极早期火灾探测技术在客滚船中的应用

2023-11-20黄剑1林建华童梅静

交通企业管理 2023年6期

□黄剑1林建华童梅静

近年来，客滚船火灾事故时有发生，而大多数火灾事故都发生在汽车舱内，有的甚至造成了重大的海难事故。在汽车舱失火时，由于安装的火灾探测器灵敏度低，且受舱内空间结构影响未能在火情发生早期即时探测识别，往往待火势发展到一定程度时，舱内火灾探测系统才发出报警，错过了扑灭火灾的黄金时间，最终酿成重大海难事故。因此，有必要对汽车舱火灾早期探测技术及应用进行研究。笔者从分析汽车舱火灾成因及特点入手，结合汽车舱结构“大空间、强对流”的特殊性，对汽车舱目前的火灾探测系统存在的问题及原因进行分析。在研究极早期火灾探测技术的基础上，对几种探测技术的优缺点进行分析，提出采用多探测器结合的技术方案，为尽早发现和扑灭火灾赢取宝贵时间。

一、汽车舱火灾情况分析

客滚船是滚装船与客船的结合体，它将两种船舶的优点合二为一，客、车、货可同船运输，具有很高的运输效率。然而，正是由于客、车、货同船，而使得火灾的危险性大大增加，因而火灾事故时有发生。

1. 汽车舱火灾成因

（1）车辆火患。车辆燃油可能发生渗漏，渗出燃油积聚在舱内，当油气浓度达到一定极限，一旦遇到明火，就会引起火灾或爆炸。此外，车辆也存在因电线短路引起火灾的风险。

（2）装载危险物。车辆违规装载的易燃易爆危险品受撞击或者泄漏均可自燃。

（3）新能源车发生自燃。新能源车因电池受撞击或故障等原因易发生自燃。

（4）车辆位移碰撞。在风浪大时，如汽车舱内的车辆没有固定好，车辆容易发生位移造成互碰，导致油箱破裂，油料外泄，引起燃烧或爆炸。

（5）车辆温度过高。因车辆驾驶员忘记熄火，导致车辆发动机温度过高，引发火情。

（6）船舶自身隐患。客滚船自身电缆老化、破裂或受损裸露，电缆一旦发生短路，易引发火灾。

（7）司机、旅客违反规定。司机或旅客违章吸烟,乱扔烟头，易引发火灾。

（8）港口管理部门管理不严。管理人员责任心不强，没有按照安全管理相关规定对车辆、人员进行有效检查和管理。

2. 汽车舱火灾特点

（1）火势蔓延快。由于汽车舱并非全封闭，且为全通甲板，船首尾两端存在强烈的空气对流，火势容易扩大。如果一处着火就会很快波及全船；舱内车辆轮胎、电瓶等极易发生爆炸，造成火势在舱内迅速蔓延。

（2）扑救难度大。火灾发生后，舱内烟雾弥漫，难以确定着火点；舱内车辆密集，扑救风险高、难度大；当船舶电线、电缆被烧损，船舶动力系统、照明系统停止工作，极大增加火灾扑救和人员疏散的难度。

3. 汽车舱空间结构特点

汽车舱面积可达数千平方米，高度超过5 米，舱首、舱尾非水密门结构，航行时舱内产生强对流空气，因此汽车舱结构具有“大空间、强对流”的特点。

4. 汽车舱火灾探测中存在的问题分析

汽车舱目前普遍使用的火灾探测器主要是传统的点型探测器，如图1 所示，存在探测灵敏度较低的问题。例如，传统点型烟雾探测器灵敏度仅为3%～5%obs/m，而传统点型温度探测器，即使灵敏度最高的，也仅能检测0.5℃/分钟的温度上升速度。由于汽车舱空间较大，在船舶航行时舱内的空气会产生强烈对流，在热源产生烟雾时，气流会将烟雾稀释，或妨碍烟雾上升。由于汽车舱内顶部有大的结构横梁，发生火灾时，顶部烟雾被横梁阻挡致使感烟探测器响应时间变长，且探测器灵敏度低，只有当火情迅猛发展并产生了大量热量和烟雾，探测器才能发生作用。同样由于汽车舱空气流通较快，要使火情温度达到安装在汽车舱顶部的温度探测器的报警阈值，火势可能已发展到不可控的严重程度，温度探测器难以起到消防预警的作用。

图1 汽车舱内烟雾探测器

二、火灾变化过程及主要特征

可燃物与助燃物相互作用发生的氧化反应随即燃烧，燃烧过程中伴随着产生光和热。火灾变化过程主要分为4 个阶段：初起期、阴燃期、发展期、熄灭期。具体表现特征为：初起期，平均温度不高，火灾发展速度不快，火势不稳定，产生大量的烟雾气溶胶；阴燃期，所占时间较短，烟雾气浓度较高，温度迅速升高，遇明火极易点燃；发展期，产生大量可见光，温度很高，火势迅速蔓延，已形成火灾；熄灭期，燃烧速率逐渐降低，温度均值降至峰值的80%以下。

