多類型高速公路隧道火災自動報警系統的優化與融合

■程 競

(福建省高速公路集團有限公司福州管理分公司機電維護中心，福州 350001)

1 引言

福建省高速公路經過20 余年的建設發展，目前總里程已超5000km，由于福建地形多屬于山嶺重丘區，高速公路穿山越嶺，隧道眾多，一旦發生火災必須在短時間內采取有效應急措施以避免事故擴大。 目前我省中等長度以上的高速公路隧道均按照國家、 行業規范安裝了火災自動報警系統，及時總結火災自動報警系統優化、融合方面的經驗， 并對未來的發展方向加以探討， 是十分必要的。

2 高速公路隧道火災的特點及對自動報警系統的技術要求

高速公路隧道火災成因和過程存在其自身特點，隧道環境特殊性及來自交通秩序管控的限制也對火災自動報警系統提出了一些特殊要求，具體分析如下：

2.1 高速公路隧道火災特點及特殊影響因素

(1)火災類型及燃燒特性多樣化

根據多年來在運營實踐的觀察以及國內相關研究結果，高速公路隧道火災成因多樣，火災發展速度，明火、煙霧出現時間及先后順序因起火原因、 燃燒物質的不同而呈現明顯差異性， 例如小型車輛因碰撞事故導致的車輛電路、油路起火，通常在較短時間內出現劇烈明火燃燒，而中重型載貨車輛因輪胎過熱、貨物自燃引發的火災，因廂式車體和疊壓貨物的阻隔作用， 出現明顯可見的明火和熱氣團之前可能產生大量煙霧， 對火災自動報警系統的及時觸發，準確定位造成了一定的挑戰。

(2)報警可靠性、及時性要求苛刻

圖1 公路隧道火災事故起因分析統計[1]

高速公路隧道車速快，車流量大。隧道屬于半封閉空間，人員疏散、排煙通風較為困難，發生擁堵后施救車輛難以接近事故點。短時間內交通管制手段有限，一旦火災報警延遲、漏報，易引發二次事故和人員、車輛滯留洞內等嚴重災情。

(3)隧道風干擾報警及時性、準確性

高速公路隧道內因受自然風、車輛交通風、機械強制通風等因素影響，通常常年存在隧道風，在某些情況下可超過10m/s 的常規限值， 隧道風對火災的熱氣團產生稀釋、降溫作用，分布式光纖感溫火災探測系統報警響應時間常常因此延長， 同時因隧道風將火災熱氣團吹離起火位置，傳感器的報警位置可能發生顯著偏移，影響對火點的準確定位[2]。

(4)粉塵污染干擾報警可靠性

隧道內存在車輛尾氣粉塵、塵土沉積，可能對光學型火災自動報警系統的光學窗口造成污染， 影響報警靈敏度和作用距離，并可能對設備內部造成污染。

(5)環境季節溫差影響感溫報警

隧道內一年之中最大溫差可達40～50℃， 火災自動報警系統特別是感溫型系統需隨時適應環境溫度的變化。

(6)日常維護作業受到限制

為確保行車和作業安全， 高速公路隧道登高作業需進行安全布控，開展點火試驗需封閉單洞，對火災自動報警系統的后期維護、檢測造成一定困難。

2.2 高速公路隧道火災自動報警系統的特殊要求

(1)報警及時性、可靠性必須得到保證

根據《火災自動報警系統設計規范》(GB 50116-2013)等要求，公路隧道火災報警反應時間應在60s 以下，以便隧道交通監控部門及時發現隧道火災， 為采取有效的交通管控、引導疏散、通知救援等措施爭取寶貴時間，避免事故擴大。

(2)應具備抗隧道風干擾能力

火災自動報警系統應在存在較強隧道風的情況下仍能及時觸發報警、較準確地定位火點。

(3)應具備在粉塵環境下穩定運行的能力

火災自動報警系統應對隧道粉塵沉積的情況具備一定的容許度，雙/三波長光學型報警器應可通過自動或人工擦拭的手段清潔光學窗口， 同時暴露在隧道內的設備應具備IP65 以上防護能力，確保在長期運行中不發生內部污染、腐蝕。

