Požárně bezpečnostní zařízení (protipožární a bezpečnostní systémy) v komplexech tunelů na pozemních komunikacích

VYSOKÁ ŠKOLA BÁŇSKÁ TECHNICKÁ UNIVERZITA OSTRAVA FAKULTA BEZPEČNOSTNÍHO INŽENÝRSTVÍ Požárně bezpečnostní zařízení (protipožární a bezpečnostní systémy) v komplexech tunelů na pozemních komunikacích Petr Bitala Ostrava 2014

Bitala P., 2014 ISBN 978-80-248-3499-3 Tato kniha ani žádná její část nesmí být kopírována, rozmnožována, ani jinak šířená bez předchozího písemného souhlasu vydavatele. Veškerá práva autorů jsou vyhrazena.

Poděkování Tento text pro výuku byl vytvořen s podporou ESF v rámci projektu: Inovace studia v oblasti bezpečnosti dopravy - SAFETEACH, číslo projektu CZ.1.07/2.2.00/15.0476. 1

Úvod Vážený studente, Dostává se Vám do rukou učební text modulu Požárně bezpečnostní zařízení (protipožární a bezpečnostní systémy) v komplexech tunelů na pozemních komunikacích. Mým cílem při psaní tohoto textu bylo, aby čitatel získal základní znalosti a přehled v oblasti využití prvků technické ochrany v bezpečnosti dopravy. Tento text je zpracován formou vhodnou pro distanční vzdělávání, tak aby práce s ním byla co nejjednodušší. Každá kapitola začíná náhledem kapitoly, ve kterém se dozvíte, o čem budeme v kapitole mluvit a proč. V náhledu kapitoly se také dovíte, kolik času by Vám studium mělo zabrat. Prosím mějte na paměti, že se jedná pouze o informativní údaj, nebuďte proto prosím rozladěni, když se budete kapitole věnovat delší popřípadě kratší dobu. Za kapitolou následuje shrnutí, ve kterém budou zdůrazněny informace, které byste si měli zapamatovat. To že jste probíranou látku správně pochopili a že jí rozumíte si můžete ověřit formou kontrolních otázek a testů, které by Vám měly poskytnout dostatečnou zpětnou vazbu k rozhodnutí, zda pokračovat ve studiu nebo věnovat delší čas opakování kapitoly. V průběhu studia narazíte na tzv. korespondenční úkoly. Tyto úkoly je potřeba vypracovat a v termínech daných Vaším studijním harmonogramem odevzdat. Tyto korespondenční úkoly poslouží k Vašemu závěrečnému zhodnocení. Pro zjednodušení orientace v textu je zaveden systém ikon: Čas pro studium Odhadovaný čas, který budete potřebovat pro prostudování daného tématu. Shrnutí kapitoly Shrnutí nejdůležitějších informací, které byste si rozhodně měli pamatovat. Otázky Kontrolní otázky, pro formulace odpovědí. Správná odpověď Správná odpověď na kontrolní otázky. 2

Test Test, podle kterého zjistíte, jak na tom jste Přestávka Samá práce, žádná legrace? Někdy je prostě potřeba trošičku polevit, abyste se ve výkladu neutopili. Náhled kapitoly V takto označeném textu se dovíte, co Vás čeká a nemine. Literatura Doplňková literatura, pro kterou můžete sáhnout v případě, že něčemu nebudete rozumět, nebo Vás některé téma extrémně zaujme Zapamatujte si Definice, chytáky, zajímavosti, prostě důležité věci, které je potřeba zdůraznit. Rada autora Poradíme, pomůžeme Korespondenční otázka Tuto otázku je potřeba vypracovat a zaslat tutorovi podle jeho pokynů (pozor hlídejte si termíny!). Přeji Vám, aby čas strávený nad tímto textem byl co možná nejpříjemnější, a nepovažovali jste ho za ztracený. Autor 3

1 Základní pojmy Kapitola obsahuje základní odborné pojmy související s koncepcí realizace bezpečnosti a protipožární ochrany tunelů na pozemních komunikacích s využitím prvků a systémů technických ochrany. Cíl kapitoly Cílem této kapitoly je získání základních informací z oblasti terminologie související s problematikou silničních tunelových staveb a systémů technické bezpečnosti realizované s využitím prvků technické ochrany tj. systémů využívaných při protipožární ochraně tunelů i systémů souvisejících bezpečností tunelů především ve smyslu monitorování dopravy. Vstupní znalosti Pro nastudování a pochopení následující kapitoly není potřeba žádných znalostí dané problematiky. V kontextu dané kapitoly jde o snahu objasnit některé vybrané termíny, které budou následně užívány v následujících kapitolách. Pro pochopení je tedy potřeba pouze základní poznatků nabytých na všeobecné základní škole. Klíčová slova Technické a technologické vybavení tunelu, bezpečnostní kategorie tunelů, intenzita dopravy, identifikace nebezpečí, požárně bezpečnostní zařízení, elektrická požární signalizace, hlásič požáru, tlačítkový hlásič požáru Doba pro studium Pro nastudování této kapitoly budete potřebovat přibližně 90 minut času. 1.1 Úvod Každý tunel má svým návrhem, provedením i následným provozování zajišťovat vysokou míru bezpečnosti všem účastníkům provozu na pozemních komunikacích. Koncepce i realizace bezpečnosti tunelových staveb je proto stejně, jako v případě moderních multifunkčních budov spjata s využitím technických systémů. Rozsah jejich aplikace a výběr přitom úzce souvisí se složitostí konkrétní situace. V případě tunelových staveb na pozemních komunikacích je současným hodnotícím kritériem především délka tunelu a intenzita dopravy, na jejichž základě je konkrétní situace v případě technického vybavení následně koncipována (bezpečnostní kategorie tunelů). 4

1.2 Použité pojmy a jejich vysvětlení Bezpečnostní kategorie TA, TB, TC začlenění stavby do bezpečnostní kategorie v závislosti na délce tunelu a intenzitě dopravy ekvivalentních vozidel, které určuje rozsah povinného a doporučeného technického vybavení tunelu. (Grafický je začlenění tunelů do bezpečnostních kategorií znázorněno na Obr. 1.1.) Obr. 1.1 Bezpečnostní kategorie tunelů Technické/technologické vybavení tunelu technické vybavení komplexu tunelu pozemních komunikací slouží ke zvýšení bezpečnosti a ochrany zdraví účastníků provozu i pracovníků provozovatele, bezpečnosti a plynulosti provozu na pozemních komunikacích a k zabezpečení odpovídajících podmínek pro výkon obsluhy a údržby pracovníky provozovatele. Intenzita dopravy roční průměr denní intenzity vozidel (počet motorových vozidel) tunelem, přepočtený na jeden jízdní pruh, přičemž, každé motorové vozidlo je počítané jako jedna jednotka. Identifikace nebezpečí rozpoznání možných nebezpečných jevů a jejich charakterizace. Normální režim provozu tunelu je charakterizován řádným dopravním stavem, plynulou dopravou bez mimořádných událostí, bez omezení provozu, případně automaticky řízenými činnostmi systémů technického vybavení tunelu prováděním servisních zásahů. 5

Zvláštní režim provozu tunelu zvláštní režimy provozu tunelu jsou charakterizovány odchylkami od normálního režimu provozu tunelu, např. omezením provozu prováděním servisních zásahů, omezení funkce technického vybavení tunelu závadou nebo prováděním servisních zásahů apod. Zařízení bezpečnostního systému část vybavení tunelu, určená zvláště pro případy zvláštního a nouzového režimu provozu tunelu. Dopravní systém představuje komplexní řešení řízení a ovlivňování silniční dopravy v tunelu a v oblastech pozemních komunikací mimo tunelové trouby, kde bezpečnost a plynulost provozu na pozemních komunikacích jsou ovlivňovány možnými dopravními režimy tunelu. Nouzový režim provozu zahrnuje mimořádné a havarijní stavy dopravy a je charakterizován vznikem a řešením mimořádné události v dopravě, vyžadující zásah složek IZS(Integrovaného záchranného systému), nebo na vybavení tunelu, které ohrožují nebo mohou ohrozit zdraví osob a majetek účastníku provozu nebo provozovatele. Požárně bezpečnostní řešení stavby - základní dokument projektové dokumentace stavby komplexu silničního tunelu, významně ovlivňující řešení stavby a řešení vybavení tunelu ze všech hledisek optimálního zajištění požární bezpečnosti. Požárně bezpečnostní zařízení systémy, technická zařízení a výrobky pro stavby, podmiňující požární bezpečnost stavby nebo jiného zařízení. Systém elektrické požární skupina komponent zahrnujících ústřednu, která, pokud je uspořádána ve stanoveném (-ých) konfiguraci (-ích), je způsobilá detekce a indikace požáru a vydání signálu pro příslušné úkony, včetně veškerých připojených ovládaných, doplňujících i monitorovaných zařízení, které může kombinovat funkce detekce a poplachu v jednom systému. Systém videodohledu zabezpečuje vizuální informace zvláště o dopravních situacích v tunelové troubě a před portály; v případě mimořádných událostí poskytuje automaticky (prostřednictvím funkcí řídicího systému) vizuální informace o lokalitách, kde jsou mimořádné události identifikovány. 6

Zařízení pro odvod kouře a tepla (ZOTK) systém pro řízení odvodu kouře a tepla, který odvádí kouř a teplo, vzniklé při požáru, z objektu nebo jeho části objektu. Hlásič požáru komponent systému elektrické požární signalizace, obsahující alespoň jeden senzor monitorující v daných časových intervalech určitý fyzikální anebo chemický jev spojený s požárem, který poskytne nejméně jeden odpovídající signál ústředně. Tlačítkový hlásič komponent systému elektrické požární signalizace, který je použit pro ruční aktivaci poplach. Hlásky pro tísňové volání technické zařízení, sloužící především k verbálnímu spojení s operátorem řídicího systému tunelu. Mohou být v provedení kabin SOS a hlásek SOS. Kabina SOS uzavřený prostor hlásky nouzového volání, určený rovněž k umístění dalšího bezpečnostního vybavení. Hláska SOS stojan nebo nástěnná skříňka s nouzovým telefonem, které se umisťují zpravidla mimo dosah provozního hluku tunelu. Úseková rychlost cestovní rychlost, kde dráha ujetá vozidlem je dána úsekem pozemní komunikace, ohraničeným hraničními body zařízení měření úsekové rychlosti. Mimořádná událost škodlivé působení sil a jevů vyvolaných činností člověka, přírodními vlivy, a také havárie, které ohrožují život, zdraví, majetek nebo životní prostředí a vyžadují provedení záchranných a likvidačních prací. Zapamatujte si: Nebude-li Vám při dalším výkladu některý z výše uvedených pojmů srozumitelný, vraťte se zpět k této kapitole a výklad pojmu si znovu pozorně přečtěte. 7

Shrnutí V této kapitole jste se seznámili se základními pojmy, které budou používány v dalším výkladu ve smyslu technického případně technologického vybavení tunelů. Kapitola by měla sloužit především jako výchozí podklad k dalšímu studiu dané problematiky případně konkrétnějších normativních požadavků. Otázky 1) Co to jsou bezpečnostní kategorie tunelů TA, TB, TC? 2) Definujte pojem intenzita dopravy? 3) Jaké rozeznáváme režimy provozu tunelů? 4) Která z projektových dokumentací tunelu řeší otázku vybavení tunelu z pohledu optimálního zajištění požární bezpečnosti stavby. Test 1) Intenzita dopravy charakterizuje tunel ve smyslu? a) Ročního průměru denní intenzity vozidel (počet motorových vozidel) tunelem, přepočtený na jeden jízdní pruh. b) Měsíčního průměru intenzity vozidel (počet motorových vozidel) tunelem, přepočtený na jeden jízdní pruh. c) Týdenního průměru intenzity vozidel (počet motorových vozidel) tunelem, přepočtený na jeden jízdní pruh. 2) Ve smyslu bezpečnostních kategorií tunelů jsou tunely s délkou nad 3000 m kategorizovány jako tunely bezpečnostní kategorie? a) TB, b) TC, c) TA. Správné odpovědi 1a; 2c. 8

Literatura [1] ČSN 73 7507 Projektování tunel pozemních komunikacích. Praha: Český normalizační institut, 2006. 56 s. [2] ČSN 73 0875 Požární bezpečnost staveb- Stanovení podmínek pro navrhování elektrické požární signalizace v rámci požárně bezpečnostního řešení. Praha: Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví, 2011. 20 s. [3] Zákon č. 239/2000 Sb. o integrovaném záchranném systému a o změně některých zákonů [4] TP 98 Technologické vybavení tunelů pozemních komunikací, Technické podmínky, ELTODO EG, Praha, 2004, 101 s. Přestávka Tahle kapitola nebyla moc dlouhá, tak žádné zdržování a šup k další kapitole 9

2 Bezpečnostní systémy tunelu Kapitola přináší základní informace související s problematikou koncepce využití a vybavování tunelů bezpečnostními prvky a systémy. Obsahově je přitom kapitola zaměřena především na oblast využití technických systémů videodohledu. V omezené míře se dotýká rovněž problematiky systémů dopravních a protipožární ochrany. Uvedenou kapitolu je přitom třeba chápat jak náhled na současný způsob realizace bezpečnosti tunelů ve smyslu využití zmiňovaných systémů. Cíl kapitoly Cílem této kapitoly je získání základních informací souvisejících s problematikou vybavování tunelů bezpečnostními prvky a systémy v závislosti na konkrétních podmínkách situace. Ve smyslu obsahu níže uvedených kapitol jde především o získání základních informace o využití systémů videodohledu, možných metodách analýzy obrazu a jejich využití ve smyslu realizace bezpečnostních opatření. Vstupní znalosti Pro nastudování této kapitoly je potřeba základní orientace v problematice pojmů souvisejících s problematikou tunelových staveb na pozemních komunikacích. Nezbytným předpokladem je rovněž základní orientace v problematice snímání obrazu a chuť pro pochopení dané problematiky. Klíčová slova Bezpečnostní vybavení; kategorie tunelů; systém videodohledu; dopravní systémy. Doba pro studium Pro nastudování této kapitoly budete potřebovat 240 minut času. 2.1 Úvod Tunelový systém je z pohledu návrhu a realizace bezpečnosti velmi komplexní systém. Proces návrhu i realizace by proto měl ve smyslu optimální varianty vycházet z aktuální úrovně vědeckého poznání i detailního zohlednění konkrétní situace, tj. zohlednění všech aspektů, jenž s touto problematikou úzce souvisí, jako jsou vozidla, uživatelé, infrastruktura apod. I přes snahy o dosažení zmiňované skutečnosti je však mnohdy velmi obtížné takovýto přístup aplikovat. Z pohledu současného pojetí je tak v případě návrhu a realizace bezpečnosti daná problematika obvykle řešena s využitím převážně norem a standardů. Koncepce realizace bezpečnosti je založena na návrhu a využití systémů v závislosti na bezpečnostní kategorii tunelů. 10

Tedy koncepce, kdy je pro jednotlivé bezpečnostní kategorie tunelů (TA, TB, TC) stanovena povinnost či doporučení využit bezpečnostních technických systémů či prostředků pro konkrétní aplikace. Rozsahu jejich využití v návaznosti na bezpečnostní kategorii tunelů je znázorňuje následující tabulka. Tab. 2.1 Rozsah vybavení tunelu v závislosti na kategorii tunelu BEZPEČNOSTNÍ VYBAVENÍ TC TB TA Hlásky nouzového volání Hlásky nouzového volání Poplachové tlačítka Systémy videodohledu Televizní dohledový systém 1 Dopravní systémy Sběr dopravních dat 2 Dopravní značení Zařízení pro provozní informace Světelná signalizace pro jízdu v pruzích Světelné signály S1a, S1b Měření výšky vozidla Mechanické zábrany Reflexní elementy Identifikace dopravního excesu v tunelu 3 Spojovací a dorozumívací zařízení Radiové spojení Mobilní telefonní sítě Ozvučovací zařízení Evakuační vybavení Nouzové únikové osvětlení tunelu Bezpečnostní značení Požární zařízení Automatické hlásiče požáru 4 Tlačítkové hlásiče požáru 4 Přenosné hasící přístroje Požární hydranty Osvětlení tunelu Normální osvětlení Náhradní osvětlení Poznámka: povinné vybavení požadována analýza potřeb a/nebo alternativní řešení 11

V případě doručeného vybavení je konečné rozhodnutí dáno analýzou místních podmínek a je specifické pro každý tunel. Položky označené v Tab. 3.1 žlutou barvou budou v následujících kapitolách textu podrobněji diskutovány. Poznámky 1-4 u uvedených položek symbolizují následující: 1 Systém videodohledu se povinně instaluje u tunelů kategorie TC, pokud je délka tunelu 300 m a intenzita dopravy 2000 na den a jízdní pruh. 2 U tunelů kategorie TC s intenzitou dopravy 10 000 ekvivalentních vozidel na den a troubu. 3 U tunelů kategorie TC s intenzitou dopravy 10 000 ekvivalentních vozidel na den a troubu a délkou 300 m. 4 Pokud je délka 400 m, doporučuje se instalace automatických a manuálních hlásičů požáru. Bližší podrobnosti ve smyslu bezpečnostního vybavení tunelů lze nalézt např. v [1], [2]. Výhodou systému návrhu a realizace bezpečnosti tunelů vycházejícího z norem a ze standardů dle bezpečnostních kategorií tunelů (v ČR kategorie TA, TB a TC) je to, že zajišťuje jednotnou úroveň vybavenosti tunelů dle normativně jednoznačně definovaných požadavků. V další části této kapitoly bude podrobněji diskutována problematika systému videodohledu tj. televizních dohledových systémů a systémů sběru dopravních dat. Problematika využití požárních zařízení orientovaných na detekce požáru bude podrobněji diskutována v samostatné kapitole. Důvodem vyčlenění samostatné kapitoly problematice detekce požáru je především potřeba bližšího popisu parametrů požáru, které lze ve smyslu detekce požáru pro tyto účely využít. 2.2 Systémy videodohledu tunelových staveb Systémy videodohledu (televizní dohledové systémy) představují v současné době důležitý prvek systému bezpečnosti v koncepci realizace bezpečnosti dopravy v pozemních tunelových objektech. Z pohledu instalace snímacích zařízení v podobě kamer lze tyto systémy rozdělit na: Systémy videodohledu umístěné vně tunelu (tj. extravilánu tunelu). Systémy videodohledu umístěné uvnitř tunelu (tj. intravilánu tunelu). 12

