考慮環境適應性和環境防護的火災黑匣子設計

宣金泉，王曉紅，劉向宏

（1.北京航空航天大學，可靠性與系統工程學院，北京 100191；2.京昌代表局，北京 100083）

據《中國火災統計年鑒》[1]統計，我國每年都有上千起火災事故的原因不明，主要是因為火災現場沒有記錄設備，或是火災報警監控系統遭到火災的破壞，導致火災數據沒有得到有效的保護，從而無法為災后的事故原因分析、火災發生及蔓延過程提供調查數據。這些火災數據既是確定火災責任認定的有效證據，也是日后進行消防教育、避免同類事件發生最有說服力的教材?；馂膱缶O控系統因不能抵御火災的破壞而無法完成數據記錄和保護的功能，其實是其火災環境適應性差的問題，因此要保證記錄器過火后仍能完好有效地記錄各種有用的數據。在研究火災事故數據記錄儀（借鑒航空飛行數據記錄儀的稱呼，俗稱為火災黑匣子）時必須研究火災環境的特點，并在設計中考慮其火災環境的適應性及耐環境能力設計。

考慮到火災現場的環境條件的復雜性、破壞性，如浸水、高溫火燒、強沖擊等。文中充分研究了火災環境條件的特點、各種環境的環境效應及危害性，將環境適應性和環境防護技術應用于火災黑匣子系統的設計，初步設計出了一套能夠適應火場極端環境條件的數據記錄保護系統。

1 黑匣子的作用及功能模塊

黑匣子（Black Box）原指飛機上的一種電子記錄設備，全稱航空飛行記錄器。在很多特殊場合的需求牽引下，飛機黑匣子的基礎上，目前研制出多種用于記錄、存儲數據的電子記錄設備，為各類事件或事故（如汽車、煤礦、電梯等）的后期工作提供數據和事故場景再現。這些黑匣子都有一個共同的作用，即記錄設備運行狀態參數或采集記錄環境條件狀態參數，并對記錄數據進行存儲，為日常管理以及事故調查工作提供詳實可靠的依據。

黑匣子的外觀可以多種多樣，但功能結構大體類似，常見的黑匣子大都含有以下幾個功能模塊：數據采集模塊、數據存儲模塊、電源模塊、防護殼體及信標模塊。一般黑匣子都應用在特殊場合，因此要求其具有較高的強度、耐高壓、耐高溫、抗沖擊、抗振動、抗電磁干擾、耐腐蝕、耐海水（或煤油）浸泡等性能，如此才能充分保證其可靠性和意外發生時數據的完整性。

2 火災黑匣子系統的基本設計

2.1 定義與功能

火災黑匣子是一種消防數據記錄保護器，是一種在極其特殊及嚴酷環境下使用的記錄器。通過攝像頭、麥克風以及與消防儀器儀表相連的傳感器，監測并記錄消防工作各個環節及主要設備的運行數據。通過記錄的現場及消防控制室的音視頻、消防數據等信息，既可在災后為火災事故的原因、經過和責任認定提供詳實可靠的數據，日常還可以用于檢驗消防控制設備運行是否正常的作用[2]。

2.2 系統及其組成

火災消防數據記錄保護系統是一個復雜的系統，一般由火災黑匣子、數據管理主機、數據采集系統、顯示器、外部傳感器、消防控制柜、備用電源等幾個部分組成。具體如圖1所示。

通過麥克風、攝像頭、傳感器等外部連接設備，將采集到的信號通過數據管理主機轉換數據信息，再通過各個設備相應的顯示器動態顯示設備的信息，并將數據傳送到黑匣子中保存?；馂暮谙蛔觾炔康碾娫聪到y，為提高可靠性，一般應采用冗余設計，對耗能元件應配備備用電源。

