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AVA技術特點二:相對刻度技術

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發表於 2014-6-8 00:18:32 |顯示全部樓層
AVA技術特點二:相對刻度技術
    保護區域內部的空氣品質總是一直在變化的,周邊工廠排放的廢氣、汽車的尾氣、風吹起的揚塵等因素都可能導致戶外的空氣品質發生變化,進而影響到室內的空氣。而室內生產線的機台的運轉、人員的活動、空調通風系統等等也會進一步惡化或改善空氣當中的空氣品質。而這些空氣當中不論是從戶外進入或在室內產生的各種懸浮顆粒則成為煙霧探測器平時所探測到的煙霧濃度背景值。
絕對刻度系統警報閥值的問題
    下圖是一個典型的煙霧背景值曲綫圖,背景值有時處於較高的之位置,有時則較低。對於絕對刻度系統而言,警報閥值是一個固定值,因此對一個警報閥值為0.058%/m的系統,當煙霧背景值為0.003%/m時,若有火災發生時其產生的煙霧濃度需達到0.055%/m才可以產生警報;而當煙霧背景值處於0.048%/m的位置時,則若發生火災時僅需產生0.01%/m的煙霧濃度就可以發出警報。因此對於一個絕對刻度的系統,由於煙霧背景值的波動,其對火災的探測能力實際上是一直在變動的。絕對刻度系統在空氣較乾淨的時候靈敏度較低,需要較大的煙霧才能發現火災;在空氣較差的時候靈敏度又太高,容易因為煙霧背景值的波動而產生誤報。

絕對刻度煙霧背景曲綫圖

絕對刻度煙霧背景曲綫圖
圖:絕對刻度煙霧背景曲綫圖
    在日常運行時,不論是季節性或偶然的因素,使得有持續一段時間空氣較差(煙霧背景值較高)的情況發生時,絕對刻度系統可能因為頻繁的誤報,導致用戶將警報閥值調低來解決誤報問題。只是,調整警報閥值卻也改變了系統初始設計時的探測性能。
    絕對刻度系統的警報閥值是固定值,但對火災的探測能力卻一直在變化
系統靈敏度
    EN54-20FIA Code ofPracticeNFPA 76GB15631等規範將空氣採樣式煙霧探測器的探測靈敏度分成ABC三大類,包括
類別A,非常高靈敏度(Very High Sensitivity):煙霧靈敏度優於0.8%/m
類別B,增強靈敏度(Enhanced Sensitivity):煙霧靈敏度介於0.82%/m之間
類別C,普通靈敏度(Normal Sensitivity):煙霧靈敏度劣於2%/m
此處的煙霧靈敏度指的是採樣孔的靈敏度,採樣孔靈敏度與探測主機的警報閥值設置及其連接採樣管路上的採樣孔數量有關。對於一個平衡的系統,簡單的採樣孔靈敏度估算方式是警報閥值x採樣孔數量。
舉例來說,對於一個主機閥值為0.05%/m,採樣孔數量為40個的系統來說,其取樣孔靈敏度為0.05%/m x 40 = 2%/m,系統性能屬於類別B增強靈敏度
此系統若要成為類別A的非常高靈敏度,則警報閥值需調整為0.02%/m或更高,這樣採樣孔靈敏度則成為0.02%/m x 40 = 0.8%/m
而此系統的警報閥值若調整為0.2%/m時,則採樣孔靈敏度則變成
0.2%/m x 40 = 8%/m,這時的系統靈敏度為普通靈敏度,此時的採樣孔靈敏度可能還不如一個傳統的點型(侷限型)煙霧探測器。
    因此,對於一套40個採樣孔的空氣採樣式煙霧探測系統,當警報閥值是設置為0.02%/m以下的類別A非常高靈敏度系統因為誤報問題而將警報閥值調整為0.020.05%/m之間時,則其探測性能就變成了類別B的增強靈敏度系統了。而若是因為誤報問題而將警報閥值調整為大於0.05%/m時,則此系統就已成為了一套類別C的普通靈敏度系統。
當人們因為誤報問題而“人為”調整警報閥值(調不靈敏)或許是短期間不得不然的做法,但與此同時,雖然誤報減少了,調整後的系統與原先設置空氣採樣式極早期火災預警系統所要求的探測性能極可能不一致(變差),而且很可能是永遠的不一致(變差),因為很少有人會在空氣變好、煙霧背景值變低了之後再“人為”的把警報閥值調回來的。
總而言之,絕對刻度系統存在下列幾個問題,
l   絕對刻度系統的警報閥值是固定值,但對火災的探測能力卻一直在變化
l   警報閥值的調整需要“人”的參與,不同的人做的設定可能不同,而且在不同的時間點進行設置,其設定值也可能不同
l   高靈敏度系統容易誤報,因誤報問題更改閥值之後很可能就改變了系統的探測性能而成為普通靈敏度系統
人工智慧系統警報閥值的問題
   為了解決上述絕對刻度系統的問題,有廠家提出了所謂的人工智慧警報閥值自動調整系統,這種人工智慧系統將過去8個小時的煙霧數據視為常態分佈曲綫,計算其平均值及標準差,其警報閥值為Fire Level = mean + n x SD。其中mean為平均值,SD為標準差(StandardDeviation)。根據統計學的理論,煙霧濃度到達警報閥值處的機率為固定值,因此其誤報率為固定值。

