供稿/消防科普教育中心 吳佩英
工業 4.0 的概念將通過使用智能技術和數字化轉型為各個行業帶來重大變化。 這一理念在建筑領域的體現（稱為建筑 4.0）重新塑造了建筑環境資產的設計、施工和運營方式。智能和數字技術的整合，包括人工智能（AI）技術和物聯網（IoT），可以提高效率、改善安全性并降低成本。1 AI 使計算機和機器能夠模仿人類智能來解決問題和完成任務。 物聯網（IoT）是一個物理設備網絡，這些‘物理設備’嵌入了傳感器、軟件和其他智能技術，以便通過互聯網相互交換數據。例如，AI 可以用于建筑中的預測分析、項目規劃和風險管理。AI 可以分析大量數據，以識別模式和趨勢，幫助預測潛在問題并減輕風險。 另一方面，IoT 可以用于實時監控設備和結構。IoT 設備的傳感器可以收集從溫度和濕度到振動和應力的所有數據，從而實現主動維護和提高安全性。 盡管這些技術在建筑行業的采用仍處于早期階段，但它們的潛力巨大。
人工智能和物聯網在火災安全中的應用正在全球范圍內受到廣泛關注。2 這些技術有潛力增強火災預防、檢測和響應。 人工智能可以用來分析來自各種來源的數據，包括物聯網設備，以預測潛在的火災風險并建議預防措施。 例如，人工智能算法可以分析來自煙霧探測器、溫度傳感器和其他物聯網設備的數據模式，以預測火災最可能發生的地點和時間。這種預測能力可以使采取主動措施在火災發生之前進行預防。物聯網設備如智能煙霧探測器、熱傳感器和火警報警器也可以互聯并遠程監控；在發生火災時，這些設備可以立即向相關部門發送警報，確保快速響應。. 此外，人工智能和物聯網可以協同工作，以增強火災響應策略。 例如，來自物聯網的數據可以用于通知人工智能驅動的模擬計算機模型，這可以幫助規劃有效的疏散路線和策略。 在這次簡要的技術探索中，我們深入探討了人工智能和物聯網在增強建筑火災安全方面的變革力量，特別關注煙霧探測器的歷史及其演變為現代配備人工智能和物聯網的智能探測器。
智能設備逐漸融入我們的生活環境，導致了各種工具和小工具的發展，旨在使我們的生活更輕松、更舒適和更安全。這些設備還通過利用優化的新電子產品、材料和設計，具有更好的性能和更少的能源浪費，從而為環境保護做出貢獻，例如使用智能調光器、發明者、nano 級低功耗電子設備和傳感器。 不久，我們的家將配備各種智能系統和產品。 盡管智能家居提供了眾多好處，但考慮其安全性方面，包括火災安全，是至關重要的。 根據國家消防協會（NFPA）的數據，2014 年至 2018 年間，近五分之三的家庭火災死亡事件發生在沒有正常工作的煙霧報警器的建筑中。3 NFPA 的文章強調了從傳統探測器到先進系統的演變。 智能火災和煙霧探測器在檢測、分析和響應火災事件方面提供了前所未有的能力。這增強了建筑物及其居住者的火災安全性，以及建筑物的運營效率。4 該文章還強調了 AI 和 IoT 在這些新設備中的關鍵作用，并比較了它們的性能、可用的法規和技術。 采用這些技術不僅僅是便利的問題，而是拯救生命的必要性。
煙霧探測器的演變
