高速公路隧道火災(zāi)自動報警系統(tǒng)優(yōu)化改造與應(yīng)用分析

■馬茂涼

（福建省高速公路集團(tuán)有限公司寧德管理分公司， 寧德 352100）

隨著我國高速公路建設(shè)事業(yè)的快速發(fā)展，高速公路隧道總里程迅速增加，隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)事故的幾率也越來越大，而高速公路隧道因其半封閉的特殊環(huán)境，一旦發(fā)生火災(zāi)，火勢將迅速蔓延并威脅司乘人員的生命與財產(chǎn)安全，嚴(yán)重的甚至?xí)绊懰淼赖闹黧w結(jié)構(gòu)。 隨著新型傳感技術(shù)的快速發(fā)展，感溫型和感光型火災(zāi)自動報警系統(tǒng)在高速公路隧道上大量推廣使用， 已成為主流的隧道火災(zāi)報警系統(tǒng)。由于各類型系統(tǒng)的檢測原理、檢測效率、適用性不同，為快速響應(yīng)和處置隧道火災(zāi)事故，提高人員生命安全和降低路產(chǎn)損失，對主流的隧道火災(zāi)自動報警系統(tǒng)的投資造價、后期維護(hù)及實際應(yīng)用等方面進(jìn)行比較分析， 對保障隧道安全運營具有一定的意義，也為高速公路隧道火災(zāi)自動報警系統(tǒng)建設(shè)提供借鑒參考。

1 福寧高速隧道火災(zāi)自動報警系統(tǒng)優(yōu)化改造方案

福寧高速公路作為同三線（黑龍江同江-海南三亞） 福建段的重要組成部分， 全長約141 km，于2003 年建成通車。全線共有8 條長隧道安裝有線型光纖感溫火災(zāi)自動報警系統(tǒng)，通車運營以來，隧道內(nèi)發(fā)生過多起車輛著火事故，該系統(tǒng)均能及時準(zhǔn)確報警， 有效保障了福寧高速公路隧道的安全運營。隨著系統(tǒng)投入運行多年，系統(tǒng)在維護(hù)、應(yīng)用過程中逐漸暴露出原設(shè)計和施工方面的一些缺陷及不足，影響隧道的安全運營：（1）隨著運行年限的增加，光纖感溫主機設(shè)備老化，性能指標(biāo)不能滿足新的規(guī)范要求；（2）隧道內(nèi)原懸掛感溫光纜的鋼絲繩、支架、掛鉤等部件由于長期銹蝕等原因斷裂， 造成鋼絲繩、感溫光纜垂落，存在安全隱患；（3）隧道內(nèi)行駛的車輛有異常情況時，通常會選擇?？吭诰o急停車帶內(nèi)， 而原設(shè)計緊急停車帶上方未布設(shè)感溫光纜，當(dāng)車輛在緊急停車帶內(nèi)發(fā)生著火事故時，受感溫光纜布設(shè)位置的影響， 原系統(tǒng)報警響應(yīng)時間較長，存在一定的安全隱患；（4）原感溫光纜安裝在隧道洞頂?shù)恼戏剑?需單洞全封閉才能開展檢修工作，造成日常維護(hù)困難，影響維護(hù)及時性。

針對上述問題， 寧德高速公司于2020 年組織相關(guān)專家和一線運維人員研究討論，制定了優(yōu)化方案并對福寧高速8 條長隧道線型光纖感溫火災(zāi)自動報警系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改造， 大大提高了系統(tǒng)可靠性、適用性和維護(hù)便利。

1.1 線型光纖感溫火災(zāi)自動報警系統(tǒng)工作原理

線型光纖感溫火災(zāi)自動報警系統(tǒng)主要由線型光纖感溫報警主機及分布式感溫光纜（光纖）組成。系統(tǒng)工作原理是在光纖中注入一定能量和寬度的激光脈沖，它在光纖中傳輸?shù)耐瑫r不斷產(chǎn)生背向拉曼散射，背向散射光的強度會受到所在光纖散射點的溫度影響而改變，通過散射回來的拉曼光波經(jīng)波分復(fù)用、光電轉(zhuǎn)換、放大、解調(diào)并送入報警主機分析處理后便可將溫度信號實時顯示出來。 根據(jù)光纖中光波的傳輸速度和背向散射光回波的時間等信息的定位，便能獲得一個精確的溫度分布（圖1），系統(tǒng)具備傳輸數(shù)據(jù)量大和損耗小的特點，在無需中繼的情況下，可以實現(xiàn)最大約12 km 的遠(yuǎn)程監(jiān)測。

