从原理分析新型火灾探测器在地铁运用可行性

2011-10-26陈佳荣广州地下铁道总公司运营事业总部

中国科技信息 2011年8期

陈佳荣广州地下铁道总公司运营事业总部

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地铁的建筑结构特点，突出影响了地铁消防安全，如何有效及时探测出地铁空间内存在的火灾，进而及时消除火灾就成为关键。而对火灾有效的探测又有赖于火灾探测器的性能和自身对环境的适用性，为此介绍了3种新型火灾探测器原理并分别分析其在地铁环境中运用的可行性，从而为地铁火灾自动报警系统设计提供了新的探测器选择。

火灾探测器；地铁消防安全；可行性

引言

近年来，地铁在国内蓬勃发展，其不占用城市宝贵的地面空间是一大优点，但这一优点也带来了巨大的消防安全隐患。主要有几个方面：首先是地铁的消防逃生出口有限，尤其地铁隧道内这部分空间；其次，一旦发生火灾，消防救援困难；最后，地铁空间相对狭小，但是人员密集，一旦发生火灾，容易群死群伤，后果不堪设想。

所以，在地铁建设中，如何保障消防安全就成了一个重大的课题。如果能够及早发现火灾并及时进行灭火，就可以大大降低火灾造成的后果，甚至可以有效避免火灾的发生。为实现这点，就需要在地铁区域内设置有效的火灾探测系统，它是地铁消防安全的重要保障。

根据《地铁设计规范》，地铁区域主要包括车辆段、主变电所、隧道和地铁车站，车站主要包括设备房和公共区域。在这些不同的地铁区域，空间结构、可燃物质等火灾特点是各不相同的，所以，为了有效检测火灾情况，在不同的区域选择适当的火灾探测器就成了设置火灾探测系统首要考虑的问题。

随着科学技术的发展，火灾探测器更新换代很快，各种新型的火灾探测器层出不穷，这就为地铁火灾的有效探测提供更多的选择，下面就3种新型火灾探测器在地铁运用的可行性进行分析。

1 感温光纤

发热是火灾的一个重要特征，针对该特征的感温探测器是运用最早的火灾探测器之一，其探测方法简单、受干扰少，且探测结果有效可靠，所以该类型的火灾探测器应用范围很广，而感温探测器的类型也十分繁多。随着传感器技术的发展，感温火灾探测器感的精度越来越高，性能越来越强，感温光纤火灾探测器就是新型感温火灾探测器的代表。

在目前市场上，感温光纤火灾探测器主要有分布式光纤感温探测器和光纤光栅感温火灾探测器两种类型。分布式光纤感温探测系统以拉曼散射感温光纤系统为主要代表，它是一种本质的连续性感温探测系统；光纤光栅感温探测系统则是以光栅器件为测量单位，并通过光栅之间的串联组成点式连续性感温探测系统。

1.1 基于拉曼散射的分布式光纤感温探测系统原理

基于拉曼散射的光纤温度传感器所检测的物理量是后向拉曼散射光的光强。后向拉曼散射光的光强会随着检测光缆周围温度的变化而变化，从而能测知光缆周围的温度值。它利用的是拉曼散射产生的反斯托克斯线与斯托克斯线的光强比值，通过公式2.1将温度值计算出来：

式中，Ps(T)为斯托克斯光强，Pas(T)为反斯托克斯光强，λs为拉曼散射的斯托克斯线波长，λas为拉曼散射的反斯托克斯线波长，h为普郎克常量，c为真空中的光速，v为拉曼频移波数，k为玻尔兹曼常量，T为检测温度。从式2.1可以得出，只要测定了Ps(T)和 Pas(T)的比值，就可以计算出温度T的值。

系统的工作过程如图1所示：

图1 基于拉曼散射的传感系统框图

半导体激光器发出的光脉冲通过耦合器到传感光纤里，经过温度调制的散射光通过耦合器进入到滤波器，滤波器分别滤出斯托克斯线和反斯托克斯线，再经过放大处理和A/D转换，然后将信号传入计算机进行信号处理，最终得出环境温度的检测值。