Systém videodohledu extravilánu i intravilánu tunelu je důležitou součástí dopravního systému a nezbytnou součástí řešení mimořádných situací. Velkou výhodou videodetekce je, že jí lze použít pro celé zorné pole kamery, tj do vzdálenosti až desítek metrů v závislosti na použitém druhu nebo typu objektivu kamery (objektivy s pevnou/fixní nebo proměnnou ohniskovou vzdálenosti) a druhu kamery (kamery statické nebo otočné). U objektivu s proměnou vzdáleností přitom může jít o objektivy s varifokální (manuálně proměnnou) či motorzoom (dálkově ovladatelnou) ohniskovou vzdáleností. Ohnisková vzdálenost objektivu přitom ovlivňuje výslednou šíři záběru, případně přiblížení sledované scény. Čím je ohnisková vzdálenost delší, tím je užší úhel záběru a bližší snímaný objekt. Ačkoliv existuje celá řada programových pomůcek pro výpočet ohniskových vzdáleností, lze při orientačním stanovení využít například následujících vzorců: a) Ohnisková vzdálenost, zadáváme požadovanou šířku záběru (horizontální rozměr) (2.1) b) Ohnisková vzdálenost, zadáváme požadovanou výšku záběru (vertikální rozměr) (2.2) V rovnicích (1) a (2) symbolizují f ohniskovou vzdálenost objektivu [mm], D vzdálenost kamery od sledovaného objektu [m], V vertikální velikost snímaného objektu (výška) [m], H horizontální velikost snímaného objektu (šířka) [m], v vertikální konstanta, výška výsledného obrazu na čipu [mm] a h horizontální konstanta, šířka výsledného obrazu na čipu [mm] (viz. Tab. 2.2) [3]. Tab. 2.2 Hodnoty vertikálních a horizontálních konstant pro jednotlivé formáty objektivů Formát objektivu 1" 2/3" 1/2" 1/3" 1/4" v 9,6 6,6 4,8 3,6 2,7 h 12,8 8,8 6,4 4,8 3,6 13

V případě druhu kamery a jejího zorného pole jde především o to, zda jde o využití statických kamer nebo otočných kamer. U otočných kamer lze s využitím ovládací jednotky nebo software kameru otáčet (až o 360 ) a použít také motorzoomu. Do kamery lze uložit rovněž tzv. prepozice, jež v případě praktických aplikací znamená, že se kamera bude natáčet a sledovat přednastavené zájmové oblasti. Detail instalace statické kamery a otočné kamery ilustruje Obr. 2.1. Obr. 2.1 Detail instalace statické (A) a otočné (B) kamery S využitím systému videodohledu lze z pohledu aplikací vně tunelu provádět sledování a vyhodnocování například: intenzity dopravy, rychlosti vozidel, kategorizace vozidel, délku front vozidel, meteorologickou situaci, stav povrchu vozovky nebo aktuální sjízdnost komunikace, identifikaci dopravních excesů (zastavení vozidla, dopravní nehoda, naklad na vozovce, pohyb osoby ve vozovce apod.). V případě využití systémů videodohledu uvnitř tunelu, jsou mimo víše uvedené, tyto systémy využity rovněž pro realizaci a monitorování komunikace v případě hlásek pro tísňové volání při spojení s operátorem řídicího systému (monitorování dveří SOS kabinky). Další z možností ve smyslu využití systémů videodohledu uvnitř tunelu je rovněž využití systému videodohledu v rámci realizace protipožární ochrany tunelu (systémy videodetekce požáru detailněji viz požární zařízení). 14

Způsob realizace bezpečnostních opatření je v případě využití systému videodeohledu obvykle spjat s instalací značného množství kamer. S ohledem na rozsáhlost instalací a omezené možnosti operátora řídicího systému tunelu, je proto nevyhnutné systém sběru dat a získávání informací provádět s využitím automatizovaných systému. Ty s využitím software provádějí sběr, zpracování a analýzu obrazových dat. Výsledky získané zpracování obrazových dat jsou v případě identifikace nebezpečí nebo odchylek od normálního režimu následně v podobě poplachových zpráv zprostředkovány operátorovi řídicího systému. Některé ze způsobů využívané v případě softwarové vyhodnocování obrazových dat v systémech videodohledu, jsou pro doplnění a lepší orientaci v problematice prezentovány v následující kapitole. 2.3 Analýzy obrazu a pohybu V dnešní době je velký zájem o zpracování obrazu a jeho rozbor. Nezbytným předpokladem analýzy pohybu je dynamický obraz. Cílem analýzy obrazů zachycující pohyb je přitom získat informací o zájmovém objektu, například rychlosti jeho pohybu, zrychlení, směru pohybu, poloze, rozměru apod. Obecně chceme-li určit ze snímání pohyb, nelze tak učinit pouze z jednoho pořízeného obrazu. Vždy je zapotřebí více záběrů téhož prostředí se stejným pohybujícím se objektem. To znamená, že je vždy potřeba pracovat s tzv. dynamickým obrazem. Dynamický obraz je v tomto případě představován posloupností statických obrázků (N) s periodou závislou na rychlosti a době snímání viz Obr. 2.2 [5]. Obr. 3.2 Dynamický obraz 15

Způsob realizace bezpečnostních opatření je v případě využití systému videodeohledu obvykle spjat s instalací značného množství kamer. S ohledem na rozsáhlost instalací a omezené možnosti operátora řídicího systému tunelu, je proto nevyhnutné systém sběru dat a získávání informací provádět s využitím automatizovaných systému. Ty s využitím software provádějí sběr, zpracování a analýzu obrazových dat. Výsledky získané zpracování obrazových dat jsou v případě identifikace nebezpečí nebo odchylek od normálního režimu následně v podobě poplachových zpráv zprostředkovány operátorovi řídicího systému. Některé ze způsobů využívané v případě softwarové vyhodnocování obrazových dat v systémech videodohledu, jsou pro doplnění a lepší orientaci v problematice prezentovány v následující kapitole. Obraz statický je ve smyslu videosignálu definován v jednotlivých bodech obrazu jasovou funkcí g(x,y), kdy je každému bodu (pixelu) v rovině obrazu přiřazena určité hodnota světlosti. V dynamickém obraze je tato funkce navíc časově závislá f(x,y,t). Obraz přitom může být binární (pouze 0 nebo 1), šedotónový (256 úrovní šedi) nebo barevný (tři složky červená, zelená a modrá). Aby bylo možné ve snímané scéně sledovat a vyhodnocovat pohyb, je zapotřebí dodržovat určité zásady při zpracování obrazu, nezbytné pro správnou funkci detekčních algoritmů. Standardním postupem je při identifikaci pohybu oddělení pozadí od popředí. Jako pozadí přitom bereme tu část obrazu, na které jsou zjišťovány změny, a popředí pak v sobě nese právě tyto změny. Pozadí mezi snímky však většinou nebývá zcela statické, ale obsahuje menší i větší změny, které ale při vyhodnocování chceme považovat za pozadí. Tyto změny mohou být vyvolány šumem produkovaným snímacím zařízením, změnou intenzity osvětlení, přirozeným pohybem prostředí (pohybem objektů ve větru) apod. V případě softwarových algoritmů systémů videodohledu se pro analýzu pohybu a identifikaci nebezpečí nebo odchylek od normálního stavu využívá například následujících metod: Porovnání histogramů mezi snímky, Sledování rozdílových bodů mezi snímky. Porovnání snímků zpracovaných detektorem hran, Metody optického toku. 2.3.1 Porovnání histogramů mezi snímky Jedná se o nejjednodušší metodu detekce pohybu v obraze. Metoda detekce pohybu je založena na porovnání histogramů aktuálního a referenčního snímku. 16

Algoritmus porovnává světelnou charakteristiku (histogram hodnot jasu pixelů) aktuálního snímku se stejnou informací u jiného, který reprezentuje statickou scénu bez pohybujících se objektů (referenční obraz pozadí). Jakákoliv změna ve sledované scéně pak způsobí, že aktuální snímek bude vykazovat v histogramu odlišnou jasovou charakteristiku. Histogram je graf, který poskytuje základní informaci o úrovni jasu pixelů v obraze. Kde na ose x je vyneseno 256 bodů, které odpovídají 256 úrovním odstínům. Na svislé ose y je pak prezentován počet pixelů, které odpovídají jednotlivým úrovním jasu viz Obr.2.3. Jasová hodnota je přitom získána přímo jako jedna ze složek barevného signálu (každá z barev R, G, B má 256 odstínů) nebo ji lze získat převedením obrazu na odstíny šedi. Obr 2.3 Histogram snímku Metoda porovnání histogramů mezi snímky je výpočetně málo náročná, jelikož nejméně jeden histogram pro referenční snímek máme vždy již dopředu vytvořený, čímž se ušetříme výpočtu při porovnávání. Snímek poté můžeme ještě před získáním jasového popisu zbavit šumu i přes náročnější filtry, protože jde o operace prováděnou jednou za čas. Z upraveného a šumů zbaveného referenčního snímku získáme jeho histogram, a ten je připraven k porovnávání s histogramy aktuálních snímků. Musíme ovšem počítat s tím, že je potřeba referenční snímek po nějaké době obnovit, jelikož je tato metoda značně náchylná ke změnám v prostředí, které ne vždy dokážeme dopředu správně odhadnout a naplánovat. Tato metoda nalézá využití zejména v programech typu alarm, tedy v upozorňovacích zařízeních, že se na sledovaném místě něco děje, ale ve své základní podobě nedokáže vyznačit místo pohybu. Jedná se například o sledování prostor s neproměnlivými světlenými podmínkami a jediným proměnlivým faktorem zůstává šum. 17

Pokud bychom brali v úvahu do takovýchto programů proměnlivé světelné podmínky, například v závislosti na denní době, nebo plánovanými změnami, na které nemá být brán zřetel, nevystačíme pouze s jedním referenčním snímkem statické scény, ale je nutné jej aktualizovat. Výpočetně nejméně náročným je vytvořit průměrný referenční histogram průměrováním ze sekvence snímků, ve kterých detektor neoznačil pohyb. Tím se podaří vyřešit problém s proměnnými světelnými podmínkami a rovněž i s informačním šumem. Nevýhodou této metody je buď zvýšená reakce na každou změnu v obraze použitím pouze jednoho statického referenčního snímku, nebo naopak slabá reakce na pomalu se pohybující malé objekty, které se kvůli průměrování výchozího snímku velice rychle stanou součástí pozadí a detektory na ně nebudou reagovat. Metoda reaguje pouze na změnu poměru odstínů mezi aktuálním a referenčním snímkem a proto je pro ni velký problém vyvolat alarm, pokud se objekt v obraze pohybuje, ale celková barevná charakteristika obrazu zůstane stejná. 2.3.2 Sledování rozdílných bodů mezi snímky Jedná se o jednoduché metody pro detekci pohybu v obraze, které využívají při vyhodnocování rozdílů mezi obrazy snímanými v různých časových okamžicích. Princip fungování metody je přitom založen a na níže uvedeném způsobu zpracování obrazu. Máme-li dva obrazy f1 a f2, pak po jejich odečtení vznikne rozdílový obraz d, u kterého hodnota 0 představuje sobě odpovídající místa v obrazech f1 a f2, u kterých nedošlo k výrazné změně jasových úrovní mezi dobou pořízení obou obrazů, viz rovnice 2.3[4]. { ( ) ( ) ( ) ( ) (2.3) kde e je kladné číslo, které určuje práh rozdílu jasových hodnot. Při vytváření rozdílu může nastat několik situací: 1) f1(x,y) byl elementem pohybujícího se objektu a f2(x,y) byl element pozadí. 2) f1(x,y) byl elementem pohybujícího se objektu a f2(x,y) byl element jiného pohybujícího se objektu. 3) Obrazové elementy f1(x,y) a f2(x,y) náleží stejnému pohybujícímu se objektu v místech různého jasu. 18

4) Hodnota 1 v rozdílovém obrazu vznikla vlivem šumu a dalších nepřesností při snímaní kamerou. Obyčejným rozdílovým obrazem lze sice detekovat pohyb, nezískáme však žádné informace o směru pohybu. Potřebujeme-li informace o směru pohybu, můžeme použít kumulativní rozdílový obraz. První obraz je označen jako referenční a u všech ostatních se pak provede rozdíl s tímto referenčním obrazem. Výsledný kumulativní rozdílový obraz je dán součet všech rozdílových snímků. Příspěvky rozdílových snímků do kumulativního obrazu mohou mít různé váhy w. ( ) (2.4) Největší výhodou této metody je, že nám může bez dalších mechanismů přesně ukázat, kde k pohybu dochází, naopak nevýhodou je poměrně dlouhá práce s propočítáváním, čímž se snižuje její rychlost. Praktické využití poskytuje v detektorech typu alarm, který bude výpočetně méně náročný, kdy rozpozná pohyb, pak teprve použije rozdílovou metodu a vytáhne pak z obrazu oblasti popředí. Vhodným způsobem se tato metoda může uplatnit i v rozpoznávacích algoritmech (např. rozpoznávání obličeje, značek na automobilech apod.). 2.3.3 Porovnání snímků zpracovaných přímo detektorem hran Metoda je založena na aplikaci filtru pro zvýraznění hran na obraz před prahováním. Hrany obecně definují okraje objektů, což je informace, která nám pro porovnání snímků bohatě postačí. Výhodné je, že drobný šum, který nepřeroste v souvislé oblasti, se jako hrana nezvýrazní a tak se jej elegantně zbavíme. Na Obr 2.4 je zobrazen rozdíl mezi výsledkem prahování u obrázku získaného metodou odečtení snímků a po aplikaci hranového filtru. Postupně úplně nalevo je původní rozdílový snímek, další ukazuje výsledek po prahování, na třetím je podoba prvního po aplikaci zvýraznění hran a poslední prezentuje výsledek prahování třetího obrázku. Obr 2.4 Zpracování obrazu s využitím hranového filtru 19

Ke konečnému vyhodnocení si lze vybrat jeden z dříve zmíněných postupů. Prvním může být porovnání na základě histogramů, u kterého by se dál postupovalo stejně jako v rozdílové metodě, tedy sestavení histogramů a jejich vzájemné porovnání s možností vyvolat alarm i vyznačení místa pohybujícího se objektu. Druhým principem je popsaný v kapitole rozdílových bodů, kdy jsou od sebe vedlejší snímky odečítány. 2.3.4 Metoda optického toku Tato metoda zachycuje všechny změny obrazu v čase dt. Každému bodu v obrazu odpovídá dvojrozměrný vektor rychlosti, vypovídající o směru a velikosti rychlosti pohybu v daném místě obrazu. Toho se dá využít v předpovědi, kam se objekt přesune nebo podle historie určit, jaký pohyb vykonával. Metoda je však výpočetně velice náročná. Jak už víme dynamický obraz lze popsat jasovou funkcí polohy a času f(x,y,t). Po rozvoji do Taylorovy řady a zanedbání členů vyšších řádů platí [4],[6]: ( ) ( ) (2.5) ( ) ( ) (2.6) Když budeme předpokládat neměnné osvětlení při translačním pohybu daném hodnotami dx, dy, tak platí: ( ) ( ) (2.7) tedy plyne, že: (2.8) Cílem výpočtů je také určení rychlosti charakterizované jako: ( ) (2.9) 20

Víše diskutované metody analýzy obrazu a detekce pohybu nacházejí jako součást algoritmu vyhodnocování obrazu své uplatnění v celé řadě bezpečnostních aplikací. Mimo výše uvedené viz kapitola 2.2, jsou rovněž využívány jako součást algoritmů videodohledu odstavných ploch, detekce pohybu osob ve střežených oblastech, detekce zanechaných předmětů, pohybu ve špatném směru apod. Je třeba upozornit, že uvedené algoritmy nejsou v žádném případě jedinými v současnosti využívanými metodami analýzy obrazu. Bližší popis metod využívaných v současnosti pro analýzy obrazu však přesahuje možnosti textu. Cílem bylo v případě kapitol věnovaným problematice metod analýzy obrazu a detekce pohybu především získat základní informace o možnostech automatizovaného zpracování obrazu. V následující kapitole je problematika využití systému videodohledu diskutována v kontextu měření úsekového rychlosti vozidel. 2.8 Princip měření úsekové rychlosti Měření úsekové rychlosti s využitím systému videodohledu slouží k měření průměrné rychlosti vozidel, která projedou předem vymezeným měřicím úsekem na vozovce. Podstatou metody je měření doby průjezdu motorového vozidla definovaným měřicím úsekem vozovky, z čehož lze vypočítat průměrnou rychlost vozidla na daném úseku. Principiální schéma měření ilustruje Obr. 2.5. Na vozovce je přesně stanoven měřicí úsek mezi dvěma příčnými čarami. Kamerovou jednotkou KJ je při vstupu do úseku snímána část vozidla s registrační značkou. Registrační značka je automaticky identifikována ve vyhodnocovacím serveru za využití metody zpracování s využitím některé z metod zpracování obrazu a uložena do databáze. Po projetí úsekem je opět identifikována registrační značka vozidla a obě značky jsou s časovými razítky spárovány. Následně je vypočítána průměrná rychlost vozidla na příslušném úseku. V případě, že nedošlo k překročení povolené rychlosti, je záznam smazán. Pokud k překročení rychlosti došlo, je záznam zaslán operátorovi ke kontrole a vyhodnocení. V případě špatných světelných podmínek pomáhá zlepšit čitelnost značky infračervená osvitová jednotka OJ. Systém měření úsekové rychlosti s využitím Na tomto místě je vhodné poznamenat, že se jedná o neinvazivní měření, které nevyžaduje zásahy do konstrukce vozovky v tunelu [7]. Na měření úsekové rychlosti jsou kladeny následující požadavky: 1) Ze snímků vozidla pořízených na začátku a konci měřicího úseku jsou automaticky vytvořeny referenční snímky. 21

