多類型高速公路隧道火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)的優(yōu)化與融合

■程 競(jìng)

(福建省高速公路集團(tuán)有限公司福州管理分公司機(jī)電維護(hù)中心，福州 350001)

1 引言

福建省高速公路經(jīng)過20 余年的建設(shè)發(fā)展，目前總里程已超5000km，由于福建地形多屬于山嶺重丘區(qū)，高速公路穿山越嶺，隧道眾多，一旦發(fā)生火災(zāi)必須在短時(shí)間內(nèi)采取有效應(yīng)急措施以避免事故擴(kuò)大。 目前我省中等長(zhǎng)度以上的高速公路隧道均按照國(guó)家、 行業(yè)規(guī)范安裝了火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)，及時(shí)總結(jié)火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)優(yōu)化、融合方面的經(jīng)驗(yàn)， 并對(duì)未來的發(fā)展方向加以探討， 是十分必要的。

2 高速公路隧道火災(zāi)的特點(diǎn)及對(duì)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)的技術(shù)要求

高速公路隧道火災(zāi)成因和過程存在其自身特點(diǎn)，隧道環(huán)境特殊性及來自交通秩序管控的限制也對(duì)火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)提出了一些特殊要求，具體分析如下：

2.1 高速公路隧道火災(zāi)特點(diǎn)及特殊影響因素

(1)火災(zāi)類型及燃燒特性多樣化

根據(jù)多年來在運(yùn)營(yíng)實(shí)踐的觀察以及國(guó)內(nèi)相關(guān)研究結(jié)果，高速公路隧道火災(zāi)成因多樣，火災(zāi)發(fā)展速度，明火、煙霧出現(xiàn)時(shí)間及先后順序因起火原因、 燃燒物質(zhì)的不同而呈現(xiàn)明顯差異性， 例如小型車輛因碰撞事故導(dǎo)致的車輛電路、油路起火，通常在較短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)劇烈明火燃燒，而中重型載貨車輛因輪胎過熱、貨物自燃引發(fā)的火災(zāi)，因廂式車體和疊壓貨物的阻隔作用， 出現(xiàn)明顯可見的明火和熱氣團(tuán)之前可能產(chǎn)生大量煙霧， 對(duì)火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)的及時(shí)觸發(fā)，準(zhǔn)確定位造成了一定的挑戰(zhàn)。

(2)報(bào)警可靠性、及時(shí)性要求苛刻

圖1 公路隧道火災(zāi)事故起因分析統(tǒng)計(jì)[1]

高速公路隧道車速快，車流量大。隧道屬于半封閉空間，人員疏散、排煙通風(fēng)較為困難，發(fā)生擁堵后施救車輛難以接近事故點(diǎn)。短時(shí)間內(nèi)交通管制手段有限，一旦火災(zāi)報(bào)警延遲、漏報(bào)，易引發(fā)二次事故和人員、車輛滯留洞內(nèi)等嚴(yán)重災(zāi)情。

(3)隧道風(fēng)干擾報(bào)警及時(shí)性、準(zhǔn)確性

高速公路隧道內(nèi)因受自然風(fēng)、車輛交通風(fēng)、機(jī)械強(qiáng)制通風(fēng)等因素影響，通常常年存在隧道風(fēng)，在某些情況下可超過10m/s 的常規(guī)限值， 隧道風(fēng)對(duì)火災(zāi)的熱氣團(tuán)產(chǎn)生稀釋、降溫作用，分布式光纖感溫火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)報(bào)警響應(yīng)時(shí)間常常因此延長(zhǎng)， 同時(shí)因隧道風(fēng)將火災(zāi)熱氣團(tuán)吹離起火位置，傳感器的報(bào)警位置可能發(fā)生顯著偏移，影響對(duì)火點(diǎn)的準(zhǔn)確定位[2]。

(4)粉塵污染干擾報(bào)警可靠性

隧道內(nèi)存在車輛尾氣粉塵、塵土沉積，可能對(duì)光學(xué)型火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)的光學(xué)窗口造成污染， 影響報(bào)警靈敏度和作用距離，并可能對(duì)設(shè)備內(nèi)部造成污染。