由于斯托克斯线，特别是反斯托克斯线的信号非常微弱，所以，探测信号会受发光光源稳定性、连接损耗、光缆缺陷、光缆位置的微小变动等因素的影响，从而影响检测结果的可靠性和精确性。另外，基于拉曼散射的光纤温度传感器在数据的处理过程中，一是要对时间求平均，二是要对空间求平均，所以探测系统需要采用较复杂的信号处理手段，这就造成基于拉曼散射的探测系统对信号的响应时间较长。这两个缺点是设计火灾探测系统时必须考虑的因素。

1.2 光纤光栅感温火灾探测系统原理

光纤光栅是在光纤纤芯内介质折射率呈周期性调制的一种光纤无源器件，是通过特殊的光学加工方法，使纤芯折射率沿纤轴方向发生周期性或非周期性的永久变化，在纤芯内形成空间相位光栅（如图2所示）。

图2 光纤光栅原理示意图

这种光纤光栅有如一道道的栅门，不能通过栅门的光线就会反向传播，由另一个仪器收集。其作用实质上是在纤芯内形成一个窄带的反射镜，当宽带光经光纤传输到光栅处时，光栅将有选择性地反射一束窄带光。所反射窄带光的中心波长即布拉格（Bragg）波长，由光栅的条纹周期和光栅的有效折射率决定，当光纤光栅温度发生变化时，反射光谱中心波长也发生相应的改变，满足下式

式中，λB为Bragg波长，neff是光纤芯区的有效折射率，Λ是光栅栅距。Λ可通过改变两相干紫外光束的相对角度而得以调整，通过这种方法，就可以制作出不同反射波长的Bragg光栅，只有满足Bragg条件的光波才能被光纤Bragg光栅反射。

光纤光栅制作完成后，改变光栅周期Λ，将引起光栅布拉格波长λB的漂移。所有引起光纤Bragg波长漂移的外界因素都能使用光纤Bragg光栅进行检测，其中最直接的为温度参量。当光栅的温度发生变化时，由于热胀冷缩效应，光栅的栅距Λ会发生变化。所以，只要能够精确地测量光栅反射光的布拉格波长，就可以精确地计算出光纤光栅所处的温度，这就是光纤光栅温度传感器的工作原理。以光纤光栅温度传感器为核心探测器，辅以其他信号处理器和控制电路就可以组成光纤光栅火灾探测系统。

1.3 感温光纤在地铁火灾报警中的应用

不管是分布式光纤感温探测系统还是光纤光栅感温火灾探测系统，都具有探测距离远、本质无源、安全防爆、使用寿命长等优点，是长距离火灾探测的理想选择，如用于隧道、电缆夹层等处火灾的探测等，所以，感温光纤在石油、煤矿等场所的火灾探测中运用广泛。而地铁的隧道区间的环境特点是灰尘多（而且是含铁成分高、容易导电的灰尘）、潮气重、电磁场干扰强、风速大，这种环境特点决定了地铁隧道不适宜采用传统的点式火灾探测器，而当采用线性感温探测器进行地铁隧道火灾报警时，光纤测温系统将比缆式线型定温探测器有更好的性能[2]。所以，感温光纤在地铁区间火灾报警中有着广阔的应用前景。

2 吸入式感烟探测器

感烟探测器是一种响应由燃烧或热解而产生的固体或液体微粒的火灾探测器。除易燃、易爆物质起火非常迅速以外，固态物质的火灾一般都要经过早期、阴燃、起火等阶段，特别是在阴燃阶段，由于热解作用加强，可产生大量可见和不可见粒径为0.01～0.1m的气溶。传统的感烟探测器（离子烟感、光电烟感、红外对射探测器等）主要就是以阴燃阶段产生的烟雾颗粒作为探测介质。

随着探测技术的发展，近年来出现了极早期感烟探测器——吸入式感烟探测器，是一种主动式空气采样火灾探测器，它完全突破被动式感知火灾烟气、温度和火焰等参数特性的局限性，能够快速、动态地识别和判断可燃物质受热分解或燃烧释放到空气中的各种聚合物，从而能够准确可靠地探测出潜在火灾，使火灾的损失降到最小。吸入式感烟探测器有激光型和云雾室型两种，下面分析两者探测原理的异同。