人工智慧警報閥值

人工智慧警報閥值
    不過這種方式有以下兩個問題
問題1:系統靈敏度無法固定
由於警報閥值為mean + n x SD,這裡面的n為設定值,但是標準差SD為歷史數據的統計計算結果,因此當環境很乾淨,煙霧濃度變化不大時,SD值就變小;而當環境較為骯髒,煙霧濃度變化較大時,SD就變大。這樣就導致n x SD的數值大小一直在變,也就是警報閥值大小是一直在邊化的,因此有時候系統靈敏度可能是高靈敏度,而有時候又變為普通靈敏度。這樣就無法達到EN54-20對於靈敏度類別的要求。
乾淨環境警報閥值.png
圖:乾淨環境時標準差很小,警報閥值很接近平均值,系統非常靈敏
骯髒環境警報閥值.png
圖:環境在骯髒的時候標準差很大,警報閥值遠離平均值,系統變得不靈敏度
問題2:誤報率可能不減反增
   同樣是標準差SD導致的問題,在保護環境當中的背景煙霧濃度的變化比較小的時候,標準差SD就會變小,此時警報閥值就會很接近平均值。若在這個時候不論是什麼因素使得煙霧背景值增加了,這時就很容易因為標準差SD來不及反應新的煙霧變化情況導致誤報(因為標準差SD是過去8小時數據的計算結果,其變化)。而導致煙霧濃度背景值增加的原因很可能只是半夜時室外經過的汽車尾氣進入保護區域,或是生產線停機半天之後再開機等類似情形。也就是說只要在環境在穩定了一段時間之後,由於在環境穩定的這段期間標準差會變小,這時候只要有任何使環境煙霧濃度增加的狀況出現時,就很容易導致誤報。
AVA相對刻度技術
    與之不同的,AVA使用相對刻度的技術來解決上述絕對刻度系統以及人工智慧系統帶來的這些問題
    AVA探測主機會持續蒐集煙霧背景值的變化,並計算過去一段時間的背景煙霧濃度的平均值,以此平均值作為煙霧濃度及警報閥值的基準點。當火災發生時,因物質燃燒使空氣當中增加的煙霧顆粒會使探測主機的探測到的煙霧濃度從背景平均值(基準點)的基礎上往上增加,當煙霧濃度從背景平均值“增加”的幅度超過警報閥值時,探測主機發佈火災警報。
    事實上,AVA探測主機的顯示的煙霧濃度及警報閥值是相對值,是“相對”於過於一段時間的煙霧背景平均值,因此我們稱之為相對刻度系統。
相對刻度煙霧背景曲綫圖.png
圖:相對刻度煙霧背景曲綫圖
從上圖可以看到,相對刻度系統警報閥值是相對於煙霧背景值,火災探測能力固定不變。
因此AVA相對刻度系統的警報閥值為相對刻度閥值,如下圖所示,當AVA系統的警報閥值為0.04%/m時,煙霧濃度需要增加0.04%/m才能使系統發出警報,火災探測能力是固定不變的。
相對煙霧濃度歷史曲綫圖.png
圖:相對煙霧濃度背景曲綫圖
降低誤報率
    AVA探測主機每天24小時、每年365天,終年不斷地蒐集煙霧背景的變化情形,根據過去一段時間的變化每15分鐘更新一次煙霧濃度背景平均值。因此當背景煙霧濃度發生變化時,AVA探測主機可以隨之調整,這樣就可以大幅度的減少因為環境空氣變差、背景煙霧濃度較高時產生的誤報機率。而當環境空氣變好、煙霧背景濃度較低時探測主機也可以自動隨之調整。AVA探測主機警報閥值永遠是基於煙霧背景值的固定大小,無時無刻自動保持相同、一致的探測性能,完全不需要“人為”操作。不會有絕對刻度系統因調整閥值而造成探測性能產生變化的情形,也不會因為需要人為操作使臨時參數變成永久參數,使得整套系統無法發揮其應有的最佳性能。
使調試變得非常簡單
