Verfahren und Vorrichtung zum Testen einer Brandentdeckungseinrichtung

Abstract

 Ein Verfahren zum Test einer Brandentdeckungseinrichtung, die auf Grundlage der Aufnahmen einer elektrooptischen Aufnahmeeinrichtung Brände in geschlossenen Räumen entdeckt, umfaßt die Verfahrensschritte:
Bestimmen der charakteristischen Parameter der elektrooptischen Aufnahmeeinrichtung; Festlegen von charakteristischen Parametern eines Testraums; Festlegen von charakteristischen Parametern eines Testbrandes; Simulieren des Zustands des Testbrandes in dem Testraum auf Grundlage der Testraum-Parameter und der Testbrand-Parameter; Nachbilden einer Aufnahme der elektrooptischen Aufnahmeeinrichtung auf Grundlage der Aufnahmeeinrichtungs-Parameter und des simulierten Zustands des Testbrandes; und Ausgeben der nachgebildeten Aufnahme an die Brandentdeckungseinrichtung zur Brandauswertung. Die Erfindung stellt auch eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens bereit.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Testen einer Brandentdeckungseinrichtung, die auf Grundlage der Aufnahmen einer elektrooptischen Aufnahmeeinrichtung Brände in geschlossenen Räumen entdeckt. Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Durchführung eines derartigen Verfahrens.

[0002] Ein Feuer an Bord eines Flugzeuges stellt eine der gefährlichsten Situationen dar, die bei einem Flug auftreten können. Bei einem Feueralarm im Frachtraum muß der Pilot sofort Feuerunterdrückungssysteme aktivieren und gegebenenfalls eine Notlandung einleiten.

[0003] In der Vergangenheit wurde ein Feuer dabei über den Nachweis des entstehenden Rauchs durch Schwellwerteinrichtungen wie photoelektrische Detektoren oder Ionisationsdetektoren entdeckt. Dabei arbeiten photoelektrische Detektoren nach dem Streulichtprinzip, während Ionisationsdetektoren ein radioaktives Material enthalten, das in Gegenwart von Rauch eine Stromänderung im Gerät herbeiführt und dadurch Alarm auslöst, so daß diese Detektoren auch unsichtbaren Rauch erkennen können. Beiden Prinzipien ist allerdings gemeinsam, daß häufig Fehlalarme auftreten. Es wurden Verhältnisse von bis zu 200:1 von falschen zu echten Alarmmeldungen berichtet. Während eine solche hohe Fehlalarmrate bei Anwendungen am Boden oder im Heimbereich noch tolerierbar sein mag, ist sie wegen der hohen Kosten und dem hohen Sicherheitsrisiko, die mit dem Einsatz von Feuerunterdrückungssystemen in einem Frachtraum eines Flugzeugs oder einer Notlandung verbunden sind, in Flugzeugen nicht hinnehmbar.

[0004] Es ist daher vorgeschlagen wurden (T. Wittkopp, C. Hekker, D. Opitz, The Cargo Fire Monitoring system (CFMS) for the visuallsatlon of fire events in aircraft cargo holds, Proceedings of AUBE 2001, 12^th International Conference on Automatic Fire Detection, NIST, Gaithersburg, MD, USA, March 25 - 28, 2001; Das Largo Fire Monitoring System (CFMS), Tü Bd.42 (2001)), die Brandentdeckung im Frachtraum eines Flugzeuges mit Hilfe einer videobasierten Brandentdeckungseinrichtung zu verwirklichen. Eine solche Brandentdeckungseinrichtung nimmt mit einer Videokamera ein Bild des Frachtraumes auf und gibt es in digitalisierter Form aus. Das digitale Kamerabild wird mit einem vorab gespeicherten Referenzbild verglichen, das den Frachtraum ohne Feuer oder Rauchentwicklung zeigt. Zur Auswertung können beispielsweise der Mittelwert der Grauwerte aller Bildpunkte und die Standardabweichung der Grauwerte berechnet werden, und als Grundlage für die Entscheidung, ob in dem Frachtraum ein Brand ausgebrochen ist, herangezogen werden.

[0005] Um die verwendeten Auswertealgorithmen zu testen und zu verfeinern, sind allerdings umfangreiche Versuche notwendig. Dazu werden Frachträume von Flugzeugen nachgebaut, verschiedene Testfeuer kontrolliert erzeugt, von einer Kamera aufgenommen und zur Auswertung geleitet. Derartige Versuchsreihen sind jedoch mit großem Aufwand und hohen Kosten verbunden.