(5)環(huán)境季節(jié)溫差影響感溫報(bào)警

隧道內(nèi)一年之中最大溫差可達(dá)40～50℃， 火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)特別是感溫型系統(tǒng)需隨時(shí)適應(yīng)環(huán)境溫度的變化。

(6)日常維護(hù)作業(yè)受到限制

為確保行車和作業(yè)安全， 高速公路隧道登高作業(yè)需進(jìn)行安全布控，開展點(diǎn)火試驗(yàn)需封閉單洞，對(duì)火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)的后期維護(hù)、檢測(cè)造成一定困難。

2.2 高速公路隧道火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)的特殊要求

(1)報(bào)警及時(shí)性、可靠性必須得到保證

根據(jù)《火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50116-2013)等要求，公路隧道火災(zāi)報(bào)警反應(yīng)時(shí)間應(yīng)在60s 以下，以便隧道交通監(jiān)控部門及時(shí)發(fā)現(xiàn)隧道火災(zāi)， 為采取有效的交通管控、引導(dǎo)疏散、通知救援等措施爭(zhēng)取寶貴時(shí)間，避免事故擴(kuò)大。

(2)應(yīng)具備抗隧道風(fēng)干擾能力

火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)應(yīng)在存在較強(qiáng)隧道風(fēng)的情況下仍能及時(shí)觸發(fā)報(bào)警、較準(zhǔn)確地定位火點(diǎn)。

(3)應(yīng)具備在粉塵環(huán)境下穩(wěn)定運(yùn)行的能力

火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)應(yīng)對(duì)隧道粉塵沉積的情況具備一定的容許度，雙/三波長(zhǎng)光學(xué)型報(bào)警器應(yīng)可通過自動(dòng)或人工擦拭的手段清潔光學(xué)窗口， 同時(shí)暴露在隧道內(nèi)的設(shè)備應(yīng)具備IP65 以上防護(hù)能力，確保在長(zhǎng)期運(yùn)行中不發(fā)生內(nèi)部污染、腐蝕。

(4)要能夠自動(dòng)適應(yīng)季節(jié)溫差變化

感溫式火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警應(yīng)能根據(jù)自然溫度變化實(shí)時(shí)調(diào)整定溫報(bào)警基準(zhǔn)溫度，以差/定溫報(bào)警復(fù)合的形式實(shí)現(xiàn)及時(shí)準(zhǔn)確報(bào)警， 避免環(huán)境溫度變化導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)生虛警或漏報(bào)。

(5)需為運(yùn)營(yíng)維護(hù)提供模擬試驗(yàn)手段

在日常運(yùn)營(yíng)中， 火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)應(yīng)盡可能為測(cè)試提供可不封閉車道的模擬試驗(yàn)手段， 以確保系統(tǒng)始終保持在穩(wěn)定可靠狀態(tài)。

3 當(dāng)前主流隧道火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)備原理及特點(diǎn)

根據(jù)《火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50116-2013)12.1 的規(guī)定，公路隧道應(yīng)采用線型光纖感溫火災(zāi)探測(cè)器、點(diǎn)型紅外火焰探測(cè)器或圖像型火災(zāi)探測(cè)器， 過去曾在公路隧道使用的熱敏合金線型火災(zāi)探測(cè)器、 空氣管式火災(zāi)探測(cè)器等產(chǎn)品已被淘汰，不再進(jìn)行討論。本文重點(diǎn)對(duì)分布式光纖感溫探測(cè)系統(tǒng)、光柵光纖感溫火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)、點(diǎn)型雙/三波長(zhǎng)光學(xué)火焰探測(cè)器以及圖像型火災(zāi)探測(cè)器進(jìn)行原理分析和對(duì)比。

3.1 主流公路隧道火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)工作原理簡(jiǎn)要分析

(1)光柵光纖感溫火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)

布拉格(Bragg)光柵是纖芯中具有折射率周期性變化的結(jié)構(gòu)，只反射入射光中波長(zhǎng)滿足布拉格衍射條件的光，環(huán)境溫度變化引起光柵布拉格波長(zhǎng)的漂移， 通過檢測(cè)波長(zhǎng)移動(dòng)量可測(cè)得光柵處環(huán)境溫度[3]。 光柵光纖火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)通過將布拉格光柵封裝成感溫探測(cè)單元，用單模光纖、套管等元件熔接串連起來， 形成多探測(cè)單元的感溫火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)。