2) Systém musí pracovat zcela automaticky. Dálkově se nastavuje zapnutí/vypnutí měření, maximální povolená rychlost a hodnoty rychlosti klasifikované jako přestupek. 3) Vlastní měření průměrné rychlosti je zcela bezobslužné a nesmí být možné jej ovládacími prvky nikterak ovlivnit. 4) Přesnost měření musí být zaručena tím, že délka měřicího úseku je změřena s vyžadovanou přesností a oba snímky jsou opatřeny časovými značkami přesné časové základny. 5) Konstrukce a prostorové umístění jednotlivých zařízení musí být navrženo tak, aby byla vždy změřena minimální průměrná rychlost daného vozidla. 6) Technickými prostředky a počítačovým zpracováním musí být vytvořeny takové podmínky, že nemůže dojít k poškození řidiče, tím, že by byla naměřena průměrná rychlost vyšší, než kterou ve skutečnosti jel. 7) Musí být zajištěno, že indikovaná rychlost nemůže být připsána jinému vozidlu. Obr. 2.5 Principiální schéma měření úsekové rychlosti 22

Prakticky všechny současné systémy pro rozpoznání registračních značek obsahují čtyři základní části: 1) Detekce vozidla. 2) Lokalizace registrační značky. 3) Segmentace znaků. 4) Rozpoznání znaků (OCR). Prvním krokem při rozpoznání registrační značky (dále jen RZ) je určení, zda se ve snímaném záběru vyskytuje vozidlo. Čím přesnější podává tato fáze výsledky, tím jsou menší rozdíly pozice vozidel v obraze. Při menších rozdílech je snazší lokalizovat registrační značku. Pro tyto účely lze obecně využít buď hardwarové, nebo softwarové detekce. Při hardwarové detekci vozidla je oblast snímaná jen v okamžiku, kdy systém dostane od detektoru signál, že je v záběru přítomné vozidlo. Nejobvyklejší hardwarové způsoby detekce vozidla jsou: Detekce elektromagnetickými indukčními cívkami, Detekce piezoelektrickými tlakovými senzory, Detekce optickou závorou (infračervená, laserová), Detekce dálkoměry (laserové, ultrazvukové). V případě softwarové detekce lze využít například některé z metod analýzy obrazu a pohybu viz kapitola 2.3. Jako další je nutné určení pozice registrační značky (lokalizace RZ). Přesnost lokalizace výrazně ovlivňuje nutnost provádění dalších úprav a úspěšnost správné segmentace znaků. Při lokalizaci registrační značky se obvykle využívá znalosti jejího rozměru. Pro tyto účely lze využít například detekce hran viz kapitola 2.3.3 a níže uvedené postupy detekce. 2.8.1 Detekce hran Po detekci vozidla se z pořízeného snímku vybere předem stanovená oblast, ve které se provádí lokalizace registrační značky (viz Obr. 2.6 [9], a níže zmíněné způsoby segmentace RZ). 23

Obr. 2.6 Oblast lokalizace RZ Segmentace pomocí detekce hran má univerzálnější využití, které je ale vykoupeno vyšší výpočetní náročností. V hranovém obraze je oblast registrační značky hledána několika způsoby. Jedním z možných způsobů je v hranovém obraze extrahovat uzavřené hranice a následně pomocí Houghovy transformace vyhledávat dvě paralelní hrany, které odpovídají rozměru registrační značky. Další možnosti je v hranovém obraze vyhledávat maximální shodu s předem definovanou šablonou Pro tento postup je nutné, aby byly záběry čisté, a aby byla velikost RZ v obraze konstantní. Jiné přístupy zase využívají toho, že RZ obsahuje velké množství vertikálních hran. Pro určení polohy RZ lze tak použít součet jednotlivých řádků, ve kterém je vyhledáván největší rozdíl mezi řádky, tím jsou určeny horizontální hranice RZ. Následně je v této oblasti proveden součet sloupců a vypočten aritmeticky průměr. Místa, kde součet překračuje aritmeticky průměr, jsou označena jako možné oblasti RZ a na základě poměru výšky a šířky oblasti je určena nejpravděpodobnější oblast [8], [9]. [10]. 2.8.2 Segmentace znaků Správná segmentace (dekompozice) znaků je klíčová pro následné správné rozpoznání znaku. Pro správné určeni hranic znaků je nutná znalost parametrů rozpoznávané RZ. Použité metody se mohou také lišit v závislosti na provedení RZ (jednořádkové, víceřádkové). K určení pozice se nejčastěji používají následující přístupy: Použití pevných hranic z rozměr RZ. Použití vertikálního a horizontálního součtu. Použití souvislých oblastí. 24

Správná segmentace znaků je klíčová pro následné správné rozpoznání znaku. Pro správné určeni hranic znaků je nutná znalost parametrů rozpoznávané RZ. Použité metody se mohou také lišit v závislosti na provedení RZ (jednořádkové, víceřádkové). K určení pozice se nejčastěji používají následující přístupy: Použití pevných hranic z rozměr RZ. Použití vertikálního a horizontálního součtu. Použití souvislých oblastí. Pro doplnění dané problematiky je v následující části proveden krátký popis postupu segmentace vyžívaný pro určení pozice znaků založeném na použití vertikálního a horizontálního součtu. Při této metodě se využívá toho, že mezi horní hranici znaku a horní hranou RZ, stejně tak jako mezi dolní hranici znaku a dolní hranou RZ je výrazné maximum horizontálního součtu jasu. Horizontální součet je proveden sečtením hodnot jasu obrázku přes řádky. Při vertikálním součtu se objeví maxima průběhu mezi znaky, velikost maxim závisí na velikosti mezery mezi znaky. Vertikální součet je vypočten sečtením hodnot jasu obrázku přes sloupce. Tato metoda je však náchylná na natočení RZ. Registrační značka s průběhy horizontálních a vertikálních součtů je na Obr. 2.7 [9], [10]. Obr. 2.7 Registrační značka s průběhy vertikálních a horizontálních součtů 25

2.8.3 Rozpoznání znaků V poslední fázi probíhá vlastní rozpoznání znaků. Vstupem do této fáze jsou obrazy segmentovaných znaků a výstupem je textové vyjádřeni těchto znaků Při rozpoznávání znaků jsou zpracovávány nalezené oblasti znaků (OCR- Optical Character Recognition). K nejpoužívanějším metodám využívaným pro tyto účely dnes patří: Metoda porovnávání se šablonami (template matching) Metoda použití neuronových sítí. Podrobnější popis metod rozpoznávání znaků lze nalézt např. v [9], [10] [11] [12] [13] [14]. Schematicky je struktura celého procesu softwarového rozpoznávání RZ znázorněn na Obr. 2.8. Obr. 2.8 Struktura systému rozpoznávání RZ 2.9 Registrační značky v ČR V současné době jsou v České republice nejrozšířenější registrační značky vydávané od roku 2004. Na Obr. 2.9 je zobrazena registrační značka Typ 101, která je nejrozšířenější [9]. Obr. 2.9 Registrační značka Typ 101 26

Tyto značky obsahují modrý pruh s logem evropské unie a označením státu původu. Tento pruh by mohl tvořit problémy při segmentaci registrační značky, protože snižuje rozdíl jasu v okolí okraje registrační značky. Značka má rozměry 520mm x 110mm a obsahuje 7 černých znaků na bílém pozadí znaků. Přičemž značka musí obsahovat minimálně jednu číslici a jedno písmeno. V této sérii se mohou vyskytovat i typy značek s jiným barevným provedením, například Typ 151, zobrazený na Obr.2.10, určený pro traktory a samojízdné pracovní stroje, Obr. 2.10 Registrační značka Typ 151 nebo Typ 201, zobrazeny na Obr. 2.11, určeny pro vozidla členů diplomatických misi, Obr. 2.11 Registrační značka Typ 201 nebo Typ 301, zobrazeny na Obr. 2.12, určeny pro historická vozidla, který má zároveň minimální možný počet znaků. Obr. 2.11 Registrační značka Typ 301 Dalším typem značek, který je na českých silnicích hojně zastoupen, je typ vydávaný v letech 2001 2004, který svými rozměry, variantami a uspořádáním znaků odpovídají registračním značkám vydávaným po roce 2004, ale neobsahuje modry pruh s logem evropské unie. Vzor registrační značky tohoto typu je na Obr. 2.12. 27

Obr. 2.12 Registrační značky vydávána v ČR mezi lety 2001 2004 Na registračních značkách vydávaných po roce 2001 je použita znaková sada založena na DIN 1451 Mittelschrift. Pro snadnější rozpoznávaní se na registračních značkách nepoužívají znaky G a Q které mohou byt snadno zaměněny za znaky C a O. Například v Nizozemí je od roku 2002 na registračních značkách používán speciální font, který je upraveny pro automatické rozpoznávaní. Princip spočívá v tom, že linie znaků, které jsou si podobné, jsou na různých místech přerušeny. Znaková sada nizozemských registračních značek je na Obr. 2.13. Obr. 2.13 Nizozemská znaková sada V menší míře jsou zastoupeny starší registrační značky vydávané před rokem 2001, které běžně obsahuji na prvních třech pozicích písmena a zbývajících čtyřech číslice. Příklady starších registračních značek jsou na Obr. 2.14. Obr. 2.14 Starší registrační značky v ČR 2.10 Požadavky na instalaci systému videodohledu Systém videodohledu se instaluje v tunelech všech bezpečnostních kategorií, přičemž u bezpečnostní kategorie TC musí současně intenzita ekvivalentních vozidel přesáhnout hodnotu 2 000 ekv_voz.24hod-1.jp-1. Systém videodohledu (uzavřený televizní okruh CCTV) musí zabezpečit obrazovou informaci v maximální míře vypovídající o stavu ve sledovaných prostorách a oblastech, kterými jsou: 28

tunelová trouba v celé délce; pozemní komunikace na předpolí tunelové trouby, včetně portálových oblastí a portálů. Doporučuje se sledovat obrazem rovněž záchranné a únikové cesty, okolí obslužných objektů a vytypované technologické prostory, s možností přehrávání a zálohování obrazové informace. Kamery v tunelové troubě s jednosměrným provozem se umísťují tak, aby byly směrovány po směru jízdy. V tunelové troubě, standardně provozované obousměrně, se rovněž směrují jedním zvoleným směrem. Umístění kamer v tunelové troubě musí být navrženo tak, aby jejich obrazy pokrývaly především okolí SOS skříní, vstup do záchranných cest (tunelových propojek) a šachet, nouzové zálivy a přídavné jízdní pruhy. Doporučuje se využít kamer pro sledování tunelové trouby pro videodetekci, zvláště pro identifikaci stojících vozidel. Stejné doporučení platí pro detekci kouřových zplodin. Kamery musí být vybaveny prostředky proti možnému oslnění světly projíždějících vozidel v protisměru. Kamery pro sledování komunikací na předpolích tunelové trouby se umísťují zpravidla 50 m až 70 m od portálu tunelové trouby ve výšce 5 m až 8 m nad úrovní vozovky. Kamery musí umožňovat dálkové ovládání otáčení o 360, transfokaci (změny ohniskové vzdálenosti - zoom) a musí poskytovat obraz případných objektů a dalšího zařízení komplexu silničního tunelu, umístěných v předportálí tunelové trouby. Tyto kamery se navrhují pro poskytování barevného obrazu. Jako doporučená funkce řídicího systému v oblasti řízení videodohledu je zajištění ovládání ústředny uzavřeného televizního okruhu (CCTV) pro přenos požadovaných obrazových informací na příslušné monitory i zobrazovací plochy automaticky nebo ručně z obrazovek centrálního řídicího systému, případně z obrazovek vzdáleného (nadřazeného) řídicího systému, vedle řízení videodohledu s využitím speciálních ovládacích konzol. Řídicí systém zajišťuje automatický přenos obrazové informace na monitor i zobrazovací plochu na podnět poplachových signál, generovaných dále uvedenými kroky: otevření dveří SOS kabiny; aktivovaný požární hlásič (tlačítko) EPS; aktivovaný automatický hlásič požáru EPS; detekce stojícího vozidla; detekce dopravní nehody; detekce dopravní kongesce. 29

Doporučuje se zajistit generování poplachového signálu pro systém videodohledu při manipulaci s požárními hydranty a hasicími přístroji. Na obraz, prezentovaný v důsledku poplachových signálů, musí být obsluha důrazně upozorněna [1]. Obrazové informace všech kamer videodohledu v komplexu tunelu jsou trvale archivovány s archivační dobou nejméně 14 dní. Shrnutí Využití bezpečnostních systémů v pozemních tunelových stavbách představuje v současné době neodmyslitelný způsob realizace systému bezpečnosti. Svou nezastupitelnou roli v koncepci systému bezpečnosti hraní rovněž systémy videodohledu s jejich aplikací lze realizovat nejen pouhé sledování dopravních situací, ale rovněž automatizovaným způsobem zpracování obrazu monitorovat intenzitu dopravy, rychlosti vozidel, kategorii vozidel, osoby a jejich pohyb, zastavení vozidla apod. Informace získané zpracování obrazu je následně formou poplachových zpráv zprostředkována operátorovy řídicího systému tunelu. Informace získané zpracování obrazu jsou rovněž předány řídicímu systému tunelu a využity pro realizaci bezpečnostních opatření. Otázky 1) Pro jaké účely jsou systémy videodohledu (videodetekce) využít v případě aplikací v pozemních tunelových stavbách? 2) Které z kategorií tunelů, musí být dle současných normativních a technických standardů povinně vybaveny systémy videodohledu? 3) Které základní části zahrnuje systém rozpoznávání registrační značky vozidla v případě využití systému videodohledu pro účely úsekového měření rychlosti? Test 1) Mezi hardwarové metody detekce vozidel využívané v případě identifikace pro účely rozpoznávání registrační nepatří? a) Detekce elektromagnetickými indukčními cívkami. b) Detekce optickou závorou. c) Detekce založená na analýze obrazu využívající porovnávání histogramů mezi snímky. 30

2) Obrazové informace z kamer v případě systémů videodohledu při aplikacích u pozemních tunelových stavem, musí být dle současných normativních požadavků archivovány nejméně po dobu? a) Čtrnácti dnů. b) Jednoho roku. c) Třiceti dnů. Správné odpovědi 1c; 2a. Literatura [1] ČSN 73 7507 Projektování tunelů pozemních komunikacích. Praha: Český normalizační institut, 2006. 56 s. [2] TP 98 Technologické vybavení tunelů pozemních komunikací, Technické podmínky, ELTODO EG, Praha, 2004, 101 s. [3] Firemní literatura KOUKAAM a.s., Vybíráme objektiv pro IP kamery. KOUKAATKO č. 25 informační zpravodaj. [4] HLAVÁČ, V., ŠONKA, M., Počítačové vidění. Grada, 1992, ISBN:80-85424-67-3. [5] ZÍTKA, M. Detekce pohybu v obraze. Brno, 2008, 44 s: Bakalářská práce, Vysoké učení technické v Brně, Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií. [6] Metody rozpoznání objektů v obrazu [online]. 2011 [cit. 2014-02-02]. Úlohy pro praktickou výuku zpracování obrazových dat. Dostupné z WWW: <http://www.fbmi.cvut.cz/files/predmety/3528/public/metody%20rozpoz n%c3%a1n%c3%ad%20objekt%c5%af%20v%20obrazu.pdf>. [7] PŘIBYL, P. Cesta ke zlepšení chování řidičů v tunelech. [online]. 2010 [cit. 2014-02-02]. Dostupné z WWW: <http://www.silnicezeleznice.cz/clanek/cesta-ke-zlepseni-chovani-ridicu-v-tunelech/>. [8] DUAN, T, D. HONG Du, T, L. PHUOC, T, V. HOANG, N, V. Building an Automatic Vehicle License-Plate Recognition System. In Intl. Conf. in Computer Science. Can Tho: 2005. 31

