城市道路隧道點型紅外火焰與圖像型火災探測比較分析

周璟軍

(廈門市公路橋隧維護與應急中心 廈門 361000)

城市道路隧道一般處于城市快速路、道路立體交叉處或為克服城市中的高程及平面障礙的道路中。相比其他公路隧道(主要指山嶺公路隧道)，城市道路隧道具有如下特點：①車流量大，易發生交通擁堵；②結構封閉，疏散與救援難度大；③風速快，煙霧、火災蔓延速度快；④若處置不及時，易造成次生事故。基于上述原因，一旦在火災發生后沒有及時報警、采取措施，很容易造成重大災難。為此，GB 50116-2013 《火災自動報警系統設計規范》特別規定，城市道路隧道必須同時使用線型光纖感溫探測器、點型紅外火焰探測器(或圖像型火災探測器)，以助盡早發現火災。線型光纖感溫探測器可實時監測溫度，為必選項，本文對可二選一的點型紅外火焰探測器、圖像型火災探測器的原理及應用場景進行對比分析。

1 隧道火災探測原理

隧道火災一般經歷4個階段：前期、早期、中期及晚期。階段特點[1]為：前期有一定的煙霧；早期煙量增加、出現火光；中期火災形成，火勢上升很快；后期火勢擴散。

1.1 點型紅外火焰探測

紅外火焰探測器屬于感光探測器。常見的有雙波長、三波長紅外火焰探測器，其原理為利用火焰的閃爍效應和紅外輻射進行火災探測。閃爍特性指汽油燃燒火焰跳動頻率一般為1～15 Hz；紅外輻射特性指一般光源發光強度在紅外波段呈下降趨勢，而火焰則呈上升趨勢。雙波長紅外火焰探測器工作原理[2]見圖1。

圖1 雙波長火焰探測器工作原理圖

1.2 圖像型火災探測

圖像型火災探測屬于數字信息處理技術。前端攝像機采集圖像，進入數字信號處理模塊進行運算處理，通過形狀、面積、頻域等特性來識別火焰，通過背景模糊、湍流特性、紋理等來識別煙霧，判斷出火災并報警。其工作原理[3-4]見圖2。

圖2 圖像型火災探測器工作原理圖

2 主要性能分析

2.1 報警響應時間

點型紅外探測器采用紅外光敏元件，其濾波器、差放、整流等主要功能部件處理速度快，因此對火焰響應速度快，但對煙霧無法識別。圖像型火災探測器主要取決于算法及硬件處理速度，成熟產品算法及處理芯片運算能力強，因此響應速度很快。

在非明火性質或先陰燃產生煙霧后有明火的火災情況下，點型紅外火焰探測器無法及時報警，而圖像型火災探測器可快速識別煙霧并報警，縮短報警響應時間。

2.2 準確性

點型紅外火焰探測借助于仿智邏輯進行的信號處理，僅對特定頻率起作用，能有效避免照明、汽車燈光等影響，抗干擾能力強，幾乎無誤報。圖像型火災探測器對車輛雙閃燈或警報燈有時會誤判，主流產品報警準確率可達99%。

2.3 遮擋影響

點型紅外火焰探測器當其探頭前剛好有車輛擋住火焰，阻擋了火焰紅外光進入感光元件時，無法感應火災，響應時間變長甚至不會報警。圖像型火災探測器一般采用彩色、黑白、近紅外等多種圖像進行冗余比對運算，在半遮擋情況下仍可有效識別火災。

2.4 造價

以單洞總長3 km的隧道為例，選用日本能美雙波長方案造價約460 元/m，選用國內某品牌三波長方案造價約210 元/m，選用國內某品牌圖像火災、事件檢測、圖像監控三合一整合方案造價約350 元/m。主要性能、造價對比見表1。

表1 主要性能、造價對比表

3 布設優化建議

點型紅外火焰探測器與圖像型火災探測器布設時均需綜合考慮其單體探測范圍、安裝間距、安裝高度等要素，以確保系統探測范圍能覆蓋整個隧道。

3.1 圖像型火災探測器準確率優化

從統計數據看，誤報事件大部分集中在汽車尾燈、警報燈等光源。可根據車輛定向移動、形狀固定特性及干擾源特殊閃爍頻率、色彩等排除干擾源；通過強大算法，使系統對火災特性參數的獲取更全面，再配備合理的區域靈敏度設置技術，可進一步抑制誤報源，提高準確率。

3.2 點型紅外火焰探測器防遮擋優化

現有隧道點型紅外火焰探測器均安裝在同一側隧道壁，間距約50 m。建議采用雙側隧道壁交替安裝，適當縮短間距，使檢測區域適當重疊，可降低系統被遮擋情況下漏報的概率。

4 應用實例及對比

4.1 試驗隧道

廈門會展隧道為雙洞單向雙車道，左右洞各長900 m、寬10.3 m、高5.8 m。隧道同時設有雙波長紅外和圖像型火災探測系統。本次選擇該隧道進行多種工況下點火及煙霧試驗。

4.2 試驗數據

試驗使用同一燃燒源(火盆或煙霧彈)，在不同風速工況下，對平均報警響應時間及報警情況進行測試。火盆規格為0.632 m長×0.632 m寬、火焰高度1 m、測試距離30 m、現場光照2.87 cd/m2，測試數據見表2。

表2 隧道火災自動報警系統測試記錄表

4.3 試驗數據分析

1) 同工況下，圖像型火災探測器報警響應時間比雙波長火焰探測器短37%～50%。

2) 半遮擋時，圖像型火災探測器可正常報警，點型紅外火焰探測器因被車輛擋住火焰，部分紅外光無法進入感光元件，不報警概率高。

3) 點型紅外火焰探測器無法識別煙霧，圖像型火災探測器可識別煙霧并報警。

4.4 應用案例

廈門市成功大道隧道群、會展、云頂、文興、灌新隧道等共計12座隧道(單洞累計41.15 km)采用了圖像型火災探測器。近5年，累計發生4起隧道內車輛著火事件，均有報警。

廈門市會展、天馬山、蓮岳隧道共計3座隧道(單洞累計9.78 km)采用了雙波長火焰探測器。近5年，累計發生2起隧道內車輛著火事件，其中報警1起，未報警1起。

5 結語

1) 圖像型火災探測器在報警響應時間、煙霧識別、綜合功能、半遮擋報警方面優于點型紅外火焰探測器。城市道路隧道需要采用高清監控、事件檢測等功能確保其安全運營，建議有上述綜合功能改造需求的隧道采用圖像型火災探測器。

2) 點型紅外火焰探測器在準確性、單功能造價(國產)方面優于圖像型火災探測器。建議經費不充裕的隧道采用點型紅外火焰探測器。

3) 下一步需利用干擾源特性、區域靈敏度設置等優化數字信號處理算法解決文中提出的提高圖像型火災探測器準確率問題；通過改變布設方式，交替冗余布置，安裝實測改善點型紅外火焰探測器遮擋情況下的漏報問題。