JP6321403B2 - 火災検知システム及び火災検知方法 - Google Patents
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Description
本発明は、火災検知システムに於いて、
監視領域を撮影する撮像手段と、
撮像手段により撮像する監視領域の背景となる壁面及び床面を一定照度に照明する照明手段と、
撮像手段により撮像した画像から煙プルームの存在する煙画像を判定する煙画像判定手段と、
煙画像判定手段により判定された煙画像から煙プルームの見込み角を検出する見込み角検出手段と、
煙画像判定手段により判定された煙画像から煙プルームによる減光率を検出する減光率検出手段と、
減光率検出手段で検出した減光率から煙プルームの太さを推定するプルーム太さ推定手段と、
見込み角検出手段で検出した煙プルームの見込み角とプルーム太さ推定手段で推定した煙プルームの太さに基づき、撮像手段から煙プルームまでの火点距離を算出する距離算出手段と、
プルーム太さ推定手段で推定した煙プルームの太さが所定の閾値以上の場合に火災と判定すると共にそれ以外の場合に非火災と判定し、火災を判定した場合に距離算出手段で算出した火点距離及び又はプルーム太さ推定手段で推定した煙プルーム太さを示す情報と共に火災検知信号を出力する火災判定手段と、
を設けたことを特徴とする。
煙画像判定手段は、監視領域に煙プルームが存在しない背景画像を保持し、撮像手段により撮像した画像と背景画像との差分画像を生成して煙プルーム領域を抽出し、煙プルーム領域の水平画素数が所定閾値以上の場合に煙画像と判定する。
減光率検出手段は、煙画像判定手段で生成した差分画像から抽出した煙プルーム領域の所定高さの水平画素列の輝度と、当該水平画素列と同じ位置の背景画像の水平画素列の輝度に基づいて煙プルームの減光率を算出する。
プルーム太さ推定手段は、所定のモデル火災から求めた煙プルームによる減光率と太さの関係を予め設定し、この関係に基づいて減光率検出手段で検出した煙プルームの減光率から煙プルームの太さを推定する。
距離算出手段は、推定した煙プルームの太さを2r、煙プルームの見込み角をθとした場合、前記火点距離Lを、
L=r/tan(θ/2)
により算出して推定する。
更に、撮像手段による撮像領域の背景となる壁面及び床面を、可視光又は赤外光により、常時点灯又は間欠点灯して照明する照明制御手段を設ける。
照明手段は、火災判定手段が火災と判定した場合、背景照明から監視領域全体の照明に切り替える。
減光率検出手段は、検出した煙プルームの減光率に基づいて燃焼物の種類を推定する。例えば、減光率検出手段は、検出した煙プルームの減光率が所定の閾値範囲の場合は紙、木材及び又は綿布を含む燃焼物と推定し、閾値範囲の上限を超える所定値以上の場合はポリウレタン等の樹脂を含む燃焼物と推定する。
本発明は、火災検知方法に於いて、
撮像手段により撮像する監視領域の背景となる壁面及び床面を一定照度に照明する照明ステップと、
撮像手段により撮像した画像から煙プルームの存在する煙画像を判定する煙画像判定ステップと、
煙画像判定ステップにより判定された煙画像から煙プルームの見込み角を検出する見込み角検出ステップと、
煙画像判定ステップにより判定された煙画像から煙プルームによる減光率を検出する減光率検出ステップと、
減光率検出ステップで検出した減光率から煙プルームの太さを推定するプルーム太さ推定ステップと、
見込み角検出ステップで検出した煙プルームの見込み角とプルーム太さ推定ステップで推定した煙プルームの太さに基づき、撮像手段から煙プルームまでの火点距離を算出する距離算出ステップと、
プルーム太さ推定ステップで推定した煙プルームの太さが所定の閾値以上の場合に火災と判定すると共にそれ以外の場合に非火災と判定し、火災を判定した場合に距離算出ステップで算出した火点距離及び又はプルーム太さ推定ステップで推定した煙プルーム太さを示す情報と共に火災検知信号を出力する火災判定ステップと、