(4)要能夠自動適應季節溫差變化

感溫式火災自動報警應能根據自然溫度變化實時調整定溫報警基準溫度，以差/定溫報警復合的形式實現及時準確報警， 避免環境溫度變化導致系統發生虛警或漏報。

(5)需為運營維護提供模擬試驗手段

在日常運營中， 火災自動報警系統應盡可能為測試提供可不封閉車道的模擬試驗手段， 以確保系統始終保持在穩定可靠狀態。

3 當前主流隧道火災自動報警系統設備原理及特點

根據《火災自動報警系統設計規范》(GB 50116-2013)12.1 的規定，公路隧道應采用線型光纖感溫火災探測器、點型紅外火焰探測器或圖像型火災探測器， 過去曾在公路隧道使用的熱敏合金線型火災探測器、 空氣管式火災探測器等產品已被淘汰，不再進行討論。本文重點對分布式光纖感溫探測系統、光柵光纖感溫火災探測系統、點型雙/三波長光學火焰探測器以及圖像型火災探測器進行原理分析和對比。

3.1 主流公路隧道火災探測系統工作原理簡要分析

(1)光柵光纖感溫火災探測系統

布拉格(Bragg)光柵是纖芯中具有折射率周期性變化的結構，只反射入射光中波長滿足布拉格衍射條件的光，環境溫度變化引起光柵布拉格波長的漂移， 通過檢測波長移動量可測得光柵處環境溫度[3]。 光柵光纖火災探測系統通過將布拉格光柵封裝成感溫探測單元，用單模光纖、套管等元件熔接串連起來， 形成多探測單元的感溫火災探測系統。

(2)分布式光纖感溫探測系統

采用感溫光纖作為感溫部件， 利用光纖的背向拉曼散射(RAMAN SCATFORING)的溫度效應進行測溫，通過光時域反射(OTDR)技術對溫度在線型空間上的分布進行定位，探測出光纖線型空間分布上不同位置溫度的變化。

(3)雙/三波長光學火焰探測系統

通過檢測火焰輻射出的典型波長光(如火焰中的CO2發出的波長為4.4μm 特征輻射峰),同時檢測背景輻射波段濾除環境干擾，配合對火焰特征閃爍頻率(1～15Hz)的檢測來探測火焰[4]。 近年來也有一些產品使用220～280nm中紫外波段傳感器以濾除太陽造成的復雜背景干擾，進一步提高抗干擾性能。

(4)圖像型火災探測系統

圖像型火災探測器采用特種攝像機拍攝火焰、 煙霧的紅外與可見光的視頻圖像， 由處理單元通過智能算法對視頻圖像中火焰、煙霧的位置移動、面積變化、邊緣尖角、色彩特性以及頻閃脈動等特征進行分析，濾除燈光、陽光等干擾，實現對火災的報警。

3.2 主流火災自動報警設備的技術指標對比

(1)主要技術指標對比

上述4 類火災自動報警系統，根據其檢測原理、安裝方式的不同，在報警反應速度、空間檢測精度、誤報率、漏報率等方面各有優缺點， 以表格形式進行簡要的定性分析對比：

(2)綜合性能評價

①光柵光纖感溫火災探測系統：安裝工作量較大，報警反應速度與起火點定位精度受隧道風速影響較大。 漏報率、誤報率需通過現場調試進行控制，進入運營期后運行較穩定，漏報率、誤報率低。日常維護工作量小，但光柵光纖受損后維修較為復雜， 難以采取對感溫元件實際加溫的方法進行模擬測試。

②分布式光纖感溫探測系統：安裝工作量較大，報警反應速度與起火點定位精度受隧道風速影響較大。 漏報率、誤報率需通過現場調試進行控制，進入運營期行后運行較穩定，漏報率、誤報率低。日常維護工作量小，但光柵光纖受損后維修較為復雜。 由于感溫光纖為分布式連續結構，可在光纜引下位置預留測試段光纜，易于采用人為實際加溫的方法對感溫光纖進行模擬測試。

表1 各類火災自動報警系統主要技術指標對比[5]

③雙/三波長光學火焰探測系統： 安裝工作量小，不受隧道風速影響，報警速度高，起火點定位精度高。 但在火源陰燃、煙霧、障礙物阻隔火源等情況下存在一定的漏報可能。 運營期需要視隧道粉塵沉積速度定期人工擦拭光學窗口，受簡單培訓的技術人員即可完成故障維修。可使用光學檢測信號發生器或小型火源開展模擬測試。 目前在福建省高速公路隧道得到廣泛使用。

④圖像型火災探測器：安裝工作量小，在火源陰燃、煙霧、障礙物阻隔火源等情況下存在一定的漏報可能，需定期人工擦拭光學窗口。故障維修簡單。目前在福建省尚未有工程應用實例，故其報警反應速度、誤報、漏報率以及運營期測試手段尚不明確。