(2)分布式光纖感溫探測(cè)系統(tǒng)

采用感溫光纖作為感溫部件， 利用光纖的背向拉曼散射(RAMAN SCATFORING)的溫度效應(yīng)進(jìn)行測(cè)溫，通過光時(shí)域反射(OTDR)技術(shù)對(duì)溫度在線型空間上的分布進(jìn)行定位，探測(cè)出光纖線型空間分布上不同位置溫度的變化。

(3)雙/三波長(zhǎng)光學(xué)火焰探測(cè)系統(tǒng)

通過檢測(cè)火焰輻射出的典型波長(zhǎng)光(如火焰中的CO2發(fā)出的波長(zhǎng)為4.4μm 特征輻射峰),同時(shí)檢測(cè)背景輻射波段濾除環(huán)境干擾，配合對(duì)火焰特征閃爍頻率(1～15Hz)的檢測(cè)來探測(cè)火焰[4]。 近年來也有一些產(chǎn)品使用220～280nm中紫外波段傳感器以濾除太陽造成的復(fù)雜背景干擾，進(jìn)一步提高抗干擾性能。

(4)圖像型火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)

圖像型火災(zāi)探測(cè)器采用特種攝像機(jī)拍攝火焰、 煙霧的紅外與可見光的視頻圖像， 由處理單元通過智能算法對(duì)視頻圖像中火焰、煙霧的位置移動(dòng)、面積變化、邊緣尖角、色彩特性以及頻閃脈動(dòng)等特征進(jìn)行分析，濾除燈光、陽光等干擾，實(shí)現(xiàn)對(duì)火災(zāi)的報(bào)警。

3.2 主流火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警設(shè)備的技術(shù)指標(biāo)對(duì)比

(1)主要技術(shù)指標(biāo)對(duì)比

上述4 類火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)，根據(jù)其檢測(cè)原理、安裝方式的不同，在報(bào)警反應(yīng)速度、空間檢測(cè)精度、誤報(bào)率、漏報(bào)率等方面各有優(yōu)缺點(diǎn)， 以表格形式進(jìn)行簡(jiǎn)要的定性分析對(duì)比：

(2)綜合性能評(píng)價(jià)

①光柵光纖感溫火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)：安裝工作量較大，報(bào)警反應(yīng)速度與起火點(diǎn)定位精度受隧道風(fēng)速影響較大。 漏報(bào)率、誤報(bào)率需通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試進(jìn)行控制，進(jìn)入運(yùn)營(yíng)期后運(yùn)行較穩(wěn)定，漏報(bào)率、誤報(bào)率低。日常維護(hù)工作量小，但光柵光纖受損后維修較為復(fù)雜， 難以采取對(duì)感溫元件實(shí)際加溫的方法進(jìn)行模擬測(cè)試。

②分布式光纖感溫探測(cè)系統(tǒng)：安裝工作量較大，報(bào)警反應(yīng)速度與起火點(diǎn)定位精度受隧道風(fēng)速影響較大。 漏報(bào)率、誤報(bào)率需通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試進(jìn)行控制，進(jìn)入運(yùn)營(yíng)期行后運(yùn)行較穩(wěn)定，漏報(bào)率、誤報(bào)率低。日常維護(hù)工作量小，但光柵光纖受損后維修較為復(fù)雜。 由于感溫光纖為分布式連續(xù)結(jié)構(gòu)，可在光纜引下位置預(yù)留測(cè)試段光纜，易于采用人為實(shí)際加溫的方法對(duì)感溫光纖進(jìn)行模擬測(cè)試。

表1 各類火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)對(duì)比[5]

③雙/三波長(zhǎng)光學(xué)火焰探測(cè)系統(tǒng)： 安裝工作量小，不受隧道風(fēng)速影響，報(bào)警速度高，起火點(diǎn)定位精度高。 但在火源陰燃、煙霧、障礙物阻隔火源等情況下存在一定的漏報(bào)可能。 運(yùn)營(yíng)期需要視隧道粉塵沉積速度定期人工擦拭光學(xué)窗口，受簡(jiǎn)單培訓(xùn)的技術(shù)人員即可完成故障維修?？墒褂霉鈱W(xué)檢測(cè)信號(hào)發(fā)生器或小型火源開展模擬測(cè)試。 目前在福建省高速公路隧道得到廣泛使用。

