考慮環(huán)境適應(yīng)性和環(huán)境防護(hù)的火災(zāi)黑匣子設(shè)計(jì)

宣金泉，王曉紅，劉向宏

（1.北京航空航天大學(xué)，可靠性與系統(tǒng)工程學(xué)院，北京 100191；2.京昌代表局，北京 100083）

據(jù)《中國火災(zāi)統(tǒng)計(jì)年鑒》[1]統(tǒng)計(jì)，我國每年都有上千起火災(zāi)事故的原因不明，主要是因?yàn)榛馂?zāi)現(xiàn)場沒有記錄設(shè)備，或是火災(zāi)報警監(jiān)控系統(tǒng)遭到火災(zāi)的破壞，導(dǎo)致火災(zāi)數(shù)據(jù)沒有得到有效的保護(hù)，從而無法為災(zāi)后的事故原因分析、火災(zāi)發(fā)生及蔓延過程提供調(diào)查數(shù)據(jù)。這些火災(zāi)數(shù)據(jù)既是確定火災(zāi)責(zé)任認(rèn)定的有效證據(jù)，也是日后進(jìn)行消防教育、避免同類事件發(fā)生最有說服力的教材?；馂?zāi)報警監(jiān)控系統(tǒng)因不能抵御火災(zāi)的破壞而無法完成數(shù)據(jù)記錄和保護(hù)的功能，其實(shí)是其火災(zāi)環(huán)境適應(yīng)性差的問題，因此要保證記錄器過火后仍能完好有效地記錄各種有用的數(shù)據(jù)。在研究火災(zāi)事故數(shù)據(jù)記錄儀（借鑒航空飛行數(shù)據(jù)記錄儀的稱呼，俗稱為火災(zāi)黑匣子）時必須研究火災(zāi)環(huán)境的特點(diǎn)，并在設(shè)計(jì)中考慮其火災(zāi)環(huán)境的適應(yīng)性及耐環(huán)境能力設(shè)計(jì)。

考慮到火災(zāi)現(xiàn)場的環(huán)境條件的復(fù)雜性、破壞性，如浸水、高溫火燒、強(qiáng)沖擊等。文中充分研究了火災(zāi)環(huán)境條件的特點(diǎn)、各種環(huán)境的環(huán)境效應(yīng)及危害性，將環(huán)境適應(yīng)性和環(huán)境防護(hù)技術(shù)應(yīng)用于火災(zāi)黑匣子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，初步設(shè)計(jì)出了一套能夠適應(yīng)火場極端環(huán)境條件的數(shù)據(jù)記錄保護(hù)系統(tǒng)。

1 黑匣子的作用及功能模塊

黑匣子（Black Box）原指飛機(jī)上的一種電子記錄設(shè)備，全稱航空飛行記錄器。在很多特殊場合的需求牽引下，飛機(jī)黑匣子的基礎(chǔ)上，目前研制出多種用于記錄、存儲數(shù)據(jù)的電子記錄設(shè)備，為各類事件或事故（如汽車、煤礦、電梯等）的后期工作提供數(shù)據(jù)和事故場景再現(xiàn)。這些黑匣子都有一個共同的作用，即記錄設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)或采集記錄環(huán)境條件狀態(tài)參數(shù)，并對記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，為日常管理以及事故調(diào)查工作提供詳實(shí)可靠的依據(jù)。

黑匣子的外觀可以多種多樣，但功能結(jié)構(gòu)大體類似，常見的黑匣子大都含有以下幾個功能模塊：數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、電源模塊、防護(hù)殼體及信標(biāo)模塊。一般黑匣子都應(yīng)用在特殊場合，因此要求其具有較高的強(qiáng)度、耐高壓、耐高溫、抗沖擊、抗振動、抗電磁干擾、耐腐蝕、耐海水（或煤油）浸泡等性能，如此才能充分保證其可靠性和意外發(fā)生時數(shù)據(jù)的完整性。

2 火災(zāi)黑匣子系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)

2.1 定義與功能

火災(zāi)黑匣子是一種消防數(shù)據(jù)記錄保護(hù)器，是一種在極其特殊及嚴(yán)酷環(huán)境下使用的記錄器。通過攝像頭、麥克風(fēng)以及與消防儀器儀表相連的傳感器，監(jiān)測并記錄消防工作各個環(huán)節(jié)及主要設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)。通過記錄的現(xiàn)場及消防控制室的音視頻、消防數(shù)據(jù)等信息，既可在災(zāi)后為火災(zāi)事故的原因、經(jīng)過和責(zé)任認(rèn)定提供詳實(shí)可靠的數(shù)據(jù)，日常還可以用于檢驗(yàn)消防控制設(shè)備運(yùn)行是否正常的作用[2]。

