封閉式儲煤倉煤堆火災陰燃起火點快速定位法的可行性分析

李寧寧 邱懷駿

摘要：隨著近年來我國消防事業的飛速發展，針對特定災情的專業力量建設、技戰術訓練、裝備器材配置等相應環節必須及時跟上時代的發展。以封閉式儲煤倉燃煤煤堆作為處置對象，將探測器與消防炮有機結合，利用透視投影將搜索范圍由平面縮小到線段的方式，快速查找出煤堆火災中的陰燃起火點，有效改善了自動消防炮無法有效定位煤堆火災陰燃起火點的實際問題，并將其有效推廣到各類煤堆火災的實戰處置過程中。同時，對實戰處置過程中定位誤差產生的原因及相應的處理方法進行了較為深入的分析，以期為倉儲類建筑的固定消防設施工程設計與實際應用提供參考。

關鍵詞：煤堆；陰燃；熱成像儀；自動消防炮

1 現狀與問題

隨著我國對于環保節能要求的逐漸提高，封閉式的儲煤倉得到了較為廣泛的應用。由于以上空間內部縱深較長、火災荷載較高，因此，管理過程中稍有不慎極可能導致封閉式儲煤倉內的煤炭發生自燃事故。按照我國GB51428—2021《煤化工工程設計防火標準》[1]的相關要求，儲煤倉內部要設置足夠數量的感溫火災探測器，當現場存在高溫熱源或明火現象發生時，探測器能自動噴水對初起火災實施有效壓制。目前市場上的感溫探測器主要有點型感溫探測器和線型感溫探測器，通常情況下，煤堆的自燃現象都是發生在煤堆的內部，傳統的感溫探測器由于無法透過煤層及時探測到內部熱源，根本無法達到提前預警、及時處理的目的。因此，很多儲煤倉優先選擇使用熱成像圖像復合火災探測器（以下簡稱“熱成像探測器”）用于及時查探火災初起階段的陰燃火點（如圖1所示）。當監控區域內溫度升高超過一定閾值時探測器會自動發出預警信號。熱成像探測器是在圖像型火災探測器的基礎應用上，增加了熱成像儀的相關功能，通過近紅外和遠紅外兩種參數共同實施綜合判斷的原理，在火災發生初期或陰燃階段，能夠根據煤堆細微的溫度變化及時發現內部的火災隱患。

按照GB51428—2021《煤化工工程設計防火標準》的相關要求，儲煤倉的滅火設施必須設置適量的固定消防水炮系統。因此，通過熱成像探測器有效確定了煤堆內部的陰燃起火點后，一般要同步啟動消防水炮進行噴水降溫，而自動消防水炮通常采用手動控制或遠程啟動的開啟方式[2]。目前，常用的自動消防水炮通常分為兩個種類：第一類消防炮通常不具備溫度探測功能，因此無法自動定位陰燃起火部位；第二類消防炮通常是采用類似于熱成像技術的具備溫度探測功能的探測組件，應用該組件能夠掃描發現煤堆外部的溫度異常點。然而，此類消防炮的探測組件在實際使用過程中普遍存在兩個缺陷：一是分辨率較低、對于陰燃起火部位探測不夠及時，極易導致火災漏報事故的發生；二是該類消防炮視野相對較窄，需要反復多次掃描才能有效覆蓋整個保護區域，且掃描實際耗時相對較長，極易錯過火災處置的最佳時機。可見，無論消防炮是否具備感溫功能，都需要一種能夠更加準確、高效地完成消防炮自動定位功能的輔助機制。

事實上，燃煤煤堆火災實際處置的最大難點當屬其起火部位的及時探查[3]。相比于車站、會展中心等自動消防炮較為常用的場所，此類火災一般起火部位均位于地面，在起火點有效定位后消防炮適當調整射流角度即可有效命中目標。然而，煤堆陰燃起火點通常位于距該煤堆表面 1.5～5.5m的氧化層內部。因此，對于默認火點位于地面的消防炮射流無論其補償角采用經驗值還是計算值均會產生較大的偏差，實際噴射過程中根本無法準確直擊火點。與煤堆情況類似的倉庫貨架、石化油罐、管廊側壁等其他場合也普遍存在此類問題。

