高层建筑电气火灾智能预警系统的设计与可靠性分析

引言

近年来，城市化进程加速推动高层建筑建设规模不断扩大，城市天际线持续刷新。然而，电气系统的复杂性与用电负荷的不断攀升，使得高层建筑电气火灾事故呈高发态势。电气线路老化、设备使用不当等因素引发的火灾，不仅造成巨大的经济损失，更严重威胁居民生命安全。传统的感烟、感温探测器依赖单一参数监测，难以在电气火灾萌芽阶段及时预警，且缺乏对电气系统运行状态的实时分析，无法满足高层建筑电气安全管理的高要求，亟需研发智能化、高可靠性的预警系统。

一、高层建筑电气火灾成因与特点分析

1.1 电气火灾主要成因

高层建筑引发电气火灾的大多是累积的结果。电气线路短路故障是最主要的因素之一。电气绝缘层因为时间过久而产生老化、被水湿润和机械损伤等问题导致损坏时，火线和零线直接接通，这个时侯产生的大电流瞬间温度很高，导致线路本身迅速变热，引起电气火灾，容易引燃周围的可燃物。在一些高层建筑的建成时间久远，电线长期超载运行导致线路绝缘层老化，线路短路的几率大。还有接触不良，导线接头处、开关触点处连接时，由于接头处接触不紧或接触不良，造成接触电阻大。在电流流过时产生热量。

1.2 高层建筑火灾特点

高大空间的自然状态与功能特性，决定了高大空间场所的火灾具有明显的特点。迅速蔓延的火灾就是最具有代表性的一项。疏散困难是高大空间场所的另一大火灾难点。高大空间人员聚集，楼层数多，疏散通道少，火灾时，浓烟蔓延并迅速充满整个建筑场所，降低了建筑场所的能见度，人员逃生困难。火灾扑救难度大的进一步加大了高大空间场所的火灾危害性。

1.3 传统预警系统的不足

对于传统的电气火灾报警系统，使用的就是感烟探测、感温探测等原理进行报警火灾。这种方式只是在检测环境中的烟雾浓度变化以及环境温度的上升情况，这种传统的方法只能够进行单一的参数检测，而对于电气系统的运行参数变化无法进行分析，而电气火灾报警的关键还是电流、电压、电弧等多种因素的变化，这种方式通过单一的烟雾或者温度而判断火灾显然不可能，而系统也不具备联动以及信息共享，不能综合火灾进行综合分析和报警，也就不能满足高层建筑电气火灾安全管理。

二、高层建筑电气火灾智能预警系统设计

2.1 系统总体架构设计

高层建筑电气火灾智能预警系统主要分 4 个层级，分别是数据采集、传输、处理和应用。其中，在数据采集层级部署传感器等，数据采集层级主要完成对电气线路的电流、电压、温度、电弧等信号的实时采集，以无线或者有线通信技术将采集结果传递给数据处理层，数据处理层级，主要是采用先进数据处理算法和模型对数据采集的结果进行数据处理和分析，实现对电气火灾隐患识别，数据应用层作为可视化接口，主要是向用户输出实时的监测数据、预警信息以及用户对系统的设置和管理操作。

2.2 硬件系统设计

硬件系统设计中需要综合考虑传感器的选型和位置。采用性能优良、可靠性高的电流传感器、电压传感器、温度传感器和电弧传感器，保证电气参数信号的灵敏、稳定。采用高性能微控制器和模数转换芯片的数据采集模块，设计防干扰电路，保证数据采集精度和稳定性。模块内具备数据预处理功能，将采集的数据进行滤波、降噪等处理，过滤无用的数据传输。通信模块根据实际应用选定相应通信方式，选择有线方式通信时，对于距离比较近的区域，采用以太网进行通信。

2.3 软件系统设计

在软件层面，其设计核心是数据计算算法和预警模型的设计。引入机器学习算法，例如支持向量机、随机森林等对多源的数据进行融合计算和挖掘分析，发现数据之间的关联性，以提升对火灾隐患的判别准确度。建立由阈值分析、趋势预测组成的分级预警模型。依据火灾隐患影响的程度，预警级别分为一般预警、严重预警和紧急预警。当监测数据超过阈值或变化趋势为非正常数据时，由系统自主发出相应级别的预警，并通过手机短信 ⋅E-mail 通知相关人员。设计人机交互友好界面，支持实时数据的显示、历史数据查看、报警记录管理等功能，为用户对系统操作和管理提供便利。

三、智能预警系统可靠性分析方法

3.1 可靠性指标体系构建

根据平均无故障时间（MeanTimeBetweenFailures，简称 MTBF）、可靠度、故障率、修复时间等指标建立智能预警系统可靠性评价指标体系，其中平均无故障时间（MTBF）用来衡量系统处于正常工作的状态下的时长；可靠度即是在规定的时间与条件下系统的设备能够完成其规定功能的概率；故障率即系统单位时间内出现故障的概率；而修复时间则反映系统在出现故障后修复运行需要的时间。

3.2 可靠性评估模型

利用 FTA 由系统的故障症状开始分析导致故障产生的直接和间接因素，形成故障树，对故障树定性与定量分析，获得该系统中薄弱的环节，评价系统中各个部件的故障对系统可靠度的影响情况。利用贝叶斯网络法对系统各不确定性因素进行处理。贝叶斯网络根据系统先验知识和实时的检测数据，实时更新系统各部件的故障概率，达到对系统进行动态的可靠性分析的目的。利用蒙特卡洛模拟法对系统不同工况下运行过程随机抽取样本进行模拟，计算统计其故障次数及运行时间，预测该系统一段时间内的可靠性情况。

3.3 可靠性提升策略

为了提高预警系统的稳定性，做好系统硬件冗余设计，对系统主要传感器、通信设备等部件做好冗余配置，主设备出现故障后备用设备可以自动投入，维持系统运行。在软件设计上做好系统软件的容错设计，通过错误检测与错误恢复技术增强软件抗干扰性与稳定性。制订完善的系统维护与保养计划，定期对系统传感器进行校准、对系统通信线进行查看、对系统软件进行升级，及时发现问题并处理问题。做好系统故障应急响应设计，系统故障时能快速查找故障原因，及时做好故障处理，降低系统停机时间，使智能预警系统稳定可靠运行。

结语

高层建筑电气火灾的严峻形势对预警技术提出了更高要求。本文通过深入分析电气火灾成因与特点，针对性地设计了智能预警系统，并对其可靠性进行了全面研究。从系统架构设计到硬件、软件实现，再到可靠性指标体系构建和评估方法应用，提出了一系列解决方案。该研究成果为高层建筑电气安全管理提供了新的思路和技术手段，有助于降低电气火灾风险，保障人民生命财产安全。未来，随着技术的不断发展，智能预警系统还可进一步与物联网、人工智能等技术深度融合，提升预警的准确性和智能化水平。

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