獨立式光電智能火災探測技術在藏區古建筑中的應用

王 濤，萬躍敏

（1.西藏自治區消防救援總隊，西藏 拉薩；2.秦皇島泰和安科技有限公司，河北 秦皇島）

引言

古建筑作為重要的文化遺產，承載著豐富的歷史和文化價值。而我國西藏地區古建筑以寺廟為主，多為土、石木結構，采用椽子木、白瑪草等可燃材料，建筑耐火等級較低，并大量存放唐卡、經書等珍貴文物，火災風險極大。目前在西藏寺廟中常用火災報警系統為對點型火災探測器，該系統的探測靈敏度不高，且屬于被動探測，易導致火災誤報。本文提出了一種獨立式光電智能火災探測系統，解決傳統火災探測器誤報問題，同時均衡黑白煙響應一致性，高靈敏性，滿足在藏區古建筑中應用要求。

1 古建筑火災探測技術需求分析

古建筑作為文化遺產的重要組成部分，具有獨特的構造，并使用了傳統材料。首先，古建筑的構造通常考慮了氣候、地理和文化因素。此外，古建筑的維修和保養過程往往比較復雜，傳統的火災探測技術在安裝和維護時面臨困難。因此，對于古建筑火災探測技術，由于其特殊性和保護需求，需要從兼容性、靈敏度和調整性、耐受性和穩定性、維護和可替換性等特殊需求方面進行分析。

2 光電智能火災探測系統設計

2.1 光電智能火災探測系統架構

通過對古建筑火災探測需求進行分析，以及傳統火災探測技術所面臨的局限性，如傳統技術通常依賴于煙霧、熱量或火焰等傳感器的單一信號，容易受到誤報和干擾[1]。導致傳統技術對古建筑特殊環境的適應性有限，往往無法滿足古建筑火災探測技術的特殊需求。因此，通過提出一種獨立式的光電智能火災探測系統，解決傳統火災探測技術在古建筑的局限性。

光電智能火災探測系統作為一種創新的火災探測技術，具備快速、準確和可靠的特點[2]。隨著科技的發展和進步，光電智能火災探測技術在古建筑保護領域的應用前景也日益廣闊。該技術可以通過感煙、熱敏、光學和智能分析等多重手段實現對火災的及時檢測，并提供精確的報警信號，為火災的防范和撲滅提供重要支持。

光電智能火災探測系統是一種基于光電原理和智能算法的火災探測解決方案。主要系統架構由光電感煙探測器、控制器、數據傳輸和通信模塊、報警和應急響應設備、智能算法和分析功能等組成，系統架構如圖1 所示。

圖1 系統架構

其中，光電感煙探測器是光電智能火災探測系統的核心組件，它采用光電原理，通過檢測煙霧、可見光和紅外輻射等參數來判斷火災的發生。光電探測器能夠及早檢測到火災產生的煙霧和燃燒物，并發出相應的火警信號。光電感煙探測器是根據火災時煙霧對光傳播的特性進行設計的，一般分為遮光型和散射型兩種類型。

其次，控制器是光電智能火災探測系統的中樞。它接收光電探測器傳來的火警信號，并進行處理和分析。控制器可以對火警信號進行驗證，排除誤報情況，并觸發相應的報警響應措施。

另外，數據傳輸和通信模塊可以將火警信號和其他信息傳輸給指定的監控中心、消防部門或其他管理人員。通信模塊可以使用有線或無線方式與外部系統進行數據交換和遠程控制。

以及，報警和應急響應設備，一旦探測器檢測到火警信號，并經由控制器驗證，系統將觸發聲光報警設備進行警報和提醒，同時可自動啟動相關的應急設備，如噴淋系統、緊急疏散指示燈和通風設備等。

最后，智能算法和分析功能，可以對火警信號進行實時分析和處理，提高探測器的靈敏度和準確性，同時可以識別火災類型、火勢等級，并根據情況采取相應的措施。

2.2 系統原理設計

光電智能探測系統是一種利用火災煙霧對光產生吸收和散射作用來探測火災的裝置。根據煙粒子與光的相互作用，產生兩種不同的過程分別是，煙粒子可以發生散射，即以同樣波長再輻射已接收的能量，并在不同方向上產生不同強度的輻射；同時，光也可以被吸收，并轉變成其他形式的能量。為了探測煙霧的存在，可以使用減光型探測法或散射型探測法。其工作原理如圖2 所示。

光電智能探測系統的光電感煙器主要由發光元件和受光元件組成。在點型光電感煙探測器中，收發元件被安裝在一個小的暗室內，煙霧可以進入暗室但光線卻不能進入。而在光束對射感煙探測器中，收發元件被安裝在開放空間中，用于檢測光路上的煙霧。在可見光和近紅外光譜范圍內，對于黑煙，光主要以吸收為主，而對于灰、白煙，則主要是散射起作用。