針對上述現象，本文提出一種探測器與自動消防炮有機結合后，快速定位煤堆內部起火點的處置方案，并對可能出現誤差的相關原因及相應解決方法進行了逐一探討。本方案適合于各種類型的自動消防炮，在實際搜索過程中能夠將其搜索范圍由整個平面縮小到一條線段，有效彌補了普通消防炮無法準確定位陰燃起火點的實際問題，極大程度地縮短了消防炮的實際啟動時間，能夠最大限度降低火災處置的難度，并定點指引自動消防炮在火災初起階段將火勢及時控制在較小范圍內。

2 熱成像探測技術背景

紅外熱像儀是一種利用物體與周圍環境的溫度及發射率的差異從而進行成像的裝置。其成像系統主要由光學系統、光敏傳感器、信號處理器三大部分組成，如圖2所示。

其中，光學系統決定熱像儀的視場大小，例如2.8mm、3.5mm、12mm等，數字越大視場角越小，對應探測距離則越遠。目標輻射紅外光，經光學系統匯聚成像到光敏傳感器并轉變為電信號。該信號經過信號處理器放大、補償以及線性處理，最終將輻射功率轉化為溫度，從而獲得被測場景溫度數據。

從產品層面，紅外熱像儀可分為制冷型與非制冷型兩種。其區別在于當熱像儀工作時是否需要制冷機配合工作。由于紅外熱像儀的使用過程中往往會受到自身周圍溫度的影響，因此制冷型熱像儀配有低溫制冷機裝置以降低自身溫度，這樣在檢測其他物體溫度時靈敏度更高、誤差更小、檢測溫度范圍更廣。然而，額外的制冷機會帶來更多的功耗以及更昂貴的成本。目前用于煤堆陰燃檢測的設備一般采用非制冷型紅外熱像儀。非制冷型產品雖然精度略低，但其具有結構簡單、使用壽命長、分辨率高、成本低等優勢，被廣泛應用到安防、消防等領域。

3 自動消防炮及時定位起火部位的解決方案

如圖3所示，圖中用橙色圓錐體代表煤堆。坐標原點O位于圓錐底面任意處。圖中紅色坐標軸為x軸，綠色為y軸，藍色為z軸。圓錐體底面位于x-y平面上，綠色A點為煤堆頂點。火災探測器位于z軸C點，安裝高度為已知。自動消防炮位于圖中W點，其安裝位置為已知。G點為W點在x軸投影。

當火災發生時，設著火點為F，此點位于圓錐面上，以紅色表示。引射線CF，交x-y平面于P點。由于C點坐標為已知，射線CF與z軸夾角可由探測器內成像平面安裝角度及F點成像位置計算得到，因此P點坐標可求。

由于透視投影關系，射線CF上任意一點沿此線投影，與圓錐底部交點均為P點，因此，位于C點的探測器無法具體得知F點準確位置。因此，與之相關聯的位于W點的自動消防炮同樣無法確定著火點F具體坐標，因而無法射水滅火。

連W點與F點做射線WF，該射線與x-y平面交于Q點。再連接P點與Q點做射線PQ。因為F點與C點、W點共面；P點、Q點、W點共面，因此C、W、F、P、Q五點共面。圖中平面用青色表示。

由圖3可見，F點位置隨著圓錐體高度的變化而變化。相對于C點，其最遠端為P點，當圓錐體高度為零時，F點與P點重合。為了使位于W點的自動消防炮能夠盡量縮小搜索范圍或射流范圍，對其沿線段PF進行搜索。但由于實際煤堆形狀可能千變萬化，不一定符合圓錐體形狀，因此按錐體表面計算F點位置不可靠。計算F點沿射線WF在x-y平面交點Q坐標，因為Q點是F點在x-y平面的透視投影點，消防炮對準點Q就相當于對準了點F（實際情況下射流存在弧度，會有一定誤差）。這樣，搜索路徑由沿射線PF變為射線PQ，即沿射線PF在x-y平面的透視投影線進行搜索。定義消防炮的尋址為消防炮尋找著火點（或陰燃火點）進行掃描的過程，尋址線（尋址線段、尋址軌跡同理）為消防炮尋址時其炮口延長線所掃過的平面與某個參考平面的交點所連成的直線或曲線。