2.1 吸入式激光型感烟探测器原理

吸入式激光型感烟探测器是一种基于激光探测技术和微处理器控制技术的烟雾探测装置。具有许多其他烟雾检测系统不具备的特性。这些特性改善了烟雾探测设备的性能，简化了操作并增加了系统可靠性。吸入式激光型感烟探测器由采样管网、气泵、过滤器、进气控制阀、激光探测腔、继电器输出及控制电路等几部分组成（图3、图4），其工作过程是通过分布在被保护区域内的采样管网采集空气样品，经过一个特殊的过滤装置滤掉普通灰尘后送至激光探测腔，对空气中因燃烧产生的烟雾微粒数量进行测定，由此给出准确的烟雾浓度值，并根据使用者事先设定的报警烟雾浓度值发出火灾警报。

图3 吸入式激光型感烟探测器的构成

图4 吸入式激光型感烟探测器的工作原理

从上面的原理图可以看出，激光探测腔是整个系统的核心部件。激光探测腔利用固态激光源，发射直径为3.5毫米激光束照射空气样品，通过散射光接收器接收散射光，可探测直径0.01μm～20μm的所有粒子。对天然物质及化合物质燃烧产生的烟雾均能很好探测。激光探测腔的探测结果经过控制程序分析就可以判断是否发生火情。

2.2 吸入式云雾室型感烟探测器原理

云雾室型感烟探测器也是极早期火灾侦测器，其系统构成和激光型感烟探测器颇为相似，都具有空气采样管网、气泵、过滤器和控制电路，但是两者的探测介质和核心探测部件有本质区别。

首先是探测介质的差异。激光型感烟探测器是以物质燃烧早期释放出来的直径0.01 μm～20μm烟雾颗粒作为探测物质，而云雾室型探测器是以热释粒子作为探测介质。所谓的热释粒子就是物质温度处于热崩溃点和燃点之间时，就会释放出大量的不可见微粒（直径最小可达到0.002μm），数量（一般可达到1.5×105～5.0×105个/CC）在短时间内即可达到数十倍于正常空气中所存在的粒子数（一般在5×104个/CC以下）。

其次是核心探测部件不同。激光型感烟探测器的核心探测部件是激光探测腔，它所能侦测的粒子大小是受侦测器所采用的侦测光源的光波长(约0.2μm)所限制，以火灾早期的烟雾(火灾第二阶段生成物)为探测对象。与激光型感烟探测器不同的是，云雾室型探测器的核心探测部件是云雾侦察室。云雾侦测室首先将每一个存在于空气样本中的热释粒子，从采样管吸进云雾侦察室后，经过增湿、降压，将一个个微小的热释粒子转化为肉眼可见的雾滴，通过这种物理方式增大，使每一个粒子在对入射光的遮光率上有完全相同的比例(不论其体积大小为何)，再以光电组件分析出其单位体积内的粒子密度。若单位体积内的粒子密度大于预设阀值（如2.0×105个/CC）就可以判断出系统保护范围内有物体处于热崩溃状态，随时可能发生火灾。

所以，云雾室型感烟探测器能够识别出火灾在极早期的物理特征，在被保护对象的温度尚未达到燃点时就报警，从而有效提示消防人员有火灾隐患，要及时采取防范措施，避免火灾的发生。

2.3 吸入式感烟探测器在地铁的运用

从原理分析可以看出吸入式感烟探测器具有传统感烟探测器所不具备的优点：

一是低误报率。传统感烟探测器容易受周围环境的影响，比如空气中的灰尘，探测器周围气流的扰动等都可以造成探测器误报火警。传统感烟探测器在地铁的环控机房、敞开式车库等场所的应用中误报率比较高。而吸入式感烟探测器能够有效地避开探测器周围环境的影响和干扰，有效降低误报率。所以，吸入式感烟探测器适合在地铁区域中环境比较复杂的场所使用。

二是高灵敏度。吸入式感烟探测器在低误报率的基础上还具有很高的灵敏度，可以极早发现火灾。所以，吸入式感烟探测器适合在对火灾报警时间要求严格的地铁场所，比如重要的设备房（变电所、通信机房等），以便能够及早准确发现火灾隐患或早期火灾，及时消除火灾隐患，最大程度降低损失。