[9] Černý, M. Rozpoznávaní registračních značek motorových vozidel. Pardubice, 2010, 68 s. Diplomová práce, Univerzita Pardubice, Fakulta elektrotechniky a informatiky. [10] DOBROVOLNÝ, M. Rychlý algoritmus rozpoznání registračních značek vozidel. Perner's contacts, 2009, roč. 4, č. 3. ISSN: 1801-674X. [11] KOVAL,V. TURCHENKO, V. KOCHAN, V. SACHENKO, A. MARKOWSKY, G. Smart License Plate Recognition System Based on Image Processing Using Neural Network. In Proceedings of the Second IEEE International Workshop on Advanced Computing Systems. Lviv: 2003. ISBN: 0-7803-8138-6. [12] MAMEDOV, F. ABU HASNA, J, F. Character recognition using neural networks. [online]. 2010 [cit. 2014-02-02]. Dostupné z WWW: <http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download? doi=10.1.1.86.2207&rep=rep1&type=pdf>. [13] ODONE, F. Experiments on a License Plate Recognition System. [online]. 2011 [cit. 2014-02-02]. Dostupné z WWW: <http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download?doi=10.1.1.144.972&rep =rep1&type=pdf>. [14] VALA, T. Rozpoznávaní SPZ z jednoho snímku. Praha: 2006, 84 s. Diplomová práce, Univerzita Karlova. Matematicko-fyzikální fakulta. Katedra softwarového inženýrství. Přestávka Samá práce, žádná legrace? Někdy je prostě potřeba trošičku polevit, abyste se ve výkladu neutopili. 32

3 Detekce požáru parametry detekce Kapitola přináší informace významné ve smyslu možností detekce požáru. Obsah kapitoly je zaměřen na popis, rozdělení a charakterizaci plamene. Další části se pak následně zabývají problematikou vzniku a formování sazí a parametry vhodnými pro detekci požáru s vazbou na volbu detekčního principu hlásičů požáru při jejich instalacích. Volba vhodného detekčního principu hlásiče úzce souvisí s rychlou a optimální funkcí systému detekce požáru. Cíl kapitoly Cílem této kapitoly je získání informací o parametrech požáru využitelných pro konstrukci hlásičů požáru ve smyslu spolehlivé a včasné detekce v případě vznikajícího požáru. To je důvod proč se s touto problematikou seznámíte i vy. Vstupní znalosti Pro nastudování této kapitoly je zapotřebí základní orientace v problematice hoření a sdílení tepla. Nezbytným předpokladem je rovněž jako v případě předešlé kapitoly chuť získávat nové informace. Po přečtení této kapitoly budete vědět co je plamen a jaké plameny lze rozlišovat, a také jaké parametry požáru lze využít pro detekci požáru. Klíčová slova Plamen, saze, parametry požáru, hlásiče požáru Doba pro studium Pro nastudování této kapitoly budete potřebovat přibližně 240 minut času. 3.1 Úvod Jakýkoliv požár vznikající v prostoru, je zdrojem řady fyzikálních parametrů, charakterizující jak samotné ohnisko požáru, tak změny vlastností prostředí v prostoru. Obecným principem všech samočinných systémů detekce požáru je měření a vyhodnocování fyzikálních veličin spojených s těmito parametry. Výběr vhodných detekčních principu a postupu vyhodnocení úzce souvisí s orientací v problematice hoření tj. problematice plamene a parametrů vhodných pro detekci. Z uvedeného důvodu bude proto obsah následující kapitol této problematice věnován. 3.2 Plamen Plamen je obvykle popisován jako oblast, kde dochází k reakci mezi palivem a oxidačním prostředkem. Tato reakce je velmi často doprovázená emisí záření ve formě žlutého světla [7], [8]. Zjednodušeně lze plamen charakterizovat jako strukturu reaktivních i reagujících plynů a rozptýlených pevných, případně také kapalných částic. 33

Ve vztahu k požární ochraně představuje vznik plamene vrcholné stádium rozvoje ohniska požáru. Ke vzniku plamene dochází při hoření látek a materiálů, které v důsledku tepelné degradace uvolňují hořlavé plynné produkty neobsahující kyslík. Nutným předpokladem jejich hoření je proto přístup oxidačního prostředku nejčastěji v podobě vzdušného kyslíku. Ve vnější části plamene tak probíhá proces aktivace a ve vnitřní části pak kumulace horkých plynných produktů. Objem vnitřní části plamene závisí na ploše uvolňující plynné produkty, rychlosti jejich uvolňování (nebo vypařování) a rychlosti hoření. Jako chemicky reaktivní systém má plamen exotermický charakter reakce projevující se tepelným i světelným zářením o intenzitě a spektru vlnových délek závislém na teplotě a složení chemických specií (produktů a meziproduktů) v daném místě a čase. Chemické složení plamene je výrazně ovlivňováno nejen vlastní hořlavou látkou, ale také podmínkami v místě požáru jakými jsou například koncentrace kyslíku nebo aktuální teplota plamene. Z hlediska způsobu vytváření hořlavého souboru, tj. mísení paliva s oxidačním prostředkem a režimu hoření, lze dle [4], [7], [9], [10] rozlišovat: Plamen předmísený. Plamen nepředmísený. o Plamen nepředmísený laminární o Plamen nepředmísený turbulentní. 3.2.1 Předmísený plamen Předmísený plamen vzniká v případech, kdy se palivo s oxidačním prostředkem nejdříve vzájemně smísí. K hoření dochází až po vzájemném promísení paliva s oxidačním prostředkem za předpokladu, že vzniklá směs spadá do rozsahu hořlavosti. Termín rozsah hořlavosti ( flammability range ) je užíván ve významu, kdy je palivo rovnoměrně distribuováno a smíseno s oxidačním prostředkem mezi dolní a horní hranici hořlavosti. Rozsah hořlavosti je přitom rozdílný pro konkrétní hořlavou látku, a to jak v případě čistých plynů, tak i pro páry hořlavých kapalin a pyrolýzní plyny pevných látek. Typ paliva (F) a jeho poměr k oxidačnímu prostředku (O) v hořlavé směsi ovlivňuje průběh chemických reakcí i vlastnosti plamene. Základ fenoménu šíření předmíseného plamene spočívá v difuzních procesech, kdy nutné gradienty vytváří probíhající chemické reakce [4]. V případě, že obecnou rovnici hoření definujeme ve tvaru rovnice (3.1): [ ] [ ] [ ] (3.1) 34

pak je poměr ekvivalence paliva podílem: ( fuel ekvivalence ratio ) stanoven (3.2) V rovnicích (3.1) a (3.2) symbolizují látkové množství paliva [mol], látkové množství oxidačního prostředku [mol], látkové množství produktů hoření [mol], a látkové množství kyslíku, respektive paliva při hoření ve stechiometrickém poměru [mol], tj. v případě, kdy jsou všechny molekuly paliva reakcí plně transformovány na konečné produkty spalování. Těmi jsou při spalování uhlovodíků oxid uhličitý (CO2), vodní pára (H2O) a teplo. Schematicky je tato situace u stechiometrické směsi metanu s kyslíkem ( ) znázorněna na Obr. 3.1. Obr. 3.1 Ilustrace dokonalého hoření metanu při stechiometrické koncentraci Při požárech probíhá hoření formou předmíseného plamene nejčastěji v okamžiku iniciace nebo při rychlých hořeních, tj. explozích a detonacích. Jako příklady lze uvést počáteční stadium požáru louže ( pool fire ) nebo explozi kouřových plynů ( smoke gas explosion ) u požárů v uzavřeném prostoru. Je také nutné poznamenat, že formou předmíseného plamene mohou probíhat lokálně procesy hoření rovněž v určitých oblastech nepředmíseného plamene. V tomto smyslu se může jednat například o oblasti u paty laminárního nepředmíseného plamene, kde dochází k přisávání obtékajícího vzduchu. U turbulentního nepředmíseného plamene pak v oblastech, kde se vlivem vírových struktur vytváří předmísené kapsy neiniciované směsi hořlavých (nebo nespálených) plynů a par s oxidačním prostředkem [11]. 3.2.2 Nepředmísený plamen U nepředmíseného plamene probíhají procesy hoření na rozhraní proudu paliva a oxidačního prostředku. Mísení paliva s oxidačním prostředkem probíhá v důsledku difuze paliva a oxidačního prostředku do reakční vrstvy plamene ( reaction layer ), někdy také označované jako zóny hoření ( combustion zone ). K exotermní chemické reakci hoření dochází v případě, kdy dojde 35

k smísení paliva s oxidačním prostředkem v určitém vzájemném poměru a vzniklá směs je dostatečně zahřátá pro iniciaci. Procesy hoření jsou u nepředmísených plamenů kontrolovány procesem vzájemného mísení paliva s oxidačním prostředkem, které probíhá rychlostí difuze. Z této skutečnosti vyplývá, že i když je hoření jednoznačně chemický jev, je rozhodující měrou ovlivňováno fyzikálními pochody. I přes skutečnost, že se nepředmísený plamen při požárech může vyskytovat v různých formách, je možné tento druh plamene rozdělit na tři charakteristické vrstvy (zóny), a to: vrstvu paliva ( fuel layer ), vrstvu reakce/reakční vrstvu ( reaction layer ), vrstvu oxidačního prostředku ( oxygen layer ). Ve vrstvě paliva se nachází téměř výhradně plyny (páry) paliva, které se vlivem přenosu tepla zahřívají, dochází k jejich štěpení nebo vznikají reakce schopné částice (aktivované komplexy) [10]. Na tuto vrstvu bezprostředně navazuje vrstva reakce, kde řadou komplexních chemických reakcí probíhá vlastní proces hoření až k tvorbě konečných produktů, kterými jsou při spalování uhlovodíků oxidy uhlíku (CO, CO2), vodní pára (H2O) a teplo. Oxidační činidlo nezbytné pro průběh reakce hoření proniká do vrstvy reakce difuzí z vrstvy oxidačního prostředku. Schematicky je tento proces u nepředmíseného plamene metanu znázorněn na Obr. 3.2. Obr. 3.2 Ilustrace nepředmíseného plamene 36

Hoření probíhá v případě nepředmíseného plamene přibližně stejnou rychlostí, s jakou do reakční vrstvy vzájemně difundují palivo a oxidační prostředek. Fakt, že procesy hoření probíhají u nepředmíseného plamene na rozhraní proudu paliva a oxidačního prostředku, vede k tomu, že je proces mísení ovlivňován rychlostí vzájemného proudění obou těchto proudů, která závisí na rozdílu hustot plynů ve vrstvě paliva a vrstvě oxidačního prostředku. S ohledem na režim proudění může proto tvorba hořlavé směsi probíhat formou laminárního nebo turbulentního mísení. Tato skutečnost následně ovlivňuje režim hoření a dává vznik laminárnímu nebo turbulentnímu nepředmísenému plameni. Laminární nepředmísený plamen Laminární nepředmísený plamen vzniká v případech, kdy je vzájemná rychlost proudění proudů paliva a oxidačního prostředku nízká. Tvorba směsi paliva s oxidačním prostředkem probíhá formou laminárního mísení a hoření v reakční vrstvě je rovnoměrné. Při požárech probíhá hoření formou laminárního nepředmíseného plamene převážně v počáteční fázi rozvoje plamenného hoření. V této fázi je teplota ve vrstvě paliva ve srovnání s teplotou v reakční vrstvě relativně nízká a tím i nízká rychlost vzájemného proudění proudu paliva a proudu oxidačního prostředku. Hoření je rovnoměrné a charakteristické nízkou rychlostí odhořívání. Turbulentní nepředmísený plamen Turbulentní nepředmísený plamen je charakteristický převážně pro fázi plně rozvinutého plamenného požáru, nebo pro požár paliv s vysokou rychlostí odhořívání, jakými jsou například požáry kapalných uhlovodíků. Vznik turbulentního nepředmíseného plamene souvisí se vznikem turbulentního proudění, tj. tvorbou vírových struktur jako odezvy na rozsáhlé časové i prostorové fluktuace [13], [15], [16]. Turbulentní mísení ovlivňuje profily skalárních veličin, jakými jsou například teploty a koncentrace reaktantů nebo produktů v zóně hoření. Vzájemné ovlivňování mezi jednotlivými fyzikálními a chemickými jevy v turbulentním plameni vyplývá ze skutečnosti, že turbulentní mísení není dostatečně rychlé ve srovnání s rychlostmi probíhajících chemických reakcí, respektive rychlostí šíření tepelné radiace. U nepředmíseného turbulentního plamene vytváří turbulentní proudění vírové kapsy, v jejichž středech je vysoký přebytek paliva, a v okrajových oblastech pak naopak přebytek oxidačního prostředku. 37

Struktura turbulentního nepředmíseného plamene proto vykazuje značnou prostorovou nehomogenitu, jež se mění s časem. Tyto výrazné časové i prostorové fluktuace lokální stechiometrie hořlavé směsi a také v čase se měnící teploty v různých místech plamene jsou jednou z příčin vzájemného působení turbulence a chemie v plameni. Parametry hoření turbulentního nepředmíseného plamene ovlivňuje vznik gradientů teploty a koncentrace chemických specií, tj. reaktantů, meziproduktů i produktů hoření. Rychlost chemických reakcí pak následně stoupá vlivem nárůstu rychlosti přenosu (difuze) tepla i specií na molekulární úrovni [11], [14]. Schematicky je turbulentní nepředmísený plamen s charakteristickými vírovými strukturami prezentován na Obr. 3.3 [12], [6]. Velmi obecně lze na základě výše uvedeného konstatovat, že turbulentní nepředmísený plamen vykazuje následující hlavní charakteristickými rysy: nepravidelný vířivý pohyb, rychlou difuzi, tenkou nepravidelnou reakční vrstvu plamene. Obr. 3.3 Ilustrace turbulentního nepředmíseného plamene Podrobný kvantitativní rozbor procesu formování vírových struktur při požárech podává Tiesen et al. [13], přičemž formuluje tři následující zásadní principy související s tvorbou vírových struktur: 1) vznik rotačního pohybu v malých měřítcích v souvislosti s přítomnosti rozdílu hustot ve vrstvě paliva a oxidačního prostředku a působením vektoru gravitace (baroklinická vířivost), 38

2) růst velkorozměrových vírových struktur (amalgamace a párování), 3) turbulentní kaskádní proces rozpadu velkých vírů (produkce malých vírových struktur). Na základě teorie podobnosti se pro popis turbulentních toků využívají bezrozměrná charakteristická čísla. Poměr inerciálních a vazkých sil při proudění tekutin popisuje dobře známé Reynoldsovo číslo Re ve formě rovnice (3.3): (3.3) kde u symbolizuje charakteristickou rychlost m.s -1, L charakteristický rozměr m a v kinematickou viskozitu m 2.s -1. V případě hydrodynamických nestabilit indukovaných tepelným vznosem, resp. gradientem hustot na rozhraní mezi dvěma vertikálními proudy, tvoří zásadní silovou složku působení gravitačního pole. Pro popis proudění, kde nestability vznikají na základě tohoto principu, se proto používá Richardsonovo číslo Ri obecně definované rovnicí (3.4): ( ) ( ) (3.4) kde je okolního prostředí (vzduchu) [kg.m -3 ], je je hustota média ve vznosném proudu [kg.m -3 ], g je tíhové zrychlení [m.s -2 ], a u symbolizuje charakteristickou rychlost [m.s -1 ]. V tomto kontextu se může jednat o plyn lehčí než vzduch, případně směs zahřátých reaktantů a produktů hoření. U nepředmíseného plamene, kde se projevují značné prostorové nehomogenity, lze jen obtížně definovat globální hodnotu hustoty. Jako vhodné kritérium proto například v případě laboratorních experimentů může sloužit počáteční Richardsonovo číslo, které charakterizuje proudění pouze v místě vyústění paliva (do hořáku), přičemž platí rovnice (3.5): (3.5) kde d je průměr otvoru vyústění paliva m a u f je počáteční rychlost proudění paliva m.s -1 a g je tíhové zrychlení m.s -2. 39

Experimentální data získaná pozorováním plamene různorodých paliv a rozměrů poukazují na pravidelné oscilace (pulsace) plamene, které vznikají v souvislosti s tepelně indukovanými hydrodynamickými nestabilitami, tj. tvorbou vírových struktur při procesech hoření. V odborné literatuře lze nalézt řadu empirických vztahů pro stanovení frekvence oscilace plamene v závislosti na tvaru (kruhový a nekruhový základ plamene) a rozměrech požáru (průměr hořáku, šířka a délka hořáku). Experimentální pozorování pulsujících plamenů plynných, kapalných i pevných paliv v měřítcích od 0,07 m do 50 m [5] poukázala na korelaci mezi dvojící charakteristických čísel, a to Froudeho číslem (Fr) a Strouhalovým číslem (St ), pro které Hamis et al. odvodil mocninnou funkci ve tvaru rovnice (3.6): (3.6) Tato podobnostní čísla, tedy bezrozměrné veličiny využívané k popisu hydrodynamických systémů, jsou popsána následující dvojicí rovnic (3.7) a (3.8): ( ) (3.7) (3.8) kde g je tíhové zrychlení [m.s -2 ], u symbolizuje charakteristická rychlost proudění [m.s -1 ], L charakteristická délku [m] a f je charakteristická frekvence vznikajících hydrodynamických nestabilit (frekvence oscilace plamene) [Hz]. Na základě kombinace empiricky zjištěného vztahu rovnice (3.6) a rovnic (3.7) a (3.8) odvodil Hamis et al. [5] pro účely praktických odhadů frekvence oscilace plamene o kruhovém základu aproximaci (3.9), kde je charakteristická délka nahrazena charakteristickým rozměrem (průměrem) požáru D: (3.9) kde f je charakteristická frekvence oscilace plamene [Hz] a D představuje charakteristický průměr požáru m. Cetegen a Ahmed [3], kteří provedli souhrnné vyhodnocení experimentálních dat pozorování nepředmíseného 40

plamene za různorodých okrajových podmínek (typu paliva, rozměru požáru apod.) odvodili svou aproximaci ve tvaru rovnice (3.10)., viz rovněž Obr. 3.4. (3.9) Obr. 3.4 Závislost frekvence oscilace plamene na průměru požáru Tvorba vírových struktur a její frekvence tj. frekvence oscilace plamene, je z pohledu detekce požáru významná především v případě metod optické detekce požáru tj. s využitím hlásičů plamene a metod videodetekce požáru (VFD - Video Fire Detection). 3.2.3 Režimy oscilace plamene Ve vznášivých difuzních plamenech byly na základě laboratorních studií [17], [3] identifikovány dva odlišné režimy nestabilit (oscilací) plamenů, tzv. varikózní režim a sinusový režim. Uvedené režimy se u difuzních plamenů uplatňují v závislosti na parametrech proudění paliva a obtékajícího vzduchu. Varikózní režim nestability zahrnuje oscilace v blízkosti paty plamene, tj. osově symetrické kontrakce a expanze plamene. Tyto oscilace vedou k formování toroidních vírových struktur ve směru po proudu, tedy k vrcholu plamene. Vznikající vírové struktury vyvolávají kontrakce plamene po proudu. Vyhořívání paliva obsaženého ve vírových strukturách vede ke zřetelné oscilaci výšky plamene doprovázené periodickým odtrháváním ( odskakováním ) vrcholku plamene. 41