を設けたことを特徴とする。
本発明の火災検知システムは、監視領域を撮影する撮像手段と、
撮像手段により撮像する監視領域の背景となる壁面及び床面を一定照度に照明する照明手段と、撮像手段により撮像した画像から煙プルームの存在する煙画像を判定する煙画像判定手段と、煙画像判定手段により判定された煙画像から煙プルームの見込み角を検出する見込み角検出手段と、煙画像判定手段により判定された煙画像から煙プルームによる減光率を検出する減光率検出手段と、減光率検出手段で検出した減光率から煙プルームの太さを推定するプルーム太さ推定手段と、見込み角検出手段で検出した煙プルームの見込み角とプルーム太さ推定手段で推定した煙プルームの太さに基づき、撮像手段から煙プルームまでの火点距離を算出する距離算出手段と、プルーム太さ推定手段で推定した煙プルームの太さが所定の閾値以上の場合に火災と判定すると共にそれ以外の場合に非火災と判定し、火災を判定した場合に距離算出手段で算出した火点距離及び又はプルーム太さ推定手段で推定した煙プルーム太さを示す情報と共に火災検知信号を出力する火災判定手段とを設けるようにしたため、監視領域の煙が上がる空間は照明せずに、撮像手段で撮像する監視領域の背景となる床面及び壁面を一定照度に照明することで、火災により発生した煙プルームによる減光率を観測画像から検出し、予め設定した距離によらずに一定となる煙プルームの減光率から煙プルームの太さを推定して、煙プルームの太さが所定の火災判定閾値以上の場合に火災と判定することで、距離により大きさが変化する煙プルームにより減光する観測画像から確実に火災を検知して警報することを可能とする。
また、煙画像判定手段は、監視領域に煙プルームが存在しない背景画像を保持し、撮像手段により撮像した画像と背景画像との差分画像を生成して煙プルーム領域を抽出し、煙プルーム領域の水平画素数が所定閾値以上の場合に煙画像と判定する
ようにしたため、火炎の可能性の低い煙画像に対する火災を判定するための処理を不要にして処理負担を低減可能とする。
また、減光率検出手段は、煙画像判定手段で生成した差分画像から抽出した煙プルーム領域の所定高さの水平画素列の輝度と、当該水平画素列と同じ位置の背景画像の水平画素列の輝度に基づいて煙プルームの減光率を算出するようにしたため、一定照度の背景が煙プルームの存在により減光して撮像されることによる観測画像からの減光率の検出ための処理、差分画像に基づく簡単な計算処理により高速に行うことを可能とする。
また、プルーム太さ推定手段は、所定のモデル火災から求めた煙プルームによる減光率と太さの関係を予め設定し、この関係に基づいて減光率検出手段で検出した煙プルームの減光率から煙プルームの太さを推定するようにしたため、煙プルームによる減光率は距離が変わっても一定であり、これにより煙プルームからの距離に関わらず、火災の規模を示す煙プルームの太さを簡単且つ確実に検知可能とする。
また、距離算出手段は、推定した煙プルームの太さをd、煙プルームの見込み角をθとした場合、火点距離Lを、
L=r/tan(θ/2)
により算出して推定するようにしたため、距離に応じて大きさの変化する煙プルームの観測画像から火点までの距離を推定することができ、煙プルームの太さによる火災の規模に加えて火炎距離がわかることで、監視領域で発生した火災の様子や位置を適確に把握して対処可能とする。
また、照明制御手段は、火災判定手段が火災と判定した場合、背景照明から監視領域全体の照明に切り替えるようにしたため、火災を判定した場合に監視領域となる部屋全体を照明した画像が撮像できることで、そのモニタ画面などを見ることによる人為的な確認を可能とし、消火活動や避難活動につき適切に対処可能とする。