三是空气采样管分布可以按需要进行灵活布置，可以进行立体式布管，避免了传统感烟探测器只能安装在房间顶部的缺点，从而有利于快速探测到空气中的烟雾，而且采样管可以隐蔽安装，不影响景观。

四是灵敏度可以灵活调节，可以简单快捷地根据需要设置报警阈值。地铁不同区域有着不同的环境，有环境清洁稳定的办公场所，有电磁干扰严重的设备房，有活塞风强劲的地铁隧道，有多灰尘多气流的地面场所。所以，在复杂多变的地铁环境中，吸入式感烟探测器比传统的感烟探测器更具优越性。

3 视频图像火灾探测器

随着探测器技术的不断发展，出现了复合型火灾探测器，如常见的感温感烟探测器、感烟气体探测器等等。复合型火灾探测器可以对火灾的多个物理特种同时进行综合分析，从而可以更准确、更迅速地发现、确认火灾，所以复合型火灾探测器是火灾探测器发展一个重要方向。视频图像火灾探测器是对火灾的多个特征同时进行综合分析，是复合型火灾探测器的一种。

3.1 基于视频监控的图像型火灾探测技术原理

视频图像火灾探测器是一种以计算机为核心，结合光电成像技术和计算机图像处理技术的火灾自动监测处理系统。该系统是基于摄像机摄取的视频图像，对火灾进行自动探测、监视，同时将摄得的连续图像由图像采集卡转换为数字图像输入计算机，利用各种图像处理技术进行图像处理和分析，从而判断是否发生火灾[3][4]。

基于视频监控的图像型火灾探测技术是视频图像火灾探测技术的典型代表，是在现有的视频监控系统上加装图像型火灾探测系统，利用视频监控得到的视频图像进行火灾探测。它具有双重功能，既能实现视频监控又能实现火灾探测，而且不需要单独加装图像采集单元，节省成本，避免重复投资。其系统的主要结构如图5所示。

图5 基于视频监控的图像型火灾探测系统结构图

3.1.1 摄像机

摄像机是图像处理中常用的输入设备。它的关键部件是摄像器件，摄像器件的基本任务是把输入的二维辐射即光学图像信息转换为适宜处理和传输的电信号。

3.1.2 视频采集卡

视频采集卡又叫视频卡，视频采集卡可以将摄像机输出的视频信号（模拟）转换成计算机可辨别的数字数据，存储在计算机中，成为可编辑处理的视频数据文件。

3.1.3 火灾图像处理单元

火灾图像处理单元是整个探测系统的核心部分，其作用是在早期火灾阶段，对火灾所产生的烟雾和火焰等火灾图像特征进行处理、分析、识别、判定。图像处理主要分为图像预处理、图像分割、图像分析和图像理解4个层次。

图像型火灾探测中的图像处理是动态图像的连续处理，对图像上的每个目标根据一定的算法来确定它们同前一帧中目标的匹配关系，从而得到各个目标的连续变化规律，最后判断是否发生火灾。例如利用小波变换进行图像处理，首先确定视频中的活动区域，然后利用空间模型对活动区域中的火焰颜色区域进行分割，最后利用小波变换分别从时域和空间域进行分析。时域主要分析分割区域内某一像素点颜色值中分量的变化，以此作为火焰的闪烁频率，这就成为火灾判别的第一个判据，然后在空间域分析分割区域像素值的变化，作为火灾判别的第二个判据。综合第一判据和第二判据就可以较准确地判断是否发生火灾[5]。

3.1.4 其他模块

系统其他模块主要是指FAS系统（火灾自动报警系统）及监控终端等模块。火灾图像处理单元将分析识别出的火警消息送入FAS系统，启动火灾报警器并联动其他消防设备，并将火灾信息送至监控终端，监控人员就能在第一时间获取火警信息，并可通过监控视频非常方便对火警信息进行人工远程确认，从而可以迅速采取应对措施，消除火灾隐患、最大程度降低火灾损失。