煙霧探測器的演變是技術進步的引人注目的敘述。5,6 從 20 世紀初的熱敏報警器到現代復雜的互聯設備，每一代煙霧探測器在火災預防技術領域都提供了增強的火災安全性和可靠性。 在 19 世紀末，火災探測系統剛剛起步，提供基本的保護。 這些初始系統主要基于熱量，僅在商業環境中使用，主要是由于其笨重的體積和高昂的成本。 后來在 1930 年代，首個適用于家庭和企業的煙霧探測器被開發出來。 盡管有了這一進展，但其高昂的價格標簽使得普通家庭仍然無法負擔。 在 1960 年代，煙霧探測的格局經歷了重大變革，1951 年物理學家沃爾特·耶格發明了電離煙霧探測器。 電離煙霧探測器利用少量放射性材料來檢測空氣中的煙霧顆粒。這在火災安全方面引發了一場革命，因為煙霧探測器的靈敏度和可負擔性大大提高。 然而，它們對來自燃燒火焰的小煙霧顆粒敏感，當煙霧干擾電離空氣流時會被激活。 盡管它們能迅速探測到火災，但仍然容易產生誤報。 然而，火災安全的民主化在很大程度上歸功于杜安·D·皮爾索。這是因為他在 1965 年發明了一種經濟實惠的電池供電煙霧探測系統，稱為 SmokeGard 700。 這種光電探測器在檢測慢燃和霉變火災方面表現出色，這在住宅建筑中更為常見。 接下來的幾年見證了立法的激增，倡導在住宅建筑中安裝煙霧探測器。 這一政策轉變在拯救無數生命方面發揮了重要作用。 光電探測器通過感應煙霧散射光束到光傳感器上，出色地檢測較大的煙霧顆粒，從而減少誤報。此外，一些探測器結合了電離和光電傳感器，提供全面的檢測方法。 這一雙傳感器策略得到了 NFPA 和保險商實驗室（UL）的支持。 然而，這些探測器可能無法完全滿足當代安全標準的復雜要求。 根據《煙霧報警器市場》報告，全球煙霧探測器市場預計在 2023 年產生 19.569 億美元的收入。7 煙霧探測器的需求預計將以 7.1% 的復合年增長率（CAGR）增長，到 2033 年預計達到 38.857 億美元。 最近，NFPA 報告稱，從 1980 年到 2022 年，住宅火災減少了 50%，事故數量從 734,000 起下降到 363,000 起。8 此外，調整通貨膨脹后，2022 年的財產損失比 1980 年低 20%。 這一住宅火災的顯著減少在很大程度上可以歸因于煙霧探測器的廣泛安裝和維護。
現代煙霧探測器圖像
進入 21 世紀，煙霧探測技術已經擁抱了智能家居創新的快速發展。 根據 Virtue Market Research 的最新分析，2023 年全球智能煙霧探測器市場估計為 22.6 億美元。 預計到 2030 年將增長至 40.3 億美元，2024 年至 2030 年的年均增長率為 8.6%。9 當代煙霧探測器不僅支持 Wi-Fi 遠程監控，還可以與其他智能家居設備集成，形成一個全面的家庭安全生態系統。 這種集成代表了煙霧探測器演變的最新篇章，突顯了通過技術創新推進火災安全的堅定承諾。 這些檢測系統利用云計算、智能傳感器和 IoT 網關，精確識別建筑內火災的位置，提高緊急響應的效率和有效性。 這些系統提供關于火災的關鍵信息，例如火災的蔓延情況，可以通過強大的傳感器網絡實時監控。 此外，集成的 IoT 通過匯總和分析來自天氣和交通信息等各種其他來源的數據，增強了應急人員和第一響應者的態勢感知，以支持滅火工作。
現代智能傳感器技術顯著增強了火災檢測系統的能力。 這種增強不僅包括一般的煙霧檢測，還包括識別有害氣體，如一氧化碳 (CO) 和二氧化碳 (CO2)，從而提高室內安全標準。 最新一代智能探測器體現了這一創新，將煙霧和 CO 檢測與智能功能相結合，無論房主身在何處，隨時提供即時警報。 配備光電傳感器的智能煙霧探測器可以檢測過高的熱量以及煙霧，在您聞到煙霧之前就提醒您潛在的火災。 如前所述，基本煙霧報警器則使用電離傳感器，這可能需要更長時間來識別陰燃火災。 智能探測器具有新功能，包括在煙霧報警器觸發時隨時關閉您家中的 HVAC 系統，以防止快速燃燒的火焰蔓延，并且它們可以與家中其他現有智能系統互聯，例如智能電梯、智能門窗，以便在緊急情況下進行設置。