Průměrné výšky plamene jsou ve varikózním režimu oscilace ve srovnání se sinusovým režimem oscilace plamene nižší. Z varikózního režimu oscilace může plamen přecházet do oscilace v sinusovém režimu, při němž se oscilace v blízkosti paty plamene zastaví. Oscilace v sinusovém režimu se vyvíjí po proudu plamene, tj. od paty plamene k jeho vrcholku a dochází tak k rovnoměrným kontrakcím obálky plamene. Tato oscilace vzniká podél celé osy plamene a uzavírá plamen do určité obálky, opticky se vlnící od paty až po špičku plamene. Vznikající oscilace jsou označovány jako oscilace sinusového typu. Deformace plamene jsou v případě sinusového režimu vyvolány vírovými prstenci, které jsou preferenčně vychylovány následkem sinusových nestabilit okolo své osy. Experimentálně bylo pozorováno [17], [15], že plamen může přecházet z jednoho režimu oscilace do druhého a naopak. Chování spojené s přechodem režimů oscilace je zajímavým aspektem závislým na řadě parametrů a faktorů, zahrnující intenzitu vznášivého zrychlení na rozhraní proudu paliva a oxidačního prostředku (obálky plamene), a také míru a způsob, jakým je kontrolováno rušivé proudění v okolí plamene. Výše diskutované charakteristicky odlišné režimy oscilace plamene schematicky znázorňuje Obr. 3.5. Varikózní a sinusový režim oscilace plamene prezentuje rovněž Obr. 3.6. Uvedený obrázek ilustruje oba režimy oscilace v případě laboratorního pozorování plamene kapalného paliva (n-heptanu). V levé části obrázku (A) je zachycen sinusový režim oscilace plamene a v pravé pak varikózní režim oscilace [1]. Obr. 3.5 Schématické znázornění varikózního a sinusového režimu oscilace plamene 42

Obr. 3.6 Sinusový (A) a varikózní (B)režim oscilace plamene 3.3 Tvorba sazových částic Saze jsou aglomerátem částic s proměnnou strukturou a velikostí [19]. Majoritní složkou sazí je uhlík a určité minoritní množství vodíku a kyslíku. V závislosti na okolním prostředí mohou saze na svém povrchu absorbovat rovněž další specie. I přesto, že již bylo identifikováno mnoho vlastností sazí, není vznik a formování sazí v celé své komplexnosti dosud zcela prozkoumán, a je proto často označován za nevyřešený problém v oblasti hoření. Otázkou chemie hoření a tvorby sazí zůstává především objasnění detailního mechanismu formování prvního a druhého aromatického kruhu a také chemických cest vzniku a polymerizace jednoduchých i polyaromatických uhlovodíků. Triviální, nicméně stále aktuální, je rovněž problém, jak jednoznačně definovat chemické složení sazí [18], [20]. Pro vznik a formování sazí je významná především oblast vrstvy paliva v plameni. Modely sazí dnes popisují proces vzniku a formování v sedmi následujících níže uvedených krocích [187]: 1. Reakce v plynné fázi: Prvním krokem při formování sazí je formování cyklických benzenových c-c 6 H 6 a fenylových c-c 6 H 5 řetězců v plynné fázi. Cyklické molekuly narostou do dvourozměrných polyaromatických uhlovodíků (PAH). 2. Vznik částic: Dvě dvourozměrné PAH se sloučí do jedné trojrozměrné částice. 3. Kondenzace: Částice rostou cestou kondenzace dvourozměrných v trojrozměrné PAH. 43

4. Zvětšování (růst) povrchu: Částice se zvětšují reakcí s plynnou fází. Pro růst sazových částic je důležitý hlavně acetylén (C 2 H 2 ). 5. Koagulace: Spojí se dvě částice sazí. 6. Shlukování: Vytvářejí se velké skupiny částic sazí. 7. Oxidace: Sazové částice se volně koncentrují při reakcích s plynnou fází molekul O 2 a OH. Schematicky je proces vzniku a formování sazí včetně popisu dominantních zdrojů tvorby v rozdílných oblastech v plameni znázorněn na Obr. 3.7 [18], [1]. Obr. 3.7 Schématické znázornění procesu tvorby sazí (A) a popis dominantních zdrojů tvorby sazí v rozdílných oblastech v plameni (B) Množství vznikajících sazí v plameni je dáno složením hořlavé látky a také podmínkami hoření, jakými jsou například koncentrace oxidačního prostředku nebo teplota plamene. Zmiňované faktory spolu přitom úzce souvisí a navzájem se ovlivňují. 3.4 Parametry požáru vhodné pro konstrukci hlásičů Mezi základní parametry využitelné pro zjištění požáru u systémů samočinné detekce požáru patří: 44

teplo uvolněné požárem; kouř tvořený pevnými (saze) a kapalnými částicemi; plynné produkty tepelného rozkladu a hoření; elektromagnetické vyzařování plamene; volné náboje vzniklé působením vysoké teploty při požáru. Soubor parametrů generovaných ohniskem požáru, lze dle procesu jejich přenosu k detekčním systémům požáru (hlásičům požáru) instalovaných mimo vlastní ohnisko požáru rozdělit do dvou skupin níže uvedeným způsobem. K první skupině patří parametry, které nejsou přímo svázané s procesem pohybu a šíření produktů tepelného rozkladu a hoření v prostoru, tj. procesem přenosu hmoty, vyvolaným vznášivým konvektivním proděním od ohniska požáru. K druhé skupině potom patří parametry, svázané s procesem pohybu produktů tepelného rozkladu a hoření (tj. tepla a kouře) v prostoru. Tedy procesem jejich pohybu od ohniska k místu instalace prvků detekce. Pro účely dalšího textu kapitol i lepší orientaci v kapitolách věnovaných problematice detekce požáru je pod pojmem kouř uvažována směs, kterou lze definovat například následujícím způsobem [2]. Kouř je dispersní směs vznikající při procesech tepelného rozkladu a hoření organických hmot, sestávající z nezoxidovaných pevných částic velikosti řádu 10-9 10-5 m, kapalných částic a plynných produktů vznikajících tepelným rozkladem nebo hoření. Společně se značným množstvím vzduchu, který je přisáván nebo jiným způsobem smíchán do této směsi. Zařazení dříve uvedených základních parametrů vhodných k detekci požáru do skupin prezentuje Tab. 3.1. Tab. 3.1 Skupina parametrů vhodných k detekci požáru 45

3.4.1 Parametry nesvázané s šířením produktů hoření Požár a zejména jeho ohnisko reprezentované v převážné míře případů formou plamenného hoření, je zdrojem elektromagnetického záření v optické části spektra. Ve smyslu přenosu tepla zářením je energie uvolněna reakcí hoření do okolí sdílena v ultrafialové (UV), viditelné (VIS) i infračervené (IR) oblasti spektra. V UV oblasti je v převážné míře emise energie svázána s elektronickými přechody molekul z excitovaných energetických hladin na nižší. Ve VIS a IR oblasti je vyzařování energie svázáno především s emisí žhavých sazových částic a v IR oblasti rovněž s emisí molekul plynů. U molekul plynů (s permanentním dipólovým momentem) souvisí vyzařování energie s pohyby atomových jader molekul, které ovlivňují energetické stavy molekuly. Tyto pohyby lze přitom rozdělit na vibrace jader kolem rovnovážných poloh a rotace molekuly. Spektrální složení záření ohniska požáru a jeho integrální intenzita závisí na hořícím materiálu, ploše požáru a rychlosti uvolňování tepla. Výsledné spektrum vyzařování je přitom tvořeno složením spekter kontinuálních (spojitých) a diskontinuálních (pásových, čárových). V případě kontinuálního spektra dochází k vyzařování energie na všech vlnových délkách s charakteristickým maximem v závislosti na teplotě prostředí nebo zářícího tělesa. Ohniskem požáru jsou kontinuální spektra u plamenné formy hoření emitována především sazovými částicemi. Podrobněji je problematika tvorby sazí v plameni diskutována v kapitole 3.3. Emisní spektra diskontinuálního záření obecně souvisí s energetickými přechody excitovaných atomů nebo molekul. Emise ve VIS a UV oblasti je zpravidla způsobena změnou elektronové konfigurace, přičemž pozice spektrálních pásů je dána příslušným energetickým rozdílem elektronického přechodu. Dílčí změny ve vibracích atomů v molekule vymezují specifický charakter jednotlivých spektrálních pásů. Stabilní produkty hoření (jako např. H 2 O, CO 2, CO, NO) se však ve VIS nebo UV oblasti obvykle neprojevují, poskytují ale výrazné vibračně-rotační spektra v IR oblasti viz Tab. 3.2. V UV oblasti vytváří ve smyslu možné detekce požáru vyhodnotitelné diskontinuální spektra pouze OH* (OH radikál) s maximem kolem 306 nm detailně např. [2]. Tab. 3.2 Polohy vibračně rotačních pásů vybraných molekul 46

Spektrální složení vyzařování ohniska požáru i jeho integrální intenzita se však mění v závislosti na rozvoji požáru. Mezi faktory ovlivňující uvedenou skutečnost lze přitom zahrnout např. teploty v plameni, množstevní produkci sazí, skladbu specií a režim hoření. Frekvence změn intenzity (frekvence oscilace plamene) se přitom pohybuje v rozsahu od jednotek do několika desítek Hz v závislosti na geometrických rozměrech požáru viz kapitola 3.2.2. Vliv geometrických rozměrů (průměru paty plamene) požáru na frekvenci oscilace plamene ilustruje Obr. 3.4. Podrobněji např. [1]. Pro identifikaci plamene a detekci požáru na základě uvedených parametrů požáru lze využít hlásičů vyzařování plamene, případně systémů video detekce plamene podrobněji viz kapitola 4. 3.4.2 Parametry svázané s šířením produktů hoření v prostoru Povaha exotermické reakce hoření probíhající při požáru, vede k vyvolání rozdílu teplot mezi ohniskem požáru a jeho okolím. V důsledku uvedené skutečnosti se tak vytváří tlaková diference mezi ohniskem požáru a jeho okolím v přímé souvislosti s rozdílem hustot. Zahřátě plyny o nižší hustotě a v nich obsažené pevné popřípadě kapalné částečky (kouř viz kapitola 3.4), stoupají vzhůru směrem od ohniska požáru ke stropu místnosti tzv. vzestupným konvektivním proudem. Konvektivním proudem od ohniska požáru dochází rovněž k transportu převážné většiny tepla uvolněné reakcí hoření. V důsledku přenosu tepla formou konvekce a jeho sdílení do okolí následně dochází ke změně lokálních teplot především ve stropní části. V důsledku této skutečnosti dochází ke změně charakteristik prostředí pod stropem, které lze identifikovat zařízeními různého druhu. Mezi informativní parametry svázané s přenosem tepla a změnou teploty patří: absolutní změna teploty; rychlost nárůstu teploty; fluktuace teploty vznikající v důsledku turbulentního charakteru proudění. Pro identifikaci a detekci požáru na základě uvedených parametrů lze využít hlásičů teplot detailněji viz kapitola 4. Dalším významným průvodním jevem souvisejícím se vznikem konvektivního proudu a jeho šířením, je přenos plynných složek a pevných částic obsažených v kouři směrem ke stropu místnosti. Pro identifikaci plynných složek kouře a detekci požáru lze využít hlásičů plynů nebo analyzátorů plynů. Pro identifikaci pevných částic koře a detekci požáru pak hlásičů kouře případně systémů video detekce kouře podrobněji viz kapitola 4. 47

Shrnutí Návrh optimálního způsobu detekce požáru úzce souvisí s problematikou parametrů, které požár v jeho fázi vzniku a rozvoje provází. Nezbytným předpokladem rychlé, ale i optimální varianty detekce tj. výběr detekčních prvků (hlásičů požáru) a principů, je umět posoudit průvodní jevy, které lze za daných podmínek při požáru očekávat. Znalost problematiky plamene, vzniku a tvorby sazových částic, parametrů svázaných i nesvázaných se vznikem a vývoje požáru tak představuje nezbytný předpoklad návrhu a aplikace systému detekce požáru. Otázky 1) Jak lze klasifikovat plameny z pohledu způsobu vytváření hořlavého souboru? 2) Který z geometrických parametrů je jedním z dominantních parametrů ovlivňující frekvenci oscilace plamene (frekvenci tvorby vírových struktur)? 3) Definujte kouř? 4) Jakým způsobem lze rozdělit parametry požáru využívané pro detekci požáru v případě hlásičů požáru u systému detekce požáru (EPS)? Literatura [1] BITALA, P. Některé aspekty detekce požáru z pohledu integrace požárně-bezpečnostních zařízení. Ostrava, 2012. 151 s. Disertační práce. VŠB - Technická univerzita Ostrava, Fakulta bezpečnostního inženýrství. Vedoucí práce prof. Dr. Ing. Aleš Dudáček. [2] LUKÁŠ, L. Bezpečnostní technologie, systémy a management III. 1. vyd. Zlín: VeRBuM, 2013. 456 s. ISBN 978-80-87500-35-4 [3] CETEGEN, B.M.; AHMED, T.A. Experiments on the periodic instability of buoyant plumes and pool fires, Combustion and Flame. 1993, 93, s. 157 184. [4] WARNATZ, J.; MAAS, U.; DIBBLE, R.W. Combustion: Physical and Chemical Fundamentals, Modeling and Simulation, Experiments, Pollutant Formation. Heidelberg, Berlin, Berkeley: Springer, 1995, 265 s. ISBN 3-540-60730-7. [5] HAMINS, A.; YANG, J.C.; KASHIWAGI, T. An Experimental Investigation of the Pulsation Frequency of Flames. In Proceedings of the 24 th Symposium (International) on Combustion, Pittsburgh: The Combustion Institute, 1992, s. 1695 1702. 48

[6] PAGNI, P.J. Pool fire vortex shedding frequencies, Applied Mechanics Review, 1990, 43, s. 153 170. [7] BENGTSSON, L.G. Enclosure fire. First published. Anna-Lena Goransson, Bo Svensson. Per Hardestam and other. Björn Karlsson. Karin Rehman. NRS Tryckeri, Huskvarna, Sweden: Swedish Rescue Services Agency, 2001, 192 s. Raddnings Verket. ISBN 91-7253-263-7. U30-647/05. [8] BALOG, K. Hasiace látky a jejich technológie. 1. vydání. Ostrava: Sdružení požárního a bezpečnostního inženýrství, 2004. SPBI Spektrum: Červená řada, 37. 171 s. ISBN 80-86634-49-3. [9] WILLIAMS, F.A. Combustion Theory The Fundamental Theory of Chemically Reacting Flow Systems (2 nd Edition). Menlo Park: Benjamin/Cummings, 1985. [10] SCHREIBER, H.M.; PORST, P. Hasební látky: Chemicko-fyzikální pochody při hoření a hašeni, Díl 1. 1. vydání. Horst Berensmeier. Ladislav Adámek. Arthur Gartner. Praha: Československý svaz požární ochrany, 1972, 174 s. [11] NEVRLÝ, V. Strategie a metody modelování požáru nádrže kapalných uhlovodíků. Ostrava, 2009. 110 s. Disertační práce. VŠB - Technická univerzita Ostrava,, Fakulta bezpečnostního inženýrstvý. Vedoucí práce prof. RNDr. Pavel Danihelka, CSc. [12] QUINTIERE, J.G. Fundamentals of Fire Phenomena. 1. Edition. USA: John Wiley & Sons, Ltd, 2006. 439 s. ISBN 0-470-09113-4. [13] TIESZEN, S.; NICOLETTE, V.; GRITZO, L.; HOLENT, J.; MURRAY, D.; MOYAAND, J. Vortical Structures in Pool Fires: Observation, Speculation, and Simulation. SANDIA REPORT SAND96-2607 UC- 722. Albaqerque, 1996. [14] WANG, L. Detailed chemistry, soot, and radiation calculations in turbulent reacting flows. Pennsylvania, 2004. 197 s. Dostupné z: https://etda.libraries.psu.edu/paper/6203/1481. Doctoral Thesis. Pennsylvania State University, Department of Mechanical and Nuclear Engineering. Thesis advisors Dr. Dan Haworth. [15] BITALA, P.; NEVRLÝ, V.; STRIŽÍK, M.; ZELINGER, Z.; GRIGOROVÁ, E. Hydrodynamické nestability plamene zkoumané v laboratorním měřítku. In ŠVEC, J. Sborník vědeckých prací Vysoké školy báňské - Technické univerzity Ostrava: Řada bezpečnostní inženýrství. 1. vyd. Ostrava: Vysoká škola báňská - Technická univerzita Ostrava, 2010. s. 11-19. Řada bezpečnostní inženýrství, č. 1, ročník V. ISBN 978-80-248-2317-1. ISSN 1801-1764. 49