由上文，點C、W坐標為已知，P點坐標可求，因此，平面CWQP方程可求。該平面與x-y平面相交于直線PQ。將x-y平面方程z=0代入，即可解得相交直線PQ方程。

在自動消防炮尋址過程中，以P點為起始點，按照一定間隔（例如0.5m）由直線PQ方程依次計算出Q方向上點坐標，可由此x-y坐標計算得到自動消防炮水平及垂直轉動角度。這樣，便可以沿直線PQ進行連續尋址，尋找滅火點，極大程度上縮小了掃描范圍，節省了滅火時間。

4 誤差分析

建模后，自動消防炮尋址路徑為：實際著火點F相對于探測器C的投影點P至F點相對于消防炮W的投影點Q的射線，尋址范圍極大縮小。為了在工程設計上能夠更有效地部署應用，這里有必要對誤差因素進行逐一分析。影響實際滅火精度的誤差主要有三個方面，即：煤堆高度、探測器與消防炮相對位置以及消防炮射流軌跡。

4.1? 煤堆高度

如圖4所示，為了模擬煤堆高度的影響，在上面的模型中，我們保持探測器高度、消防炮相對位置、地平面（x-y平面）等參數不變，僅將煤堆頂點A的位置適當提高。圖中左側煤堆較低，此時，F點相對于地面較近，F在地平面投影點P與F點間線段PF較短。同時，F點相對于自動消防炮W點在地面投影點Q與P點較近。因此，自動消防炮尋址范圍較小。

導致自動消防炮尋址誤差的主要原因是煤堆表面的不規則性。為了建模需要，將煤堆模擬為圓錐體，但實際煤堆分布要復雜得多。因此，為了減小這種外表面的不規則性帶來的誤差，自動消防炮的尋址線即PF線段通常應該越短越好。另一方面，自動消防炮實際射流落點為平面PQW與圓錐體相交的曲線。該曲線與自動消防炮尋址線段PF并不重合，越接近其重合度越高、誤差越小。

圖4右側所示圓錐體高度較高，此時自動消防炮尋址線段PF較長，因此未知的煤堆表面變化會對其實際尋址的有效性造成較大影響。在極端情況下，若F點位于W點可見圓錐面之外，則位于W點的自動消防炮無論如何也無法尋到實際著火點。

因此，在實際設計應用過程中，應盡量將探測器及自動消防炮安裝在位置相對較高處，相當于降低了煤堆圓錐體的高度。這樣一方面可以有效擴大視野，另一方面，對于自動消防炮的尋址及射流滅火有效性會有更為可靠的保障。

4.2? 探測器與自動消防炮之間的相對位置

圖5顯示的是探測器與自動消防炮之間的相對位置對自動消防炮尋址產生的直接影響。左中右三個圖中煤堆圓錐體底面與實際高度均保持不變，著火點F位置同樣保持不變，改變的僅有探測器C與自動消防炮W的相對位置。相比于左圖，中間圖中自動消防炮W高度未發生變化，僅僅縮小了與探測器C的實際水平距離。右側圖中自動消防炮W與探測器C水平距離不變，僅降低了自動消防炮W的安裝高度。

將中間圖片與左圖進行對比，在W點高度不變前提下，隨著自動消防炮與探測器間距離的逐漸減小，自動消防炮的尋址范圍也隨之不斷減小。雖然線段PF的長度不變，但自動消防炮實際尋址是線段PQ。在W點向C點移動過程中，P點固定不變，Q點逐步向P點靠攏。當W點與C點重合時，Q點與P點重合，此時自動消防炮尋址線段縮為一個點，即P點（Q點），尋址范圍有效縮小。因此，在實際設計及應用中，應盡量減小探測器與自動消防炮間水平距離。

將右圖與左圖進行對比，在W點與C點水平距離不變前提下，隨著自動消防炮安裝高度的逐漸降低，自動消防炮的尋址范圍在隨之明顯增大。即Q點與P點距離隨W點高度的降低而不斷增大。從線段PW與線段QW的夾角∠PWQ的變化亦可看出，∠PWQ角為自動消防炮的掃描角，隨W點高度的降低該角度隨之逐漸增大。因此，在自動消防炮有效保護半徑范圍內應盡量提高其實際安裝高度。

4.3? 射流角度

在建模過程中，實際著火點位于線段PF上，為了計算需要，以該線段在x-y平面的投影線段PQ為尋址線段。這對于自動消防炮有效尋址不會產生實際影響，因為線段PQ正是線段PF以W點為投影中心的透視投影。然而，自動消防炮尋址不是目的，尋址正確后的實際射流滅火才是最終任務。自動消防炮射流軌跡通常不是直線射流，如圖6所示，其射流形狀是具有一定弧度的曲線。

