一种电缆整体防火性能评估方法、系统、装置及使用方法

1.本发明涉及一种电缆整体防火性能评估方法、系统、装置及使用方法，属于防火检测领域。


背景技术：

2.电缆起火是由内部因素和外部因素综合作用导致，可分为电弧引燃、燃烧物引燃和火势延燃三个方面，其中火势延燃，是造成电缆火灾经济与生命财产损失的重要因素。
3.提高电缆的防火性能，能有效阻止电缆火灾的火势扩散，例如：在电缆上合理布置防火包带或防火涂料可增加电缆的阻燃性能，降低火焰蔓延速度；对电缆进行合理隔断并对缝隙采用防火固化剂进行封堵，可阻止火灾扩散，缩小火灾受灾面积等。
4.而对电缆防火性能进行评估，能规范电缆防火布置，提高电缆防火性能，降低电缆火灾危害。但是目前的防火性能评估，仅局限于电缆本身或防火材料本身，缺乏整体防火性能评估方法。


技术实现要素：

5.本发明提供了一种电缆整体防火性能评估方法、系统、装置及使用方法，解决了背景技术中披露的问题。
6.为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
7.一种电缆整体防火性能评估方法，包括：
8.获取电缆的防火实验数据；其中，电缆施加了被动式防火产品组合和主动式防火产品，电缆防火实验数据包括主动式防火产品的启动时间、主动式防火产品的灭火时间、主动式防火产品的用量、有毒气体扩散时间、烟颗粒扩散时间、施加被动式防火产品组合电缆的损毁长度、施加被动式防火产品组合电缆的损毁面积、施加被动式防火产品组合电缆的防火时间和施加被动式防火产品组合电缆的防火温度；
9.将电缆防火实验数据输入预先训练的防火性能评估模型，获得电缆的防火性能评估结果。
10.训练防火性能评估模型的过程包括：
11.获取不同类型电缆样本的防火实验数据；其中，电缆样本为施加了不同被动式防火产品组合和主动式防火产品的电缆；
12.根据防火实验数据，计算不同类型电缆样本的防火性能评估结果；
13.将防火实验数据和相应的防火性能评估结果作为训练样本，训练防火性能评估模型。
14.根据防火实验数据，计算不同类型电缆样本的防火性能评估结果，包括：
15.根据防火实验数据，构建防火实验数据矩阵；
16.对防火实验数据矩阵进行标准化处理，获得标准化矩阵；
17.根据标准化矩阵，获取特征值和特征矩阵；
18.根据特征值和特征矩阵，获得评估参数矩阵；
19.根据特征值，计算评估参数矩阵中评估参数的贡献率；
20.根据贡献率，对评估参数进行筛选；
21.根据筛选后的评估参数和相应的贡献率，计算防火性能评估结果。
22.评估参数l的贡献率为评估参数l的特征值与所有评估参数特征值之和的比值；
23.防火性能评估结果为筛选后的评估参数与相应贡献率的乘积之和。
24.还包括获得电缆防火性能评估结果后，对防火性能评估模型进行重新训练的步骤，该步骤包括：
25.将本次获得的电缆防火性能评估结果和电缆防火实验数据加入防火性能评估模型的训练集，对防火性能评估模型进行重新训练；其中，重新训练的防火性能评估模型作为下一次电缆整体防火性能评估的模型。
26.一种电缆整体防火性能评估系统，包括：
27.电缆实验数据获取模块，用以获取电缆的防火实验数据；其中，电缆施加了被动式防火产品组合和主动式防火产品，电缆防火实验数据包括主动式防火产品的启动时间、主动式防火产品的灭火时间、主动式防火产品的用量、有毒气体扩散时间、烟颗粒扩散时间、施加被动式防火产品组合电缆的损毁长度、施加被动式防火产品组合电缆的损毁面积、施加被动式防火产品组合电缆的防火时间和施加被动式防火产品组合电缆的防火温度；
28.评估模块，用以将电缆防火实验数据输入预先训练的防火性能评估模型，获得电缆的防火性能评估结果。