[0006] Hier setzt die Erfindung an. Der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile bekannter Testverfahren zu vermeiden, insbesondere ein einfaches und preiswertes Verfahren zum Testen einer Brandentdeckungseinrichtung anzugeben, die auf Grundlage der Aufnahmen einer elektrooptischen Aufnahmeeinrichtung Brände in geschlossenen Räumen entdeckt.

[0007] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Verfahren nach Anspruch 1 und die Vorrichtung nach Anspruch 8 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

[0008] Erfindungsgemäß umfaßt ein Verfahren der eingangs genannten Art die Verfahrensschritte:

• Bestimmen der charakteristischen Parameter der elektrooptischen Aufnahmeeinrichtung;
• Festlegen von charakteristischen Parametern eines Testraums;
• Festlegen von charakteristischen Parametern eines Testbrandes;
• Simulieren des Zustands des Testbrandes in dem Testraum auf Grundlage der Testraum-Parameter und der Testbrand-Parameter;
• Nachbilden einer Aufnahme der elektrooptischen Aufnahmeeinrichtung auf Grundlage der Aufnahmeeinrichtungs-Parameter und des simulierten Zustands des Testbrandes; und
• Ausgeben der nachgebildeten Aufnahme an die Brandentdeckungseinrichtung zur Brandauswertung.

[0009] Die Erfindung beruht also auf dem Gedanken, der Brandentdeckungseinrichtung an Stelle einer Aufnahme eines echten Brandes in einem realen Raum eine nachgebildete Aufnahme zuzuleiten, die aus einem simulierten Brandverlauf erzeugt wird. Dabei werden zur Nachbildung der Aufnahme charakteristische Parameter der Aufnahmeeinrichtung, des Testraums und des Testbrandes herangezogen, so daß die synthetischen Aufnahmen einen realistischen Test der zum Einsatz kommenden Algorithmen zur Brandentdeckung erlauben. Auf den Aufbau realer Testräume kann weitgehend verzichtet werden. Dies ermöglicht eine Reduzierung der Anzahl an Feldversuchen und damit einhergehend eine drastische Kosteneinsparung.

[0010] In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens werden als charakteristische Parameter der elektrooptischen Aufnahmeeinrichtung die Empfindlichkeit und/oder die Auflösung der elektrooptischen Aufnahmeeinrichtung bestimmt. Die an die Brandentdeckungseinrichtung übermittelten elektrischen Signale entsprechen dann im wesentlichen denen der beim realen Einsatz verwendeten Überwachungskamera.

[0011] Zweckmäßig werden bei dem erfindungsgemäßen Verfahren als charakteristische Parameter des Testraums die geometrische Struktur des Testraums und/oder die Belegung des Testraums mit Objekten und/oder Art und Position von Beleuchtungseinrichtungen festgelegt. Die geometrische Struktur des Testraums schließt dabei die Anordnung und Größe des Außenwände, des Bodens und der Decke ein. Ebenfalls könnten die Eigenschaften der Oberflächen des Testraums und der darin befindlichen Objekte insbesondere die Reflektionseigenschaften berücksichtigt werden. Ebenfalls wird mit Vorteil die Position der Aufnahmeeinrichtung im Testraum festgelegt. Um zu einer realistischen Simulation der Situation in einem Frachtraum eines Flugzeugs zu gelangen, kann der Testraum weiter mit Objekten, wie etwa Containern oder anderen Frachtstücken belegt werden, die das Gesichtsfeld der Aufnahmeeinrichtung einschränken können. Gleichfalls können Beleuchtungseinrichtungen bestimmter Helligkeit und spektraler Charakteristik im Testraum angeordnet und simuliert werden.

[0012] Weiter ist im vorstehend erläuterten Zusammenhang bevorzugt, wenn als charakteristische Parameter des Testbrands die Art des Feuers und/oder das brennende Material und/oder die Größe der freigesetzten Verbrennungswärme und/oder die Art und Menge des entstehenden Rauchs festgelegt werden. Die Art des Feuers wird dabei zweckmäßig nach der Europa-Norm EN-54 ausgewählt. Danach bezeichnet beispielsweise ein Testfeuer TF2 einen Schwelbrand, bei dem Holz ohne signifikante Wärmeentwicklung, aber unter Entwicklung hellen, sichtbaren Rauches brennt. Ein Testfeuer TF4 bezeichnet einen mit offener Flamme brennenden Polyurethanschaum, der große Mengen dunklen Rauches erzeugt.