減光率検出手段は、検出した煙プルームの減光率に基づいて燃焼物の種類として、例えば、減光率検出手段は、検出した煙プルームの減光率が所定の閾値範囲の場合、例えば概ね15乃至40パーセントの場合は紙、木材及び又は綿布を含む燃焼物と推定し、前記閾値範囲の上限を超える所定値以上の場合、例えば概ね90パーセント以上の場合は、はポリウレタン等の樹脂を含む燃焼物と推定するようにしたため、燃焼物の種類を知ることで、消火活動の準備、消防機関への通報、避難誘導の準備等を燃焼物の種類に応じて適切に行うことを可能とする。
図1は本発明による火災検知システムを設置した監視領域を示した説明図である。
監視カメラ10の観測画像から監視領域16の煙による減光率を正しく検出するためには、背景となる床面16a、壁面16b及び天井面16cのみが発光し、空間に広がる煙には照明が当たらない背景照明とすることが望ましい。これは、煙に照明が当ることにより発生する散乱光が監視カメラ10に入射したことにより、煙の減光量が相殺されて信号量が減少することを防ぐためである。
(煙プルームと減光率)
図2は、図1示すように、火災により発生する煙をモデル化して示した説明図である。
火災により発生する煙プルームは、火源の拡大による熱量の増加に伴って太くなり、同時に煙の上昇速度u(m/s)および減光率y(%/m) も大きくなっていく。
火災により発生した煙プルーム中の高さ毎のプルーム太さと煙濃度(減光率)は、アルパート(Alpart)の実験式により求められる。このアルパートの実験式は、1972年5月18日、米国、フィラディルフィアで開催されたNational Fire Protection Association の年次会合の76番目の論文「天井設置された火災感知器の時間応答の計算(Calculation of Response Time of Ceiling−Mounted Fire Detectors)」で発表されている。
ΔT=5.38(Q/r)2/3/H
u=0.2Q1/3H1/2/r5/6
プルームの高さHと半径r、煙濃度yの関係を求める。煙減光係数k(1/m)と温度上昇ΔTの関係は、燃焼する物質により定まり、いま紙の燃えた場合を考えると、
k/ΔT=0.41E−2(1/m・deg)
となる。減光係数k(1/m)を減光率y(%/m)に変換するには
y=(1−e-k)・100
となる。図4(B)は、k/ΔT比の代表値を示す。
図6は背景までの距離と一定照度で照明している背景のエネルギー及び面積の関係を示したグラフ図である。
S=(L0・tanθ)2
となる。
となる。
Er2/Er1=L02 2/L01 2
Er2 =Er1・L02 2/L01 2
=W(L01・tanθ)2 ・L02 2/L01 2
=W(L02・tanθ)2
=Er2
即ち、均一な光が当たる背景から監視カメラ10の1画素に入射するエネルギーErは、背景までの距離Lによらず一定となる
この光の経路に、減光率(1−α)の煙プルームによる煙層が介在する場合、煙層を透過して監視カメラ10の1画素に入射するエネルギーEsは、
Es=(1−α)Er
となり、監視カメラ10の入射エネルギーEsは煙層から監視カメラ10までの距離によらず、一定となる。
火災により発生した煙プルームの高さ毎の煙プルームの太さと減光率の関係は、前述したように、図4に示したアルバートの理論により求められる。いま、紙を燃焼物と想定し、火点の熱量が30kWの初期火災で発生したプルームの高さH毎のプルーム半径r、減光率yおよび煙上昇速度uの関係を求めると図7のグラフ図に示すようになる。
監視カメラ10の観測画像に存在する煙プルームの減光率Yから太さ2rを推定することができると、監視カメラ10から煙プルームを発生している火点までの距離Lを算出することができる。
α=45°/700=0.064(°/画素)
となる。なお、以下の説明では、画素をピクセルという場合があり、また、画素数の単位として(pxl)を表記する場合がある。
θ=α・2R(°) (式1)
となる。
L = r/tan(θ/2) (式2)
となる。