火灾发生时，通常伴生火焰、光和烟。产生的新成分是火灾的主要特征，这些特征通常被定义为火灾参量，检测这些参量可判断是否发生了火灾。由于火源、燃烧物性质及环境的复杂性，采用测量单一火灾参量以确定火灾是否存在的做法，结果往往是不可靠、不可信的，往往需要对2 个或多个火灾参量同时测量，综合分析，才能较有把握地确定火灾是否发生。因此，有必要对各种火灾探测技术进行深入的研究。

三、极早期火灾探测技术在汽车舱的应用

在火灾发生前30—120 分钟的时间段内，即在火灾的初始阴燃阶段，对火灾参量进行检测和判断，称为极早期火灾探测。在火灾初起阴燃阶段，对温度、烟雾的探测是极早期识别火灾的可靠手段，同时，对燃烧产生的光的光谱及火焰进行探测分析，可更精确判断火灾是否发生。

1. 红外热成像探测技术在汽车舱的应用

自然界所有温度在绝对零度（－273 ℃）以上的物体，因其分子、原子的热运动而不断地产生红外热辐射，这是红外热成像的技术基础。与传统的点型温度探测器相比，红外热成像探测器具有很高的测量精度和响应时间，在火灾阴燃阶段，就可探知温度异常升高并报警。此外红外热成像探测器还具有不受光线、雾霾、气流等外部环境影响等特性。红外热成像探测器适用于汽车舱极早期火灾探测。在汽车舱顶部安装探测器，当探测器探测到其下视场范围内的任何物体温度达到预设的报警阈值时即产生报警，并标定该物体所在的区域。

2. 烟雾探测技术

产生大量烟雾和气溶胶，是火灾初始阴燃阶段最显著特征之一。由于汽车舱气流变化较大，热源产生的烟雾被气流稀释，汽车舱顶部的传统点型烟雾探测器难以探测到舱内被稀释的烟雾，需要采用灵敏度高、抗干扰能力强的烟雾探测技术。

（1）吸气式烟感探测技术在汽车舱的应用。该技术属于高灵敏度烟感探测技术，它的工作原理是应用激光散射测量和烟粒子计数技术，在防火区域布设空气抽样管道网，然后通过抽气泵，连续不断地主动抽取监控区域的空气样本，空气样本被送至装有激光探测光源及接收器的探测室。探测室通过光源发出探测光束，光束照射到空气样本上，如空气样本中含有烟粒子成分，发出的光束将产生散射，散射的光信号被探测室内的激光接收器接受，接收器通过检测接受到的散射光的强弱变化，或通过计量散射光信号的脉冲数，测量出空气样本的烟粒子数。当烟粒子数达到某一设定阈值时，产生警报，如图2 所示。

图2 激光散射系统

该技术适用于汽车舱极早期火灾探测，它采用主动空气采样探测方式，灵敏度高且调节范围很宽（0.005%～20%obs/米），空气对流对其探测结果及响应时间的影响很小，抗干扰能力强，既可以发现早期发生的火情，也可以发现吸烟或其他原因产生的微小烟雾，在火灾初始阴燃阶段可见烟出现之前即发出报警。

3. 光探测技术

光是火灾参量之一，通过对光检测和分析可作为火灾是否发生的判断或参考依据。光探测常采用对光敏感的元件，如光敏电阻、光电管、红外光敏管等，对火焰进行探测。双波段红外火焰探测技术在汽车舱的应用。该探测技术的原理是利用火焰的闪烁效应和红外辐射特性进行火灾探测。闪烁特性指火焰会随着燃烧不断闪烁和跳跃，经实验检测，其跳动频率一般为1 ～15 赫兹；红外辐射特性指一般光源，如白炽灯、LED 灯等，其发光强度在红外波段呈下降趋势，而火焰则呈上升趋势。应用该类技术的探测器对汽油燃烧火焰的跳动频率十分敏感，对因汽车汽油泄漏而产生的火灾具有较好的探测效果。该探测技术不受环境气流影响，抗干扰能力强，响应速度快，适用于汽车舱火灾探测。

4. 图像火灾探测技术

近年来，受基于人工智能的计算机视觉技术发展的推动，火灾探测技术也发生了很大的进步，从传统的感温、感烟、感光探测发展到基于图像化、智能化的新型探测。目前，图像火灾探测技术的研究和应用取得了很大的进展，达到了火灾探测技术的较高水平。根据不同的探测对象和识别算法，图像火灾探测可分为图像火焰探测和图像烟雾探测2 种：图像火焰探测技术是通过采集火焰的视频图像，然后通过分析火焰的形状、面积、频域等特性来识别火焰；图像烟雾探测技术是通过采集火焰的视频图像，然后通过分析火焰的背景模糊、湍流特性、纹理等特性来识别烟雾。

