朱晶晶
上海腾盛智能安全科技股份有限公司 上海 200233
摘要：随着社会的发展，公共设施越来越多，火灾的隐患也逐渐增加。安装灾害自动探测报警系统的目的——为了最早发现火灾，准确采取抑制、扑灭、疏散等措施，最大可能降低或避免因灾害带来的损害。探讨灾害自动报警系统的成因及特点，结合现场实际应用环境，火灾报警系统的选型对比，供业内人士参考。
1.前言
从2000年起，全国高速公路修建达10万公里以上，隧道总里程达到1万多公里，而作为建筑体——隧道内部空间高、长度长，车辆速度快，如灾害初期火焰和烟雾扩散，影响较大，事故产生，易造成车毁人亡状态。因此如何做到灾害自动探测系统最快报警，降低及最小误报率，将灾害消灭于刚发生状态。
2．高速公路隧道内的火灾成因及特点
《公路隧道交通工程设计规范》对其火警灾害的描述为“火情灾害生成与发展的阶段可分为：前期、早期、中期和晚期这样四个阶段；每个阶段特征不一样，前期表现有一定量的烟雾；早期烟雾量增加且出现火焰；中期表现为火情灾害形成，火势灾害上升很快；后期表现为火势灾害扩散。由于隧道内环境非常恶劣，同时具有通风换风装置，烟雾的浓度不易控制。因此，隧道内火情灾害检测的着重点应从早期开始”。
公路隧道火灾发展过程，与其他建筑一样，火灾有“烟、温、火”三个特征。第一，隧道中燃烧物产生的烟雾，迅速扩散，弥漫隧道里面；第二，与隧道内行驶车辆装载物品危险的性质及数量有关。
研究发现行驶车辆导致的火情灾害具有特点：
行驶车辆在高速公路隧道中快速通行时，发生故障灾害的点是随机并且不可预测；行驶车辆在高速公路隧道中发生火情灾害的温度高低、所释放出来的热量等与发生事故车辆的种类密切相关，如表2.1和图2.2：
可见，汽车的大小、运送的货物等均是决定隧道火灾的重要因素。
3．高速公路隧道中灾害报警系统的原理及应用
灾害报警系统由传统的火灾手动报警系统结合自动火灾报警系统实现，设备有：手动报警按钮、智能烟感、智能温感、感光探测器、图像探测器等传感器将信号传递到火灾报警控制器，向报警系统发出信号，联动各个子系统完成相关预警、灭火预案。
十多年来高速隧道中经常用的自动火灾探测系统，根据设备的探测原理主要分为感温型和感光型，其中感温型分为：分布式光纤线型感温火灾探测器、光纤光栅线型感温火灾探测器；感光型：双波长火焰探测器，还有近两年快速发展的技术——图像视频火灾探测器，结合火焰、烟雾、视频复合式探测，迅速的在极早期发现火灾，使火灾造成的损失降到最小。从最早期的传统报警系统->分布式光纤线型感温探测系统->光纤光栅线型感温探测系统->双波长火焰探测系统->图像火灾探测系统，产品日趋完善，先进。
3.1光纤/光栅线型感温火灾探测系统
采用高精度并行光谱探测技术测量，数字式光电信号转换，检测精度高，实现分布式/准分布式测量，火警分区可设置，可广泛应用于公路隧道、城市综合管廊、石油石化等领域。
分布式光纤线型感温火灾探测系统,基本工作原理为：由光纤测温主机安装一定重复频率发射脉冲光入射到传感光纤，由激光脉冲和光纤分子相互作用产生后向拉曼（Raman）散射效应，沿传感光纤后向发射回到光纤测温主机，反斯托克斯光信号强度与温度相关联，但斯托克斯光信号与温度无关联。因此，在传感光纤中任意一点的反斯托克斯光信号和其斯托克斯光信号强度的比例，从而获取该点的相关温度。而对于感温点的空间距离，可以利用光时域反射技术（OTDR）通过感温光纤中光波的传输速度和后向反射光的返回时间进行准备计算。
图3.2.1 分布式光纤线型感温火灾探测系统曲线图
图3.2.1为主机向探测光缆发送激光脉冲，通过检测拉曼后向散射光（Raman）的返回时间ti ，测点与设备的距离xi的关系计算图。
光纤光栅线型感温火灾探测系统,是一种准分布式光纤感温探测系统，其基本工作原理为，利用光纤材料中的相关光敏性，通过外部曝光的方法把入射光相干场图样刻入光纤纤芯中，在纤芯内使其产生沿纤芯轴向的折射率周期性变化，进而形成相位光栅。光栅的温度特性为10pm/℃。
图3.2.2 光纤光栅线型感温火灾探测器的栅格示意图
由于隧道环境一般敷设于隧道顶部，隧道内会有过堂风，风会使火灾产生的温度移位，发生飘移，使得火灾报警定位发生严重飘移和偏差,监测到的火灾的地方和实际发生火灾的地方相差很远。
从国外的应用经验来看，光纤光栅没有在隧道的应用案例。大量的应用实例仅仅适用于封闭的动力电缆的温度监测、化工厂的输油管线以及油罐的温度监测，及其他环境温度对其影响较小的场所进行温度监测。说明光纤光栅的产品特性，要求须紧密接触探测物进行探测，才能发挥产品本身的技术特性。
北京市质量技术监督局和北京市消防局根据历年来隧道消防系统的应用情况，曾下发《城市地下联系隧道防火设计规范》，在规范中提出感温光纤光栅探测器在隧道应用，要环形回路敷设，以增加可靠性。但实际应用都没有这样做。
《中华人民共和国国家标准GB/T 21197-2007》对线形感温光纤光栅探测器有明确技术要求，要求在实际应用中，两探测器单元间距不应该大于5米。而目前在已经应用的隧道实例中，都很少做到。
3.3双波长火灾探测系统
