從原理分析新型火災探測器在地鐵運用可行性

陳佳榮 廣州地下鐵道總公司運營事業(yè)總部

從原理分析新型火災探測器在地鐵運用可行性

陳佳榮 廣州地下鐵道總公司運營事業(yè)總部

地鐵的建筑結構特點，突出影響了地鐵消防安全，如何有效及時探測出地鐵空間內存在的火災，進而及時消除火災就成為關鍵。而對火災有效的探測又有賴于火災探測器的性能和自身對環(huán)境的適用性，為此介紹了3種新型火災探測器原理并分別分析其在地鐵環(huán)境中運用的可行性，從而為地鐵火災自動報警系統(tǒng)設計提供了新的探測器選擇。

火災探測器；地鐵消防安全；可行性

引言

近年來，地鐵在國內蓬勃發(fā)展，其不占用城市寶貴的地面空間是一大優(yōu)點，但這一優(yōu)點也帶來了巨大的消防安全隱患。主要有幾個方面：首先是地鐵的消防逃生出口有限，尤其地鐵隧道內這部分空間；其次，一旦發(fā)生火災，消防救援困難；最后，地鐵空間相對狹小，但是人員密集，一旦發(fā)生火災，容易群死群傷，后果不堪設想。

所以，在地鐵建設中，如何保障消防安全就成了一個重大的課題。如果能夠及早發(fā)現火災并及時進行滅火，就可以大大降低火災造成的后果，甚至可以有效避免火災的發(fā)生。為實現這點，就需要在地鐵區(qū)域內設置有效的火災探測系統(tǒng)，它是地鐵消防安全的重要保障。

根據《地鐵設計規(guī)范》，地鐵區(qū)域主要包括車輛段、主變電所、隧道和地鐵車站，車站主要包括設備房和公共區(qū)域。在這些不同的地鐵區(qū)域，空間結構、可燃物質等火災特點是各不相同的，所以，為了有效檢測火災情況，在不同的區(qū)域選擇適當的火災探測器就成了設置火災探測系統(tǒng)首要考慮的問題。

隨著科學技術的發(fā)展，火災探測器更新換代很快，各種新型的火災探測器層出不窮，這就為地鐵火災的有效探測提供更多的選擇，下面就3種新型火災探測器在地鐵運用的可行性進行分析。

1 感溫光纖

發(fā)熱是火災的一個重要特征，針對該特征的感溫探測器是運用最早的火災探測器之一，其探測方法簡單、受干擾少，且探測結果有效可靠，所以該類型的火災探測器應用范圍很廣，而感溫探測器的類型也十分繁多。隨著傳感器技術的發(fā)展，感溫火災探測器感的精度越來越高，性能越來越強，感溫光纖火災探測器就是新型感溫火災探測器的代表。

在目前市場上，感溫光纖火災探測器主要有分布式光纖感溫探測器和光纖光柵感溫火災探測器兩種類型。分布式光纖感溫探測系統(tǒng)以拉曼散射感溫光纖系統(tǒng)為主要代表，它是一種本質的連續(xù)性感溫探測系統(tǒng)；光纖光柵感溫探測系統(tǒng)則是以光柵器件為測量單位，并通過光柵之間的串聯組成點式連續(xù)性感溫探測系統(tǒng)。

1.1 基于拉曼散射的分布式光纖感溫探測系統(tǒng)原理

基于拉曼散射的光纖溫度傳感器所檢測的物理量是后向拉曼散射光的光強。后向拉曼散射光的光強會隨著檢測光纜周圍溫度的變化而變化，從而能測知光纜周圍的溫度值。它利用的是拉曼散射產生的反斯托克斯線與斯托克斯線的光強比值，通過公式2.1將溫度值計算出來：

式中，Ps(T)為斯托克斯光強，Pas(T)為反斯托克斯光強，λs為拉曼散射的斯托克斯線波長，λas為拉曼散射的反斯托克斯線波長，h為普郎克常量，c為真空中的光速，v為拉曼頻移波數，k為玻爾茲曼常量，T為檢測溫度。從式2.1可以得出，只要測定了Ps(T)和 Pas(T)的比值，就可以計算出溫度T的值。