監視カメラ10の観測画像に占める煙プルームによる火災判定は、煙プルームの減光率Yから推定した煙プルームの太さ2rが、所定のモデル火災による煙プルームの閾値太さ(2r)th以上となった場合に火災と判定する。
(火災検知システムの機能構成)
図9は本発明による火災検知システムの機能構成の概略を示したブロック図である。図9に示すように、火災検知システムは、監視カメラ10と画像処理装置12で構成し、画像処理装置12は、そのハードウェアとしてCPU、メモリ、各種の入出力ポート等を備えたコンピュータ回路等で構成する。
ΔB=Br−Bs
となり、煙プルームを通過する背景からの光の減光量を示す。
Y=(ΔB/Br)・100
として算出する。
Y={(Br−Bs)/Br}・100
として算出したことを意味する。
例えばプルーム太さ推定部36は、図5に示した減光率Yとプルーム太さ2rのグラフ特性近似をする関係式を設定しており、この関係式に検出した減光率Yを代入することで、煙プルームの太さ2rを算出して推定する。
いま、煙画像判定部30で判定した煙プルーム領域の水平画素数2Rが2R=46ピクセルであったとすると、見込み角検出部32で算出する見込み角θは前記式1から
θ=0.064×46=2.94°
となる。
L=15.2(m)
と算出する。
図11は、図9の実施形態による火災検知処理を示したフローチャートである。図11に示すように、まずステップS1(以下「ステップ」は省略)で煙画像における煙プルーム領域を判定する水平画素数の閾値2Rth、監視カメラ10における1画素当りの見込み角α、煙プルームの太さから火災を判定する火災判定閾値(2r)thを定数として設定する。
上記の実施形態にあっては、煙プルームの減光率Yから推定した太さ2rが火災判定のために設定したモデル火災による煙プルームの太さを閾値(2r)thとして、それ以上の場合に火災と判定しているが、煙プルームの太さから火災と判断する閾値に余裕度を持たせた火災判断領域を設定し、この火災判断領域から外れた関係となるプルーム状のものは火災ではなく、非火災として報知する。
木材や布、紙等が燻焼した場合に発生する白色の煙プルームは、若干の差異はあるものの、図5に示した紙の場合とほぼ同等の煙プルーム太さと減光率の関係を維持し、図9の実施形態による火災検知が可能となる。
図9の実施形態は、燃焼物を紙としたモデル火災に基づく火災検知を説明してきたが、火災時の燃焼物は当然、様々なものが考えられる。
(火点距離の推定に基づく応用)
本発明の実施形態のような、監視カメラを略水平方向に設置して部屋内を監視する場合、カメラ画像のみでは火災位置を正確に知ることができない(角度だけが分かる)。
図9の画像処理装置12で火災を判定した場合に出力される煙プルームの太さ、即ち火点の大きさ(規模)の推定値を利用することで、次のような応用が可能となる。
(火点の等価直径)
上記の実施形態は、煙画像から火災と判定した場合に、火災検知信号に加え、推定した煙プルームの太さ及び又は火点距離のデータを出力するようにしているが、火災検知信号のみを出力するようにしても良い。
上記の実施形態は、煙プルームの太さが所定の閾値以上の場合に火災と判定して火災検知信号と共に煙プルームまでの火点距離及び又は煙プルームの太さを示すデータを出力しているが、非火災と判定した場合にも、非火災の煙検出信号と共に煙プルームまでの火点距離及び又は煙プルームの太さを示すデータを出力し、例えば非火災の煙検知による注意警報を出力すると共に、火点距離と煙プルームの太さを表示することで、火気厳禁となっている監視領域での火気の使用を報知し、例えば放火などに対処することを可能とする。
上記の実施形態にあっては、説明を簡単にするため監視カメラの水平片側視野角θを45°とした場合を例にとっているが、適宜の視野角に適用できる。また、監視カメラの水平及び垂直の画素数も(1400×1000)ピクセルに限定されず、適宜の解像度のものが使用できる。