圖1 線型光纖測溫系統(tǒng)原理示意圖

線型光纖感溫火災(zāi)報警主機可在顯示器上實時顯示光纜的溫度軌跡，突出顯示報警信號，系統(tǒng)校定、隧道監(jiān)控區(qū)域、報警點劃分等功能均可通過軟件來完成。 處理后的隧道溫度信息通過網(wǎng)絡(luò)上傳至管理中心火災(zāi)報警工作站（圖2）。

圖2 線型光纖測溫系統(tǒng)傳輸示意圖

1.2 鋼絲繩及感溫光纜洞內(nèi)布設(shè)方案

（1）福寧高速地處東南沿海，常年高溫、高濕，存在車流量大、大貨車多等情況，部分隧道區(qū)域還處于鎳合金廠、燃煤火電廠等容易產(chǎn)生酸雨和腐蝕性氣體的特殊環(huán)境，從2018 年開始，部分處于特殊環(huán)境的隧道陸續(xù)出現(xiàn)鋼絲繩、支架銹蝕垂落的情況（圖3、圖4），存在嚴(yán)重的安全隱患。

圖3 鋼絲繩腐蝕斷裂

圖4 固定支架處鋼絲繩腐蝕情況

針對上述問題，本次改造選用包塑304 不銹鋼絲繩作為感溫光纜承重材料，同時固定支架、膨脹螺栓、掛鉤、夾頭等輔材也采用304 不銹鋼材質(zhì)，通過塑料和不銹鋼兩種材質(zhì)的耐腐蝕特性來加強鋼絲繩和其他輔材的抗腐蝕能力，并對原來吊掛光纜的鋼絲繩固定方式加以改進(jìn)， 在原50 m 間距的兩個支架之間每10 m 增加1 個掛鉤， 用以分?jǐn)偣潭ㄤ摻z繩時所受的拉力和重力（圖5），盡量保證在系統(tǒng)服役期限內(nèi)感溫光纜的穩(wěn)定可靠。

圖5 改造后隧道內(nèi)光纜吊裝布設(shè)示意圖

（2）針對原感溫光纜檢修時需單洞全封閉影響維護(hù)便利性和及時性的情況，本次優(yōu)化改造將鋼絲繩和感溫光纜沿隧道頂部中央往主車道方向偏移0.5 m 安裝， 優(yōu)化后光纜的垂影線與超車道的最外邊距離小于5 m，既能滿足規(guī)范要求，又能在單洞半封閉情況下開展日常檢修工作， 大大提高了維護(hù)效率。

（3）針對原緊急停車帶上方?jīng)]有布設(shè)感溫光纜的缺陷，本次優(yōu)化改造在緊急停車帶上方鋪設(shè)感溫光纜，以提高現(xiàn)有系統(tǒng)對緊急停車帶發(fā)生火災(zāi)時的檢測靈敏度（圖6）。

圖6 緊急停車帶內(nèi)的鋼絲繩和感溫光纜鋪設(shè)示意圖

1.3 更換感溫光纜

改造選用符合最新國家標(biāo)準(zhǔn)GB16280-2014《線型感溫火災(zāi)探測器》 的GTH-01 型鎧裝感溫光纜，光纜外徑3.0 mm、重量18 g/m、長期抗拉力達(dá)到300 N，具有重量輕、抗拉性好、防護(hù)等級高、響應(yīng)速度快等優(yōu)點。

1.4 更換線型光纖感溫火災(zāi)報警主機

改造前所使用線型光纖感溫主機是基于GB/T 21197-2007《線型光纖感溫火災(zāi)探測器》[1]研制，該標(biāo)準(zhǔn)已被GB16280-2014 《線型感溫火災(zāi)探測器》[2]替代，原線型光纖感溫主機已不滿足新標(biāo)準(zhǔn)，且使用年限較長，設(shè)備老化，出現(xiàn)頻繁死機情況，因此本次優(yōu)化改造更換為符合新國標(biāo)的新一代感溫火災(zāi)報警主機。

新主機采用了一體化、模塊化、低功耗設(shè)計，單通道具備最大6 km 測溫能力， 可以同時配接4 根感溫光纜，在系統(tǒng)可靠性、響應(yīng)速度、最大測量長度等方面都有了很大的提升。

1.5 模擬點火測試

2020 年11 月30 日，項目改造完成后業(yè)主在赤嶺隧道組織了模擬點火測試，測試按照交通運輸部制定的《公路隧道火災(zāi)自動報警系統(tǒng)技術(shù)條件》[3]的要求實施， 點火開始至主機發(fā)出報警時間為36 s，優(yōu)于規(guī)范要求的60 s 響應(yīng)時間[4]，證明此次優(yōu)化改造取得了良好效果（點火測試現(xiàn)場見圖7，主機報警界面見圖8）。