④圖像型火災(zāi)探測(cè)器：安裝工作量小，在火源陰燃、煙霧、障礙物阻隔火源等情況下存在一定的漏報(bào)可能，需定期人工擦拭光學(xué)窗口。故障維修簡(jiǎn)單。目前在福建省尚未有工程應(yīng)用實(shí)例，故其報(bào)警反應(yīng)速度、誤報(bào)、漏報(bào)率以及運(yùn)營(yíng)期測(cè)試手段尚不明確。

4 福建省高速公路工程應(yīng)用情況與優(yōu)化、 融合實(shí)踐

福建省高速公路自2001 年開始大面積安裝使用隧道火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)， 早期主要使用雙波長(zhǎng)紅外火焰探測(cè)系統(tǒng)與熱敏合金線型火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)，2010 年左右逐步淘汰熱敏合金線型火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)， 推廣光柵光纖感溫火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)與分布式光纖感溫探測(cè)系統(tǒng)， 目前福建省高速公路普遍采用雙波長(zhǎng)紅外火焰探測(cè)系統(tǒng)、 光柵光纖感溫火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)與分布式光纖感溫探測(cè)系統(tǒng)三種類型的設(shè)備。在長(zhǎng)期建設(shè)與運(yùn)營(yíng)中，三種隧道火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)總體運(yùn)行穩(wěn)定可靠，同時(shí)在設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)營(yíng)實(shí)踐過程中，福建省高速公路運(yùn)營(yíng)管理部門在優(yōu)化融合隧道火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)方面也開展了一些卓有成效的工作， 明確了進(jìn)一步提升的方向，具體有：

4.1 融合、優(yōu)化人機(jī)界面，完善火災(zāi)報(bào)警集中顯控功能

近年來福建省高速公路道路監(jiān)控業(yè)務(wù)普遍實(shí)施了一地(市)一中心的整合，監(jiān)控里程大為提高。 高速公路福州管理分公司于2017～2018 年開展了火災(zāi)自動(dòng)與手動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)的優(yōu)化整合工作， 整合了福州地區(qū)180 余千米監(jiān)控隧道的雙波長(zhǎng)紅外型、光柵光纖感溫型、分布式光纖感溫型三種火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警設(shè)備以及手動(dòng)報(bào)警設(shè)備， 實(shí)現(xiàn)了全市高速公路隧道火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)在一套軟件界面上進(jìn)行顯示、控制。通過采取優(yōu)化人機(jī)界面，增設(shè)聲光報(bào)警器、對(duì)一般故障與火災(zāi)報(bào)警的聲、 光信號(hào)進(jìn)行差異化設(shè)置等優(yōu)化改進(jìn)措施， 改變了以往多種報(bào)警終端并行， 各類信息混雜，監(jiān)控人員忙于查看處置的局面，進(jìn)一步提高了值班監(jiān)控人員對(duì)火警信號(hào)的反應(yīng)敏感度和反應(yīng)速度。 目前該系統(tǒng)投入運(yùn)行已6 個(gè)多月，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，監(jiān)控人員工作效率得到提高，對(duì)地(市)道路監(jiān)控業(yè)務(wù)集中化改革后的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)建設(shè)具有示范意義。

圖2 整合后的綜合火災(zāi)報(bào)警管理系統(tǒng)軟件界面

4.2 優(yōu)化傳輸架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)火災(zāi)報(bào)警信號(hào)傳輸、顯示冗余互備