图像火灾探测采用人工智能和图像识别进行火灾探测，特别适用于汽车舱，它不受空间高度、汽车尾气、空气对流、盐雾等的影响，可以有效地避免误报、迟报、漏报甚至失效的问题。

四、几种火灾探测器比较

1. 红外热成像探测器

红外热成像探测器在火灾尚未能被人眼所识别的情况下，正确探测潜在的火灾并发出警报，为极早期火灾探测提供了有效的手段。在大空间环境早期火灾探测中，面临且难以解决的是灵敏度与可靠性之间的矛盾，而这种探测器能够做到两者之间的有机统一。其具有探测距离远、灵敏度高、覆盖范围广、反应迅速、误报率低、不受气流影响等优点，但须在可视范围内才能有效发挥作用，如果探测物被遮挡，将无法发挥作用。

2. 吸气式烟感探测器

吸气式烟感探测器具有较高灵敏度和响应速度，在非可视范围内仍可工作，在燃烧初期可见烟出现之前即发出警报。但它本质上仍属于气体浓度探测，仍会受强气流的影响。

3. 点型红外火焰探测器

点型红外火焰探测器不受气流影响、抗干扰能力强、对火焰响应速度快，缺点是只能在可视范围内发生明火的时候，方能有效探测火情。

4. 图像型火灾探测器

图像型火灾探测器可探测阴燃阶段产生的烟雾及燃烧阶段的火焰，不受气流干扰、响应速度快，探测准确度主要取决于火灾图像识别算法，随着人工智能技术的不断发展，其准确度也在不断提高。

五、汽车移动侦测技术

车辆如发生位移相互碰撞，造成燃油泄漏，遇到明火便会引起燃烧和爆炸，因此有必要通过技术手段及早发现车辆位移。应用移动侦测技术，在汽车舱顶不同间隔安装移动侦测摄像机，摄像机采集不同帧率的图像，然后将图像按一定的算法进行计算和比较，当车辆发生位移时，计算比较结果得出的数值会发生变化，当其超过阈值时立即产生位移事件报警信号。

六、多技术手段结合的极早期火灾探测

火灾的燃烧过程十分复杂，往往伴有多个火灾参量。采用测量单一火灾参量以确定火灾是否存在的做法，其准确性和适用性都难以保证。通过同时测量、综合分析2 个或者多个火灾参量，才能较有把握地确定火灾是否发生。汽车舱火灾的火源、燃烧物及环境均有其特殊性，采用的火灾探测技术和设备，必须与其特殊性紧密结合，才能取得较好的效果。

1. 汽车舱常见火灾及探测器适用性分析

（1）燃油泄漏、吸烟等引发的火灾。车辆存在燃油渗漏或者载有易燃物，一旦遇到明火或者火星，火灾瞬间即进入燃烧阶段，温度迅速升高并产生强光。对这类火灾，吸气式烟感探测器可能产生迟报警，而采用红外热成像探测器和双波段火焰探测器，通过测量温度、火焰这两个火灾参量来识别火情，可准确、及时地发现火灾。

（2）电器设备和电缆故障引发的火灾。电器设备故障或者电缆、电池短路造成过热时，其阴燃阶段可持续很长时间，在达到燃烧物着火点后，才进入燃烧阶段，此时红外热成像探测器和吸气式烟感探测器具有较大的探测优势。

2. 采用火灾探测设备的考虑因素

在选择汽车舱火灾探测设备时，首先要考虑能最大程度地克服强对流空气影响；其次要结合各种火源和燃烧物特点，还要解决监控对象相互遮挡而造成监控区域可视范围受限以及车辆移位等问题；第三要考虑施工、工程造价等因素。

3. 多技术手段结合的汽车舱极早期火灾探测

各种火灾探测技术和设备在功能和性能上各有长短，需采用多种探测手段相互取长补短，最终实现汽车舱的极早期火灾探测。技术方案是集成“红外热成像探测器+吸气式烟感探测器+点型双波段红外火焰探测器+移动探测设备”，针对不同的火源、燃烧物和环境因素，探测器在火灾不同阶段发挥各自的作用，达到火灾早期预警的目的。见表1 所列。

表1 各类型探测器的探测参量、适应环境、不同火灾阶段探测能力

七、多技术手段结合的极早期火灾探测应用

2022 年海南海峡航运股份有限公司在其客滚船汽车舱火灾探测系统改造中，采用了“红外热成像探测器+吸气式烟感探测器+点型双波段红外火焰探测器+移动探测设备”的技术方案，并开发了一套多传感器融合算法和抗误报算法，经过近1 年多的使用情况证明，与传统的依靠单一传感器来进行探测的方法相比，火灾的早期预警能力、火灾探测的准确性和可靠性得到了很大的提升。