圖7 赤嶺隧道點火測試

圖8 點火測試報警時主機界面

2 高速公路隧道火災(zāi)自動報警系統(tǒng)介紹及應(yīng)用分析

2.1 高速公路隧道火災(zāi)自動報警系統(tǒng)介紹

隧道火災(zāi)自動報警系統(tǒng)由火災(zāi)探測器、火災(zāi)報警主機等部分組成，火災(zāi)探測器通過探測物質(zhì)燃燒過程中產(chǎn)生的氣、煙、熱、光（火焰）等各種表征火災(zāi)信號的物理量做出有效響應(yīng)，并轉(zhuǎn)化為火災(zāi)報警主機可接收的電信號，再由報警主機分析處理后發(fā)出火警。 火災(zāi)探測器作為整個系統(tǒng)的核心組成，對能否及時、準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)火情至關(guān)重要。 自動火災(zāi)報警系統(tǒng)根據(jù)其選用的探測器類型可以分為感煙型、感溫型、感光型、圖像型4 大類。

2.1.1 感煙型火災(zāi)自動報警系統(tǒng)

感煙型火災(zāi)自動報警系統(tǒng)通過探測、分析空氣中的煙塵顆粒濃度來實現(xiàn)火災(zāi)報警，由于公路隧道車流引起的氣流使煙霧不易聚集，且一些大型車輛排放的的尾氣、剎車產(chǎn)生的氣體等容易造成感煙型火災(zāi)自動報警系統(tǒng)誤報，同時隧道中較多灰塵也容易造成感煙型探測器失靈，因此感煙型火災(zāi)自動報警系統(tǒng)在公路隧道中應(yīng)用極少。

2.1.2 感溫型火災(zāi)自動報警系統(tǒng)

感溫型火災(zāi)自動報警系統(tǒng)常見的有光纖光柵感溫和線型光纖感溫2 小類，線型光纖感溫火災(zāi)自動報警系統(tǒng)前文已作介紹，不再贅述。 光纖光柵感溫火災(zāi)自動報警系統(tǒng)是在光纖拉制的過程中實時進(jìn)行光柵刻寫，將光纖光柵作為溫度傳感器內(nèi)部的敏感元件，通過光纖光柵所反射的光信號中心波長變化量與溫度成線性關(guān)系的原理來檢測環(huán)境溫度值。 光纖光柵感溫報警系統(tǒng)與線型光纖感溫報警系統(tǒng)都是以光纖作為信號傳輸和傳感媒體，光纖在隧道的布設(shè)與安裝方式基本相同，火災(zāi)報警主機在數(shù)據(jù)處理、區(qū)域劃分、系統(tǒng)設(shè)置和報警信號上傳等方面也都相似。

2.1.3 感光型火災(zāi)自動報警系統(tǒng)

感光型火災(zāi)自動報警系統(tǒng)主要包括雙波長和三波長2 小類，雙波長火災(zāi)自動報警系統(tǒng)是檢測火災(zāi)發(fā)生時所產(chǎn)生輻射光的特定波長（4.1～4.7 μm）和火焰閃爍頻率（1～15 Hz）來判定是否發(fā)生火災(zāi)并進(jìn)行報警的。 每個雙波長火災(zāi)探測器（火災(zāi)報警綜合盤）為獨立檢測單元，可檢測50 m 范圍內(nèi)發(fā)生的火災(zāi)，因此，雙波長探測器在隧道內(nèi)必須以≤50 m 的間距連續(xù)布設(shè)，避免出現(xiàn)檢測盲區(qū)。 所有獨立檢測單元通過通信電纜以總線形式連接至報警主機，通過報警主機發(fā)出報警信號上傳管理中心。 三波長火災(zāi)自動報警系統(tǒng)與雙波長類似， 只是在檢測距離、檢測角度、抗干擾能力方面更優(yōu)于雙波長系統(tǒng)。

2.1.4 圖像型火災(zāi)自動報警系統(tǒng)

圖像型火災(zāi)自動報警系統(tǒng)利用前端攝像機采集的視頻圖像進(jìn)行處理、分析，判斷圖像中是否有煙霧、火光等特征，從而對火災(zāi)進(jìn)行識別并報警。 但受前端采集的視頻圖像質(zhì)量、 隧道照明亮度變化、車輛遮擋等因素影響，容易產(chǎn)生誤報、漏報的情況，目前主要作為輔助檢測使用。

