基于物聯網技術的地鐵排煙噴霧系統設計

李軍 彭偉

（安徽理工大學，安徽 淮南 232001）

0 引言

地鐵作為替代城市汽車代步工具，不僅減少了二氧化碳的產生，同時也帶動了地鐵沿線的商業發展。2020年中國地鐵運營線路長度達7 253.73km，截止到2021年6月中國有地鐵的城市有48座。目前區間隧道由于空間狹長，為充分利用狹長的空間，地鐵車站或區間的火災事故通風系統常會與正常通風系統共用，或者一個通風系統同時服務多個區域、承擔多種功能，這就難免在發生火災時濃煙排出難，熱量聚集，再加之地下散熱條件與通信網絡差，使得人員疏散困難。這就使得通風系統的組成、控制模式、功能轉換時需動作的設備數量多，通風系統的正常運行模式轉換為火災事故運行模式的時間存在延長的風險。當車輛因隧道火災，導致地鐵動力喪失，或因火災無法繼續行駛到前方站臺時，乘客不得不采取緊急疏散的方式，易造成人員的二次傷害，為解決本問題，本文研究基于物聯網的智能地鐵排煙噴霧系統，該系統是一種自動消防設施，以期實現協助人員疏散。

1 地鐵火災排煙噴霧理論基礎

1.1 自組織網絡機理

當災害導致原有通信設施無法使用時，就需構建一個救援的通信網，能在緊急救援時快速構建通信網，實現有效的救援。隨著物聯網的蓬勃發展，IPv6日益普及，目前自組織網絡有很多研究與實踐都是基于IPv6平臺上改進的。自組織網絡中的各種計算機設備在網絡中的作用是同等重要的，在進行信息交互的時候，既可以作為移動客戶端，也可以作為移動服務端，將所有移動終端快速組織到無線網絡中，且自組織網絡通過接口接入網關（AP）的轉發和路由可以與有線網絡互通無線，也可以和傳統有線網絡相互補充，相輔相成。

1.2 細水霧降溫裝置的機理

可在離風機有較遠一段距離處設置細小水霧噴嘴，細水霧在汽化過程中可吸收大量熱量，實現對火場影響區域進行降溫，補救地鐵隧道通風不足的缺陷。細水霧作用后，一方面細水霧抑制了火災燃燒，降低了煙氣流溫度，減緩了二氧化碳的產生速率，保證了風機的排煙能力；另一方面細水霧溶解了部分二氧化碳。同時細水霧配合排煙機，將蒸發汽化或吸熱后形成的水蒸氣帶出火場區域，從而避免水霧堆積，以及因濕度上升對地鐵隧道設備產生的不良影響。

1.3 排煙機工作的機理

根據現行條件，城市地鐵大都位于地下空間，天然的外向洞口基本沒有。這時，就應當考慮采用機械通風的方法來防止煙氣進入處于無煙區非著火列車，但利用機械排煙不可能完全滿足要求，因為煙氣只有通過隧道內靠近排煙風機處才能被排出，這就給疏散人群帶來危險感。在提高排煙換氣率的情況下，可致部分煙氣及時被排煙機排走。在煙氣通過排煙機處時，溫度對比煙氣沒有經過排煙機處有很明顯的下降幅度。隧道排煙換氣率大的隧道頂棚溫度低于隧道排煙換氣率小的隧道頂棚溫度。火源位置布置在排風口及其下游，可有效阻止煙氣蔓延，因此地鐵排煙噴霧系統可以移動到火源位置的下游。

2 系統主要功能和結構架構

地鐵因與外部相連的通道少，且寬度與高度尺寸較少，在活塞風影響下火災容易迅速蔓延到鄰近車廂，進而造成車廂連續燃燒，引發重大火災，由于沒有充分燃燒的氣體和物質，在空氣充足的狀態下，遇到明火或者溫度到達一定時，將會繼續燃燒，同時隧道火災傳感器也有一定的誤報率。因此研究一種能夠跟蹤采集、定位追溯、消防聯動、自動控制、信息處理、協助疏散、信息可視的智能排煙噴霧系統尤為重要。基于物聯網技術的地鐵排煙噴霧系統將智能控制、深度學習、與室內精確定位技術結合，利用原有軌行區火災探測器的報警信號，對火場區域進行檢測、監控，從而實現對火場信息的快速準確的識別以及對火場區域的排煙降溫。

3 系統設計方案

3.1 總體方案

地下隧道敷設鐵軌后，需在隧道內建立自組織網絡，在頂部圍巖上架設上軌道，軌行車則在上軌道行駛，排煙噴霧裝置、物聯網設備與軌行車安裝在一起。通過程序控制軌行車整體的行駛以及排煙風機的開啟和細水霧裝置啟動。物聯網設備接受原有軌行區的火災探測器報警信號，通過信號確定起火點的位置，物聯網設備根據位置控制軌行車去帶動整個設備沿上軌道運行到火災區域，同時運用監測數據采集與定位單元進行視頻監控，提供事故現場信息給平臺，然后根據煙霧的大小，系統自動控制設備上端的排煙裝置對籠罩在隧道頂部的煙氣進行抽離，另外，利用設備的細水霧化噴霧裝置對火場下部區域噴霧，起到降溫和吸收隧道空氣中煙霧的效果，保證火場區域的煙氣能夠及時排出，以及保持軌行區下部區域的低溫。細水霧化噴頭經高壓水泵將細水霧對火場影響的區域進行噴灑，達到一個溫度較低，能見度較好的疏散條件。監測數據采集與定位單元運用視頻監控事故現場的情況，為救援指揮提供依據，軌行車帶動排煙噴霧設備移動，其不受工作場合限制，輕便、靈活的地鐵軌行區排煙噴霧設備從協助人員疏散入手，實現有效救援。