[0013] In einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Zustand des Testbrandes mit einem Verfahren der numerischen Strömungssimulation simuliert. Derartige Simulationsverfahren umfassen beispielsweise die sogenannte direkte numerische Simulation (DNS), bei der die Navier-Stokes-Gleichungen unter Berücksichtigung aller Größenskalen der Strömungsbewegung gelöst werden. Bevorzugt ist im vorliegenden Zusammenhang allerdings das Verfahren der Simulation der großskaligen Wirbel (LES, Large Eddy Simulation), bei der eine räumliche Mittelung bzw. Filterung auf die Navier-Stokes-Gleichungen angewendet wird, und der Einfluß von turbulenten Schwankungen, deren Abmessungen kleiner als vorgewählte Gitterabmessungen sind, auf den Rest der Strömung mit einem Turbulenzmodell berücksichtigt wird.

[0014] Die elektrooptische Aufnahmeeinrichtung ist in einer zweckmäßigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Videokamera, und ein Kamerabild der Videokamera wird durch ein Visualisierungsverfahren nachgebildet. Dabei könne verschiedene, an sich bekannte Rendering-Verfahren zum Einsatz kommen, wie etwa Flat-Shading, Gouraud- oder Phong-Shading, Raytracing oder Radiosity. Im vorliegenden Zusammenhang ist das Raytracing-Verfahren als besonders geeignet gefunden worden, da es bei vertretbaren numerischen Aufwand photorealistische Bilder mit Schatten, Lichtbrechungen, sowie Beugung und Reflexion an den Wänden des Testraums, der im Testraum befindlichen Objekte und den Rauchpartikeln erzeugen kann.

[0015] In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Schritte des Simulierens des Zustands des Testbrandes, des Nachbildens einer Aufnahme der elektrooptischen Aufnahmeeinrichtung und des Ausgebens der nachgebildeten Aufnahme an die Brandentdeckungseinrichtung zeitlich fortlaufend wiederholt, um den Testbrand in seiner zeitlichen Entwicklung der Brandentdekkungseinrichtung zur Brandauswertung zuzuführen.

[0016] Schließlich können zusätzlich noch weitere Datenaufnahmegeräte wie z.B. Temperatursensoren nachgebildet und zur Brandauswertung herangezogen werden.

[0017] Die Erfindung enthält auch eine Vorrichtung zur Durchführung eines geschilderten Verfahrens, umfassend:

• Mittel zum Bestimmen der charakteristischen Parameter der elektrooptischen Aufnahmeeinrichtung,
• Mittel zum Festlegen von charakteristischen Parametern eines Testraums und eines Testbrandes;
• eine Simulationseinrichtung zum Simulieren des Zustands des Testbrandes in dem Testraum auf Grundlage der Testraum-Parameter und der Testbrand-Parameter;
• eine Nachbildungseinrichtung zum Nachbilden einer Aufnahme der elektrooptischen Aufnahmeeinrichtung auf Grundlage der Aufnahmeeinrichtungs-Parameter und des simulierten Zustands des Testbrandes; und
• Mittel zum Ausgeben der nachgebildeten Aufnahme an die Brandentdeckungseinrichtung zur Brandauswertung.

[0018] Bevorzugt sind die Simulationseinrichtung und die Nachbildungseinrichtung in einer Rechnereinheit integriert.

[0019] Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen, Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung des Ausführungsbeispiels und den Zeichnungen.

[0020] Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Es sind jeweils nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente dargestellt. Dabei zeigt

Figur 1

ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zum Test einer Brandentdeckungseinrichtung nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und

Figur 2

einen Testraum, wie er bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Simulation eines Testbrandes verwendet wird.

[0021] Figur 1 zeigt ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer Testvorrichtung 10 für eine Brandentdekkungseinrichtung 20. Im herkömmlichen Betrieb ist die Brandentdeckungseinrichtung 20 mit einer Videokamera 34 (Figur 2) verbunden, welche ein Videobild eines geschlossenen Raumes, beispielsweise des Frachtraumes eines Flugzeugs aufnimmt. Durch eine Analyse des Kamerabildes, beispielsweise einen Vergleich mit einem vorab aufgenommenen Referenzbild und der Bestimmung des Mittelwerts der Grauwerte der einzelnen Bildpixel und der zugehörigen Standardabweichung, entscheidet die Brandentdeckungseinrichtung 20, ob in dem beobachteten Raum ein Feuer ausgebrochen ist.