系統(tǒng)的工作過程如圖1所示：

圖1 基于拉曼散射的傳感系統(tǒng)框圖

半導體激光器發(fā)出的光脈沖通過耦合器到傳感光纖里，經過溫度調制的散射光通過耦合器進入到濾波器，濾波器分別濾出斯托克斯線和反斯托克斯線，再經過放大處理和A/D轉換，然后將信號傳入計算機進行信號處理，最終得出環(huán)境溫度的檢測值。

由于斯托克斯線，特別是反斯托克斯線的信號非常微弱，所以，探測信號會受發(fā)光光源穩(wěn)定性、連接損耗、光纜缺陷、光纜位置的微小變動等因素的影響，從而影響檢測結果的可靠性和精確性。另外，基于拉曼散射的光纖溫度傳感器在數據的處理過程中，一是要對時間求平均，二是要對空間求平均，所以探測系統(tǒng)需要采用較復雜的信號處理手段，這就造成基于拉曼散射的探測系統(tǒng)對信號的響應時間較長。這兩個缺點是設計火災探測系統(tǒng)時必須考慮的因素。

1.2 光纖光柵感溫火災探測系統(tǒng)原理

光纖光柵是在光纖纖芯內介質折射率呈周期性調制的一種光纖無源器件，是通過特殊的光學加工方法，使纖芯折射率沿纖軸方向發(fā)生周期性或非周期性的永久變化，在纖芯內形成空間相位光柵（如圖2所示）。

圖2 光纖光柵原理示意圖

這種光纖光柵有如一道道的柵門，不能通過柵門的光線就會反向傳播，由另一個儀器收集。其作用實質上是在纖芯內形成一個窄帶的反射鏡，當寬帶光經光纖傳輸到光柵處時，光柵將有選擇性地反射一束窄帶光。所反射窄帶光的中心波長即布拉格（Bragg）波長，由光柵的條紋周期和光柵的有效折射率決定，當光纖光柵溫度發(fā)生變化時，反射光譜中心波長也發(fā)生相應的改變，滿足下式

式中，λB為Bragg波長，neff是光纖芯區(qū)的有效折射率，Λ是光柵柵距。Λ可通過改變兩相干紫外光束的相對角度而得以調整，通過這種方法，就可以制作出不同反射波長的Bragg光柵，只有滿足Bragg條件的光波才能被光纖Bragg光柵反射。

光纖光柵制作完成后，改變光柵周期Λ，將引起光柵布拉格波長λB的漂移。所有引起光纖Bragg波長漂移的外界因素都能使用光纖Bragg光柵進行檢測，其中最直接的為溫度參量。當光柵的溫度發(fā)生變化時，由于熱脹冷縮效應，光柵的柵距Λ會發(fā)生變化。所以，只要能夠精確地測量光柵反射光的布拉格波長，就可以精確地計算出光纖光柵所處的溫度，這就是光纖光柵溫度傳感器的工作原理。以光纖光柵溫度傳感器為核心探測器，輔以其他信號處理器和控制電路就可以組成光纖光柵火災探測系統(tǒng)。

1.3 感溫光纖在地鐵火災報警中的應用

不管是分布式光纖感溫探測系統(tǒng)還是光纖光柵感溫火災探測系統(tǒng)，都具有探測距離遠、本質無源、安全防爆、使用壽命長等優(yōu)點，是長距離火災探測的理想選擇，如用于隧道、電纜夾層等處火災的探測等，所以，感溫光纖在石油、煤礦等場所的火災探測中運用廣泛。而地鐵的隧道區(qū)間的環(huán)境特點是灰塵多（而且是含鐵成分高、容易導電的灰塵）、潮氣重、電磁場干擾強、風速大，這種環(huán)境特點決定了地鐵隧道不適宜采用傳統(tǒng)的點式火災探測器，而當采用線性感溫探測器進行地鐵隧道火災報警時，光纖測溫系統(tǒng)將比纜式線型定溫探測器有更好的性能[2]。所以，感溫光纖在地鐵區(qū)間火災報警中有著廣闊的應用前景。

2 吸入式感煙探測器

感煙探測器是一種響應由燃燒或熱解而產生的固體或液體微粒的火災探測器。除易燃、易爆物質起火非常迅速以外，固態(tài)物質的火災一般都要經過早期、陰燃、起火等階段，特別是在陰燃階段，由于熱解作用加強，可產生大量可見和不可見粒徑為0.01～0.1m的氣溶。傳統(tǒng)的感煙探測器（離子煙感、光電煙感、紅外對射探測器等）主要就是以陰燃階段產生的煙霧顆粒作為探測介質。