[16] BITALA, P.; NEVRLÝ, V.; STŘIŽÍK, M.; DLABKA, J.; GRIGOROVÁ, E.; KOČVÁŘOVÁ, P.; KOZUBKOVÁ, M.; BOJKO, M.; ZELINGER, Z.; FERUS, M.; KUBÁT, P.; CIVIŠ, S. Oscillatory behaviour of cup-burner flame inhibited by inert gases studied for model validation purposes. Cleaner Combustion 2011: CM 0901: Detailed Chemical Models for Cleaner Combustion 1st Topical Workshop: Methods for model simplification, evaluation and improvement, 28 th June, 2011, School of Engineering, Cardiff University, UK. [17] CETEGEN, B.M.; DONG, Y. Experiments on the instability modes of buoyant diffusion flames and effects of ambient atmosphere on the instabilites. Experiments in Fluids, 2000, 28, s. 546 558. [18] DEDERICHS, A.S. Flamelet Modelling of Soot Formation in Diffusion Flames. Lund, 2004. 149 s. ISBN 91-628-6127-1. ISSN 1102-8246. Doctoral thesis. Lund university, Department of Fire Safety Engineering, Lund Institute of Technology. Thesis supervisor prof. Göran Holmstedt. [19] LAHAYE; J.; PRADO; G. Particulate Carbon Formation During Combustion, Morphology and Internal Structure of Soot and Carbon Blacks, Plenum Press, 3 edition, 1981. [20] MCKINNON, J.T.; HOWARD, J.B., The roles of pah and acetylene in soot nucleation and growth, Twenty-Fourth Symposium (International) on Combustion. The Combustion Institute, Pittsburgh, 1992, s. 965 971. Přestávka Samá práce, žádná legrace? Někdy je prostě potřeba trošičku polevit, abyste se ve výkladu neutopili. 50

4. Detekce požáru základní komponenty systému EPS Kapitola je věnována teorii, funkci a použití elektrické požární signalizace. Zvláštní pozornost je v případě jednotlivých kapitol věnována především rozdělení a popisu jednotlivých komponentů systému EPS tj. hlásičů požáru a ústřednám. Zmiňována problematika je diskutována rovněž v kontextu detekce požáru ve specifických podmínkách pozemních tunelových staveb. Cíl kapitoly Cílem je seznámit se problematikou detekce požáru. Přečtením kapitoly získáte informace o funkci systému EPS. Budete umět rozdělit jednotlivé druhy hlásičů požáru a znát detekční princip funkce, který je v případě hlásičů požáru využíván pro identifikaci požáru i jeho monitorování. Vstupní znalosti Pro nastudování této kapitoly je zapotřebí orientace v problematice parametrů požáru, které lze využít pro účely detekce požáru. Pro pochopení obsahové stránky jednotlivých kapitol je rovněž potřeba základní orientace v problematice elektrotechniky a to minimálně na úrovni základní všeobecné fyziky. Nezbytným předpokladem je rovněž jako v případě všech předešlých kapitol chuť získávat nové informace. Klíčová slova Systém EPS, hlásiče požáru, tlačítkové hlásiče požáru, detekční princip, Doba pro studium Pro nastudování této kapitoly budete potřebovat přibližně 240 minut času. 4.1 Úvod Pravděpodobnost vzniku požáru způsobená mechanickou nebo elektrickou závadou na vozidle (brzdy, pneumatiky, přívod paliva, zkrat na elektroinstalaci vozidla apod.) je v tunelu stejná jako na otevřené komunikaci. Většina požáru, které vzniknou v důsledku provozu v tunelech má tuto příčiny. K provozním závadám vozidel je však nutné v tunelu zařadit požáry, které můžou vzniknout v důsledku nehody vozidel nebo závad na technologiích v tunelu. I přes skutečnost, že k těmto situacím dochází jen velmi zřídka, je v případě jejich vzniku v tunelu situace velmi vážná. Mezi faktory, které v případě takovéto situace zvyšují riziko požáru lze zařadit především omezený uzavřený prostor s možnou koncentrací toxických plynů, rychlý vývoj teplot především v blízkém okolí požáru nebo vznik paniky v případě zúčastněných osob. 51

Nezbytným předpokladem úspěšné evakuace osob, minimalizace škod způsobených požárem i provedení rychlých bezpečnostních opatření je vždy podmíněno včasným zjištění požáru. V případě situace požáru v tunelu, není možné ponechat zjištění požáru na náhodě, ale použít vhodného technického systému, který vznikající požár zjistí, vyhlásí požární poplach a případně provede i další potřebná opatření. K tomuto účelu slouží systém elektrické požární signalizace (EPS). 4.2 Systém elektrické požární signalizace Systémy elektrické požární signalizace (dále jen EPS) představují významný prvek v souboru moderních sofistikovaných technologií objektů. Úkolem systému EPS je zajistit včasnou detekci a lokalizaci požáru již v jeho raném stádiu a následné předání poplachové informace složkám zajišťujícím represivní zásah. V případě některých aplikací mohou tyto systémy rovněž ovlivňovat funkci systémů hašení a jejich vzájemnou vazbu na funkci dalších bezpečnostních systémů jako například systému dodávky energií, větrání, hašení apod. Správná a spolehlivá funkce tohoto požárně bezpečnostního zařízení proto souvisí jak s realizovanými protipožárními opatřeními, tak i s hašením požáru a bezpečnou evakuací osob. Základní konfigurace systému EPS je tvořena: hlásiči požáru; ústřednou EPS; signalizačními a doplňujícími zařízeními. Detailně je systém EPS včetně veškerých připojených, ovládaných, doplňujících a monitorovaných zařízení i jeho funkce znázorněn na Obr. 4.1 [7]. Podrobněji budou některé z prvků systému EPS diskutovány v jednotlivých kapitolách v textu. Podle schopnosti identifikace místa požáru rozdělujeme obecně systémy EPS do dvou hlavních skupin na systémy s kolektivní adresací a systémy s individuální adresací. Systémy EPS s kolektivní adresací Jedná se o takové systémy, u kterých lze použít pouze požárních smyček s kolektivní adresací. Ústředna je tedy schopna pouze rozlišit, ze které požární smyčky signál POŽÁR přišel, ale již nezjistí, od kterého hlásiče. V těchto systémech není také technicky možné používat hlásiče (senzory) s přenosem naměřené hodnoty do ústředny EPS. Z pohledu využití je systém s kolektivní adresací využitelný především v objektech, kde nevzniká požadavek na přesnou identifikaci místa ohniska požáru. 52

V případě realizace bezpečnosti pozemních tunelových staveb je využití systémů EPS s kolektivní adresace nevyhovující. V případě instalací jsou proto pro účely detekce požáru využívány systémy EPS s individuální adresací. Systémy EPS s individuální adresací Systémy EPS s individuální adresací umožňují přesnou lokalizaci požáru Buď na konkrétní hlásič požáru, nebo na vhodně navrženou skupinu hlásičů. Variantu identifikace požáru na funkční skupinu lze využít především v místech, kde není přesná lokalizace požáru vyžadována. Příkladem takovéto instalace může být například instalace v technologických prostorech. Systémy EPS s individuální adresací umožňují rovněž využití hlásičů (senzorů) s přenosem naměřené hodnoty do ústředny EPS. Obr. 4.1 Funkce a komponenty zařízení a systému EPS 53

4.2.1 Hlásiče požáru Hlásiče požáru slouží k identifikaci a lokalizaci požáru ve stádiu jeho vzniku a rozvoje. Z pohledu základního rozdělení lze hlásiče požáru rozdělit na dva druhy a to na hlásiče tlačítkové a hlásiče samočinné. U tlačítkových hlásičů je detekční funkce hlásičů podmíněna vyhodnocením parametru provázejících požár osobou zúčastněnou v místě požáru a jeho aktivací. Tlačítkové hlásiče požáru lze dle způsobu aktivace rozdělit na dva typy. Prvním typem tlačítkových hlásičů jsou hlásiče s přímou obsluhou (typu A), druhým tlačítkové hlásiče s nepřímou obsluhou (typu B). U hlásičů s přímou obsluhou dochází k aktivaci hlásiče pouze následkem rozbití nebo posunutí křehkého ochranného prvku hlásiče a samočinným sepnutím funkčního tlačítka. V případě hlásičů s nepřímou obsluhou je aktivace od tohoto typu hlásiče podmíněna nejen rozbitím či posunutím křehkého ochranného prvku, ale i následným stiskem funkčního tlačítka hlásiče příslušnou osobou. Po aktivaci zůstává funkční tlačítko hlásiče aretováno mechanickou nebo magnetickou aretací v poloze signalizace požár. Informace je zpracována elektronikou hlásiče a přenesena prostřednictvím hlásicí linky do ústředny EPS. Oba zmiňované typy tlačítkových hlásičů znázorňuje Obr. 4.2. Obr. 4.2 Tlačítkové hlásiče požáru Vzhledem ke skutečnosti, že detekce požáru je u tlačítkových hlásičů podmíněna lidským činitelem, je z pohledu jeho funkce vždy podstatné uvážit, jak exponované osoby vnímají jednotlivé podněty související s požárem, a jak jsou schopny tyto podněty následně vyhodnotit. Druhou skupinu hlásičů požáru tvoří hlásiče samočinné. U této skupiny hlásičů je vyhodnocování požáru realizováno hlásiči samočinně na základě vyhodnocení výskytu nebo změny fyzikálních parametrů souvisejících se vznikem požáru v místě instalace nezávisle na lidském činiteli. Samočinné hlásiče požáru lze klasifikovat podle celé řady kritérií. K nejužívanějšímu způsobu klasifikace samočinných hlásičů požáru patří klasifikace podle vyhodnocovaného jevu. Dle tohoto kritéria lze samočinné hlásiče rozdělit na [5]: 54

hlásiče kouře; o hlásiče kouře ionizační, o hlásiče kouře optické hlásiče teplot; hlásiče plamene; hlásiče plynu; hlásiče multisenzorové. Hlásiče kouře ionizační Detekce požáru je u ionizačních hlásičů kouře založena na vyhodnocení změny vodivosti ionizovaného plynného prostředí detekční komůrky v důsledku průniku a přítomnosti nezoxidovaných pevných částic kouře do komůrky. Plyny jsou za normálních poměrů prakticky nevodivé, jsou tedy velmi dobrými izolanty. Z toho lze usuzovat, že plyny obsahují obvykle pouze velmi málo iontů a stanou se vodivými jen za jistých okolností, které jsou z nějaké příčiny příznivé vzniku a udržování iontů neboli ionizaci plynu. Ionty se totiž v plynech při setkání s opačně nabitými částicemi (elektrony nebo ionty) mění zase v neutrální atomy nebo molekuly. Proto je třeba ke vzniku, ale i udržení ionizace neustále ionty vytvářet. Způsoby, kterými toho lze dosáhnout mohou být různé: Vysoká teplota. Mají-li molekuly plynu tak velkou kinetickou energii, že mohou vzájemnými srážkami způsobit odtržení elektronů od atomu, plyn se ionizuje. Elektrické pole. Obsahuje-li plyn nepatrné množství iontů, mohou být tyto ionty urychleny elektrickým polem do té míry, že získají dostatečnou energii, aby nárazem na molekulu odtrhly některé z elektronů. Radioaktivní záření,. Částice a jsou velmi rychlé nabité částice, a proto ionizují plyn stejným způsobem jako ionty urychlené elektrickým polem. Elektromagnetické záření. Absorpcí krátkovlnného záření, např. ultrafialového světla, paprsků X nebo, může získat oběžný elektron energii potřebnou k odtržení od jádra atomu. Z pohledu konstrukce ionizačních hlásičů se z mnoha praktických důvodů využívá pro ionizaci plynného prostředí detekční komůrky ionizace radioaktivním zářičem. Jako zdroj záření se obvykle používá hermeticky uzavřený zdroj záření nejčastěji tvořen sloučeninou 241 Am nebo 226 Ra s aktivitou od 5kBq do 40kBq. 55

Záření alfa je tvořeno jádry helia (heliony). Využití alfa zdroj záření je z hygienických i technických důvodu pro tento účel nejvhodnější. Důvodem je velmi malá dráha, na které ztrácí alfa částice veškerou svou energii tzv. dolet částice. Vzhledem k tomu, že alfa částice ztrácejí ionizací energii rychle, je jejich dolet velmi malý. U plynů je to řádově několik centimetrů. Ionizační komůrka je u ionizačních hlásičů požáru tvořena dvojicí elektrod, mezi kterými je vzduch ionizovaný radioaktivním alfa zářičem. V závislosti na umístění zářiče, lze detekční komůrky klasifikovat na unipolární a bipolární viz Obr. 4.3. Obr. 4.3 Unipolární (A) a bipolární (B) ionizační komůrka Ve vztahu k umístění zářiče je v případě unipolární komůrky zářič umístěn blízko záporné elektrody, tudíž ionizující pouze malou část prostoru komůrky viz Obr. 4.3 A. Při této konfiguraci, je většina kladných iontů soustředěna na katodě, umožňující tok převážně záporným iontům skrz komůrku k anodě. Bipolární komůrka má zářič umístěn centrálně tak, že celý prostor komůrky podléhá ionizaci, viz Obr. 4.3 B. Z pohledu vzájemného srovnání má konfigurace unipolární komůrky přibližně tři krát větší citlivost než bipolární. Důvodem vyšší citlivosti je to, že u této konfigurace nedochází ke ztrátám volných iontů v důsledku jejich samovolné rekombinace. Vložíme-li na elektrody detekční komůrky napětí, jsou ionty vzniklé ionizací uváděny elektrickým polem do pohybu a mezi elektrodami prochází proud. Vzájemnou závislost mezi hodnotou přivedeného napětí a proudu procházejícího mezi elektrodami ionizační komůrky obecně popisuje voltampérová charakteristiky ionizační komůrky. Tato závislost je důležitá především z pohledu volby a způsobu měření tj. volby pracovního oblasti (bodu) komůrky. Za běžných podmínek má při stálé intenzitě záření zářiče voltampérová charakteristika typický průběh, který kvantitativně znázorňuje Obr. 4.4. 56

Obr. 4.4 Závislost ionizačního proudu na napětí I. Obor Ohmova zákona. Vyznačuje se úměrností ionizačního proudu na napětí, která platí pro dost malá napětí U K < U 1, při nichž je rychlost udělená iontům elektrickým polem malá proti rychlostem termických pohybů. Zpočátku roste počet iontu vzniklých ionizací, ale zároveň roste i pravděpodobnost setkání kladných iontů se zápornými a ionty se v rostoucím počtu znovu spojují v neutrální molekuly, ustálený stav vznikne, když počet iontů zaniklých touto rekombinací dosáhne počtu iontů vznikajících ionizací. II. III. VI Obor nasycených proudů. Je charakterizován jistou stálou hodnotou proudu, která je dána množstvím iontů vzniklých za sekundu v celém objemu plynu, protože ionty dosahují v poli rychlosti velkých proti termickým rychlostem a rekombinace se již znatelně neprojevují. Obor proporcionálnosti. Začíná napětím U 3, při kterém jsou ionty vzniklé průchodem záření urychleny polem do té míry, že vytvářejí další ionty nárazem na neutrální molekuly. Každý iont urychlený polem vytvoří stejný počet nových iontů, který až do určitého napětí U 4 nezávisí na hodnotě přivedeného napětí. V této oblasti (III) je tedy ionizační proud proporcionální počtu iontů vzniklých přímým působením záření. Při dalším zvyšování napětí (III ) roste sice ionizační proud urychleně s napětím, ale zpomaleně s počtem původních iontů vzniklých ionizačním zářením, až při dosti vysokém napětí U 4 již na intenzitě záření nezávisí. Geigerův obor. Začíná napětím U 4 a končí napětím U 5, při němž již nastává výboj. Pracovní oblast detekční komůrky je u ionizačních hlásičů kouře obvykle navržena do oblasti oboru nasycených proudů voltampérové charakteristiky, 57

z důvodu maximální eliminace vlivu rekombinací iontů na hodnotu proudu procházejícího ionizační komůrkou. U ionizačních hlásičů kouře jak již bylo výše zmiňováno, je princip detekce požáru založen na vyhodnocování změny vodivosti ionizační komůrky v důsledku průniku pevných částic kouře do detekční komůrky. Při přivedení napětí na elektrody, mezi nimiž je umístěn zářič, začne mezi elektrodami procházet proud. Prostředí mezi elektrodami vykazuje určitou vodivost. Při vzniku požáru a průniku pevných částic kouře do detekční komůrky se ionty účastnící se vedení proudu vážou na částice kouře, jež mají vzhledem ke své velikosti a hmotnosti výrazně nižší pohyblivost. Důsledkem snížení pohyblivosti iontů, je pak pokles vodivosti prostředí mezi elektrodami ionizační komůrky. Velikost poklesu proudu je závislá na vlastnostech aerosolu a jeho koncentraci. Uvedenou skutečnost ilustruje Obr. 4.5. Obr. 4.5 Princip detekce ionizačního hlásiče kouře Velikost proudů procházející ionizační komůrkou se pohybuje v řádu 10-11 A. Při detekci požáru, se z praktického pohledu (vzhledem velikosti proudu procházejícího detekční komůrkou ionizačního hlásiče) generuje poplachový signál ve vyhodnocovacím obvodu na základě vyhodnocování napěťových změn. Ty vznikají mezi detekční komůrkou a referenčním okruhem elektroniky hlásiče. Napěťové změny (tj. změny úbytku napětí na detekční komůrce), jsou vyvolané průnikem pevných částic kouře do detekční komůrky, poklesem její vodivosti (nárůstem odporu) při konstantně udržované hodnotě proudu procházejícího komůrkou. Hlásiče kouře optické Přítomnost pevných částic kouře generovaných v průběhu požáru ovlivňuje šíření světelného paprsku emitovaného skrz vrstvu vzduchu kontaminovanou kouřem. Tento efekt lze z pohledu konstrukce optických hlásičů kouře využít k detekci vznikajícího požáru dvěma způsoby: 58