[0022] Dabei kann die Erkennungsgenauigkeit doch den Einsatz hochentwickelter Algorithmen weiter verbessert werden. Beispielsweise wird die Erkennungsgenauigkeit gesteigert, wenn die Berechnung des Mittelwerts und der Standardabweichung nicht nur einmal für das gesamte Kamerabild, sondern für mehrere, nicht überlappende Teilbereiche des Kamerabildes getrennt erfolgt.

[0023] Um verschiedene derartige Algorithmen effizient testen und bewerten zu können, werden die Bilder der Videokamera 34 erfindungsgemäß durch Testvorrichtung 10 simuliert.

[0024] Die Testvorrichtung 10 ist durch eine Recheneinheit gebildet, die eine Eingabeeinrichtung 12, eine Simulationseinrichtung 14, eine Datenaufbereitungseinrichtung 16 und eine Nachbildungseinrichtung 18 umfaßt.

[0025] Zur weiteren Erklärung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird besonders auf Fig. 2 Bezug genommen, die beispielhaft einen allgemein mit 30 bezeichneten Testraum zeigt, in dem ein Testbrand 40 in der nachfolgend beschriebenen Weise simuliert wird.

[0026] Zunächst nimmt die Eingabeeinrichtung 12 durch manuelle Eingabe oder durch Lesen aus einer vorab erstellten Datei die charakteristischer Parameter der Videokamera 34, des Testraumes 30 und eines Testbrandes 40 auf.

[0027] Für die Videokamera 34 werden dabei die Empfindlichkeit, die Auflösung und der Sehwinkel der Kamera bestimmt. Der in Fig. 2 dargestellte Testraum ist dem Frachtraum eines Flugzeugs nachgestaltet, und hat beispielsweise eine rechteckige Grundfläche von mit einer Länge von 14,8 Metern, einer Breite von 4,2 Metern und einer Höhe von 1,7 Metern.

[0028] Die Videokamera 34 ist im Innern des Raumes 30 an der Decke so angebracht, daß sich bei einem Sehwinkel von 90° das durch die gestrichelten Linien 36 angedeutete Gesichtsfeld ergibt. Im Frachtraum 30 befinden sich weiter zwei Container 32, die das Gesichtsfeld der Kamera 34 auf ein schmales horizontales Band einer Höhe von lediglich einigen Zentimetern beschränken. Darüber hinaus sind im Ausführungsbeispiel, um den Nachweis eines Feuers durch aufsteigenden Rauch zu ermöglichen, außerhalb des Gesichtsfelds 36 der Kamera 34 drei Halogenlampen 38 angeordnet. Durch die Dunkelfeldanordnung der Halogenlampen 38 kann kein direktes, sondern nur reflektiertes oder an Rauchpartikeln gestreutes Licht zur Videokamera 34 gelangen.

[0029] In dem so definierten Testraum wird an einer Position, die nicht im direkten Blickbereich der Kamera 34 liegt, ein Brand 40 simuliert. Die Parameter des Testbrands sind im Ausführungsbeispiel nach der Europa-Norm EN-54 gewählt, beispielsweise wird ein Testfeuer TF4, bei dem ein Polyurethanschaum unter Entwicklung großer Mengen dunklen Rauchs mit offener Flamme brennt, simuliert.

[0030] Auf Grundlage der charakteristischen Parameter des Testraumes 30 und des Brandes 40 führt dann die Simulationseinrichtung 14 eine numerische Strömungssimulation durch, im Ausführungsbeispiel mit der Methode der Simulation großskaliger Wirbel (LES, Large Eddy Simulation).

[0031] Die Ausgabedaten der Simulationseinrichtung 14 werden anschließend durch die Datenaufbereitungseinrichtung 16 in ein für die Nachbildungseinrichtung 18 geeignetes Format gewandelt.