綜上，應(yīng)用于國內(nèi)高速公路隧道主流的火災(zāi)自動報警系統(tǒng)主要感溫型和感光型2 大類。

2.2 寧德高速公路隧道火災(zāi)自動報警系統(tǒng)應(yīng)用效果比較

寧德高速公司現(xiàn)有感溫型的纖光柵火災(zāi)自動報警系統(tǒng)、線型光纖火災(zāi)自動報警系統(tǒng)、感光型雙波長火災(zāi)自動報警系統(tǒng)3 小類。 下面根據(jù)公司多年來的建設(shè)管理和運營維護(hù)經(jīng)驗，對感溫型和感光型隧道火災(zāi)自動報警系統(tǒng)在所轄路段投資造價、檢測效果、后期維護(hù)等方面進(jìn)行比較分析。

2.2.1 各系統(tǒng)運作情況比較

新建或改造的隧道火災(zāi)自動報警系統(tǒng)投入使用之前， 均會按照國家相關(guān)規(guī)范進(jìn)行模擬點火測試，在筆者參與的多次測試中，模擬點火測試的結(jié)果均能滿足規(guī)范要求。 就寧德高速公司現(xiàn)有的3 小類火災(zāi)自動報警系統(tǒng)而言，在模擬測試環(huán)境中雙波長火災(zāi)自動報警系統(tǒng)響應(yīng)更靈敏， 報警時間更短，其探測報警時間基本不受隧道內(nèi)風(fēng)速影響，火災(zāi)位置定位準(zhǔn)確。 而感溫型火災(zāi)自動報警系統(tǒng)需火災(zāi)發(fā)生到一定程度，感溫光纜周圍溫度上升到閾值或一定時間內(nèi)溫差發(fā)生巨大變化才會報警，受隧道內(nèi)風(fēng)速影響，火焰產(chǎn)生的熱量容易擴散，系統(tǒng)報警響應(yīng)時間會出現(xiàn)一定延遲。

在實際的通車運營環(huán)境中，雙波長探測器窗口受灰塵污染、火災(zāi)發(fā)生時過往車輛的遮擋等因素都會導(dǎo)致雙波長報警系統(tǒng)響應(yīng)時間延長，且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，信號、供電線纜沿電纜溝布設(shè)等方式極易受到環(huán)境、 雷電等因素的影響導(dǎo)致故障率居高不下，系統(tǒng)維護(hù)工作量大，難以保證系統(tǒng)始終處于完好狀態(tài)。 而感溫型火災(zāi)自動報警系統(tǒng)檢測光纜沿洞頂敷設(shè)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，探測器與主機通過光纜連接，不易受環(huán)境、雷電等因素出現(xiàn)故障，相比雙波長火災(zāi)報警系統(tǒng)其穩(wěn)定性和可靠性、維護(hù)工作量等均有優(yōu)勢，且系統(tǒng)具有連續(xù)分布式測量的特性，可通過比較相鄰區(qū)域的溫度及同區(qū)域溫度變化的速率來判斷是否有火情產(chǎn)生，在一定程度上彌補了隧道風(fēng)速對感溫型報警系統(tǒng)響應(yīng)時間的影響。

2.2.2 各系統(tǒng)造價比較

雙波長火災(zāi)自動報警系統(tǒng)中雙波長探測器在隧道內(nèi)必須以≤50 m 的間距連續(xù)布設(shè)，才能保證不存在盲區(qū)，其安裝數(shù)量與隧道長度成正比，且數(shù)量眾多，由于獨立檢測單元單價高，因此雙波長報警系統(tǒng)投資基本與隧道長度成正比。 而感溫型火災(zāi)自動報警系統(tǒng)中光纖既是溫度傳感器又是檢測信號傳輸通道， 光纖價格便宜， 僅有報警主機單價較高，但主機單通道的最大測量長度較長，按照每公里綜合造價測算， 感溫型報警系統(tǒng)具有明顯的優(yōu)勢（表1）。 另外，光纖本身所具有的耐腐蝕、防電磁干擾、壽命長的等特性，也使得感溫型火災(zāi)自動報警系統(tǒng)的服役年限更長。