根據煙霧粒子對光的吸收和散射作用，光電感煙式火災探測器可分為減光式和散射光式兩種類型。減光式探測器通過檢測光通量的減少來判斷煙霧濃度，并進一步進行閾值放大比較、類比判斷處理或火災參數運算，最終產生相應的火災信號。散射式探測器則是通過散射光產生的光電流變化來判斷煙霧的存在，并用于激勵遮光暗室外部的信號處理電路，發出火災信號。不同的處理方式和數據處理方式，可以構成不同類型的火災探測器，如閾值報警開關量火災探測器、類比判斷模擬量火災探測器和參數運算智能化火災探測器。

根據接收管接收到的光強弱，光電智能探測系統就可以判定是否存在煙霧或其他干擾項。主要根據光散射理論，顆粒的光散射特性受其形貌、大小和折射率的影響，并結合多種顆粒光散射模型，如光散射理論顆粒球形模型、煙顆粒分型結構模型、體積隨機填充粉塵顆粒模型等，實現光電智能探測系統的感煙判斷功能。形成如圖3（a）、（b）和（c）所展示的油滴懸浮顆粒、火災煙霧顆粒和粉塵懸浮顆粒的模型示意圖。油滴懸浮顆粒是由揮發的油脂、煙焦油等組成的近似球形顆粒，在大氣中存在。相關實驗表明該油滴粒徑分布在0.5～10 μm 之間，計算中選取了油滴典型分布的中位徑為b=1 μm。同樣，通過實驗表明水汽顆粒的典型分布中位徑也為b=1 μm。

圖3 顆粒模型示意

其中，火災煙霧顆粒是具有近似分形結構、基本粒子數近似服從對數正態分布、空間隨機取向的煙顆粒群，其結構尺寸參數滿足公式（1）所示。

式中：N 為煙顆粒中的基本粒子數；kf為分形前置因子；Rg為煙顆粒的質量回轉半徑；a 為基本粒子半徑；Df為分形維數。

通過公式（1）可知，當其他參數確定時， 煙顆粒的尺度大小由凝團的基本粒子數決定。

根據查閱相關文獻，公式中采用分形前因子kf=3.77，分形維數Df=1.85，基本粒子半徑a=30.8 nm，折射率為1.54+0.46i。

粉塵懸浮顆粒由于產生的機理和環境不同，是各種有機物和無機物等復雜成分構成的一種隨機結構顆粒，根據相關文獻，計算中取d=2 μm。

香燭與酥油燈產生的煙霧顆粒實際上與火災煙霧顆粒相同，都屬于物質燃燒后產生的煙霧，但其顯著的特點是與實際火災煙霧的濃度增量不同，一般室內香燭量小，且環境半開放，產生的煙霧濃度小，增量低。對于古建筑中常見的酥油燈、香燭火，這些煙霧不屬于火災報警范圍。

光電感煙探測器采用探測煙霧粒徑的方法區分非火災顆粒。該方法通過檢測光散射矩陣， 區分火災煙霧顆粒和非火災煙霧顆粒，可減少非火災煙霧顆粒引起的誤報。同時采用煙霧濃度變化方式區分香燭燃燒產生的非火災煙霧。

2.3 光電智能火災探測系統設計

針對于當前古建筑火災探測技術的特殊需求問題，結合系統原理設計，提出了一種獨立式雙光電智能火災探測系統，該系統采用基于一體化注塑迷宮方式進行了揚塵顆粒極強拒入機構設計，通過使用雙向雙波段顆粒識別技術可區分出黑煙、白煙以及水汽、灰塵、香燭火、酥油燈、焚香等干擾，以及基于粒徑特征和煙霧濃度的智能火災探測算法實現高效智能感煙探測功能。

2.3.1 揚塵顆粒極強拒入機構設計

傳統的煙霧迷宮設計只設計了防蟲網、遮光齒和迷宮體部分。防蟲網的作用是阻止小型的飛蟲或爬蟲進入迷宮干擾煙霧探測。遮光齒的作用是阻止外界光線進入迷宮干擾煙霧探測，并且起到一定的混煙作用。但是這些部件無法有效阻止揚塵或灰塵顆粒進入迷宮干擾煙霧探測。因為如果直接阻止灰塵，也同樣會阻止火災煙霧的進入迷宮，影響探測器的靈敏度，這也是傳統光電感煙探測器無法排除揚塵誤報警問題的重要原因[3]。

獨立式光電智能火災探測系統設計了揚塵顆粒極強拒入機構，如圖4 所示，采用不同于傳統方案的平面角，采用空間角度設計，通過上蓋限位，迷宮腔體與PCB 緊密扣合，形成封閉腔體，相對于傳統迷宮、防蟲網組裝為一體的設計，將防蟲網和迷宮上蓋一體化，解決傳統組裝方式可能帶來的縫隙隱患，從而提升產品揚塵顆粒拒入能力。