2.2 系統(tǒng)及其組成

火災(zāi)消防數(shù)據(jù)記錄保護(hù)系統(tǒng)是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，一般由火災(zāi)黑匣子、數(shù)據(jù)管理主機(jī)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、顯示器、外部傳感器、消防控制柜、備用電源等幾個部分組成。具體如圖1所示。

通過麥克風(fēng)、攝像頭、傳感器等外部連接設(shè)備，將采集到的信號通過數(shù)據(jù)管理主機(jī)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)信息，再通過各個設(shè)備相應(yīng)的顯示器動態(tài)顯示設(shè)備的信息，并將數(shù)據(jù)傳送到黑匣子中保存?；馂?zāi)黑匣子內(nèi)部的電源系統(tǒng)，為提高可靠性，一般應(yīng)采用冗余設(shè)計(jì)，對耗能元件應(yīng)配備備用電源。

2.3 工作原理

火災(zāi)黑匣子存儲了音視頻數(shù)據(jù)、消防數(shù)據(jù)和電氣數(shù)據(jù)等信息。其中，音視頻數(shù)據(jù)來自終端的麥克風(fēng)和攝像頭；消防數(shù)據(jù)來自消防控制設(shè)備及傳感器；電氣數(shù)據(jù)來自各個電氣采集模塊。其典型工作原理如圖2所示[2]。

火災(zāi)報警控制器控制著各個煙感探測器、溫感探測器、火災(zāi)報警器等設(shè)備，這些設(shè)備把采集到的數(shù)據(jù)通過火災(zāi)報警控制器傳輸?shù)较罃?shù)據(jù)采集系統(tǒng)管理主機(jī)上。

消防設(shè)備檢測儀連接著各種傳感器，它們安裝在消防管道、消防蓄水池、壓力容器等設(shè)備中，時刻監(jiān)測各設(shè)備狀態(tài)信息，以及事故發(fā)生時的動作信息，并將這些數(shù)據(jù)信息傳送到黑匣子中。

圖2 火災(zāi)黑匣子工作原理Fig.2 Working principle of fire black box

電氣數(shù)據(jù)是從各配電柜中引出的電壓、電流信號，通過電氣采集模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號并送入數(shù)據(jù)管理主機(jī)，再存儲到黑匣子中。例如消防水泵模塊，通過對消防水泵專用配電柜的電流、電壓信號的監(jiān)測記錄，便可對消防水泵的電氣系統(tǒng)進(jìn)行有效的管理，以及在災(zāi)后判斷該模塊是否存在問題。終端的麥克風(fēng)、攝像機(jī)采集到的音頻、視頻數(shù)據(jù)通過接口傳輸?shù)揭粢曨l采集卡，經(jīng)過數(shù)據(jù)管理主機(jī)的處理，最后將數(shù)據(jù)存儲到黑匣子。

2.4 安裝位置

科學(xué)家通過對多起飛行事故分析的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)飛行器的機(jī)尾部分最不容易損壞，所以將飛機(jī)黑匣子安裝在機(jī)尾。火災(zāi)黑匣子安裝位置的設(shè)計(jì)思路也是以最大限度地保護(hù)火災(zāi)黑匣子不受到損壞為目標(biāo)。要實(shí)現(xiàn)這個目標(biāo)，首先需要對可能安裝的場合進(jìn)行歸類分析，進(jìn)而根據(jù)不同的場合，對火災(zāi)現(xiàn)場的環(huán)境進(jìn)行分析、研究，對各種復(fù)雜環(huán)境對黑匣子可能造成的破壞效應(yīng)進(jìn)行分析和研究，對于不同場所的安裝設(shè)計(jì)，需要根據(jù)環(huán)境不同，做出相應(yīng)的設(shè)計(jì)。

分析研究表明，火災(zāi)黑匣子安裝位置主要有以下幾類，見表1。

表1 火災(zāi)黑匣子安裝位置設(shè)計(jì)Table 1 Tabulation of installation position of fire black box

總之，對于火災(zāi)黑匣子的安裝位置，最終需要根據(jù)場所類型的不同，給出相應(yīng)的安裝設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，即將火災(zāi)黑匣子的安裝位置作出統(tǒng)一的規(guī)定，這也有利于災(zāi)后尋找。