如圖6所示，自W點引出兩條綠色曲線連接點P和點Q，并與圓錐體表面分別相交于點U和點V。此兩條綠色曲線為模擬射流軌跡線，分別對應落點P和Q。線段PQ上所有射流落點所對應的射流軌跡線與圓錐體表面的交點位于經過點U和點V的橙色曲線UV上。而原自動消防炮透視投影平面PWQ與圓錐體表面相交于曲線KF。此曲線為自動消防炮尋址線，而曲線UV與曲線KF并不重合。因此，實際射流無法準確命中著火點。

由圖可知，自動消防炮在實際出水過程中，其射流會在原始定位角基礎上適當增加俯仰角以確保射流在重力及摩擦阻力影響下仍然能夠準確命中目標。而對于圓錐體，曲線UV相比于曲線KF更接近圓錐頂點。因此，在實際射流過程中，可適當減少自動消防炮炮管俯仰角補償值或以上下回擺的方式進行補償以保證消防射流能夠達到覆蓋尋址線，從而達到準確直擊起火點的目的。另一方面，曲線UV與曲線KF的間距隨圓錐體高度降低而減小。因此，在探測器與自動消防炮安裝于實際高度遠大于煤堆高度場合下，此誤差可忽略不計。

綜上所述，在設計探測器和自動消防炮的實際安裝位置的過程中，在確保其保護半徑前提下，應盡量提高探測器與自動消防炮的安裝高度，并減少兩者之間的距離從而有效降低其工作誤差。在自動消防炮實際噴射過程中，應適當減少炮管俯仰角補償值或以上下回擺的方式進行出水滅火，實現對初起火災的有效抑制。

5 結論

針對室內儲煤庫內自動消防炮無法有效定位煤堆內部陰燃部位的實際問題，本文提出了一種應用熱成像探測器為自動消防炮尋找煤堆起火部位的滅火方法，應用此種處置方式能夠在火災探測過程中將搜索面縮小到線段維度，在精準定位起火點的同時，有效減少了固定消防炮出水滅火的啟動時間，為火勢的有效處置打下了堅實的基礎。該方法同樣適用于倉庫、貨架、書架等類別堆（下轉第107頁）（上接第16頁）垛性質火災的實戰處置。為了保證結果實用性的有效提升，對自動消防炮處置過程中的尋址行為及實際射流誤差做了進一步系統分析，并以此為依據提出了相應的解決方案，為此類場所的固定消防設施工程設計提供了科學有效的依據。

參考文獻：

[1]GB 51428—2021.煤化工工程設計防火標準[S].

[2]CN 202010190405.1 基于攝像機定位的自動消防炮目標經緯度計算方法[P].

[3]梁運濤.煤自然發火期快速預測研究[D].杭州：浙江大學，2010.

Feasibility analysis of rapid positioning

method for smoldering ignition point of

coal stockpiles fire in closed coal storage

Li Ningning1，Qiu Huaijun2

（1. Shenyang Fire Research Institute， Ministry of Emergency Management， Liaoning Shenyang 110034; 2. School of Computer Science， Shenyang Aerospace University， Liaoning Shenyang 110136）

Abstract：With the rapid development of fire protection work in recent years， it is necessary to keep up with the development of the time for professional strength construction， technical and tactical training， equipment configuration and so on. Combined with the smoldering problem that has always troubled the first-line fire and rescue team in the actual combat disposal process for many years， the coal stockpiles in closed coal storage are taken as the disposal object， the detector is organically combined with the fire monitor， and the perspective projection is used to narrow the search range from plane to line segment， so as to quickly find the smoldering ignition point in the coal stockpiles fire. It effectively improves the actual problem that automatic fire monitor can not effectively locate the ignition point of the coal stockpiles fire， and it is effectively extended to the actual disposal process of all kinds of the coal stockpiles fire. At the same time， the causes of positioning errors in the actual disposal process and the corresponding treatment methods are deeply analyzed， which provides references for the engineering design and practical application of fixed fire fighting facilities in warehouse buildings.

Keywords：coal pile; smoldering; thermal imager; automatic fire monitor