2.3 工作原理

火災黑匣子存儲了音視頻數據、消防數據和電氣數據等信息。其中，音視頻數據來自終端的麥克風和攝像頭；消防數據來自消防控制設備及傳感器；電氣數據來自各個電氣采集模塊。其典型工作原理如圖2所示[2]。

火災報警控制器控制著各個煙感探測器、溫感探測器、火災報警器等設備，這些設備把采集到的數據通過火災報警控制器傳輸到消防數據采集系統管理主機上。

消防設備檢測儀連接著各種傳感器，它們安裝在消防管道、消防蓄水池、壓力容器等設備中，時刻監測各設備狀態信息，以及事故發生時的動作信息，并將這些數據信息傳送到黑匣子中。

圖2 火災黑匣子工作原理Fig.2 Working principle of fire black box

電氣數據是從各配電柜中引出的電壓、電流信號，通過電氣采集模塊轉換成數字信號并送入數據管理主機，再存儲到黑匣子中。例如消防水泵模塊，通過對消防水泵專用配電柜的電流、電壓信號的監測記錄，便可對消防水泵的電氣系統進行有效的管理，以及在災后判斷該模塊是否存在問題。終端的麥克風、攝像機采集到的音頻、視頻數據通過接口傳輸到音視頻采集卡，經過數據管理主機的處理，最后將數據存儲到黑匣子。

2.4 安裝位置

科學家通過對多起飛行事故分析的基礎上，發現飛行器的機尾部分最不容易損壞，所以將飛機黑匣子安裝在機尾?；馂暮谙蛔影惭b位置的設計思路也是以最大限度地保護火災黑匣子不受到損壞為目標。要實現這個目標，首先需要對可能安裝的場合進行歸類分析，進而根據不同的場合，對火災現場的環境進行分析、研究，對各種復雜環境對黑匣子可能造成的破壞效應進行分析和研究，對于不同場所的安裝設計，需要根據環境不同，做出相應的設計。

分析研究表明，火災黑匣子安裝位置主要有以下幾類，見表1。

表1 火災黑匣子安裝位置設計Table 1 Tabulation of installation position of fire black box

總之，對于火災黑匣子的安裝位置，最終需要根據場所類型的不同，給出相應的安裝設計準則，即將火災黑匣子的安裝位置作出統一的規定，這也有利于災后尋找。

3 火災黑匣子的環境適應性和環境防護設計

環境適應性設計是保證產品滿足環境適應性要求的重要途徑，GJB 4239—2001《裝備環境工程通用要求》[3]中定義的環境適應性是指：“裝備（產品）在其壽命期預計可能遇到的各種環境的作用下，能實現其所有預定功能和性能和（或）不被破壞的能力。作為產品的質量特性之一”。環境適應性設計的定義是：“為滿足裝備（產品）環境適應性要求而采取的一系列措施，包括改善環境或減緩環境影響的措施和提高裝備（產品）對環境耐受能力的措施[3]?！杯h境防護技術是指：研究和解決設備維持正常工作能力和設計性能而采取的防護措施和對策[4]。環境適應性是產品的一個質量特性，而環境防護技術作為產品重要的保護措施，都越來越受到工業產品業的重視。

產品環境適應性主要取決于其選用的材料、構件、元器件耐環境的能力和其結構設計與工藝設計時采取的耐環境措施是否完整、有效[5]。文中將從環境分析入手，通過改善環境或減緩環境影響及選用耐環境能力強的結構、材料、元器件和工藝這兩個方面著手，同時結合防潮、防霉、防鹽霧的“三防”設計，對火災黑匣子系統的數據記錄器、外殼結構、定位信標、數據采集組件等進行環境適應性設計。