圖4 揚塵顆粒極強拒入機構

2.3.2 基于光電二極管（LED）的典型顆粒特征提取及區分技術

當前通過激光探測顆粒粒徑并進行分析的煙霧或粉塵探測器技術已較為成熟，但由于成本過于高昂，不適用于文物建筑消防場合。利用成本較低的LED 光源取代激光進行粒徑分析更為可行。然而，相比于激光，LED 聚光性較差，造成光信號的采集和分析存在一定困難，降低了粒徑識別的準確性，需要從光源選擇、光路設置、感光元件及其轉換電路等多方面進行改進優化，其中受限空間典型火災顆粒生成與運輸過程如圖5 所示。同時，現有文物建筑內典型火災煙霧及干擾源顆粒的特征差異并不顯著，相關數據存在缺失，成為制約粒徑識別準確率提高的關鍵因素。

圖5 受限空間典型火災顆粒生成與運輸過程

根據發射光與散射光的夾角，即散射角，可將產品探測類型分為前向散射和后向散射，如圖6 所示。散射角θ 的定義為：入射光光軸與粒子散射光光軸的夾角。根掘散射光與入射光的相對方向可分為前向散射與后向散射，θ＜90°即散射光與入射光同一方向的為前向散射：θ＞90°即散射光與入射光方向相反的為后向散射。

圖6 散射強度和散射角度關系示意

煙霧粒子散射特性：

（1） 散射不對稱：前向散射明顯強于后向散射；（2） 粒子顏色對散射強度的影響：白煙散射光強度強于黑煙。

基于光波的散射原理，不同發射角度的雙波段光電二極管煙霧傳感器，可放大懸浮顆粒特征，并結合不同應用下的數據模型，可以有效地區分出黑煙、白煙以及水汽、灰塵、香燭火、酥油燈、焚香等干擾。

2.3.3 基于粒徑特征和煙霧濃度的智能火災探測算法

火災煙霧主要分為兩個大類，即白煙和黑煙，如圖7 所示。

圖7 火災的黑煙與白煙

白煙定義：民用場所，所使用的日用品、裝飾材料多為棉毛制品，在發生火災時產生的煙以灰白色為主，所以定義棉織品或木材制品火災時產生的煙霧統稱為白煙。既GB4715 中火災靈敏度火災中的SH1 和SH2 實驗火。

黑煙定義：建筑室內裝修及用品中大量使用化纖、塑料制品，在燃燒時會產生大量黑煙，所以石化產品火災時產生的煙霧統稱為黑煙。既GB4715 中火災靈敏度火災中的SH3 和SH4 實驗火。

前向光電感煙探測器對白煙響應靈敏度較高，對黑煙響應靈敏度較低。即使設計合理的前向散射光電火災探測器，為了通過SH3 和SH4 黑煙試驗，不得不把探測器的響應閾值調得很小，對應的m 值往往小于0.15 db/m（白煙情況下m 值）。過小的m 值給產品一致性和標定帶來了不少的困難。但即使是通過了黑煙試驗，也是響應很慢的情況下，黑煙接近最高點時才報警。

后向光電感煙探測器對黑煙響應靈敏度較高，對白煙響應靈敏度較低。比較容易解決黑煙靈敏響應的問題。后向散射光電感煙探測器最高可以在m 值設置為0.5 db/m（白煙情況下m 值）時，還能很好地通過SH3 和SH4 黑煙試驗。

為此根據前向感煙探測器和后向感煙探測器對于黑白煙的不同靈敏度，設計一款雙向感煙探測器，從而提高白煙報警閾值的同時可以保證黑煙的靈敏度。

具體為根據雙向探測器在黑白煙情況下對于煙霧的不同靈敏度，即前向探測區域對于白煙敏感、黑煙不敏感以及后向探測區域對于黑煙敏感、白煙不敏感的特性，通過對黑白煙的煙霧測試驗證，建立對應的模型，通過前后向的數據值判斷出當前的具體煙霧種類，并根據煙霧種類進行煙霧濃度的判斷，當煙霧濃度超出閾值時，產品進行報警。

3 結論

本文設計的獨立式雙光電感煙火災探測系統，主要是通過揚塵顆粒極強拒入機構的設計、典型顆粒特征的提取和區分、前后向黑白煙探測的設計和算法應用，可以較好地區分火災煙霧和一定量的水汽、香燭火、酥油燈、焚香和油煙等功能。該探測系統可以保證火災探測的靈敏度，并適用于建筑物內部的各個場所。尤其是解決了藏區文物建筑采用傳統光電感煙探測器時在面對粉塵、香燭、焚香和煨桑等煙霧時出現誤報警問題的情況，同時也解決了傳統光電感煙探測器對標準火災煙霧響應不均衡的問題。因此，該探測器基本可以滿足藏區古建筑火災探測和報警需求。