29.还包括训练模块，用以训练防火性能评估模型，训练模块包括：
30.电缆样本实验数据获取模块，用以获取不同类型电缆样本的防火实验数据，构建不同类型电缆样本的防火实验数据矩阵；其中，电缆样本为施加了不同被动式防火产品组合和主动式防火产品的电缆；
31.评估结果计算模块，用以根据防火实验数据，计算不同类型电缆样本的防火性能评估结果；
32.模型训练模块，用以将防火实验数据和相应的防火性能评估结果作为训练样本，训练防火性能评估模型。
33.还包括重新训练模块，用以将本次获得的电缆防火性能评估结果和电缆防火实验数据加入防火性能评估模型的训练集，对防火性能评估模型进行重新训练；其中，重新训练的防火性能评估模型作为下一次电缆整体防火性能评估的模型。
34.一种电缆整体防火性能评估装置，包括控制器和标准电缆通道；
35.标准电缆通道内设置有电弧火源装置、浓度传感器和测温录像设备，标准电缆通道用以放置施加了被动式防火产品组合和主动式防火产品的电缆；电弧火源装置的供电电路受控制器控制，电弧火源装置用以给电缆点火；浓度传感器连接控制器，用以采集有毒气体和烟颗粒浓度；测温录像设备连接控制器，对电缆点燃过程进行测温和录像；
36.控制器采用电缆整体防火性能评估方法进行电缆整体防火性能评估。
37.一种电缆整体防火性能评估装置的使用方法，包括：
38.将施加了被动式防火产品组合和主动式防火产品的电缆放置于标准电缆通道内；
39.启动浓度传感器、测温录像设备和电弧火源装置；
40.根据测温录像设备的录像，控制电弧火源装置通电起弧预设时间后断电，并在熄弧预设时间后重新通电，直至火焰包围电缆；
41.根据测温录像设备的录像，确定电缆自持续燃烧至触发主动式防火产品灭火的过程，获取主动式防火产品的启动时间、主动式防火产品的灭火时间、主动式防火产品的用量；
42.通过浓度传感器，获取有毒气体和烟颗粒浓度的变化，确定有毒气体扩散时间和烟颗粒扩散时间；
43.根据测温录像设备的录像和温度测量数据，确定火灾扑灭且电缆温度降低至阈值时刻，测量施加被动式防火产品组合电缆的损毁长度与损毁面积，并获取施加被动式防火产品组合电缆的防火时间和防火温度；
44.根据主动式防火产品的启动时间、主动式防火产品的灭火时间、主动式防火产品的用量、有毒气体扩散时间、烟颗粒扩散时间、施加被动式防火产品组合电缆的损毁面积、施加被动式防火产品组合电缆的防火时间和施加被动式防火产品组合电缆的防火温度，进行电缆整体防火性能评估。
45.本发明所达到的有益效果：本发明从电缆与被动式防火产品、主动式防火产品以及燃烧产物三个维度，获取主动式防火产品的启动时间、灭火时间和用量、有毒气体扩散时间、烟颗粒扩散时间、施加被动式防火产品组合电缆的损毁长度、损毁面积、防火时间和防火温度，通过反应电缆整体防火性能的数据，进行电缆整体防火性能评估，而不是局限于对电缆本身或防火材料本身防火性能进行检测，评估更加全面、贴合实际。
附图说明
46.图1为本发明的电缆整体防火性能评估方法流程图；
47.图2为标准电缆通道的结构示意图；
48.图3为测温录像设备的布置图；
49.图4为电弧电压电流波形。
具体实施方式
50.下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
51.如图1所示，一种电缆整体防火性能评估方法，包括以下步骤：
52.步骤1，获取电缆的防火实验数据；其中，电缆施加了被动式防火产品组合和主动式防火产品，电缆防火实验数据包括主动式防火产品的启动时间、主动式防火产品的灭火时间、主动式防火产品的用量、有毒气体扩散时间、烟颗粒扩散时间、施加被动式防火产品组合电缆的损毁长度、施加被动式防火产品组合电缆的损毁面积、施加被动式防火产品组合电缆的防火时间和施加被动式防火产品组合电缆的防火温度；