1. Vyhodnocování rozptylu optického paprsku. 2. Vyhodnocování pohlcování optického paprsku. Hlásiče kouře optické využívající pro detekci požáru vyhodnocování rozptylu optického paprsku, jsou nejčastěji hlásiče bodové. K rozptylu optického paprsku dochází v důsledku interakce optického záření a pevných částic kouře. Detekční část optického hlásiče kouře je tvořena detekční komůrkou, ve které je zdroj optického záření a optický přijímač. Detekční komůrka hlásiče kouře je vymezena labyrintem lamel, který zabraňuje průniku okolního světla do komůrky, avšak umožňuje průnik kouře. Barva lamel i vnitřní části detekční komůrky je matně černá, což umožňuje eliminovat možný odraz optického záření zdroje od povrchu detekční komůrky. Z pohledu spolehlivosti jde především o snahu zvýšit spolehlivost funkce hlásiče a eliminovat plané poplachy. Optickým zdrojem (vysílačem) je nejčastěji LED dioda pracující v infračervené oblasti. Optický přijímač je tvořen infračerveným detektorem. Schematicky je konstrukce detekční komůrky znázorněna na Obr. 4.6. Obr. 4.6 Konstrukce detekční komůrky bodového hlásiče kouře Zdroj a přijímač jsou vzájemně orientovány tak, že za normálních podmínek tj. bez přítomnosti kouře v komůrce nemůže optický paprsek emitovaný zdrojem dopadat na detektor. Při vzniku požáru a vniknutí kouře do detekční komůrky hlásiče, dochází v důsledku rozptylu optického paprsku kouřem k dopadu paprsku na detektor. Zdroj přitom obvykle nepracuje kontinuálně, ale v pulsním režimu. Pulsní režim zdroje umožňuje nejen snížit spotřebu elektrické energie, ale nabízí i možnost zvýšit spolehlivost detekce. Při vyhodnocování se kontroluje, zda se synchronně s vysláním paprsku objeví impuls i na detektoru. V případě, že k uvedené situaci dojde opakovaně, je stav vyhodnocen hlásičem jako požár. Vyhodnocování synchronnosti mezi vysláním paprsku ze zdroje a jeho dopadu na detektor, umožňuje rovněž eliminaci možného rozptylu paprsku na povrchu lamel detekční komůrky např. v důsledku zaprášení lamel. Princip detekce požáru hlásičem kouře využívající rozptyl optického paprsku znázorňuje Obr. 4.7. 59

Obr. 4.7 Princip detekce bodového hlásiče kouře Detekční princip hlásičů kouře využívající principu rozptylu optického paprsku, je v závislosti na vlnové délce použitého optického zdroje a úhlu, který vzájemně svírají vysílač a přijímač použitelný pro detekci pevný částic kouře velikosti 4 až 10 m. Vyhodnocování pohlcování optického paprsku je obvykle využíváno u hlásičů kouře lineárních. Metoda detekce požáru je v případě těchto hlásičů založena na vyhodnocování změny intenzity záření emitovaného zdrojem k přijímači v důsledku jeho absorpce kouřem při průchodu střeženým prostorem. Teorie absorpce záření pevnými částicemi kouře je popsána Lambert- Beerovým zákonem. Ten definuje, že zeslabení optického záření, je exponenciální funkcí optické délky paprsku, koncentrace částic a koeficientu extinkce částic. Uvedenou závislost vyjadřuje rovnice (4.1): (4.1) kde I je přenesená intenzita záření na dráze délky l a I 0 je počáteční intenzita (čistý vzduch) emitovaná zdrojem záření [2]. Hlásiče kouře využívající pro detekci požáru metody vyhodnocování změny (zeslabení) intenzity záření sestávají ze dvou vzájemně oddělených části. Uvedená konstrukce přitom může být řešena dvěma způsoby a to: 1. Vzájemně odděleným vysílačem (zdrojem) a přijímačem. 2. Vysílačem (zdrojem) a přijímačem integrovaným v jedné části a odrazným zrcadlem. Vysílač je u většiny aplikací realizován s využitím optického zdroje, emitující záření v infračervené části elektromagnetického spektra. Jako přijímače, je obvykle využíváno křemíkových infračervených fotodetektoru, schopných produkovat elektrické napětí jako odezvu na dopad IR paprsku na fotodetektor. Hodnota napětí je přitom závislá na intenzitě záření přeneseného na dráze délky paprsku z vysílače do přijímače. Součástí konstrukce hlásiče je rovněž kolimační optický systém. Prahová úroveň detekce požáru je obvykle nastavitelná a udávána procentuálním zeslabením počáteční intenzity záření 60

emitované vysílačem (čistý vzduch) k přijímači a intenzity, kdy je záření absorbováno v důsledku průchodu vrstvou kouře (obvykle o 25%, 50% nebo 70%). Při celkovém přerušení paprsku je signalizována porucha. Koncepce jednotlivých způsobu řešení konstrukci hlásičů kouře na principu absorpce s ilustrací principu detekce je znázorněna na Obr. 4.8 a Obr 4.9. Obr. 4.8 Princip detekce požáru lineárním hlásičem kouře s odděleným přijímačem a vysílačem Obr. 4.8 Princip detekce požáru lineárním hlásičem kouře s integrovaným přijímačem a vysílačem a odrazným zrcadlem 61

Detekční princip hlásičů kouře využívající principu absorpce optického paprsku, je v závislosti na vlnové délce použitého optického zdroje (vysílače) použitelný pro detekci pevný částic kouře velikosti 0,1 až 10 m. Vzájemná vzdálenost mezi vysílačem a přijímačem může být u většiny používaných hlásičů 10 až 100 m. Hlásiče teplot Hlásiče teplot jsou historicky nejstaršími detekčními prvky, které jsou využívané pro účely detekce požáru v systémech elektrické požární signalizace. Vývoj hlásičů teplot lze datovat od roku 1860 a je spjat především s vývojem detekčních prvků sprinklerových stabilních hasicích zařízení. Princip detekce je záložen na vyhodnocování teplotních změn v místě instalace, vyvolaných uvolňovaným teplem v důsledku exotermického charakteru reakce hoření. Ve vztahu k detekci vznikajícího požáru je u hlásičů teplot významný především mechanismům sdílení tepla konvekcí. Hlásiče teplot lze rozdělit na [5]: bodové hlásiče teplot. lineární hlásiče teplot. Bodové hlásiče teplot jsou obvykle založeny na měření a vyhodnocování teploty v určitém místě prostoru pomocí teplotně elektrického převodníku (např. termistoru). Vyhodnocení takto získaného signálu se provádí buď z hlediska překročení stanovené maximální přípustné teploty v prostoru teploty reakce (statický hlásič) nebo z hlediska překročení maximální přípustné rychlosti nárůstu teploty (diferenciální hlásič). Lineární hlásiče teplot lze ve smyslu [4] klasifikovat na lineární hlásiče teplot případně lineární hlásiče teplot liniového typu. Lineární hlásiče teplot liniového typu lze obecně rozdělit podle použitého teplocitlivého detekčního prvku na hlásiče s metalickým detekčním kabelem, hlásiče s optickým detekčním kabelem (tzv. světlovodné) a pneumatické. V případě lineárních hlásičů teplot liniového typu s metalickým detekčním kabelem, lze tyto dále klasifikovat na digitální (dvoustavové) a analogové (vícestavové). Digitální lineární hlásiče teplot liniového typu, jsou ve smyslu detekce založeny na vyhodnocování skokové změny odporu detekčního metalického kabelu v důsledku zkratu vodičů v detekčním kabelu. Detekční kabel se skládá ze dvou, obvykle ocelových vodičů vzájemně izolovaných polymerem citlivým na teplo. Izolované vodiče jsou vzájemně zkroucené a předpružené, následně jsou zabalené ochrannou fólií a nakonec opatřeny vnějším pláštěm. 62

Při požáru, kdy je detekční kabel vystaven tepelnému namáhání dojde při překročení stanovené teploty ke ztrátě mechanické pevnosti teplo-citlivé izolace, jejímu proříznutí a vzájemnému zkratu vodičů. Konstrukci teplocitlivého detekčního kabelu znázorňuje Obr. 4.9. Obr. 4.9 Konstrukce detekčního kabelu Způsob detekce požáru (poruchy detekčního kabelu) s využitím digitálního lineárního hlásiče teplot liniového typu ilustruje Obr. 4.10 [9]. Obr. 4.10 Princip detekce s využitím digitálního lineárního hlásiče teplot Analogový lineární hlásič teplot liniového typu je obdobně jako digitální tvořen dvoužilovým vodičem. Použitá izolace žil ztrácí se vzrůstající teplotou elektrické izolační schopnosti (stoupá její elektrická vodivost). Zvýšení teploty detekčního kabelu, který je vystaven tepelnému namáhání požárem se tedy projevuje nedokonalým zkratem mezi žílami vodiče. Tento jev je do určité teploty reverzibilní, tedy po poklesu teploty se parametry detektoru vrací do původních hodnot. 63

Lineární hlásiče teplot liniového typu s optickým detekčním kabelem (světlovodné) jsou z pohledu detekce založeny buď na vyhodnocování změně optických vlastností světlovodu vyvolaných jejich mechanickým namáháním (první generace - starší varianta hlásičů), nebo na využití Ramanova rozptylu (druhé a třetí generace- novější varianta hlásičů). Mechanického namáhání světlovodu při změně teploty je možné dosáhnout jeho mechanickým propojením s paralelně umístěným válečkem z materiálu s velkou teplotní roztažností. Změna optických vlastností světlovodu v mechanicky namáhaném místě je vyhodnotitelná na základě odrazu části optického signálu, vysílaného do světlovou, v místě změny optických vlastností. Příkladem takto konstruovaného liniového hlásiče je znázorněn na Obr. 4.11. Obr. 4.11 Detekční princip lineárního hlásiče teplot liniového typu s optickým vláknem (první generace) Modernější variantou lineárních hlásičů teplot liniového typu s optickým detekčním kabelem je konstrukce založená na využití Ramanova rozptylu. Ten vzniká při interakci fotonů dopadajícího světla s vibračními stavy atomů nebo molekul. Rozptýlené záření má potom jinou vlnovou délku, než dopadající záření. Můžeme identifikovat dvě pásma vlnových délek rozptýleného záření Stokesovo pásmo (má vlnové délky větší, než dopadající záření) a anti- Stokesovo pásmo (má vlnové délky kratší, než dopadající záření). Intenzita záření v anti-stokesově pásmu je závislá na teplotě, s rostoucí teplotou se zvyšuje a naopak viz Obr. 4.12. Odlišnost ve smyslu lineárních hlásičů teplot liniového typu druhé a třetí generace je především v maximální možné délce optického detekčního kabelu. V případě druhé generace se maximální délka detekčního kabelu pohybovala až na hranici 4 km. U třetí generace je již délka maximální délka kabelu až na hranici 10 km. Předností lineárních hlásičů teplot s optickým detekčním kabelem je možnost monitorování teploty po celé délce optického vlákna s vysokou přesností měření (až ± 1 C). 64

Detekční kabel navíc v případě lineárních optických hlásičů teplo obsahuje dvě optické vlákna, jež umožňuje realizaci redundance detekční části viz Obr. 4.14. Obr. 4.12 Ramanův rozptyl u optického lineárního hlásiče teplot liniového typu Z doby, kdy se rozptýlené záření vrátí do vyhodnocovací jednotky, je možné určit místo rozptylu tj. místo zvýšené teploty, a z intenzity záření v anti- Stokesově pásmu potom, o jak velkou teplotu (resp. změnu teploty) se jedná. Princip hlásiče je znázorněn na Obr. 4.13. Obr. 4.13 Princip lineárního hlásiče teplot liniového typu na bázi Ramanova rozptylu Příkladem takto konstruovaného lineárního hlásiče teplot liniového typu je např. teplotní detekční systém FibroLaser II a III [8]. 65

Lineární hlásiče teplot liniového typu s optickým detekční kabelem jsou využívány především jako hlásič EPS pro průmyslové aplikace. Například v pozemních a železničních tunelech, kabelových kanálech, pro ochranu kolektorů, elektrických rozvaděčů, ale i detekce požáru v nádržích na hořlaviny, ochrana mrazíren, leteckých hangárů, v dolech a vysoce prašných prostředích, venkovních a výbušných prostředích. Lze jej úspěšně použít také k signalizaci přehřátí určitých zařízení, kabelů, ale i mechanických částí a tím lze zamezit požáru dříve, než stačí vůbec vzniknout. Příklady realizace detekce s využitím lineárního hlásiče teplot s optickým detekčním kabelem jsou znázorněny na Obr. 4.14 [3]. Obr. 4.14 Způsoby realizace detekce Pneumatické lineární hlásiče teplot liniového typu jsou tvořeny tenkou detekční senzorovou trubičkou naplněnou plynem a vyhodnocovací částí. Rozhodujícím činitelem pro vyhodnocení teplotních změn jsou objemové resp. tlakové změny plynu v detekční senzorové trubičce hlásiče vyvolané jeho teplotní objemovou roztažností. Při vzniku a rozvoji požáru, dochází vlivem sdílení tepla do detekční senzorové trubičky hlásiče ke zvyšování tlaku plynu v uzavřeném snímacím systému. Vyhodnocovací jednotka hlásiče sleduje časový průběh změny tlaku a jeho okamžitou hodnotu tzn., že hlásič pracuje jako statický i diferenciální. Parametry statické (související s překročením definované teploty) i diferenciální části (související s rychlostí změny teploty) hlásiče jsou 66

programově nastavitelné. Pomalé změny tlaku vyvolané například kolísání teplot v průběhu dne jsou automaticky korigovány. Celistvost detekční senzorové trubičky je v průběhu provozu samočinné testována, periodickým zvyšováním tlaku malým kompresorem s následným vyhodnocováním rychlosti poklesu tlaku. Poškození detekční senzorové trubičky je signalizováno jako porucha. Princip pneumatického lineárního hlásiče teplot liniového typu ilustruje Obr. 4.15. Obr. 4. 15 Blokové schéma pneumatického lineárního hlásiče teplot liniového typu Mezi lineární hlásiče teplot liniového typu, lze zařadit i tzv. vícebodový hlásič teplot. Zmiňovaný hlásič je tvořen hermeticky uzavřeným detekčním kabelem a vyhodnocovací a řídicí jednotkou. Detekční kabel obsahuje diskrétní polovodičová teplotní čidla (senzor a elektronika) vzájemně propojená sběrnicí, která je tvořená plochým vodičem se čtyřmi žilami. Čidla jsou do kabelu integrována se standardní roztečí 1, 2, 3, 4 nebo 5 m, případně s volitelnou roztečí po minimálně 0,25 m. Každému z čidel v detekčním kabelu je přiřazena jedinečná adresa. Řídicí a vyhodnocovací jednotka komunikuje s čidly v pravidelných definovaných časových cyklech formou dotazů a odpovědí (s periodou cca 10 s). Jednotka hlásiče přitom získává aktuální informaci o teplotě v daném bodě v detekčním kabelu a to s přesností až 0,1 C. Detekce požáru je závislá na algoritmu vyhodnocování, který může vyhodnocovat překročení maximální definované teploty, rychlost změny teploty v čase, rozdíl teploty mezi jednotlivými čidly apod. Detekční kabel lze využít pro měření teplot v rozsahu od -55 C do +85 C (krátkodobě až 120 C) [15]. 67

Maximální délka detekčního kabelu je až 2500 m. Deklarovaná životnost detekčního kabelu je 30 let. Detail konstrukce detekčního kabelu hlásič je schematicky znázorněn na Obr. 4.16. Obr. 4.16 Konstrukce detekčního kabelu lineárního hlásiče teplot liniového typu s diskrétními čidly Hlásiče plamene Hlásiče plamene jsou dle konfigurace hlásiče bodového typu. Detekují požár na základě vyhodnocování specifických vlastností radiace plamene při požáru. Mezi parametry plamene využívané pro detekci patří intenzity vyzařování, spektrální charakter vyzařování a jejich časová proměnlivost tj. frekvence oscilace plamene podrobněji viz kapitola 3.2.2 a 3.4.1. Ve smyslu rychlosti detekce požáru jde při správné instalaci a vhodné oblasti aplikace detekčního principu o hlásiče s nejkratší dobou reakce na vzniklý požár. Hlásiče plamene lze podle orientace na specifickou oblast vlnových délek elektromagnetického spektra rozdělit na: infračervené (IR) hlásiče plamene; ultrafialové (UV) hlásiče plamene; ultrafialové/infračervené (UV/IR) hlásiče plamene 68