一旦通過有線或 Wi-Fi 技術連接到互聯網，智能探測器會通過發送手機警報來通知房主低電量或警報被觸發的情況。它使用人聲提供有關危險位置和類型的具體細節，在發出響亮警報之前提供禮貌的‘提醒’。 該設備進行自檢以確保功能正常，并使用先進傳感器檢測煙霧或一氧化碳，代表了一種更智能、更互聯的家庭安全方法。 此外，它與其他產品的兼容性允許在警報事件期間進行自動錄音，增強家庭安全、調查和監控。 煙霧探測器中的自我維護通知將導致更少的誤報觸發。 這種互聯程度展示了物聯網的潛力，以增強安全設備的能力，使其在緊急情況下更加主動和信息豐富。
最近的火災檢測研究利用了人工智能的力量，特別是通過計算機視覺和卷積神經網絡。10 這些進展旨在提高探測器的精確度和響應時間，標志著向更高效和硬件嵌入解決方案的轉變。 為了確保這些創新設備遵循最高的安全和性能標準，像 UL 217 這樣的標準是不可或缺的。11 它們建立了對警報靈敏度、抵抗誤報和在各種條件下的耐用性的重要標準，同時也保證了在家庭安全生態系統中的兼容性。 NFPA72，也稱為國家火災警報和信號規范，最近被推薦用于超過 1,000平方英尺的住宅空間。 這一要求確保較大的居住區域配備足夠的火災檢測和警報系統，為居住者提供增強的安全性。 UL 217 標準與 NFPA 所制定的規范和指南，11 共同代表了建筑物火災安全和預防的整體方法。
結論與未來方向
人工智能與物聯網在火災安全系統中的整合，例如智能煙霧探測器，標志著檢測和響應技術的重大進步。 當今尖端的智能煙霧探測器利用這些復雜的技術提供準確及時的警報。 像 UL 217 這樣的標準在確保這些設備滿足嚴格的安全要求方面至關重要。11 這一進展突顯了向主動火災管理策略的趨勢，為生命和財產提供了更好的保護。 為了增強建筑物的火災安全并減少潛在損害，進一步研究智能煙霧探測器與主動火災保護系統（如 SMART 噴淋系統）的整合將是至關重要的。 這種整合可能導致更高效和響應迅速的滅火解決方案，潛在地拯救生命和財產。12 結合物聯網 13,14 人工智能驅動的計算機視覺系統在智能煙霧探測器中的應用仍處于初級階段，但可以在研究原型或大型工業設置中看到。 缺乏足夠的視覺數據、嵌入煙霧探測器中的強大電子處理能力以及在住宅和商業建筑中使用視覺系統的法律隱私問題是開發基于視覺的煙霧探測器的主要障礙。 對智能煙霧探測器領域的快速觀察顯示，智能煙霧探測器功能的細節尚未明確定義，智能與傳統煙霧探測器之間的比較結果也尚不清楚。此外，針對智能煙霧探測器設計的標準仍然薄弱，新的更新和當前標準未涵蓋基于數字技術的問題，例如網絡相關問題。
參考文獻
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關于作者
M. 哈梅德 莫扎法里
火災安全，建筑研究中心，加拿大國家研究委員會，1200 蒙特利爾路，渥太華，安大略省，加拿大，K1A 0R6
羅基布 哈桑
M. 羅基布 哈桑，博士，助理研究官，火災安全，建筑研究中心，加拿大國家研究委員會。Rokib.Hassan@nrc-cnrc.gc.ca
尼洛法爾 胡希亞里普爾
火災安全，建筑研究中心，加拿大國家研究委員會，1200蒙特利爾路，渥太華，安大略省，加拿大，K1A 0R6
轉載自：應急管理部上海消防研究所