4 福建省高速公路工程應用情況與優化、 融合實踐

福建省高速公路自2001 年開始大面積安裝使用隧道火災自動報警系統， 早期主要使用雙波長紅外火焰探測系統與熱敏合金線型火災探測系統，2010 年左右逐步淘汰熱敏合金線型火災探測系統， 推廣光柵光纖感溫火災探測系統與分布式光纖感溫探測系統， 目前福建省高速公路普遍采用雙波長紅外火焰探測系統、 光柵光纖感溫火災探測系統與分布式光纖感溫探測系統三種類型的設備。在長期建設與運營中，三種隧道火災自動報警系統總體運行穩定可靠，同時在設計、建設、運營實踐過程中，福建省高速公路運營管理部門在優化融合隧道火災自動報警系統方面也開展了一些卓有成效的工作， 明確了進一步提升的方向，具體有：

4.1 融合、優化人機界面，完善火災報警集中顯控功能

近年來福建省高速公路道路監控業務普遍實施了一地(市)一中心的整合，監控里程大為提高。 高速公路福州管理分公司于2017～2018 年開展了火災自動與手動報警系統的優化整合工作， 整合了福州地區180 余千米監控隧道的雙波長紅外型、光柵光纖感溫型、分布式光纖感溫型三種火災自動報警設備以及手動報警設備， 實現了全市高速公路隧道火災報警系統在一套軟件界面上進行顯示、控制。通過采取優化人機界面，增設聲光報警器、對一般故障與火災報警的聲、 光信號進行差異化設置等優化改進措施， 改變了以往多種報警終端并行， 各類信息混雜，監控人員忙于查看處置的局面，進一步提高了值班監控人員對火警信號的反應敏感度和反應速度。 目前該系統投入運行已6 個多月，系統運行穩定，監控人員工作效率得到提高，對地(市)道路監控業務集中化改革后的火災報警系統建設具有示范意義。

圖2 整合后的綜合火災報警管理系統軟件界面

4.2 優化傳輸架構，實現火災報警信號傳輸、顯示冗余互備

針對整合后道路監控集中程度提高的情況， 高速公路福州管理分公司把提高火災報警系統可靠性， 優化數據傳輸架構作為重中之重， 充分利用目前各類火災自動報警設備主機具備雙上傳接口的特性，統一規劃，將以太網通道作為火災報警系統向統一道路監控軟件上傳報警信號的通道，將RS232 串口通道作為火災報警系統向集中火災報警軟件上傳報警信號的通道， 兩套信號傳輸系統并行、兩套顯控軟件同時工作，實現冗余互備，最大限度地避免因傳輸系統故障導致火警信號無法上報的情況，優化了火災報警系統在的可靠性。

圖3 整合改造后的隧道火災報警系統架構

4.3 復合使用不同類型的火災自動探測系統， 實現性能優勢互補

雙/三波長光學火焰探測系統具有安裝維護簡便，報警反應速度高、定位精度高、測試簡便等優點，光柵光纖感溫火災探測系統與分布式光纖感溫探測系統具有誤報、漏報率低，日常維護工作量小的優點，在今后的建設和改造中， 可在有條件的隧道嘗試復合部署兩種類型的火災自動探測系統，發揮兩類系統優點，彌補各自缺陷，進一步提高火災自動探測系統的整體可靠性。

4.4 深入挖掘現有火災自動探測系統潛力，提高實際應用效能

現有火災自動探測系統雖然在單點信號采集、 數據分析方面已較為成熟，但在應用綜合智能數據分析、多傳感器補償等手段方面尚有較大提升空間， 針對線型光纖感溫火災探測系統在隧道風速較大的情況下報警反應時間偏長、起火點定位精度下降的問題，可采取以下改進措施在抑制虛警的同時提高系統能力：

(1)將單純采集分析溫度數據擴展為多種物理量綜合采集分析，例如在隧道內設置風速傳感器采集風速信號，根據風速大小適當降低差/定溫信號報警門限，提升報警反應速度。

(2)將單點感溫探測擴展為多點探測矩陣，結合人工智能數據分析，使系統具備對火點的動態感知能力，結合風速等傳感器提供的多種物理量數據， 提高起火點定位精度。

(3)加強對溫升速率數據的重視與利用，將溫升速率參數加入分析算法， 充分利用傳感器溫度分辨率， 彌補差/定溫數據觸發數值較大，敏感度不足的問題，提高火災發生初期尚未形成較大溫升階段的報警速度。

5 結束語

高速公路隧道火災自動報警系統是高速公路運營管理部門賴以及時發現、處置隧道火災事故，減少駕乘人員生命財產損失的重要技術裝備，把握技術發展方向，因地制宜優選方案，建好、維護好這一系統，通過建設復合管理平臺，促進其更加靈敏、可靠，將是高速公路技術部門長期的重點工作方向。