度Ｇと共に示したグラフで
ある。

また第５図は厨房の調理の例として、第４図の場合と同
じ部屋で魚９匹を順次焼いた非火災実験に本発明を適用
したときのグラフである。

火災である第４図と非火災である第５図の結果を対比し
て明らかなように、火災時にあっては第４図（ａ）に示
す発熱量ΔＱの変化は火災の進展に伴って温度θが急激
に立ち上がった時点で大きなピークを示している。これ
に対して第５図（ａ）の非火災時の発熱量ΔＱにあって
は、火災時のようなピークは全く見られない。従って、
第４図（ａ）の温度θと発熱量ΔＱが共に直線的に立ち
上がる相関関係を持って火災と判断することができる。

更に第４図の火災時にあっては、同図（ａ）に示す発熱
量ΔＱに対し、同図（ｂ）に示す発煙量ΔＣｓ及び同図
（Ｃ）に示すガス発生量ΔＧとの間において変化量がピ
ーク的に上昇する相関関係を持ち、このような発熱量６
０１発煙量ΔＣｓ及びガス発生量ΔＧの３種の相関を見
ることで、より正確な火災判断ができる。

これに対し第５図に示した非火災時にあっては、発熱量
ΔＱに対し発煙量ΔＣｓとガス発生量ΔＧが相関関係が
無く、これによって非火災であることを確実に判定でき
る。また、非火災時の発煙量ΔＣｓ及びガス発生量ΔＧ
にあっては、第４図の火災時と変化パターンは相似する
が、変化量そのものが小さいことで非火災と火災を区別
することが可能である。

第６図は本発明において、部屋の大きさを変えた場合の
温度θに対する発熱量ΔＱの時間変化を示した実験結果
であり、部屋の大きさが異なるにもかかわらず、算出さ
れた発熱量ΔＱの変化はよく一致しており、本発明によ
れば、部屋の大きさによらず、同一火災であれば同じ発
熱量ΔＱの変化が得られることが確認された。この点は
発煙量ΔＣｓ及びガス発生量ΔＧについても同様である
。

次に、第１図に示した火災判断部２２の具体的実施例を
説明する。

この火災判断部２２の実施例にあっては、火災源情報計
算部１８から得られた発熱量６０１発煙量ΔＣｓ、及び
ガス発生量ΔＧの内の２つ量を用いた相関演算により火
災を判断することを特徴とする。

まず相関係数Ｒが次式で定義される。

Ｒ＝Ｓｘ７／Ｆ−一薯ゴ　　　　　　　　　（１）ここ
でＳＩＬ　　Ｓｒ、Ｓｒのそれぞれは次式で表わ但し、
Ｘ、Ｙ：ΔＱ、ΔＣｓ、　ΔＧの何れかの値Ｘ、Ｙ：平
均値 ｎ＝ｍ２−ｍｌ 次に（１）式で算出される相関係数Ｒに、相関計算に使
用した２つの量で決まる合成ベクトルの絶対値ＩＤ＋を
乗じて重み付けを行ない、重み付けされた相関係数Ｒｏ
を求める。

即ち、重み付けに使用する合成ベクトルの絶対値りは、
次式で求められる。

ＤＩ＝ｌＵｉ＋Ｖｊｌ　　　　　　　　　（３）但し、
Ｕ、Ｖ；ΔＱ１ΔＣｓ、ΔＧの何れか２つを選び、各々
に対してそれぞ れ独立にスケール変換した値 ｉ、ｊ＋各次元の単位ベクトル 従って、重み付けされた相関係数Ｒ９は、相関係数Ｒ及
び合成ベクトルＤが時間によって変化するので、時間の
関数として次式で表わされる。

Ｒ，（ｔ）　＝Ｒ（ｔ）　Ｘ　Ｉ　Ｄ　（ｔ）　　ｌ　
　　　（４）このため、ある時点で算出された相関値Ｒ
は、その時の２つの検出量Ｕ、　　Ｖの合成ベクトルの
絶対値ＩＤＩに依存して重み付けされ、Ｕ、　Ｖが大き
い程　、より大きくなるように相関値が重み付けされた
相関値Ｒ８が求められる。

第７図（ａ）は第４図（ａ）（ｂ）に示した火災時の発
熱量ΔＱと発煙量ΔＣｓを使用して前記（１）〜（４）
式により求めた重み付は相関値ＲＤの時間変化を示し、
相関値Ｒ８は大きなピーク変化を示しており、閾値Ｒ５
を越えた時に火災と判断することができる。

また第７図（ｂ）は同図（ａ）に示した相関値ＲＤを微
分したデータであり、この微分データからも火災と判断
できる顕著な変化がでている。

第８図（ａ）は第５図（ａ）（ｂ）に示した非火災時の
発熱量ΔＱと発煙量ΔＣｓについて前記（１）〜（４）
式に従って求めた相関係数Ｒ９を示したもので、この場
合の相関係数Ｒ８は閾値ＲＬより低い値となっており、
非火災であることが判断できる。尚、第８図（ｂ）は同
図（ａ）の微分した値を示している。

尚、上記の実施例にあっては、−次的な火災源情報とし
て発熱量６０１発煙量ΔＣｓ及びＣＯガス発生量ΔＧを
算出しているが、これ以外の一次的な火災原情報として
火災の炎によりイオンが発生することから、火災監視区
画にイオンセンサを設置し、イオンセンサの検出情報か
ら同様にして火災源からのイオン発生量を一次源火災情
報として算出して火災判断を行なうようにしても良い。

［発明の効果］ 以上説明してきたように本発明によれば、室内で生じた
火災の性状を解析する火災シミュレーションの数学モデ
ルの逆演算によりセンサで検出した温度、煙濃度、ＣＯ
ガス濃度等の火災に伴う二次的な現象から火災発生源そ
のものの発熱量、発煙量、ガス発生量を算出し、これら
火災発生源の一次的情報の変化量から火災を判断するこ
とができるため、燃焼物質、周囲環境条件に影響される
ことなく、非火災を火災と判断してしまう誤判断を最小
限に抑え、火災判断の信頼性を大幅に向上することが期
待できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例構成図； 第２図は本発明で用いる２層ゾーンモデルの説明図； 第３図は本発明の動作処理を示したフローチャート； 第４図は火災実験時の本発明による火災原情報の時間変
化の結果を示した説明図； 第５図は非火災実験時の本発明による火災原情報の時間
変化を示した説明図； 第６図は部屋の大きさを変えた時の本発明による発熱量
の時間変化を示した説明図である。 第７図は第４図の火災実験で得られた発熱量と発煙量か
ら求められた相関係数及びその微分値の時間変化を示し
た説明図； 第８図は第５図の非火災実験で得られた発熱量と発煙量
から求められた相関係数及びその微分値の時間変化を示
した説明図である。 １０　： １２　＝ １４　＝ １６　＝ １８　： ２０　： ２４　： 温度センサ 煙濃度センサ ＣＯガス濃度センサ サンプリング回路部 火災源情報計算部 初期値設定部 火災判定部 警報表示部

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、火災監視区画に設置されて温度、煙濃度、ＣＯガス
   濃度等の火災に伴う物理的現象を検出するセンサと； 該センサの検出情報に基づいて火災源の発熱量、発煙量
   、発生ガス量等の一次的な火災源情報を算出する火災源
   情報計算部と； 該火災源情報計算部で算出された火災源情報の変化量か
   ら火災を判断する火災判断部と； を備えたことを特徴とする火災判断装置。