針對(duì)整合后道路監(jiān)控集中程度提高的情況， 高速公路福州管理分公司把提高火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)可靠性， 優(yōu)化數(shù)據(jù)傳輸架構(gòu)作為重中之重， 充分利用目前各類火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警設(shè)備主機(jī)具備雙上傳接口的特性，統(tǒng)一規(guī)劃，將以太網(wǎng)通道作為火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)向統(tǒng)一道路監(jiān)控軟件上傳報(bào)警信號(hào)的通道，將RS232 串口通道作為火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)向集中火災(zāi)報(bào)警軟件上傳報(bào)警信號(hào)的通道， 兩套信號(hào)傳輸系統(tǒng)并行、兩套顯控軟件同時(shí)工作，實(shí)現(xiàn)冗余互備，最大限度地避免因傳輸系統(tǒng)故障導(dǎo)致火警信號(hào)無法上報(bào)的情況，優(yōu)化了火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)在的可靠性。

圖3 整合改造后的隧道火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)架構(gòu)

4.3 復(fù)合使用不同類型的火災(zāi)自動(dòng)探測(cè)系統(tǒng)， 實(shí)現(xiàn)性能優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)

雙/三波長(zhǎng)光學(xué)火焰探測(cè)系統(tǒng)具有安裝維護(hù)簡(jiǎn)便，報(bào)警反應(yīng)速度高、定位精度高、測(cè)試簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，光柵光纖感溫火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)與分布式光纖感溫探測(cè)系統(tǒng)具有誤報(bào)、漏報(bào)率低，日常維護(hù)工作量小的優(yōu)點(diǎn)，在今后的建設(shè)和改造中， 可在有條件的隧道嘗試復(fù)合部署兩種類型的火災(zāi)自動(dòng)探測(cè)系統(tǒng)，發(fā)揮兩類系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)各自缺陷，進(jìn)一步提高火災(zāi)自動(dòng)探測(cè)系統(tǒng)的整體可靠性。

4.4 深入挖掘現(xiàn)有火災(zāi)自動(dòng)探測(cè)系統(tǒng)潛力，提高實(shí)際應(yīng)用效能

現(xiàn)有火災(zāi)自動(dòng)探測(cè)系統(tǒng)雖然在單點(diǎn)信號(hào)采集、 數(shù)據(jù)分析方面已較為成熟，但在應(yīng)用綜合智能數(shù)據(jù)分析、多傳感器補(bǔ)償?shù)仁侄畏矫嫔杏休^大提升空間， 針對(duì)線型光纖感溫火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)在隧道風(fēng)速較大的情況下報(bào)警反應(yīng)時(shí)間偏長(zhǎng)、起火點(diǎn)定位精度下降的問題，可采取以下改進(jìn)措施在抑制虛警的同時(shí)提高系統(tǒng)能力：

(1)將單純采集分析溫度數(shù)據(jù)擴(kuò)展為多種物理量綜合采集分析，例如在隧道內(nèi)設(shè)置風(fēng)速傳感器采集風(fēng)速信號(hào)，根據(jù)風(fēng)速大小適當(dāng)降低差/定溫信號(hào)報(bào)警門限，提升報(bào)警反應(yīng)速度。

(2)將單點(diǎn)感溫探測(cè)擴(kuò)展為多點(diǎn)探測(cè)矩陣，結(jié)合人工智能數(shù)據(jù)分析，使系統(tǒng)具備對(duì)火點(diǎn)的動(dòng)態(tài)感知能力，結(jié)合風(fēng)速等傳感器提供的多種物理量數(shù)據(jù)， 提高起火點(diǎn)定位精度。

(3)加強(qiáng)對(duì)溫升速率數(shù)據(jù)的重視與利用，將溫升速率參數(shù)加入分析算法， 充分利用傳感器溫度分辨率， 彌補(bǔ)差/定溫?cái)?shù)據(jù)觸發(fā)數(shù)值較大，敏感度不足的問題，提高火災(zāi)發(fā)生初期尚未形成較大溫升階段的報(bào)警速度。

5 結(jié)束語

高速公路隧道火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)是高速公路運(yùn)營(yíng)管理部門賴以及時(shí)發(fā)現(xiàn)、處置隧道火災(zāi)事故，減少駕乘人員生命財(cái)產(chǎn)損失的重要技術(shù)裝備，把握技術(shù)發(fā)展方向，因地制宜優(yōu)選方案，建好、維護(hù)好這一系統(tǒng)，通過建設(shè)復(fù)合管理平臺(tái)，促進(jìn)其更加靈敏、可靠，將是高速公路技術(shù)部門長(zhǎng)期的重點(diǎn)工作方向。