3 火災(zāi)黑匣子的環(huán)境適應(yīng)性和環(huán)境防護(hù)設(shè)計(jì)

環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)是保證產(chǎn)品滿足環(huán)境適應(yīng)性要求的重要途徑，GJB 4239—2001《裝備環(huán)境工程通用要求》[3]中定義的環(huán)境適應(yīng)性是指：“裝備（產(chǎn)品）在其壽命期預(yù)計(jì)可能遇到的各種環(huán)境的作用下，能實(shí)現(xiàn)其所有預(yù)定功能和性能和（或）不被破壞的能力。作為產(chǎn)品的質(zhì)量特性之一”。環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)的定義是：“為滿足裝備（產(chǎn)品）環(huán)境適應(yīng)性要求而采取的一系列措施，包括改善環(huán)境或減緩環(huán)境影響的措施和提高裝備（產(chǎn)品）對環(huán)境耐受能力的措施[3]?！杯h(huán)境防護(hù)技術(shù)是指：研究和解決設(shè)備維持正常工作能力和設(shè)計(jì)性能而采取的防護(hù)措施和對策[4]。環(huán)境適應(yīng)性是產(chǎn)品的一個質(zhì)量特性，而環(huán)境防護(hù)技術(shù)作為產(chǎn)品重要的保護(hù)措施，都越來越受到工業(yè)產(chǎn)品業(yè)的重視。

產(chǎn)品環(huán)境適應(yīng)性主要取決于其選用的材料、構(gòu)件、元器件耐環(huán)境的能力和其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工藝設(shè)計(jì)時采取的耐環(huán)境措施是否完整、有效[5]。文中將從環(huán)境分析入手，通過改善環(huán)境或減緩環(huán)境影響及選用耐環(huán)境能力強(qiáng)的結(jié)構(gòu)、材料、元器件和工藝這兩個方面著手，同時結(jié)合防潮、防霉、防鹽霧的“三防”設(shè)計(jì)，對火災(zāi)黑匣子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)記錄器、外殼結(jié)構(gòu)、定位信標(biāo)、數(shù)據(jù)采集組件等進(jìn)行環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)。

3.1 使用環(huán)境分析

環(huán)境條件是指：“在裝備（產(chǎn)品）的運(yùn)輸、貯存和使用過程中可能會對其功能產(chǎn)生影響的環(huán)境應(yīng)力”[3]。

火災(zāi)黑匣子系統(tǒng)的使用環(huán)境條件分為火場環(huán)境和非火場環(huán)境兩種情況。火場環(huán)境是指壽命期限內(nèi)短時間、發(fā)生災(zāi)害時的工作環(huán)境。在這種情況下，災(zāi)害引起的環(huán)境變化使得黑匣子可能面臨水浸、強(qiáng)沖擊、強(qiáng)振動、強(qiáng)電磁干擾以及高溫火燒等極端環(huán)境，并且各種環(huán)境因素不是單一的，而是多個同時作用于設(shè)備?；馂?zāi)黑匣子可能面臨典型火場環(huán)境條件見表2。非火場環(huán)境是指壽命期限內(nèi)大部分時間、無災(zāi)害發(fā)生時的工作環(huán)境。在這種情況下，黑匣子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集設(shè)備以及安裝在固定地點(diǎn)的黑匣子主要面臨的環(huán)境條件有水浸、潮濕、腐蝕、振動、電磁干擾等。具體環(huán)境條件見表3。

綜合以上對火災(zāi)黑匣子及部分?jǐn)?shù)據(jù)采集裝置環(huán)境條件的分析，對于火災(zāi)黑匣子系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)主要需要應(yīng)針對[8]：防浸泡腐蝕設(shè)計(jì)、防沖擊振動設(shè)計(jì)以及防電磁干擾設(shè)計(jì)。所以論文主要針對這三方面環(huán)境對火災(zāi)黑匣子系統(tǒng)進(jìn)行適應(yīng)性及環(huán)境防護(hù)設(shè)計(jì)。

表2 典型火場環(huán)境條件Table 2 Typical fire environmental conditions

表3 火災(zāi)黑匣子系統(tǒng)的環(huán)境條件Table 3 Environmental conditions of fire black box system

3.2 防護(hù)殼體的設(shè)計(jì)