表1 寧德同期通車的兩路段雙波長與光纖光柵火災(zāi)報警系統(tǒng)的造價比較

綜合比較，在長隧道中使用感溫型火災(zāi)自動報警系統(tǒng)既能在符合規(guī)范要求，又能降低整個系統(tǒng)的運營維護(hù)成本。

2.2.3 各系統(tǒng)后期維護(hù)比較

雙波長火災(zāi)報警系統(tǒng)其探測器感光窗口容易被汽車尾氣或塵土污染而導(dǎo)致靈敏度降低，需要定期清洗； 探測器的安裝高度也容易受到大型車輛（如蓬布未綁扎好、拉綠化樹木）的刮擦導(dǎo)致探測器方向角度發(fā)生變化而無法正常工作； 而數(shù)千米信號、供電線纜沿隧道壁和電纜溝布設(shè)，導(dǎo)致設(shè)備易遭受雷電感應(yīng)損壞， 在山區(qū)隧道這種情況尤其嚴(yán)重； 另鼠害或電纜溝蓋板損壞都可能造成信號、供電線纜中斷且此類故障不易排查，總體維護(hù)工作量較大， 特別是維護(hù)工作主要在隧道電纜溝上操作，隧道車輛呼嘯而過，對維護(hù)人員也存在較大的安全風(fēng)險。

相較而言， 光纖式感溫探測器中的光纖集檢測、定位、信號傳輸于一體，由于光纖傳輸信號是光信號而非傳統(tǒng)的電信號，監(jiān)測現(xiàn)場無需供電，實現(xiàn)了真正意義上的本質(zhì)安全， 同時具有抗電磁干擾、電絕緣性好、防雷擊、抗腐蝕、體積小、重量輕等優(yōu)點；光纜斷點便于定位的特性使得光纜故障的排查簡單易行，同時光纜懸掛在隧道頂部，也避免了探測器受車輛刮擦、鼠害或電纜溝蓋板等因素影響出現(xiàn)故障，后期維護(hù)工作量小，但系統(tǒng)施工時須對吊掛光纜的支架、鋼絲繩、掛鉤等部件和輔材所選用的材質(zhì)的抗銹蝕性能嚴(yán)格要求，嚴(yán)格把關(guān)安裝方式和施工工藝，充分考慮到隧道惡劣的環(huán)境對鋼構(gòu)件的腐蝕可能導(dǎo)致鋼絲繩、固定支架的影響，即可大大降低后期的維護(hù)工作量。

2.2.4 實際應(yīng)用效果分析

綜上所述，感光型火災(zāi)自動報警系統(tǒng)檢測靈敏度較高，但受環(huán)境影響大，可靠性不如感溫型火災(zāi)報警系統(tǒng)，投資高，后期維護(hù)工作量大、維護(hù)費用高。 感溫型火災(zāi)自動報警系統(tǒng)受環(huán)境影響小，系統(tǒng)可靠性高，投資少，后期維護(hù)工作量小、維護(hù)費用低，但在檢測靈敏度方面略遜于前者，二者各有其局限性。

結(jié)合寧德高速公路隧道在用的3 小類火災(zāi)報警系統(tǒng)實際應(yīng)用情況分析，感溫型自動火災(zāi)報警系統(tǒng)在隧道火災(zāi)事故中響應(yīng)時間略慢，但也在在規(guī)范要求的時間內(nèi)，而隧道車輛著火若要在火災(zāi)初期消滅，主要依靠司乘人員在火災(zāi)初期就利用隧道內(nèi)設(shè)置的消防栓、滅火器等消防器材自救。 因此，在整個火災(zāi)事故救援過程中，雙波長系統(tǒng)提前約15 s 響應(yīng)時間起到的作用并不大，同時感溫型自動火災(zāi)報警系統(tǒng)可靠性較高，維護(hù)工作量及費用較低，在實際發(fā)生的多起隧道火災(zāi)事故中均能有效報警且誤報率極低，相較而言，感溫型自動火災(zāi)報警系統(tǒng)更符合寧德高速公路隧道安全運營管理的需求。

3 結(jié)語

在筆者從事機電設(shè)備管理和維護(hù)過程中，接觸過許多不同類型的火災(zāi)報警設(shè)備廠家，各家多片面突出自身產(chǎn)品優(yōu)點，攻擊競爭產(chǎn)品缺點，少有能對自身產(chǎn)品做到全面客觀評價。 因此隧道火災(zāi)自動報警系統(tǒng)的的選擇要經(jīng)過廣泛深入的調(diào)查，本著實事求是的原則，在充分考慮其靈敏度、可靠性、誤報率、耐污損性、安裝和維護(hù)的難易程度及長期運維投入的綜合情況下，結(jié)合隧道車流量、車輛裝載貨物特點、地理環(huán)境等因素選用合適的設(shè)備類型和型號，有條件的情況下重點隧道火災(zāi)報警系統(tǒng)可以考慮感溫型、感光型組合或感溫型、圖像型組合方式建設(shè)，取長補短，才能最大程度地滿足隧道火災(zāi)探測的需要，保證隧道安全正常運營。