[0032] Die Nachbildungseinrichtung 18 erzeugt mit einem Visualisierungsverfahren, im Ausführungsbeispiel einem Raytracing-Verfahren, ein photorealistisches Bild des Frachtraums 30 einschließlich des Feuers 40 und des entstehenden Rauches. Dazu wird in an sich bekannter Weise zwischen die Kamera 34 und den virtuellen Testraum eine Projektionsebene mit einer der Kameraauflösung entsprechenden Zahl an Bildpunkten gelegt, und durch jeden Bildpunkt der Projektionsebene ein Strahl in die Testraumszene hinein verlängert, bisher er auf ein Objekt trifft. Durch die numerische Strömungssimulation des Brandes 40 bilden auch das Feuer, die Strömung der heißen Luft und der aufsteigende Rauch Objekte, die die Beleuchtung der Halogenlampen 38 ablenken oder reflektieren können. Somit entsteht ein realistisches Bild des Brandverlaufs in dem Frachtraum, das an Stelle eines echten Videobilds der Brandentdeckungseinrichtung 20 zur weiteren Auswertung zugeleitet wird (Bezugszeichen 22).

[0033] Da durch die rechnergestützte Simulation schnell eine Vielzahl von Szenarien mit verschiedenen Belegungen des Testraums und unterschiedlichen Brandtypen durchgespielt werden kann, ermöglicht die Erfindung effektive Tests und Bewertungen der in der Brandentdeckungseinrichtung verwendeten Auswertealgorithmen.

Ansprüche

1. Verfahren zum Test einer Brandentdeckungseinrichtung, die auf Grundlage der Aufnahmen einer elektrooptischen Aufnahmeeinrichtung Brände in geschlossenen Räumen entdeckt, umfassend die Verfahrensschritte:

- Bestimmen der charakteristischen Parameter der elektrooptischen Aufnahmeeinrichtung;

- Festlegen von charakteristischen Parametern eines Testraums;

- Festlegen von charakteristischen Parametern eines Testbrandes;

- Simulieren des Zustands des Testbrandes in dem Testraum auf Grundlage der Testraum-Parameter und der Testbrand-Parameter;

- Nachbilden einer Aufnahme der elektrooptischen Aufnahmeeinrichtung auf Grundlage der Aufnahmeeinrichtungs-Parameter und des simulierten Zustands des Testbrandes; und

- Ausgeben der nachgebildeten Aufnahme an die Brandentdeckungseinrichtung zur Brandauswertung.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als charakteristische Parameter der elektrooptischen Aufnahmeeinrichtung die Empfindlichkeit und/oder die Auflösung der elektrooptischen Aufnahmeeinrichtung bestimmt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als charakteristische Parameter des Testraums die geometrische Struktur des Testraums und/oder die Belegung des Testraums mit Objekten und/oder Art und Position von Beleuchtungseinrichtungen festgelegt werden.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als charakteristische Parameter des Testbrands die Art des Feuers und/oder das brennende Material und/oder die Größe der freigesetzten Verbrennungswärme und/oder die Art und Menge des entstehenden Rauchs festgelegt werden.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Zustand des Testbrandes mit einem Verfahren der numerischen Strömungssimulation, bevorzugt durch das Verfahren der Large Eddy Simulation (LES) simuliert wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrooptische Aufnahmeeinrichtung eine Videokamera ist, und ein Kamerabild durch ein Visualisierungsverfahren, insbesondere ein Raytracing-Verfahren nachgebildet wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schritte des Simulierens des Zustands des Testbrandes, des Nachbildens einer Aufnahme der elektrooptischen Aufnahmeeinrichtung und des Ausgebens der nachgebildeten Aufnahme an die Brandentdeckungseinrichtung zeitlich fortlaufend wiederholt werden, um den Testbrand in seiner zeitlichen Entwicklung der Brandentdeckungseinrichtung zur Brandauswertung zuzuführen.

8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zum Test einer Brandentdeckungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend:

- Mittel (12) zum Bestimmen der charakteristischen Parameter der elektrooptischen Aufnahmeeinrichtung (34),

- Mittel (12) zum Festlegen von charakteristischen Parametern eines Testraums (30) und eines Testbrandes (40);

- eine Simulationseinrichtung (14) zum Simulieren des Zustands des Testbrandes (40) in dem Testraum (30) auf Grundlage der Testraum-Parameter und der Testbrand-Parameter;

- eine Nachbildungseinrichtung (18) zum Nachbilden einer Aufnahme der elektrooptischen Aufnahmeeinrichtung (34) auf Grundlage der Aufnahmeeinrichtungs-Parameter und des simulierten Zustands des Testbrandes (40); und

- Mittel zum Ausgeben der nachgebildeten Aufnahme an die Brandentdeckungseinrichtung (20) zur Brandauswertung.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Simulationseinrichtung (14) und die Nachbildungseinrichtung (18) in einer Rechnereinheit (10) integriert sind.

Zeichnung