關(guān)于城市隧道火災(zāi)報警探測器選擇的探討

周科

（重慶市設(shè)計院 重慶 400015）

前言

重慶是一個典型的山地城市。近年來，隨著城市建設(shè)的加快發(fā)展，城市隧道的建設(shè)也越來越多。

作為一種特殊的地下建筑，城市隧道結(jié)構(gòu)復(fù)雜，環(huán)境密閉，交通量大，人員密集。火災(zāi)是城市隧道面臨的高度危險之一，越來越引起了城市隧道電氣消防設(shè)計工作者的高度重視。

1 隧道的火災(zāi)特點

發(fā)生在隧道中的火災(zāi)，多數(shù)是開放性火災(zāi)，它帶有濃煙，其熱輻射率為數(shù)兆瓦級，在數(shù)分鐘內(nèi)便可形成火災(zāi)。經(jīng)廣泛的試驗(包括路面車輛和地鐵列車)，一起火災(zāi)通常在8～10分鐘完全形成。對于大型貨運卡車，大約為20～30分鐘。當(dāng)有燃料泄漏并形成坑池時，火災(zāi)在1～3分鐘內(nèi)完全形成?！八淼阑馂?zāi)”實例的測試顯示，在大約5分鐘之后，車輛火災(zāi)的溫度升至大約200攝氏度。

隧道火災(zāi)的主要特征是耀眼的明火及強的輻射熱 （危險性在于汽車的動力燃料）且發(fā)展速度極快。其蔓延程度還取決于隧道洞內(nèi)的風(fēng)速，所以隧道機電工程中的火災(zāi)自動檢測和及時報告無疑是保障隧道營運安全的重要手段之一。同時，由于隧道環(huán)境的特殊性，其火災(zāi)自動報警探測器選用必須做到可靠、先進并具有高靈敏度和極低的誤報率的特點，這樣才能防患未然并進行早期自救。

現(xiàn)行國際國內(nèi)的隧道火災(zāi)報警探測器主要有雙波長火災(zāi)探測器、光纖光柵感溫探測器及圖像型火災(zāi)探測器等幾種類型的自動火災(zāi)報警探測器。下面就該幾類探測器的特點及設(shè)計使用方式作簡單的概述。

2 雙波長火災(zāi)探測器

雙波長火災(zāi)探測器是通過捕捉火焰輻射光的閃動頻率的兩種波長進行比較從而判斷火災(zāi)是否發(fā)生的報警探測器。雙波長火災(zāi)探測器檢測火災(zāi)靈敏度很高，且不受日光及人工照明光的影響，不會因此而動作。其設(shè)計的基本結(jié)構(gòu)如下：

2.1 捕捉火焰特有的燃燒變化頻率

火災(zāi)的火焰一邊燃燒一邊放射的光，是按周期變化。利用這種現(xiàn)象，通過探測器的電帶狀過濾器檢測火焰特有的頻率（1-15HZ），這是判斷發(fā)生火災(zāi)的因素之一。

2.2 捕捉火災(zāi)特有的光譜分布特性

火災(zāi)的火焰所放射出的光的光譜分布情況與自然光或各種人工照明燈光（環(huán)境光）的光譜分布情況不同。雙波長火災(zāi)探測器對一般照明用環(huán)境光的光學(xué)輸入相對光譜和車輛火災(zāi)或汽油火災(zāi)時檢測器的相對光譜比較，捕捉1.0μm的β值和1.7um的α值，在波長1.0um～1.8um范圍內(nèi)汽車燈光、自然光、熒光燈、鈉光燈及其他光源的曲線呈下降趨勢，汽油燃燒曲線呈上升趨勢，對非火災(zāi)曲線的β值和α值進行比較得出Pα-pβ<0，對火災(zāi)曲線的β值和α值進行比較得出Pα-p β>0，因此當(dāng)α值>β值時判定為火災(zāi)信號。利用這個特性，探測器通過對于不同波長帶域各具靈敏度的二個檢測元件，比較輻射光的輸入值，做為檢測火災(zāi)的判斷因素之一。

由于雙波長火災(zāi)探測器擁有白天的日光、白熾燈、水銀燈、熒光燈、納燈等人工照明燈等都不會使檢測器動作的特點，且不受風(fēng)速、環(huán)境、溫度影響。能夠較好地實現(xiàn)在正常情況下零誤報，在現(xiàn)行國內(nèi)的隧道消防中應(yīng)用較為廣泛。