防護(hù)殼體設(shè)計(jì)是環(huán)境防護(hù)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)?；馂?zāi)黑匣子的殼體設(shè)計(jì)仿照飛行數(shù)據(jù)記錄器的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，按照ED-55，ED-56A，TSO-124A等防毀標(biāo)準(zhǔn)去設(shè)計(jì)。它要求防護(hù)殼體在3400g沖擊載荷作用下，仍能保護(hù)好內(nèi)部的記錄介質(zhì)，即要求防護(hù)殼體能夠保證自身和內(nèi)部記錄介質(zhì)不發(fā)生塑性變形和斷裂破壞[9]。在經(jīng)受沖擊、穿刺、耐火強(qiáng)度與密封性試驗(yàn)后，其存儲記錄的消防監(jiān)測原始數(shù)據(jù)完好并能讀取。

考慮黑匣子殼體的環(huán)境適應(yīng)性和環(huán)境防護(hù)設(shè)計(jì)，建議的設(shè)計(jì)方式主要有以下幾方面。

1）殼體材料建議采用合金材料，既確保了外殼具有較高的硬度和強(qiáng)度，同時形成良好的金屬屏蔽，使得電磁波和電磁脈沖很難到達(dá)設(shè)備內(nèi)部的敏感元件和電路處，保證了抗電磁干擾能力。

2）殼體結(jié)構(gòu)建議為上下兩部分分別整體澆鑄的結(jié)構(gòu)形式，總體為空心圓柱形，頂部為半球形，避免了點(diǎn)焊可能造成的縫隙腐蝕，具有良好的密封性，從而保證了設(shè)備的防塵性、防水性、防潮性及耐腐蝕性。建議圓弧邊半徑為7 mm，壁厚為3 mm，這在保證防護(hù)殼體在3400g沖擊載荷用下不會發(fā)生塑性變形、斷裂破壞的同時，也滿足了質(zhì)量最輕的原則[9]。

3）可在外部涂上耐潮、耐化學(xué)腐蝕性介質(zhì)的防護(hù)材料，提高產(chǎn)品的“三防”性能。并且通常建議采用橙黃色涂料，便于被發(fā)現(xiàn)。

3.3 內(nèi)部結(jié)構(gòu)及組件的設(shè)計(jì)

結(jié)合表2、表3中對火災(zāi)黑匣子可能處在的環(huán)境條件分析，并參考文獻(xiàn)[10]，為了提高火災(zāi)黑匣子的防護(hù)性能，其內(nèi)部主要采用了二氧化硅凝聚物和石棉粉兩種材料。二氧化硅凝聚物具有較高的硬度和強(qiáng)度，并且是目前世界上熱導(dǎo)率最小的固體材料，溫室真空熱導(dǎo)率可達(dá)0.001 W/（m·K），最高能承受1400℃的高溫[13]。石棉具有高抗張強(qiáng)度、高撓性、耐化學(xué)和熱侵蝕、電絕緣，而石棉粉是含有石棉纖維的粉狀非金屬材料，在防水材料、隔熱保溫材料等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

[10—12]，對現(xiàn)有的消防黑匣子進(jìn)行了環(huán)境適應(yīng)性和環(huán)境防護(hù)的改進(jìn)設(shè)計(jì)，上半部分結(jié)構(gòu)自外向內(nèi)依次是合金殼體、二氧化硅凝聚物、石棉粉、倒置真空杯、二氧化硅凝聚物、石棉粉、正置真空杯、石棉粉、金屬殼體、電子集成電路。下半部分結(jié)構(gòu)自外向內(nèi)依次是合金殼體、二氧化硅凝聚物、石棉粉、金屬殼體，并在外部附有定位信標(biāo)。

對于火災(zāi)黑匣子內(nèi)部結(jié)構(gòu)及組件的環(huán)境適應(yīng)性和環(huán)境防護(hù)設(shè)計(jì)，主要從以下幾個方面進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

1）內(nèi)部主要采用了隔熱性能良好的二氧化硅凝聚物、石棉粉、真空杯等材料，并且隔熱層采用復(fù)合隔熱技術(shù)，使得火災(zāi)黑匣子能經(jīng)受相比文獻(xiàn)[10]中260℃低溫火燒10 h及1100℃以上高溫火燒1 h更惡劣的火場環(huán)境，依然不會損壞數(shù)據(jù)存儲模塊，即確保其具有較好的抗高溫火燒性能。

2）采用了多重復(fù)合結(jié)構(gòu)，保證殼體具有較強(qiáng)的抗刺穿能力，即確保在具有尖端物體高出墜落沖刺時，內(nèi)部存儲模塊不受影響。