隨著探測技術的發(fā)展，近年來出現了極早期感煙探測器——吸入式感煙探測器，是一種主動式空氣采樣火災探測器，它完全突破被動式感知火災煙氣、溫度和火焰等參數特性的局限性，能夠快速、動態(tài)地識別和判斷可燃物質受熱分解或燃燒釋放到空氣中的各種聚合物，從而能夠準確可靠地探測出潛在火災，使火災的損失降到最小。吸入式感煙探測器有激光型和云霧室型兩種，下面分析兩者探測原理的異同。

2.1 吸入式激光型感煙探測器原理

吸入式激光型感煙探測器是一種基于激光探測技術和微處理器控制技術的煙霧探測裝置。具有許多其他煙霧檢測系統(tǒng)不具備的特性。這些特性改善了煙霧探測設備的性能，簡化了操作并增加了系統(tǒng)可靠性。吸入式激光型感煙探測器由采樣管網、氣泵、過濾器、進氣控制閥、激光探測腔、繼電器輸出及控制電路等幾部分組成（圖3、圖4），其工作過程是通過分布在被保護區(qū)域內的采樣管網采集空氣樣品，經過一個特殊的過濾裝置濾掉普通灰塵后送至激光探測腔，對空氣中因燃燒產生的煙霧微粒數量進行測定，由此給出準確的煙霧濃度值，并根據使用者事先設定的報警煙霧濃度值發(fā)出火災警報。

圖3 吸入式激光型感煙探測器的構成

圖4 吸入式激光型感煙探測器的工作原理

從上面的原理圖可以看出，激光探測腔是整個系統(tǒng)的核心部件。激光探測腔利用固態(tài)激光源，發(fā)射直徑為3.5毫米激光束照射空氣樣品，通過散射光接收器接收散射光，可探測直徑0.01μm～20μm的所有粒子。對天然物質及化合物質燃燒產生的煙霧均能很好探測。激光探測腔的探測結果經過控制程序分析就可以判斷是否發(fā)生火情。

2.2 吸入式云霧室型感煙探測器原理

云霧室型感煙探測器也是極早期火災偵測器，其系統(tǒng)構成和激光型感煙探測器頗為相似，都具有空氣采樣管網、氣泵、過濾器和控制電路，但是兩者的探測介質和核心探測部件有本質區(qū)別。

首先是探測介質的差異。激光型感煙探測器是以物質燃燒早期釋放出來的直徑0.01 μm～20μm煙霧顆粒作為探測物質，而云霧室型探測器是以熱釋粒子作為探測介質。所謂的熱釋粒子就是物質溫度處于熱崩潰點和燃點之間時，就會釋放出大量的不可見微粒（直徑最小可達到0.002μm），數量（一般可達到1.5×105～5.0×105個/CC）在短時間內即可達到數十倍于正常空氣中所存在的粒子數（一般在5×104個/CC以下）。

其次是核心探測部件不同。激光型感煙探測器的核心探測部件是激光探測腔，它所能偵測的粒子大小是受偵測器所采用的偵測光源的光波長(約0.2μm)所限制，以火災早期的煙霧(火災第二階段生成物)為探測對象。與激光型感煙探測器不同的是，云霧室型探測器的核心探測部件是云霧偵察室。云霧偵測室首先將每一個存在于空氣樣本中的熱釋粒子，從采樣管吸進云霧偵察室后，經過增濕、降壓，將一個個微小的熱釋粒子轉化為肉眼可見的霧滴，通過這種物理方式增大，使每一個粒子在對入射光的遮光率上有完全相同的比例(不論其體積大小為何)，再以光電組件分析出其單位體積內的粒子密度。若單位體積內的粒子密度大于預設閥值（如2.0×105個/CC）就可以判斷出系統(tǒng)保護范圍內有物體處于熱崩潰狀態(tài)，隨時可能發(fā)生火災。

所以，云霧室型感煙探測器能夠識別出火災在極早期的物理特征，在被保護對象的溫度尚未達到燃點時就報警，從而有效提示消防人員有火災隱患，要及時采取防范措施，避免火災的發(fā)生。