3 光纖光柵感溫探測器

光纖感溫探測系統(tǒng)是一套利用光纖作為線性感溫探測器的高新技術(shù)，其基本原理是利用光纖中石英分子鍵會受溫度上升而產(chǎn)生晶格振動。這種振動會導(dǎo)致在光纖中傳輸?shù)墓猱a(chǎn)生散射(喇曼散射及Rayleigh散射)，而散射量的大小可以直接反應(yīng)溫度的高低，因此光纖感溫探測系統(tǒng)可以將環(huán)境溫度以連續(xù)的線性方式表示出來。光纖感溫探測系統(tǒng)的另一個嶄新的技術(shù)是可以準(zhǔn)確地定位溫度變化的確切位置。系統(tǒng)通過OTDR、OFDR(光時域及光頻域反射測量法)及連續(xù)FFT(快速傅立葉變換)對訊息進行處理，將微小的時空差別以頻率方式體現(xiàn)出來實現(xiàn)精確定位，從而構(gòu)成一套精密的光纖線性感溫探測系統(tǒng)。

光纖感溫探測系統(tǒng)包括一個分析單元(頻率生成器、激光源、光模、HF合成器和微處理器)以及一個石英光纖纜(LG)作為線性溫度傳感器，其應(yīng)用于城市隧道火災(zāi)探測的優(yōu)勢有：

（1）它不包含任何電子器件，所以不會受到任何種類的電磁干擾的影響。

（2）光纖傳感線纜設(shè)計了優(yōu)異的耐用性(可以預(yù)期大約50年的服務(wù)壽命)，所以對環(huán)境影響如溫度、壓力和濕度波動極具抵抗力，同樣也適用于多塵和含有腐蝕性物質(zhì)的空氣中。

（3）安裝傳感線纜和維護都十分容易，在線纜有損傷的地方可以像修復(fù)普通光纖一樣接合。

（4）傳感線纜能夠不受限制地被切割成要求的長度，為每一個工程提供所需的長度，最長可達4km。

同時，光纖感溫探測系統(tǒng)能夠精確定位火災(zāi)位置，對隧道可進行大范圍的或局部范圍的顯示，而且能指明火災(zāi)蔓延方向和速率。

但光纖光柵感溫線型探測器一般安裝于隧道頂部，如隧道頂部較高，感溫線型探測器達到報警溫度時，則火災(zāi)已發(fā)展到相當(dāng)規(guī)模，不利于早期消防滅火。且設(shè)計車速較高的隧道常年保持的風(fēng)速為（2～10米/秒），并且一年四季的季節(jié)變換，環(huán)境溫度變化較大，給測溫方式檢測火災(zāi)帶來不穩(wěn)定性及滯后性。

4 圖像型火災(zāi)探測器

智能圖像型火災(zāi)探測器的現(xiàn)行應(yīng)用主要領(lǐng)域是石油、化工等產(chǎn)業(yè)，近幾年在隧道消防中的應(yīng)用也逐漸增多。

圖像型火災(zāi)探測器采用的是智能圖像分析技術(shù)，屬于成像型非接觸式面型探測方式，具有視頻監(jiān)控和火災(zāi)探測雙重功能，能夠區(qū)別真實的火災(zāi)和干擾源（如太陽強光、各類光源、CO2熱氣排放、黑體輻射等），實現(xiàn)了“眼睛與大腦”的完美統(tǒng)一，能夠在各種復(fù)雜環(huán)境下對火災(zāi)（火焰、煙霧）作出快速準(zhǔn)確的判斷。在火災(zāi)探測方面，一旦有火情出現(xiàn)，可以在2～15秒內(nèi)做出準(zhǔn)確判斷，并給出火災(zāi)定位信息（誤差小于1.5m），為及時控制火情，迅速啟動應(yīng)急預(yù)案贏得了時間。圖像型火災(zāi)探測器集成了視頻監(jiān)控和明火的即時分析、即時報警功能，而且在傳統(tǒng)隧道視頻監(jiān)控的基礎(chǔ)上稍做改造就能使監(jiān)控系統(tǒng)具有火焰探測功能，避免了重復(fù)投資，減小了施工難度。