3）最內(nèi)層采用金屬殼體保護(hù)數(shù)據(jù)存儲模塊，一方面采用了加固技術(shù)，使數(shù)據(jù)存儲模塊具有良好的抗振性；另一方面也利用了金屬的電磁屏蔽性質(zhì)，提高了內(nèi)部的抗電磁干擾性能。

圖3 火災(zāi)黑匣子內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.3 The internal diagram of fire black box

圖4 火災(zāi)黑匣子下部俯視Fig.4 Vertical view of the black box from the lower part

4）采用了多層印制電路板，因其電磁輻射能量降低，可從結(jié)構(gòu)上獲得理想的電磁屏蔽效果[14]。再通過合理地設(shè)計(jì)電氣線路及元器件的布局，形成阻抗極低、接地良好的供電線路，一方面既可以有效解決傳導(dǎo)干擾，又可以解決輻射干擾；另一方面有效地減少高頻元件間的電磁干擾，提高了散熱效率。

5）采用濾波法[15]，抑制電磁波傳導(dǎo)干擾和電磁脈沖的耦合。分別對電源線、信號線、控制線及印制板采取濾波措施，來抑制它們運(yùn)行時產(chǎn)生的電磁能量，吸收線纜上的電磁能量并消除有害的電磁波。

6）采用了電涌防護(hù)法[14]，在火災(zāi)黑匣子下半部分，線纜出入口處安裝電涌保護(hù)器件，可防止電涌大電流的進(jìn)入，提高了其抗強(qiáng)電流沖擊性能。

7）火災(zāi)黑匣子整體分為上、下兩部分，接口采用“插槽式”的設(shè)計(jì)，外部通過橡膠圈和螺絲緊固。這樣一方面提高了產(chǎn)品的可維修性，降低了成本；另一方面橡膠圈和“插槽式”的設(shè)計(jì)方式保證了產(chǎn)品的密封性能，同時也提高了接口處的抗塑性變形的性能。

8）火災(zāi)黑匣子上、下兩部分的內(nèi)部接合處設(shè)有金屬薄板，把上下兩部分獨(dú)立開。這樣不僅提高了整體的防潮性能，而且金屬薄板的電磁屏蔽作用也提高了上部數(shù)據(jù)存儲模塊的抗電磁干擾性能。

9）在火災(zāi)黑匣子底座內(nèi)的3個金屬殼體內(nèi)部分別固定有備用電源、電涌保護(hù)器和濾波器。這樣設(shè)計(jì)的目的是：金屬殼體既對外部電磁波形成防護(hù)，同時也有效地屏蔽了內(nèi)部元器件的電磁干擾；將備用電源和電氣保護(hù)裝置安裝在底座，既降低了設(shè)備整體的重心，提高了抗振性，又便于拆卸，提高了可維修性。

4 結(jié)論

通過對火災(zāi)黑匣子環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)和環(huán)境防護(hù)設(shè)計(jì)技術(shù)，可以提高其環(huán)境耐受性能，解決火災(zāi)黑匣子在日常使用和極端火場環(huán)境中的可靠性問題。相比目前有關(guān)消防數(shù)據(jù)的采集設(shè)備，該火災(zāi)黑匣子具有的優(yōu)點(diǎn)如下所述。

1）能夠與智能樓宇中的電梯、視頻監(jiān)控、排風(fēng)、強(qiáng)電、弱電等設(shè)施，以及鍋爐房燃?xì)忾y、燃?xì)馓綔y器、加油站油罐液位等，形成大黑匣子系統(tǒng)，從而解決了火災(zāi)危害后果高危場所（如寫字樓、加油站、大型商場等）的消防數(shù)據(jù)的記錄、存儲及再現(xiàn)分析的問題。

2）該火災(zāi)黑匣子具有很好的環(huán)境適應(yīng)和環(huán)境防護(hù)性能，能夠在復(fù)雜多變的火場環(huán)境下保證內(nèi)部存儲設(shè)備不受損壞，從而確保了數(shù)據(jù)的完整性和可靠性。

隨著消防安全被逐漸地重視，以及先關(guān)法律法規(guī)的逐漸完善，火災(zāi)黑匣子必將會實(shí)現(xiàn)普及應(yīng)用。為應(yīng)對各種新的需求進(jìn)行功能研發(fā)的同時，火災(zāi)黑匣子的可靠性必然是研究方向之一。

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