双波长火焰探测器是设备中红外光源探测镜头和相关软件算法，检测的频谱范围在3.5～5.0微米范围内、并在1～10赫兹振荡频率的火焰辐射量，处理器采用运算处理能力强的，窄带滤波的不同波长的两只红外传感器，一只传感器用于在对火焰信息的中心波长反应，一只传感器用于监视其他红外辐射，与火焰的闪烁特征相结合，两个探测传感器采集的信号变化比率及对应关系作数据分析和运算，仅对火焰特征频谱范围内的辐射发出报警。具有很好的防误报警能力。其特点是不受隧道内风速影响，火灾响应速度快，侧壁安装，易维护，并具有高抗污能力。
图3.3.1 火焰光谱强度分析示意图
近年来福建、浙江、江苏、江西这些多山的省份基本都选用双波长产品。陕西省交通厅08年委托厅质检站对本省隧道内已经应用的感光火焰探测器和感温光纤光栅探测器，做过详细的调研和对比应用试验。综合结论：为安全起见，要求2公里以上长度隧道用感光型火焰探测器技术。比如北京奥林匹克公园中区景观及地下通道工程，地下隧道全长8公里，使用美国爱德华双波长火焰探测器隧道消防产品。在委托国家建筑工程质量监督检验中心以及北京市消防局、新奥集团业主三方牵头所做的检测情况看，火灾反映时间最短的7秒，平均时间只有不到11秒，最长的响应时间为16秒，而且定位精确，水喷淋到位，灭火及时,维护方便，完全满足和优于消防要求。
3.4 图像型火灾探测系统
图3.4.1 有和没有快速事件侦测和确认系统情况下的事故处理时间对比
图像型火灾探测系统是国内领先的烟雾、火焰探测的产品，通过红外、彩色/黑白多频视频摄像，采集灾害事件早期温度异常，火灾初期的烟雾、火焰图像，通过DSP处理器中的智能模式识别算法和自适应学习算法，提取温度异常、烟雾、火焰相关的各种物理特性，进行融合计算，形成火灾概率信息，辨识出温度异常和火灾并进行告警，并可同时输出图像信息的复合探测。该类检测系统最大的优势是可以整合图像火灾探测报警系统、交通事件监控检测系统与闭路电视监控系统，集成烟雾、火焰复合探测；响应速度快，明火识别报警响应时间可达：5～30s，烟雾响应最快为：10s，风速越大对火焰越有搅动增强火势的作用。
图3.4.1 图像火灾探测系统架构图
用图像识别采集技术, 采用多种判断依据对火情灾害的早期状态进行探测，达到及时且准确发现火情灾害，进而采取最有效措施来扑灭火灾。该技术不仅仅经济、可靠、实用，并且图像的识别算法识别火灾的效率会比较高、误报概率较低、实时性较强，可以广泛应用到隧道环境、管廊廊道、烟厂等大空间火灾监测工程项目中。
4．三种典型火灾探测系统的实际应用比较
结合陕西省交通厅的《隧道火灾自动报警系统的调研报告》中，选取了西汉高速公路秦岭2号隧道(安装双波长系统)、3号隧道(安装分布式光纤系统)进行了四十二次点火试验。根据感光型和感温型火灾报警系统的原理，并考虑隧道正常运营中存在的多种实际情况，共组织4组试验：明火、烟雾和火混合体、移动火盆及探测环境污染。
试验发现，两种系统均能对火灾发生响应，但不同程度存在漏报现象：双波长点火28次，漏报2次；光纤/光栅系统点火14次，漏报3次，超时1次。从响应时间上来看，光纤/光栅系统明显慢于双波长；从报警区间准确性来说，双波长效果较好，报警位置与实际均相符，而光纤/光栅系统大多数报警区间与实际点火位置存在一定误差。具体试验数据参见如下汇总表：
同时，隧道内车辆、照明等各种灯光同时存在，光污染现象也比较严重，为了验证双波长系统是否会对不同类型的光污染产生误报，调研报告中也在现场做了试验，并对实际运行情况做了了解。 在现场有采用汽车大灯和警灯分别对着火焰探测器进行了 2 分钟以上的照射，并未产生报警。同时根据对运营情况了解，也未发生过灯光导致报警的情况。
此外，陕西省秦岭终南山隧道中两种感温型的火灾自动报警系统都有应用，从他们的试验情况来看，DTS光纤和光纤光栅都不是太理想，试验时的报警及时性和位置准确性都不高，漏报率也较高，而不属于火灾报警系统的视频事件检测系统反倒有效检测出了点火。
结合陕西省秦岭终南山隧道西线，距离入口6KM处顺车流方向安装了图像火灾探测系统(三合一，整合事件检测)，进行了各种交通事件和实体点火实验，具体数据如下。
5．结论
综上所述，可得出以下结论：
由于隧道环境的特殊性，感温型火灾探测器易受风速和温度漂移的影响，报警时间较长，着火点和报警点位置有误差，不利于早期发现和报警，可以辅助在高速公路隧道中使用，但不适宜作为主要的检测手段；双波长火焰探测系统不受风速和温度的影响，技术成熟，性能稳定可靠，适宜在隧道环境中使用；图像型火灾探测系统复合了烟雾、火焰、视频监控数据整合，响应隧道更快，更精准，是未来的发展趋势，更好的提供了火灾报警系统的可靠性。
参考文献：
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论文作者:朱晶晶
论文发表刊物:《防护工程》2018年第8期
论文发表时间:2018/8/29
标签：火灾论文; 隧道论文; 光纤论文; 探测器论文; 光栅论文; 火焰论文; 灾害论文; 《防护工程》2018年第8期论文;