2.3 吸入式感煙探測器在地鐵的運用

從原理分析可以看出吸入式感煙探測器具有傳統(tǒng)感煙探測器所不具備的優(yōu)點：

一是低誤報率。傳統(tǒng)感煙探測器容易受周圍環(huán)境的影響，比如空氣中的灰塵，探測器周圍氣流的擾動等都可以造成探測器誤報火警。傳統(tǒng)感煙探測器在地鐵的環(huán)控機房、敞開式車庫等場所的應用中誤報率比較高。而吸入式感煙探測器能夠有效地避開探測器周圍環(huán)境的影響和干擾，有效降低誤報率。所以，吸入式感煙探測器適合在地鐵區(qū)域中環(huán)境比較復雜的場所使用。

二是高靈敏度。吸入式感煙探測器在低誤報率的基礎上還具有很高的靈敏度，可以極早發(fā)現火災。所以，吸入式感煙探測器適合在對火災報警時間要求嚴格的地鐵場所，比如重要的設備房（變電所、通信機房等），以便能夠及早準確發(fā)現火災隱患或早期火災，及時消除火災隱患，最大程度降低損失。

三是空氣采樣管分布可以按需要進行靈活布置，可以進行立體式布管，避免了傳統(tǒng)感煙探測器只能安裝在房間頂部的缺點，從而有利于快速探測到空氣中的煙霧，而且采樣管可以隱蔽安裝，不影響景觀。

四是靈敏度可以靈活調節(jié)，可以簡單快捷地根據需要設置報警閾值。地鐵不同區(qū)域有著不同的環(huán)境，有環(huán)境清潔穩(wěn)定的辦公場所，有電磁干擾嚴重的設備房，有活塞風強勁的地鐵隧道，有多灰塵多氣流的地面場所。所以，在復雜多變的地鐵環(huán)境中，吸入式感煙探測器比傳統(tǒng)的感煙探測器更具優(yōu)越性。

3 視頻圖像火災探測器

隨著探測器技術的不斷發(fā)展，出現了復合型火災探測器，如常見的感溫感煙探測器、感煙氣體探測器等等。復合型火災探測器可以對火災的多個物理特種同時進行綜合分析，從而可以更準確、更迅速地發(fā)現、確認火災，所以復合型火災探測器是火災探測器發(fā)展一個重要方向。視頻圖像火災探測器是對火災的多個特征同時進行綜合分析，是復合型火災探測器的一種。

3.1 基于視頻監(jiān)控的圖像型火災探測技術原理

視頻圖像火災探測器是一種以計算機為核心，結合光電成像技術和計算機圖像處理技術的火災自動監(jiān)測處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)是基于攝像機攝取的視頻圖像，對火災進行自動探測、監(jiān)視，同時將攝得的連續(xù)圖像由圖像采集卡轉換為數字圖像輸入計算機，利用各種圖像處理技術進行圖像處理和分析，從而判斷是否發(fā)生火災[3][4]。

基于視頻監(jiān)控的圖像型火災探測技術是視頻圖像火災探測技術的典型代表，是在現有的視頻監(jiān)控系統(tǒng)上加裝圖像型火災探測系統(tǒng)，利用視頻監(jiān)控得到的視頻圖像進行火災探測。它具有雙重功能，既能實現視頻監(jiān)控又能實現火災探測，而且不需要單獨加裝圖像采集單元，節(jié)省成本，避免重復投資。其系統(tǒng)的主要結構如圖5所示。

圖5 基于視頻監(jiān)控的圖像型火災探測系統(tǒng)結構圖

3.1.1 攝像機

攝像機是圖像處理中常用的輸入設備。它的關鍵部件是攝像器件，攝像器件的基本任務是把輸入的二維輻射即光學圖像信息轉換為適宜處理和傳輸的電信號。

3.1.2 視頻采集卡

視頻采集卡又叫視頻卡，視頻采集卡可以將攝像機輸出的視頻信號（模擬）轉換成計算機可辨別的數字數據，存儲在計算機中，成為可編輯處理的視頻數據文件。

3.1.3 火災圖像處理單元

火災圖像處理單元是整個探測系統(tǒng)的核心部分，其作用是在早期火災階段，對火災所產生的煙霧和火焰等火災圖像特征進行處理、分析、識別、判定。圖像處理主要分為圖像預處理、圖像分割、圖像分析和圖像理解4個層次。