53.步骤2，将电缆防火实验数据输入预先训练的防火性能评估模型，获得电缆的防火性能评估结果。
54.电缆整体是对施加了被动式防火产品组合和主动式防火产品的电缆的表述，上述方法从电缆与被动式防火产品、主动式防火产品以及燃烧产物三个维度，获取主动式防火
产品的启动时间、灭火时间和用量、有毒气体扩散时间、烟颗粒扩散时间、施加被动式防火产品组合电缆的损毁长度、损毁面积、防火时间和防火温度，通过反应电缆整体防火性能的数据，进行电缆整体防火性能评估，而不是局限于对电缆本身或防火材料本身防火性能进行检测，评估更加全面、贴合实际。
55.防火性能评估模型采用现有的神经网络模型，在使用之前，需要通过样本集对其进行训练，具体过程可以如下：
56.1)获取不同类型电缆样本的防火实验数据；其中，电缆样本为施加了不同被动式防火产品组合和主动式防火产品的电缆。
57.电缆种类根据电压等级和外护套种类进行分类，假设有两种类型的电缆样本，如：非阻燃pvc电缆和阻燃pvc电缆。每种电缆均施加了不同被动式防火产品组合和主动式防火产品，如：组合1：非阻燃pvc电缆表面缠绕防火包带且配置悬挂式干粉灭火器；组合2：非阻燃pvc电缆表面涂抹防火涂料且配置悬挂式超细干粉灭火器；组合3：阻燃pvc电缆表面缠绕防火包带且配置悬挂式干粉灭火器；组合4：阻燃pvc电缆表面涂抹防火涂料且配置悬挂式超细干粉灭火器。每种组合均进行防火实验，均可获得防火实验数据。
58.2)根据防火实验数据，计算不同类型电缆样本的防火性能评估结果，具体过程可以如下：
59.21)根据防火实验数据，构建防火实验数据矩阵；
60.每种组合的防火实验数据均可构成防火实验数据矩阵xn×
10
，其中，防火实验数据矩阵中的元素x
ij
代表第i次实验中的第j种数据；
61.22)对防火实验数据矩阵进行标准化处理，获得标准化矩阵；
62.对x
ij
按照如下公式进行标准化处理，可得到标准化矩阵y，y＝[y1,y2,
…
,y
10
]，yj＝[y
1j
,y
2j
,
…
,y
nj
]
t
；
[0063][0064]
23)根据标准化矩阵，计算标准化矩阵的相关系数矩阵r，其中，相关系数矩阵为实对称矩阵(即r
ab
＝r
ba
，a、b的范围均为1～10)，其各元素根据如下公式计算：
[0065][0066]
其中，cov表示协方差，var表示方差；
[0067]
24)计算相关系数矩阵r的特征值，即对特征方程|λe-r|＝0进行求解，将获得的q个非负特征值进行降序排序，λ1≥λ2≥...≥λq，求出特征值对应的单位特征向量，形成特征矩阵γ＝[ζ1,ζ2,....,ζq]；其中，e为单位矩阵；
[0068]
25)根据特征值和特征矩阵，获得评估参数矩阵，即计算特征值和特征矩阵的乘积
z＝yγ＝[z1,z2,....,zq]；
[0069]
26)根据特征值，计算评估参数矩阵中评估参数的贡献率；
[0070]
评估参数l的贡献率为评估参数l的特征值与所有评估参数特征值之和的比值，用公式可以表示为：
[0071][0072]
其中，η
l
为评估参数l的贡献率，λ
l
为评估参数l对应的特征值；
[0073]
27)根据贡献率，对评估参数进行筛选；
[0074]
选择贡献率最高的m个评估参数，使其累计贡献率大于0.85，将m个评估参数作为主要评估参数；
[0075]
28)根据筛选后的评估参数和相应的贡献率，计算防火性能评估结果；
[0076]