    在以前空氣採樣式極早期煙霧探測系統的警報閥值一般必須依據保護現場實際的背景煙霧濃度變化曲綫來調整,若是警報閥值調的太靠近煙霧背景值則雖然可以很靈敏度(容易探測到火災)但卻也容易誤報,但若是調的遠離煙霧背景值則雖然不容易誤報,但也變得很不靈敏(發現火災的時間太晚)。
    雖說絕對刻度系統也有環境自動學習功能來簡化調試工作,先不說此種學習時間固定(最多15天後即停止)的學習方式在環境發生變化之後無法做相應調整(譬如環境逐漸變髒或變乾淨),最大的問題是此種環境學習的警報閥值是無法控制的,因此是無法符合EN54-20FIA Code of PracticeBS6266GB15631/及對於探測性能有要求的系統。譬如對於一個有25個採樣孔的系統而言,若系統要求達到類別A非常高靈敏度的探測性能,那麼理論需將警報閥值設置為0.032%/m0.8%/m ÷25 = 0.032%/m)。但是如果環境的正常煙霧背景波動變化可能就在0.010.03%/m之間變化,將警報閥值設為0.032%/m的系統誤報率恐怕會非常高。
    對於絕對刻度系統的產品而言,由於歷史煙霧曲綫圖並沒有煙霧平均值等相關統計數據,因此調試工程師來調試時所設置的警報閥值可能非常主觀而且各不相同,那麼不同工程師所調試的產品其探測性能與誤報率可能都不一樣。一個工程師調試的產品可能靈敏度非常高但也經常誤報,另一個工程師調試的產品可能不會誤報,但也非常不靈敏。
    相反地,對於AVA相對刻度系統而言,調試變的非常簡單。由於警報閥值指的是相對刻度,因此調試人員不需考慮環境背景的變化情形,僅需依據系統所需的靈敏度及採樣孔數量設置警報閥值即可。譬如,對於一個有25個採樣孔的系統而言,若需達到類別A非常高靈敏度的性能,那麼僅需將警報閥值設置為0.032%/m即可(0.8%/m ÷25 = 0.032%/m
若需達到類別B的增強靈敏度性能,那麼僅需將警報閥值設為優於0.08%/m即可(2%/m ÷25 = 0.08%/m)
    其他環境是乾淨還是骯髒或是背景煙霧濃度的變化情形等因素就無需考慮,因為AVA探測主機會自動計算。因此,因為相對刻度技術,AVA產品的調試非常簡單,幾乎可以說是隨插即用。
容易發現異常
    相對刻度技術的另一個使用上非常顯著的優點是“有數值即有異常”。由於煙霧濃度值是相對於平均值的大小,因此當前煙霧值只有在大於平均值的時候才會有大於0的數值顯示,因此對於使用者來說判斷現場煙霧濃度是否有異常變得非常容易,因為只要煙霧值大於0或者Bargraph燈有亮起均表示當前的煙霧濃度比過去一段時間有所增加。而對於絕對刻度系統,當前的煙霧濃度一直都有一個數值,Bargraph平時可能也都有幾格是亮着的,這樣對於使用者來說,要判斷現在的煙霧濃度是否有異常還必須先記得或瞭解之前的煙霧值是多少,這點對日常實際的操作來講是不切實際的。因此,相對刻度與絕對刻度系統相比,不論是日常例行性的現場巡檢或是在報警時前往現場查看,相對刻度都更容易發現或辨別出煙霧異常增加情形,而這就代表着相對刻度系統更容易發現火災隱患以及在萌芽發展階段的火情。
結論
AVA相對刻度系統的優勢
l   保持一致的性能
l   降低誤報率
l   使調試非常簡單
l   容易發現異常

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