3.2 系統組成

基于物聯網技術的地鐵排煙噴霧系統，包括監測數據采集與定位子系統、運移子系統。運移系統主要由地鐵上軌道設備（包括上軌道軌行車、直軌道、上斜軌道、設備檢修間）和排煙噴霧裝置組成。監測數據采集與定位子系統由定位傳感器、火場數據監測設備和物聯網設備組成。其中，上軌道軌行車由低功率廣域網絡、速度控制器、傳感器網絡、云數據庫、人工智能引擎及用戶界面組成。

3.3 地鐵火災排煙噴霧系統設計

地鐵火災排煙噴霧系統主要用于實現對火場區域的定位、檢測、監控、排煙、噴霧、指示等一系列自動化過程。同時，控制中心人員可以在后方通過遠程監控系統對隧道進行監視與排煙噴霧系統的控制，如圖1所示的隧道斷面排煙噴霧系統的組成圖。該系統主要能夠實現以下功能。

圖1 隧道斷面排煙噴霧系統圖

3.3.1 定位、檢測與監控

地鐵火災排煙噴霧系統能夠依據傳感器信息對火場區域進行自動識別與定位，通過輪式軌行車的移動實現對火場區域的多次檢測，并運用深度學習的人工智能進行預測和鑒別隧道火災是否誤報及在設備失效的環境下模擬火災發生的場景。如圖2所示系統結構示意圖展現的系統可開啟視頻監控，除可對火場區域進行監控外，平時也能對隧道內通風、照明、消防泵、排水泵等設備進行監控，在發生事故時將相關信息反饋至控制平臺，控制平臺提供位置給管理人員，管理人員依據信息，決定派遣人員對相應位置的隧道進行救援。

圖2 系統結構示意圖

3.3.2 排煙、噴霧

地鐵火災排煙噴霧系統能夠實時檢測火場信息，控制排煙風機跟隨噴霧配合，從而達到一個溫度較低，能見度較好，刺激性氣體較少的疏散條件，減光系數與人行走速度的關系，且刺激性氣體和減光系數是影響人員疏散的重要因素。該系統在人工智能算法下能識別火場區域的火災在隧道活塞風的作用下產生突變的現象及火源功率的大小，在火災蔓延趨勢已到來時處置，對煙氣溫度大于60℃的區域進行排煙噴霧。

3.3.3 智能控制

地鐵火災排煙噴霧系統在火場災害區域應具有實時性、容錯性、魯棒性、自適應性，系統通過檢測與監控火場區域，自主控制排煙風機功率和噴霧水壓，協助救援，救援信息反饋至火災中央控制平臺，對火場區域自動完成跟蹤與處置結束后，火災排煙噴霧系統自動后退至相應位置。如遇突發情況時，可以進行人工遠程控制，進行相關檢測、操作。

3.3.4 動態指示

地鐵火災排煙噴霧系統能夠實現對火場區域的火災羽流的實時監控與圖像傳輸，通過電腦、手機等交互界面控制系統完成各種人工動作指令。系統通過煙霧傳感器實時監測火場區域附近的煙霧濃度，發現濃度超標時及時向疏散人員發出警報，并控制消防應急照明和疏散指示標志系統給疏散人員顯示合適的逃生信息，如疏散指示標志標示出當前位置與前方聯絡通道或安全出口的最近距離和控制消防應急照明燈，減少疏散人員產生應激反應。

4 結語

地鐵隧道發生火災后，主要依靠消防應急照明和疏散標志指示燈保證人員疏散，這將給疏散人員心理造成較大的壓力。我國TB 10020—2017《鐵路隧道防災疏散救援工程設計規范》即采用“定點救援”原則，不考慮火災列車隨機停靠于區間隧道的排煙，且針對長度超過20 km的隧道或隧道群才應要設有應急救助站，而針對長度10 km的單孔隧道則被需要在洞身段設有不少于一處應急出口以及避難所。而有的區間可能僅僅只能通過出口通風，在這種受限空間，大量煙霧和有害氣體在火災熱動力的作用下迅速布滿區間隧道，一氧化碳和其他有毒氣體可致人在數分鐘內死亡。且隧道內的手機信號因土巖結構的阻擋也不如在地表處傳輸穩定，火災的發生又導致了其他通信工具的癱瘓，這樣便阻斷了與外界聯絡，而隧道內的高溫和高濃度煙霧也使外部的消防人員開展救援工作困難，達不成理想的營救要求。本系統建立自組織網絡確保排煙噴霧系統在通信設備癱瘓時，降低災害對排煙噴霧的通信影響，提供信息給隧道內外部救援人員，排煙降溫，實現協助救援，但由于無線通信技術的限制，導致通信距離有限，需要布置多個無線接入網點。從長遠看，未來智能輔助救援設備將與專業的地鐵隧道救援隊一同應對火災事故，尤其是應對救援人員進入困難的場所，實現在必須安全疏散時間內達成救援及減少人員傷亡效果。