圖像型火災探測中的圖像處理是動態(tài)圖像的連續(xù)處理，對圖像上的每個目標根據一定的算法來確定它們同前一幀中目標的匹配關系，從而得到各個目標的連續(xù)變化規(guī)律，最后判斷是否發(fā)生火災。例如利用小波變換進行圖像處理，首先確定視頻中的活動區(qū)域，然后利用空間模型對活動區(qū)域中的火焰顏色區(qū)域進行分割，最后利用小波變換分別從時域和空間域進行分析。時域主要分析分割區(qū)域內某一像素點顏色值中分量的變化，以此作為火焰的閃爍頻率，這就成為火災判別的第一個判據，然后在空間域分析分割區(qū)域像素值的變化，作為火災判別的第二個判據。綜合第一判據和第二判據就可以較準確地判斷是否發(fā)生火災[5]。

3.1.4 其他模塊

系統(tǒng)其他模塊主要是指FAS系統(tǒng)（火災自動報警系統(tǒng)）及監(jiān)控終端等模塊。火災圖像處理單元將分析識別出的火警消息送入FAS系統(tǒng)，啟動火災報警器并聯動其他消防設備，并將火災信息送至監(jiān)控終端，監(jiān)控人員就能在第一時間獲取火警信息，并可通過監(jiān)控視頻非常方便對火警信息進行人工遠程確認，從而可以迅速采取應對措施，消除火災隱患、最大程度降低火災損失。

3.2 視頻圖像火災探測器在地鐵的運用

地鐵車輛段的運用庫（停車庫）一般為開放式的高大空間，如何對火災進行有效探測成為一個難題。傳統(tǒng)的點式感煙探測器在高大空間根本不適用，在實際運用當中，運用庫往往是采用了紅外對射探頭作為火災探測器。但是，紅外對射探頭在實際運用中也碰到了不少問題。

一是誤報率較高。這一方面是受風的影響，因為地鐵運用庫是一個開放式空間，空氣流動（特別是在大風季節(jié)）導致紅外對射探頭出現晃動進而發(fā)出錯誤的火警信號；另一方面是高濕度天氣（下雨、大霧）容易對紅外對射探頭造成干擾，導致出現誤報火警現象。

二是故障率較高，且維護比較困難，維護成本較高。

三是報警響應時間比較長，而且容易漏報，特別在運用庫的邊緣位置。因為火災初期的煙霧容易被風吹散而上升不到運用庫的頂棚，從而導致紅外對射探頭無法及時報警。

圖像型火災探測器具有非接觸式探測的特點，不受空間高度、氣流速度、熱障、粉塵、濕度等環(huán)境條件的限制，所以圖像型火災探測技術特點可以有效避免紅外對射探頭的缺陷，尤其適合在地鐵運用庫的運用。

一方面圖像型火災探測器是對火災時的火焰特種和煙霧特征進行分析，而這些圖像特征不受大風、潮濕的天氣影響，所以在開放式、受周圍環(huán)境影響較大的運用庫，圖像型火災探測器仍然可以有效地發(fā)揮探測作用。

另一方面攝像機無需安裝在運用庫的頂棚位置，安裝高度比較靈活，只要不被遮擋就可以，這就便于設備安裝和維護。

最后，現場的火災狀況可通過監(jiān)控視頻快速地傳送至監(jiān)控中心（如地鐵線網指揮控制中心），監(jiān)控人員就可以非常直觀進行遠程監(jiān)控，并作出正確判斷，從而可以迅速采取應對措施，消除火災。

[1]北京城建設計研究總院等.地鐵設計規(guī)范.GB50157-2003

[2]唐敏，毛宇豐.地鐵隧道火災自動報警系統(tǒng)的設計.都市快軌交通.第20卷第6期.2007年12月

[3] Walter Phillips III，Mubarak Shah，Niels da Vitoria Lobo.Flame Recognition in Video[J].Fifth IEEE Workshop on Applications of Computer Vision，2004

[4]C.B.Liu，N.Ahuja.Vision based fire detection[J].ICPR'04，2004，vol.4

[5]吳愛國，李明.大空間圖像型火災探測算法的研究[J].計算機測量與控制.2006，14(7).P869～871

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.08.021

陳佳榮，大學本科，自動化助理工程師，從事地鐵機電設備技術維護工作。