防火性能评估结果为筛选后的评估参数与相应贡献率的乘积之和，用公式可以表示为：
[0077][0078]
其中，f为防火性能评估结果。
[0079]
通过上述过程，不同的防火实验数据可获得相应的防火性能评估结果。
[0080]
3)将防火实验数据和相应的防火性能评估结果作为训练样本，训练防火性能评估模型。
[0081]
将防火实验数据与相对应的防火性能评估结果作为神经网络的输入变量和输出值，确定隐含层的节点数，不断更新网络权值直至误差达到预期精度，获得的防火性能评估模型；其中，隐含层的节点数采用经验公式估计获得a是[0,10]之间的常数，n
′
、m
′
分别为输入层和输出层的神经元个数，隐含层传递函数选用logsin函数，输出层则采用purelin线性函数。
[0082]
模型训练后，即可使用其进行评估，先获取待评估目标的防火实验数据，即获取主动式防火产品的启动时间、主动式防火产品的灭火时间、主动式防火产品的用量、有毒气体扩散时间、pm10烟颗粒扩散时间、施加被动式防火产品组合电缆的损毁长度、施加被动式防火产品组合电缆的损毁面积、施加被动式防火产品组合电缆的防火时间和施加被动式防火产品组合电缆的防火温度；其中有毒气体主要为co、hcl。
[0083]
将获取的数据输入训练好的防火性能评估模型，即可获得电缆的防火性能评估结果。
[0084]
为了不断提高模型的准确性，将上述获得的电缆防火性能评估结果和电缆防火实验数据加入防火性能评估模型的训练集，对防火性能评估模型进行重新训练，重新训练的防火性能评估模型作为下一次电缆整体防火性能评估的模型。通过这种不断的填充训练样本，不断的重新训练模型，使评估结果准确度更高。
[0085]
上述方法根据不同电压等级以及不同外护套种类的电缆建立评价体系，使评测结果具有通用性，且从电缆与被动式防火产品、主动式防火产品以及燃烧产物三个维度提取
数据，更能真实地反映电缆的整体防火性能。
[0086]
基于相同的技术方案，本发明还公开上述方法的软件系统，一种电缆整体防火性能评估系统，包括：
[0087]
训练模块，用以训练防火性能评估模型，训练模块包括：
[0088]
电缆样本实验数据获取模块，用以获取不同类型电缆样本的防火实验数据，构建不同类型电缆样本的防火实验数据矩阵；其中，电缆样本为施加了不同被动式防火产品组合和主动式防火产品的电缆；
[0089]
评估结果计算模块，用以根据防火实验数据，计算不同类型电缆样本的防火性能评估结果；
[0090]
模型训练模块，用以将防火实验数据和相应的防火性能评估结果作为训练样本，训练防火性能评估模型。
[0091]
电缆实验数据获取模块，用以获取电缆的防火实验数据；其中，电缆施加了被动式防火产品组合和主动式防火产品，电缆防火实验数据包括主动式防火产品的启动时间、主动式防火产品的灭火时间、主动式防火产品的用量、有毒气体扩散时间、烟颗粒扩散时间、施加被动式防火产品组合电缆的损毁长度、施加被动式防火产品组合电缆的损毁面积、施加被动式防火产品组合电缆的防火时间和施加被动式防火产品组合电缆的防火温度。
[0092]
评估模块，用以将电缆防火实验数据输入预先训练的防火性能评估模型，获得电缆的防火性能评估结果。
[0093]
重新训练模块，用以将本次获得的电缆防火性能评估结果和电缆防火实验数据加入防火性能评估模型的训练集，对防火性能评估模型进行重新训练；其中，重新训练的防火性能评估模型作为下一次电缆整体防火性能评估的模型。
[0094]
为了适配上述方法，本发明还公开相应的装置，一种电缆整体防火性能评估装置，包括控制器和标准电缆通道1。
[0095]