上記の実施形態にあっては、監視カメラと画像処理装置を分離配置して伝送路により接続しているが、両者を一体化した装置としても良い。
また、本発明は上記の実施形態に限定されず、その目的と利点を損なうことのない適宜の変形を含み、更に上記の実施形態に示した数値による限定は受けない。
12:画像処理装置
14:火災報知設備
15:撮影領域
16:監視領域
18:火点
20:煙
22a:床面照明装置
22b:壁面照明装置
24:室内照明装置
26:煙プルーム
28:伝送部
30:煙画像判定部
32:見込み角検出部
34:減光率検出部
36:プルーム太さ推定部
38:距離算出部
40:火災判定部
42:照明制御部
44:背景画像
45:観測画像
46:差分画像
48:煙プルーム領域
50:水平画素列
Claims (18)
- 監視領域を撮影する撮像手段と、
前記撮像手段により撮像する前記監視領域の背景となる壁面及び床面を一定照度に背景照明する照明手段と、
前記撮像手段により撮像した画像から煙プルームの存在する煙画像を判定する煙画像判定手段と、
前記煙画像判定手段により判定された煙画像から煙プルームの見込み角を検出する見込み角検出手段と、
前記煙画像判定手段により判定された煙画像から煙プルームによる減光率を検出する減光率検出手段と、
前記減光率検出手段で検出した減光率から煙プルームの太さを推定するプルーム太さ推定手段と、
前記見込み角検出手段で検出した煙プルームの見込み角と前記プルーム太さ推定手段で推定した煙プルームの太さに基づき、前記撮像手段から前記煙プルームまでの火点距離を算出する距離算出手段と、
前記プルーム太さ推定手段で推定した煙プルームの太さが所定の閾値以上の場合に火災と判定すると共にそれ以外の場合に非火災と判定し、火災を判定した場合に前記距離算出手段で算出した火点距離及び又は前記プルーム太さ推定手段で推定した煙プルーム太さを示す情報と共に火災検知信号を出力する火災判定手段と、
を設けたことを特徴とする火災検知システム。
- 請求項1記載の火災検知システムに於いて、前記煙画像判定手段は、前記監視領域に煙プルームが存在しない背景画像を保持し、前記撮像手段により撮像した画像と前記背景画像との差分画像を生成して煙プルーム領域を抽出し、前記煙プルーム領域の水平画素数が所定閾値以上の場合に煙画像と判定することを特徴とする火災検知システム。
- 請求項2記載の火災検知システムに於いて、前記減光率検出手段は、前記煙画像判定手段で生成した差分画像から抽出した煙プルーム領域の所定高さの水平画素列の輝度と、当該水平画素列と同じ位置の前記背景画像の水平画素列の輝度に基づいて煙プルームの減光率を算出することを特徴とする火災検知システム。
- 請求項1記載の火災検知システムに於いて、前記プルーム太さ推定手段は、所定のモデル火災から求めた煙プルームによる減光率と太さの関係を予め設定し、前記関係に基づいて前記減光率検出手段で検出した煙プルームの減光率から煙プルームの太さを推定することを特徴とする火災検知システム。
- 請求項1記載の火災検知システムに於いて、前記距離算出手段は、推定した煙プルームの太さを2r、煙プルームの見込み角をθとした場合、前記火点距離Lを、
L=r/tan(θ/2)
により算出して推定することを特徴とする火災検知システム。
- 請求項1記載の火災検知システムに於いて、前記照明手段は、前記撮像手段による撮像領域の背景となる壁面及び床面を、可視光又は赤外光により、常時点灯又は間欠点灯して照明することを特徴とする火災検知システム。
- 請求項1記載の火災検知システムに於いて、更に、前記火災判定手段が火災と判定した場合、前記照明手段による背景照明から監視領域全体の照明に切り替える照明制御手段を設けたことを特徴とする火災検知システム。
- 請求項2記載の火災検知システムに於いて、前記減光率検出手段は、検出した煙プルームの減光率に基づいて燃焼物の種類を推定することを特徴とする火災検知システム。