3.1 使用環境分析

環境條件是指：“在裝備（產品）的運輸、貯存和使用過程中可能會對其功能產生影響的環境應力”[3]。

火災黑匣子系統的使用環境條件分為火場環境和非火場環境兩種情況。火場環境是指壽命期限內短時間、發生災害時的工作環境。在這種情況下，災害引起的環境變化使得黑匣子可能面臨水浸、強沖擊、強振動、強電磁干擾以及高溫火燒等極端環境，并且各種環境因素不是單一的，而是多個同時作用于設備?；馂暮谙蛔涌赡苊媾R典型火場環境條件見表2。非火場環境是指壽命期限內大部分時間、無災害發生時的工作環境。在這種情況下，黑匣子系統的數據采集設備以及安裝在固定地點的黑匣子主要面臨的環境條件有水浸、潮濕、腐蝕、振動、電磁干擾等。具體環境條件見表3。

綜合以上對火災黑匣子及部分數據采集裝置環境條件的分析，對于火災黑匣子系統的環境適應性設計主要需要應針對[8]：防浸泡腐蝕設計、防沖擊振動設計以及防電磁干擾設計。所以論文主要針對這三方面環境對火災黑匣子系統進行適應性及環境防護設計。

表2 典型火場環境條件Table 2 Typical fire environmental conditions

表3 火災黑匣子系統的環境條件Table 3 Environmental conditions of fire black box system

3.2 防護殼體的設計

防護殼體設計是環境防護設計的重點?；馂暮谙蛔拥臍んw設計仿照飛行數據記錄器的設計標準，按照ED-55，ED-56A，TSO-124A等防毀標準去設計。它要求防護殼體在3400g沖擊載荷作用下，仍能保護好內部的記錄介質，即要求防護殼體能夠保證自身和內部記錄介質不發生塑性變形和斷裂破壞[9]。在經受沖擊、穿刺、耐火強度與密封性試驗后，其存儲記錄的消防監測原始數據完好并能讀取。

考慮黑匣子殼體的環境適應性和環境防護設計，建議的設計方式主要有以下幾方面。

1）殼體材料建議采用合金材料，既確保了外殼具有較高的硬度和強度，同時形成良好的金屬屏蔽，使得電磁波和電磁脈沖很難到達設備內部的敏感元件和電路處，保證了抗電磁干擾能力。

2）殼體結構建議為上下兩部分分別整體澆鑄的結構形式，總體為空心圓柱形，頂部為半球形，避免了點焊可能造成的縫隙腐蝕，具有良好的密封性，從而保證了設備的防塵性、防水性、防潮性及耐腐蝕性。建議圓弧邊半徑為7 mm，壁厚為3 mm，這在保證防護殼體在3400g沖擊載荷用下不會發生塑性變形、斷裂破壞的同時，也滿足了質量最輕的原則[9]。

3）可在外部涂上耐潮、耐化學腐蝕性介質的防護材料，提高產品的“三防”性能。并且通常建議采用橙黃色涂料，便于被發現。

3.3 內部結構及組件的設計

結合表2、表3中對火災黑匣子可能處在的環境條件分析，并參考文獻[10]，為了提高火災黑匣子的防護性能，其內部主要采用了二氧化硅凝聚物和石棉粉兩種材料。二氧化硅凝聚物具有較高的硬度和強度，并且是目前世界上熱導率最小的固體材料，溫室真空熱導率可達0.001 W/（m·K），最高能承受1400℃的高溫[13]。石棉具有高抗張強度、高撓性、耐化學和熱侵蝕、電絕緣，而石棉粉是含有石棉纖維的粉狀非金屬材料，在防水材料、隔熱保溫材料等領域廣泛應用。

[10—12]，對現有的消防黑匣子進行了環境適應性和環境防護的改進設計，上半部分結構自外向內依次是合金殼體、二氧化硅凝聚物、石棉粉、倒置真空杯、二氧化硅凝聚物、石棉粉、正置真空杯、石棉粉、金屬殼體、電子集成電路。下半部分結構自外向內依次是合金殼體、二氧化硅凝聚物、石棉粉、金屬殼體，并在外部附有定位信標。