如图2所示，标准电缆通道1内设置有电弧火源装置5、浓度传感器和测温录像设备6，标准电缆通道1用以放置施加了被动式防火产品组合和主动式防火产品的电缆；电弧火源装置5的供电电路受控制器控制，电弧火源装置5用以给电缆点火；浓度传感器连接控制器，用以采集有毒气体和烟颗粒浓度；测温录像设备6连接控制器，对电缆点燃过程进行测温和录像。
[0096]
图中，标准电缆通道1高2.5m、长11.5m、宽2.5m，内部敷设耐火砖和隔热层，总厚度不小于110mm，且具有送风以及排风装置。
[0097]
标准电缆通道1内布置6组电缆支架2，应以固定电缆，其中首组支架距通道门4为2m，每组电缆支架2水平间距1.5m，分为上中下三层，每层垂直距离为0.4m，其中底层支架距离地面垂直高度为0.4m。
[0098]
标准电缆通道1内布置有3组浓度传感器组3，其中心轴距离通道门4分别为1m、5.75m、10.5m，每组浓度传感器有五种气体测量仪器，分别测量co、hcl、o2、co2、pm10浓度，其中co与hcl浓度传感器位于传感器组上排，两者间距40cm，距离传感器组底部约10cm，其余三种气体的传感器位于下排，相互间距20cm，距离传感器组底部约10cm。
[0099]
如图3所示，电弧火源装置5布置在标准电缆通道1底部，产生的电弧火源相较于传统的明火火源，其物理特性与造成电缆火灾的电弧火源更为相近，使评估结果能更好的反
应实际火灾下电缆整体的防火性能。
[0100]
电弧火源装置5顶端与实验样品底部间距12mm，具体包括升降机7以及电弧发生器8，并且升降机7可在0.3m至1.2m内自由起降，而电弧发生器8包括采用耐高温绝缘陶瓷制作的底座以及固定在底座上的电弧电极，电弧电极由材质为钨合金直径范围为3mm～4mm的成对电极棒构成，其电极底部内间距范围为0.7cm-1cm，顶部间距为1.5cm-2cm。
[0101]
电弧发生器8与电源之间的供电电路的通断受控制器控制，如通过信号控制供电电路中的开关，电弧发生器8供电的电源则需满足：电弧电极击穿前，电源输出的开路电压幅值大于等于15kv；在电弧电极击穿并产生电弧后，电源输出频率为20khz且幅值为0.15a的交流电流，电弧电压电流波形如图4所示。
[0102]
测温录像设备6可以是一个设备(如热成像测温摄像机)也可以是两个设备(一个测温设备和一个摄像机)，测温录像设备6布置在标准电缆通道1底部，距离点火点1.0m远处，设备镜头中心与点火点水平，并保证录像显示电弧点火区域、电缆底部向上0.5m高的区域以及电缆至少0.5m长的区域。
[0103]
控制器可采用电脑等智能设备，其未在图中显示，控制器采用上述的电缆整体防火性能评估方法进行电缆整体防火性能评估。
[0104]
上述装置搭建完成后，即可进行实验和评估，上述装置的使用方法如下：
[0105]
s1)将施加了被动式防火产品组合和主动式防火产品的电缆放置于标准电缆通道1内。
[0106]
s2)启动浓度传感器、测温录像设备6和电弧火源装置5。
[0107]
s3)根据测温录像设备6的录像，控制电弧火源装置5通电起弧预设时间(5s)后断电，并在熄弧预设时间后重新通电，直至火焰包围电缆，随后停止点火。
[0108]
s4)根据测温录像设备6的录像，确定电缆自持续燃烧至触发主动式防火产品灭火的过程，获取主动式防火产品的启动时间、主动式防火产品的灭火时间、主动式防火产品的用量；
[0109]
其中，启动时间为从电缆发生火灾开始直至主动式防火产品投入灭火所用时间；灭火时间为从主动式防火产品投入灭火开始直至火灾熄灭所用时间；产品用量为主动式防火产品从发生火灾到火灾扑灭所用灭火剂的质量。
[0110]
s5)通过浓度传感器，获取有毒气体和烟颗粒浓度的变化，确定有毒气体扩散时间和烟颗粒扩散时间。