- 請求項8記載の火災検知システムに於いて、前記減光率検出手段は、検出した煙プルームの減光率が所定の閾値範囲の場合は紙、木材及び又は綿布を含む燃焼物と推定し、前記閾値範囲の上限を超える所定値以上の場合はポリウレタン等の樹脂を含む燃焼物と推定することを特徴とする火災検知システム。
- 撮像手段により撮像する仕切り空間となる監視領域の背景となる壁面及び床面を一定照度に背景照明する照明ステップと、
前記撮像手段により撮像した画像から煙プルームの存在する煙画像を判定する煙画像判定ステップと、
前記煙画像判定ステップにより判定された煙画像から煙プルームの見込み角を検出する見込み角検出ステップと、
前記煙画像判定ステップにより判定された煙画像から煙プルームによる減光率を検出する減光率検出ステップと、
前記減光率検出ステップで検出した減光率から煙プルームの太さを推定するプルーム太さ推定ステップと、
前記見込み角検出ステップで検出した煙プルームの見込み角と前記プルーム太さ推定手段で推定した煙プルームの太さに基づき、前記撮像手段から前記煙プルームまでの火点距離を算出する距離算出ステップと、
前記プルーム太さ推定ステップで推定した煙プルームの太さが所定の閾値以上の場合に火災と判定すると共にそれ以外の場合に非火災と判定し、火災を判定した場合に前記距離算出ステップで算出した火点距離及び又は前記プルーム太さ推定ステップで推定した煙プルーム太さを示す情報と共に火災検知信号を出力する火災判定ステップと、
を設けたことを特徴とする火災検知方法。
- 請求項10記載の火災検知方法に於いて、前記煙画像判定ステップは、前記監視領域に煙プルームが存在しない背景画像を保持し、前記撮像手段により撮像した画像と前記背景画像との差分画像を生成して煙プルーム領域を抽出し、前記煙プルーム領域の水平画素数が所定閾値以上の場合に煙画像と判定することを特徴とする火災検知方法。
- 請求項11記載の火災検知方法に於いて、前記減光率検出ステップは、前記煙画像判定ステップで生成した差分画像から抽出した煙プルーム領域の所定高さの水平画素列の輝度と、当該水平画素列と同じ位置の前記背景画像の水平画素列の輝度に基づいて煙プルームの減光率を算出することを特徴とする火災検知方法。
- 請求項10記載の火災検知方法に於いて、前記プルーム太さ推定ステップは、所定のモデル火災から求めた煙プルームによる減光率と太さの関係を予め設定し、前記関係に基づいて前記減光率検出ステップで検出した煙プルームの減光率から煙プルームの太さを推定することを特徴とする火災検知方法。
- 請求項10記載の火災検知方法に於いて、前記距離算出ステップは、推定した煙プルームの太さを2r、煙プルームの見込み角をθとした場合、前記火点距離Lを、
L=r/tan(θ/2)
により算出して推定することを特徴とする火災検知方法。
- 請求項10記載の火災検知方法に於いて、前記照明ステップは、前記撮像手段による撮像領域の背景となる壁面及び床面を、可視光又は赤外光により、常時点灯又は間欠点灯して照明することを特徴とする火災検知方法。
- 請求項10記載の火災検知方法に於いて、更に、前記火災判定ステップが火災と判定した場合、前記背景照明から監視領域全体の照明に切り替える照明制御ステップを設けたことを特徴とする火災検知方法。
- 請求項10記載の火災検知方法に於いて、前記減光率検出ステップは、検出した煙プルームの減光率に基づいて燃焼物の種類を推定することを特徴とする火災検知方法。
- 請求項17記載の火災検知方法に於いて、前記減光率検出ステップは、検出した煙プルームの減光率が所定の閾値範囲の場合は紙、木材及び又は綿布を含む燃焼物と推定し、前記閾値範囲の上限を超える所定値以上の場合はポリウレタン等の樹脂を含む燃焼物と推定することを特徴とする火災検知方法。
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