對于火災黑匣子內部結構及組件的環境適應性和環境防護設計，主要從以下幾個方面進行了設計。

1）內部主要采用了隔熱性能良好的二氧化硅凝聚物、石棉粉、真空杯等材料，并且隔熱層采用復合隔熱技術，使得火災黑匣子能經受相比文獻[10]中260℃低溫火燒10 h及1100℃以上高溫火燒1 h更惡劣的火場環境，依然不會損壞數據存儲模塊，即確保其具有較好的抗高溫火燒性能。

2）采用了多重復合結構，保證殼體具有較強的抗刺穿能力，即確保在具有尖端物體高出墜落沖刺時，內部存儲模塊不受影響。

3）最內層采用金屬殼體保護數據存儲模塊，一方面采用了加固技術，使數據存儲模塊具有良好的抗振性；另一方面也利用了金屬的電磁屏蔽性質，提高了內部的抗電磁干擾性能。

圖3 火災黑匣子內部結構Fig.3 The internal diagram of fire black box

圖4 火災黑匣子下部俯視Fig.4 Vertical view of the black box from the lower part

4）采用了多層印制電路板，因其電磁輻射能量降低，可從結構上獲得理想的電磁屏蔽效果[14]。再通過合理地設計電氣線路及元器件的布局，形成阻抗極低、接地良好的供電線路，一方面既可以有效解決傳導干擾，又可以解決輻射干擾；另一方面有效地減少高頻元件間的電磁干擾，提高了散熱效率。

5）采用濾波法[15]，抑制電磁波傳導干擾和電磁脈沖的耦合。分別對電源線、信號線、控制線及印制板采取濾波措施，來抑制它們運行時產生的電磁能量，吸收線纜上的電磁能量并消除有害的電磁波。

6）采用了電涌防護法[14]，在火災黑匣子下半部分，線纜出入口處安裝電涌保護器件，可防止電涌大電流的進入，提高了其抗強電流沖擊性能。

7）火災黑匣子整體分為上、下兩部分，接口采用“插槽式”的設計，外部通過橡膠圈和螺絲緊固。這樣一方面提高了產品的可維修性，降低了成本；另一方面橡膠圈和“插槽式”的設計方式保證了產品的密封性能，同時也提高了接口處的抗塑性變形的性能。

8）火災黑匣子上、下兩部分的內部接合處設有金屬薄板，把上下兩部分獨立開。這樣不僅提高了整體的防潮性能，而且金屬薄板的電磁屏蔽作用也提高了上部數據存儲模塊的抗電磁干擾性能。

9）在火災黑匣子底座內的3個金屬殼體內部分別固定有備用電源、電涌保護器和濾波器。這樣設計的目的是：金屬殼體既對外部電磁波形成防護，同時也有效地屏蔽了內部元器件的電磁干擾；將備用電源和電氣保護裝置安裝在底座，既降低了設備整體的重心，提高了抗振性，又便于拆卸，提高了可維修性。

4 結論

通過對火災黑匣子環境適應性設計和環境防護設計技術，可以提高其環境耐受性能，解決火災黑匣子在日常使用和極端火場環境中的可靠性問題。相比目前有關消防數據的采集設備，該火災黑匣子具有的優點如下所述。

1）能夠與智能樓宇中的電梯、視頻監控、排風、強電、弱電等設施，以及鍋爐房燃氣閥、燃氣探測器、加油站油罐液位等，形成大黑匣子系統，從而解決了火災危害后果高危場所（如寫字樓、加油站、大型商場等）的消防數據的記錄、存儲及再現分析的問題。

2）該火災黑匣子具有很好的環境適應和環境防護性能，能夠在復雜多變的火場環境下保證內部存儲設備不受損壞，從而確保了數據的完整性和可靠性。

隨著消防安全被逐漸地重視，以及先關法律法規的逐漸完善，火災黑匣子必將會實現普及應用。為應對各種新的需求進行功能研發的同時，火災黑匣子的可靠性必然是研究方向之一。

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