[0111]
检测有毒气体co、hcl以及pm10烟颗粒浓度值的变化，确定co扩散时间、hcl扩散时间以及pm10扩散时间；其中，co扩散时间为从电缆正上方的中间co浓度传感器检测气体浓度达到10ppm开始，直到标准电缆通道1内两侧传感器组中的任意co浓度传感器检测气体浓度达到10ppm所需时间；hcl扩散时间为从电缆正上方的中间hcl浓度传感器检测气体浓度达到10ppm开始，直到标准电缆通道1内两侧传感器组中的任意hcl浓度传感器检测气体浓度达到10ppm所需时间；pm10烟颗粒扩散时间为从电缆正上方的中间pm10浓度传感器检测气体浓度达到5mg/m3开始，直到标准电缆通道1内两侧传感器组中的任意pm10浓度传感器检测气体浓度达到5mg/m3所需时间。
[0112]
s6)根据测温录像设备6的录像和温度测量数据，确定火灾扑灭且电缆温度降低至阈值时刻，将电缆移出测量施加被动式防火产品组合电缆的损毁长度与损毁面积，并获取
施加被动式防火产品组合电缆的防火时间和防火温度；
[0113]
损毁面积为损毁区域的所有面积，损毁长度为损毁区域的最大长度，其中损毁区域通过锋利物品按压电缆表面测试，表面从弹性变成脆性(粉化)的地方表示已损毁；防火时间为从点火开始直至电缆在电弧火源熄弧后首次产生明火所用时间；防火温度则为电缆开始持续燃烧的点火前样品表面温度，而出现明火并持续到下一次火源起弧点火则认定样品持续燃烧。
[0114]
实验完成后，清扫干净标准电缆通道1内，标准电缆通道1内各气体浓度恢复到大气环境，完成本次试验。
[0115]
按照上述步骤进行多次实验，实验电缆包括非阻燃pvc电缆、阻燃pvc电缆、非阻燃pe电缆、阻燃pe电缆以及低烟无卤电缆，并且电缆等级包括110kv与220kv。
[0116]
电缆施加多种类型的主动式防火产品以及被动式防护产品组合；其中，主动式防火产品分别采用悬挂式干粉灭火器以及超细干粉灭火器，并且不同实验中灭火器使用不同的热触发温度或不同的灭火剂质量。被动式防火产品组合则包括：1、电缆防火包带按照1/2搭接方式缠绕电缆；2、电缆防火涂料按照2mm厚度均匀涂抹至电缆表面；3、在电缆表面施加防火包带或防火涂料后在距离点火点1m远处搭建防火墙或防火板构成的防火隔断，并用防火固化剂将缝隙添堵密封。
[0117]
在进行多次试验后，每次试验得到十项数据，根据这些数据可训练出防火性能评估模型。
[0118]
s7)根据主动式防火产品的启动时间、主动式防火产品的灭火时间、主动式防火产品的用量、有毒气体扩散时间、烟颗粒扩散时间、施加被动式防火产品组合电缆的损毁面积、施加被动式防火产品组合电缆的防火时间和施加被动式防火产品组合电缆的防火温度，进行电缆整体防火性能评估；
[0119]
基于相同的实验步骤获取待评估目标的十项数据，将十项数据输入防火性能评估模型，获得电缆整体防火性能评估。
[0120]
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0121]
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0122]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0123]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0124]
以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在申请待批的本发明的权利要求范围之内。