Infračervené hlásiče vyzařování plamene sestávají z optických prvků, které umožňují usměrnit energii emitovanou plamenem na detekční prvek hlásiče a odstínit vyzařování možných rušivých zdrojů v IR oblasti spektra (např. slunce nebo osvětlovacích a topných těles). Signál z detektoru je následně vyhodnocen elektronikou hlásiče. Jako detekčních prvků se u IR hlásičů plamene využívá fotoelektrických nebo fotoodporových detektorů na bázi křemíku (Si), sulfidu olovnatého (PbS), arsenidu india (InAs) nebo selenidu olovnatého (PbSe). Ve smyslu praktických aplikací pak k nejčastěji využívaným patří detektory na bázi Si a PbS. Jednodušší ale dosud stále často používanou variantou IR hlásičů plamene, jsou tzv. monochromatické IR hlásiče. Pro detekci požáru se u těchto hlásičů využívá vyhodnocování intenzity vyzařování plamene na vhodně zvolené vlnové délce v IR oblasti v kombinaci s modulační frekvencí plamene v rozsahu 5 až 30 Hz. Další z možných alternativ IR hlásičů plamene jsou pak IR/IR hlásiče plamene (tzv. dvoubarevný systém ). U této koncepce je detekce požáru realizována na dvou odlišných vlnových délkách IR spektra. Na základě jejich porovnání je následně realizována detekční funkce hlásiče. Algoritmus detekce je i v případě takto koncipovaných hlásičů doplněn o požadavek splnění podmínky modulovaného charakteru vyzařování. Ve smyslu detekce požáru je u IR/IR hlásičů plamene obvykle využito spektrálních pásů 2,5 až 2,8 m a 4,2 až 4,5 m. Ty reprezentují vrcholy absorpce slunečního záření v důsledku přítomnosti H 2 O a CO 2 v atmosféře. Ve smyslu emisního spektra plamene, pak tyto oblasti vlnových délek představují lokální maxima vyzařování plamene, viz Obr. 4. 17 [22]. Obr. 4.17 Typické emisní spektrum uhlovodíkového plamene (volné hoření benzínu) 69

IR hlásiče vyzařování plamene lze ve smyslu monitorované oblasti označit za objemový senzor pracující v modu fixním nebo skenovacím. Ve fixním modu monitoruje hlásič konickou oblast, jejíž rozsah je limitován parametry použité optické soustavy a citlivostí hlásiče tj. hodnotou prahové úrovně detekce. Zorný úhel hlásiče se u hlásičů s fixním modem může pohybovat v rozsahu od 15 do 170 v horizontálním i vertikálním směru a dosah až v desítkách metrů. U hlásičů pracujícím ve skenovacím modu umožňuje využití systému otáčejícího se zrcadla monitorování prostoru v rozsahu až 360 horizontálně a až 100 vertikálně (zorný úhel). Pro detekci požáru lze využít rovněž UV oblast emisního spektra plamene. Ve většině případů, je u hlásičů vyzařování plamene pracujících v UV oblasti využíváno vyhodnocování emise OH radikálů. Ve smyslu algoritmu detekce jde obdobně jako u IR hlásičů o vyhodnocování intenzity vyzařování ve specifickém rozsahu vlnových délek (pro OH*kolem 306 nm) popřípadě i modulovaného charakteru vyzařování. UV hlásiče plamene jsou využívány převážně pro detekci požárů, jejichž průběh je charakteristiky vznikem nesvítivých plamenů (např. plameny některých alkoholů nebo vodíku). Jako detekčních prvků se u UV hlásičů plamene využívá fotoelektrických nebo fotoodporových detektorů na bázi karbidů křemíku (SiC) nebo nitridu hliníku (AlN). U některých typů UV hlásičů plamene především starší koncepce může být detekční prvek realizován také katodovou trubicí naplněnou zředěným plynem. Ten je dopadajícím UV zářením ionizován a mění svou vodivost. Pro detekci je pak následně využíváno vyhodnocování změn vodivosti plynného prostředí. UV hlásiče požáru stejně jako IR lze ve smyslu monitorované oblasti označit jako objemový senzor. Zorný úhel (konický tvar střeženého prostoru) se pohybuje v rozsahu od 90 do téměř 180 v horizontálním i vertikálním směru. Kombinované UV/IR hlásiče plamene (případně IR/IR hlásiče plamene) detekují požár na základě vyhodnocování vyzařování plamene na dvou různých vlnových délkách v UV a IR oblasti případně IR oblasti. Principiální blokové schéma kombinovaného tzv. dvoubarevné systému UV/IR (IR/IR) hlásiče plamene prezentuj Obr 4.18. Obr. 4.18 Blokové principiální schéma kombinovaného hlásiče plamene 70

Energie vyzařovaná plamenem je prostřednictvím optických prvků usměrněna přes pásmové interferenční filtry na fotoelektrické detektory. Detektory převedou energii vyzařovanou plamenem (na příslušných vlnových délkách) na elektrické signály. Ty jsou vedeny do selektivních zesilovačů, které však zesilují pouze signál s modulační frekvencí typickou pro vyzařování plamene (5 až 30 Hz). Pokud je ve střídavém signálu tato složka obsažena, jsou po zesílení dále signály vedeny do usměrňovačů. Získané hodnoty signálů se v obvodech prahové komparace porovnají s prahovými úrovněmi pro požár. Mají-li signály na vstupech komparátorů dostatečnou úroveň, objeví se na výstupech komparátorů pro příslušnou složku napěťový impulz. Tyto se vedou do logického obvodu, který na základě použité logické závislosti (AND/OR) realizuje vyhodnocení přítomnosti jednotlivých složek vyzařování plamene. Signál je následně veden do zpožďovacího obvodu, který definuje minimální dobu, po kterou musí na detektory dopadat dostatečně intenzivní modulované záření, aby hlásič prostřednictvím výstupního obvodu signalizoval požár. Multisenzorové hlásič Multisenzorové hlásiče požáru využívají v případě detekce kombinace výše uvedených detekčních principu hlásičů. Prahová úroveň detekce pro požár je v případě takto koncipovaných hlásičů odvozena z překročení definované úrovně signálu od jeho jednotlivých detekčních částí (senzorů). V případě signalizace požár od hlásiče pak může jít například o nejjednodušší alternativu logické závislosti mezi signály od jednotlivých senzorů, tedy využití logických funkcí AND/OR mezi signály od jednotlivých senzorů. Požár je pak hlásičem signalizován při překročení prahové úrovně pro požár pouze v případě, že je dosaženo prahové úrovně u všech detekčních části(and), nebo alespoň u jedné z části (OR). Další z možných alternativ odvození úrovně pro signalizaci požár u hlásiče je kombinace úrovní signálů jednotlivých senzorů s využitím vícekriteriální logiky vyhodnocování (např. fuzzy logiky). Ve smyslu současných koncepcí multikriteriálních hlásičů jde především o následující alternativy koncepcí hlásičů: multisenzorové hlásiče opticko teplotní (OT) případně OT blue, multisenzorové hlásiče opticko opticko teplotní typ (O 2 T), multysenzorové hlásiče opticko teplotní a plynů (OTG). OT a OT blue hlásiče U opticko tepelnotního hlásiče OT je princip detekce založen na vzájemném sloučení detekčního principu bodových optických hlásičů kouře s IR optickým zdrojem a detekčního principu bodových hlásičů teplot viz Obr. 4.19. Propojení informací z obou částí umožňuje v případě hlásiče OT spolehlivou a rychlou detekci jak požárů charakteristických produkcí pouze koře bez výrazných změn 71

teploty v místě instalace hlásiče tak požárů, pro které je charakteristické především intenzivní uvolňování tepla bez výrazné produkce kouře, např. požáry některých kapalných látek. Uvedeným způsobem dochází především k zvýšení spolehlivosti detekce při eliminaci planých poplachů [3]. Obr. 4. 19 Multisenzorový hlásič OT Koncepce opticko teplotního hlásiče OT blue je obdobná koncepci OT hlásiče. V případě koncepce hlásiče OT blue je však IR zdroj v optické části hlásiče nahrazen zdrojem modrého světla (modra LED). Kratší vlnová délka použitého optického zdroje světla umožňuje v případě této koncepce reakci hlásiče i na malé pevné částice koře, které bylo možné spolehlivě detekovat pouze s využitím ionizačních hlásičů kouře, viz Obr. 4.20 [3]. Obr. 4. 19 Multisenzorový hlásič OT blue 72

O 2 T hlásiče Ve srovnání s bodovým optickým hlásičem kouře založeným na principu rozptylu IR optického paprsku využívá multikriteriální hlásič O 2 T vyhodnocování rozptylů dvou IR optických paprsků zdrojů se vzájemně jinak orientovanou polohou optické osy paprsků vůči optické ose přijímači tzv. koncepce dvou rozdílných úhlů rozptylu paprsku. V případě zmiňované varianty řešení jde o využití tzv. dopředného a zpětného rozptylu IR optického paprsku viz Obr. 4.20. Na základě této koncepce je pak hlásič schopen rozlišovat a reagovat jak na světlý tak i tmavý kouř (odlišně posuzovat různé částice v měřící komoře). Hlásič je v případě této koncepce doplněn navíc rovněž o část teplotní jako v případě OT hlásičů. Uvedeným způsobem dochází k zlepšení detekční schopnosti i zvýšení spolehlivosti detekce při eliminaci planých poplachů [3]. Obr. 4. 19 Multisenzorový hlásič O 2 T Ve srovnání se standardním bodovým optickým hlásičem kouře, umožňuje tento typ hlásiče podstatně rovnoměrnější reakci na různé typy kouře. OTG hlásiče Multisenzorové hlásiče OTG jsou variantou hlásiče, kdy je systém Opicko - teplotního multisenzorového hlásiče OT navíc doplněn o možnost detekce plynů (např. CO, NO, H 2 apod) [3]. 4.2.2 Ústředny EPS Ústředna představuje klíčový komponent systému EPS. Bezchybná a nepřetržitá funkce ústředny je podmínkou správného fungování všech prvku systémů a v mnoha případech i některých požárně bezpečnostních zařízení a technologických systémů v objektu. 73

nepřetržité napájení komponentů systému EPS elektrickou energií; akustickou a optickou indikaci funkčních stavů systému EPS obsluze; příjem a vyhodnocení signálů z připojených hlásičů; ovládaní zařízení připojených do systémů EPS; kontrolu provozuschopnosti celého systému. Požadavky na provedení ústředen EPS a její základní funkce vyplývají z ČSN EN 54-2, ČSN 34 2710 a ČSN 54-4 ve smyslu napájení systému elektrickou energií. Napájení systému EPS elektrickou energií Pro napájení elektrickou energií se v systémech EPS využívá následujících napájecích zdrojů: hlavního zdroje napájení; náhradního zdroje napájení; záložního zdroje napájení Ve vztahu k napájení systému EPS elektrickou energií pak musí být ústředna schopna realizace nepřetržité napájení systému energií. Dle požadavků ČSN 54-4 přitom musí být napájení systému EPS realizováno vždy ze dvou na sobě nezávislých zdrojů. Hlavní zdroj napájení systému EPS tvoří obvykle distribuční síť (230 V/50 Hz). V případě poruchy nebo výpadku hlavního zdroje napájení, musí dojít ihned k samočinnému přechodu na napájení z náhradního zdroje. Pro případ České republiky přitom musí být náhradní napájecí zdroj konstruován a dimenzován tak, aby zabezpečil dodávku elektrické energie komponentům systému EPS minimálně po dobu 24 hodin, z toho 15 minut ve stavu signalizace požár. Indikaci funkčních stavů systému EPS stav KLID; stav POŽÁRNÍ POPLACH; stav PORUCHA; stav VYPNUTO; stav TEST. Příjem a vyhodnocování signálů z hlásičů Vzhledem rychlému technologickému pokroku v oblasti technologií bezpečnostních systémů je u nově instalovaných systému EPS v drtivé většině aplikací využíváno systémů EPS s paralelní individuální adresací. Základem paralelní adresace je vzájemná digitální komunikace mezi ústřednou a senzory (hlásiči) ve formě proudových případně napěťových změn ve vedení hlásicí linky. Ústředna komunikuje se senzorem tak, že vyšle jeho adresu a další povely (např. pro ovládání signalizace v senzoru apod.). 74

Všechny senzory a další adresovatelná zařízení na hlásicí lince dekódují adresy vysílané ústřednou. Senzor (zařízení), který dekóduje svoji adresu, přijme povely vysílané ústřednou a potom odpoví svým stavovým údajem, který obsahuje všechny potřebné informace pro ústřednu (naměřená hodnota sledované veličiny, druh senzoru, povely z ústředny uložené v paměti senzoru, adresa senzoru apod.). Tímto způsobem může ústředna libovolně komunikovat s jednotlivými senzory a dalšími zařízeními na hlásicí lince. Podle potřeby mohou být na hlásicí lince i adresovatelné ovládací jednotky např. pro protipožární uzávěry apod. Veškerý digitální přenos po hlásicí lince je sériový a je zabezpečen proti chybám při přenosu bezpečnostními kódy (minimálně paritou). Ovládaní připojených zařízení Ovládání zařízení ústřednou EPS lze u adresovatelných systémů realizovat prostřednictvím ovládacích jednotek zapojených do hlásicí linky. Tyto ovládací jednotky přitom mohou být charakteru vstupně/výstupních nebo výstupních. Další možnou alternativou realizace ovládání zařízení ústřednou EPS je pak využití potenciálových a bezpotenciálových výstupů ústředny. Na Obr. 4.20 je schematicky prezentován a popsán způsob využití vstupně/výstupní ovládací jednotky zapojené do hlásící linky. Obr. 4.20 Blokové principiální schéma ovládací jednotky 75

Kontrola provozuschopnosti Pro dané účely se u systémů adresovatelných využívá převážně vyhodnocování datové komunikace probíhající mezi ústřednou a jednotlivými komponenty systému EPS. U moderních ústředen EPS řízených mikroprocesorem dle instalovaného softwarového algoritmu se rovněž navíc provádí v určitých časových intervalech automatický test celé ústředny. Pro tyto účely jsou ústředny vybaveny obvodem samočinné kontroly, který se stará o kontrolu správné funkce řídícího počítače tzv. obvodem watch dog. 4.2.3 Nové trendy v oblasti detekce požáru Díky rychlému vývoji videotechnologií i technologií zpracování videa se v současné době stále častěji objevují snahy nahradit konvenční systémy detekce požáru modernějšími, využívajícími pro detekci i lokalizaci požáru obrazový záznam a jeho zpracování za použití počítačových systémů, tj. systémy videodetekce požáru (VFD - Video Fire Detection). Systém videodetekce požáru využívá ve srovnání s tradičními systémy detekce založenými na hlásičích kouře, teplot, plamene nebo plynů pro identifikaci a lokalizaci požáru relativně nových technologií. I přesto je ale vzhledem k tomu, že i tyto systémy vyhodnocují průvodní jevy požáru, jako je kouř nebo plamen, lze všeobecně považovat za detektory kouře, plamene nebo jejich kombinaci. Z praktického pohledu má systém videodetekce požárů mnoho potenciálních výhod, jakými jsou například níže uvedené [1]: Pro realizaci systému videodetekce požáru lze využít prvků většiny uzavřených televizních okruhů (CCTV - Closed Circuit Television), které dnes tvoří standardní součást vybavení mnoha budov. Při využití prvků systému CCTV lze systém videodetekce požáru realizovat s minimálními dodatečnými náklady. Systém videodetekce představuje objemový senzor, umožňující snímat velkou oblast pouze jedním snímačem. Systém videodetekce nevykazuje výrazné zpoždění ve vztahu k rychlosti detekce, jak je tomu u konvenčních bodových hlásičů teplot nebo kouře. Systém videodetekce umožňuje kontinuální sledování i vyhodnocování parametrů požáru, jenž nabízí možnost aktuálně reagovat na změny. Blokové schéma systému videodetekce požáru je zobrazeno na níže uvedeném Obr. 4.21. 76

Obr. 4.21 Blokové schéma systému videodetekce požáru Typický systém videodetekce požáru sestává z jedné nebo několika videokamer připojených ke komunikačnímu zařízení. Komunikační zařízení zajišťuje přenos videosignálu z kamery do zařízení pro zpracování signálu. Zařízení pro zpracování signálu disponuje softwarovými algoritmy, které umožňují v sekvenci snímků videosignálu identifikovat kouř nebo plamen, případně oba. Po identifikaci některého z těchto průvodních znaků požáru zajistí zařízení pro zpracování signálu následně vyhlášení poplachu. Komunikačním zařízením může být analogové, a to i tak jednoduché jako je koaxiální kabel, nebo může obsahovat hardwarové prvky jako přepínače (switches) a distribuční zesilovače. Alternativně může být zcela digitální, realizované ethernetovým kabelem nebo směrovači (routers) a bránami (gateways). V principu mohou být rovněž některé z komunikačních zařízení bezdrátové. V obou případech, ať již analogového nebo digitálního komunikačního zařízení, lze komunikačním zařízením přenášet rovněž další videa nebo data. Systém prezentovaný na výše uvedeném obrázku je přitom pouze jednou z možných alternativ realizace systému videodetekce požáru. Jako u každého počítačového systému existuje i v tomto případě celá řada možných alternativ realizace včetně té, kdy je zpracování signálu i softwarový algoritmus detekce zakomponován do kamery [20]. Detekce požáru není v případě videodetekce založena na sledování fyzikálních parametrů, jakými jsou například teplota, optická hustota kouře, koncentrace požárního aerosolu ve střeženém prostoru apod. Softwarové algoritmy zpracování signálu místo toho ve videu identifikují a vyhodnocují znaky, které korespondují s jednou nebo více optickými charakteristikami požáru. Jako příklad lze uvést tvar nebo pohyb vzestupného sloupce kouře u algoritmů navržených pro detekci kouře. U algoritmů orientovaných na detekci plamene jde pak například o charakteristickou barvu plamene, tvar plamenné oblasti nebo oscilaci plamene. Tyto charakteristické znaky jsou při rozhodování, zda se jedná o požár, vyhodnocovacím modulem v čase vzájemně kombinovány, například za využití neuronových sítí nebo fuzzy logiky. 77