隨著技術(shù)水平的提高，由于綜合了監(jiān)控及火災(zāi)報警功能，圖像型火災(zāi)探測器在隧道消防報警系統(tǒng)中有著一定優(yōu)勢：

（1）利用前端智能視頻分析，通過火焰、煙霧的圖像意義上的檢測可及時發(fā)現(xiàn)火情、預(yù)測火勢，屬于火災(zāi)早期探測報警（最小檢測火焰15cm×15cm汽油盤火，響應(yīng)速度快20秒以內(nèi)），大大縮短發(fā)現(xiàn)火災(zāi)、發(fā)出報警時間。

（2）光線的變化不會誤報火警，隧道內(nèi)氣流的單向流動，不會影響火災(zāi)檢測的靈敏度。

（3）隧道內(nèi)的輕微抖動不影響探測器正常工作。

（4）在隧道內(nèi)風(fēng)速較快、場內(nèi)有火的情況下，同樣可以不降低靈敏度，迅速報警。

（5）利用視頻監(jiān)控，可以掌握第一手甚至實時現(xiàn)場影像資料。

5 比較及結(jié)論

光纖光柵感溫監(jiān)測系統(tǒng)是基于光纖光柵傳感器的傳感系統(tǒng)，該系統(tǒng)在國內(nèi)的石化、電力、冶金行業(yè)應(yīng)用較為廣泛，在公路隧道的消防探測領(lǐng)域也有一定的應(yīng)用。

近年來，雙波長火災(zāi)探測器由于其穩(wěn)定性高、響應(yīng)時間短的特點，在隧道消防的應(yīng)用中越來越多。筆者參與設(shè)計的重慶嘉華隧道，根據(jù)其隧道特點就采用雙波長火災(zāi)探測器。嘉華隧道是嘉華大橋及南北引道工程的一部分，隧道全長1435m，道路等級按城市快速路進行設(shè)計，時速每小時80km，采用上、下行分離式雙洞，雙向六車道，出口端黃沙溪段為雙向8車道，最大斷面220m2，最寬寬度達21m，居亞洲同類型城市隧道之首。由于嘉華隧道采用的是拱頂結(jié)構(gòu)，斷面大，洞寬較寬，洞高較高，且洞內(nèi)已按相關(guān)規(guī)范設(shè)置了獨立的監(jiān)控系統(tǒng)，通過技術(shù)經(jīng)濟比較后，火災(zāi)探測器未采用圖像型火災(zāi)探測器和光纖光柵探測系統(tǒng)，而是選用了雙波長火災(zāi)探測器。探測器與手動報警按鈕組成綜合探測盤，安裝在洞內(nèi)一側(cè)1.5m高的側(cè)墻上，探測器間距為50m。通過安裝后的火災(zāi)試驗表明，在發(fā)生火災(zāi)時，雙波長火災(zāi)探測器能夠迅速響應(yīng)來聯(lián)動其他消防系統(tǒng)，較好地達到了設(shè)計及消防部門的要求。

圖像型火災(zāi)探測器結(jié)合了監(jiān)控與火災(zāi)探測兩大功能，隨著圖形軟件處理技術(shù)及前端攝像機技術(shù)的提升，應(yīng)該是未來隧道消防火災(zāi)探測器的發(fā)展方向。

通過對三種探測器的比較并結(jié)合城市隧道的特點，筆者認為在城市隧道內(nèi)可以優(yōu)先選擇雙波長火災(zāi)型探測器來作為火災(zāi)探測報警器。對于部分隧道斷面較小、洞頂不高、設(shè)計車速較低或洞內(nèi)常年風(fēng)速小的城市隧道可選用光纖光柵型報警器。圖像型火災(zāi)探測器在工程實例中應(yīng)用較少，其技術(shù)水平的提高應(yīng)該代表著隧道消防探測的新方向。對于消防等級要求較高的隧道，則可以采用多種探測器結(jié)合的方式以保證前期火災(zāi)探測的準(zhǔn)確性。

[1]JTJ026.1-1999，公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計規(guī)范[S].

[2]邵勇，鄔寧.火災(zāi)自動探測、報警設(shè)施在高速公路長隧道中應(yīng)用實例及比較[J].華東公路，2002，(03).

[3]戎小戈，章獻民.光纖光柵傳感器原理及應(yīng)用[J].武漢紡織工學(xué)院學(xué)報，2003，16(3).