雙向雙波段感煙探測技術(shù)在文物建筑中的應(yīng)用分析

■ 何楨 中國人民警察大學

一、引言

我國歷史悠久，文物建筑數(shù)量眾多，但因建筑多為木結(jié)構(gòu)或磚木結(jié)構(gòu)建造，具有極大的火災危險性，火災的及時準確探測對防范文物建筑火災的發(fā)展、蔓延具有重要意義。木材燃燒的初始階段首先產(chǎn)生一定量煙霧，此時明火和熱量累積尚不明顯，因此，光電感煙火災探測是當前在文物建筑中采用最為廣泛的技術(shù)。

傳統(tǒng)光電感煙探測器采用一發(fā)一收的方式進行煙霧檢測，并采用簡單的閾值判定算法進行煙霧類別及報警判斷，因此粉塵、水蒸氣等粒徑與煙霧粒子相差無幾的干擾源會使探測器誤報。文物建筑作為火災危險性極大的場所，傳統(tǒng)的光電感煙探測器無法確保能夠準確監(jiān)測到火災的發(fā)生，而雙光電感煙探測技術(shù)的出現(xiàn)則更符合文物建筑場所的感煙火災探測需要。文章將傳統(tǒng)光電感煙探測器與雙向雙波段的光電感煙探測器（以下簡稱“雙光電”）進行對比，分析雙光電感煙探測器在文物建筑中的應(yīng)用優(yōu)勢。雙光電感煙探測器能夠有效降低感煙探測器誤報率，提高煙霧報警響應(yīng)均衡度，有效降低文物建筑的火災危險性，對保護文物建筑、防止文物建筑大型火災的發(fā)生具有重要意義。

二、文物建筑應(yīng)用分析

（一）文物建筑火災案例

根據(jù)應(yīng)急管理部消防救援局給出的數(shù)據(jù)，近十年來，全國共接報文物古建筑火災392起，直接財產(chǎn)損失2808.9萬元。

2014年以來，國家相關(guān)部門陸續(xù)制定出臺了《古城鎮(zhèn)和村寨火災防控指導意見》《關(guān)于加強歷史文化名城名鎮(zhèn)名村及文物建筑消防安全工作的指導意見》《文物建筑電氣防火導則（試行）》等來確保文物建筑的消防安全[1]。

2014年1月3日凌晨2時49分，云南省大理州巍山縣拱辰樓發(fā)生火災，過火面積約300m2，600多年歷史古跡全被燒毀。拱辰樓位于巍山縣城南詔鎮(zhèn)，原為蒙化衛(wèi)城的北門城樓，始建于明洪武二十三年，是巍山古城的標志性建筑之一，是云南省級文物保護單位。

2017年12月10日12時39分，四川省一座寺廟發(fā)生火災，被大火燒毀的木塔已修建8年，共16層高，號稱亞洲第一高木塔。火災造成寺內(nèi)大雄寶殿、上師殿、高塔（在建）全部過火。起火點位于寺廟大殿，隨后引燃高塔。

2020年5月4日，溫州永嘉縣巖頭鎮(zhèn)芙蓉古村內(nèi)的司馬第大屋突發(fā)火災，芙蓉古村始建于唐末，是楠溪江流域歷史最悠久的村落，按照“七星八斗”布局設(shè)計，寓意人才輩出如同星斗繁密無數(shù)。村寨布局呈蓮花瓣形，村內(nèi)道路、水渠迂回曲折， 至今仍世襲珍藏著南宋“十八金帶”的容圖、象牙笏板、祭器和“黃金印”等古物。 此次過火建筑面積約1246m2。火災未造成人員傷亡。

從上述三個案例中可以看出，文物建筑一旦發(fā)生火災，會對國家和社會財產(chǎn)造成極大的損失。文物建筑火災的發(fā)生有多種因素的作用，在消防設(shè)備方面，許多文物建筑內(nèi)未安裝光電感煙探測器或是感煙探測器無法正常作用。在國家文物局2020年1月份的一次排查中，許多文物建筑內(nèi)的光電感煙探測器無法對火災煙霧進行有效報警，將雙光電感煙探測器替代傳統(tǒng)光電感煙探測器應(yīng)用在文物建筑內(nèi)會成為有效降低建筑火災危險性的一種手段。

（二）雙光電探測器應(yīng)用分析

我國最為普遍的（磚）木結(jié)構(gòu)文物建筑是雙光電智能火災探測器及其報警系統(tǒng)的主要應(yīng)用場合之一。在各地政府都大力整治文物古建筑火災的形勢下，尋找替代傳統(tǒng)光電感煙探測器，具備更靈敏、更準確的火災探測器將成為必然的趨勢，而雙光電感煙探測器的工作原理及適用場景更符合文物建筑的建筑特點，具有非常重要的應(yīng)用意義：

（1）文物建筑具有無法復刻的珍貴價值，因此火災探測應(yīng)做到“探早報小”，即在無明火的陰燃階段就可對煙霧進行有效的探測識別；

（2）文物建筑為防止電氣火災事故發(fā)生，絕大部分房間夜間關(guān)燈斷電，甚至室內(nèi)完全沒有引入照明，因此，一些基于探測火焰光原理的圖像型火災探測器因?qū)Νh(huán)境亮度有所要求，難以實現(xiàn)煙霧探測功能；

（3）文物建筑普遍較封閉，灰塵經(jīng)年累積，火災探測器的工作環(huán)境較為惡劣，誤報率偏高。而且文物保護單位人員編制較少，技術(shù)力量較薄弱，要求探測器穩(wěn)定可靠，易于維護，因此亟待開發(fā)具有優(yōu)良抗干擾性能的感煙火災探測器；

（4）文物建筑大部分房間面積較小、層高較低，要求探測器盡可能隱蔽安裝，減少對其原始風貌的破壞。

三、基本原理

（一）光電感煙探測器

目前的光電感煙火災探測器均基于煙霧顆粒對光的散射原理，其基本實現(xiàn)方式是：發(fā)射器發(fā)出紅外光束，經(jīng)過氣體室中的顆粒區(qū)域后發(fā)生散射，由接收器探測散射光強并轉(zhuǎn)換為電信號。通常顆粒濃度越高，散射光強越大，當達到報警閾值后發(fā)出報警。典型散射光型感煙火災探測器結(jié)構(gòu)如圖1所示，主體由發(fā)光二極管（LED）發(fā)射器、光電二極管（PD）接收器、腔體迷宮等組成，具有成本低、可靠性高、易于組裝等優(yōu)點。

對光電感煙探測器來說，影響其探測精準度的因素主要有粒子的粒徑、散射角、煙霧類別等。

1.粒徑

根據(jù)粒子粒徑的不同，大體上可分為小粒徑、中等粒徑、大粒徑三類，根據(jù)粒徑的不同，其符合的光學散射原理也不同。小粒徑粒子符合瑞利散射理論，中等粒徑粒子符合一般光學散射理論、大粒徑粒子符合米散射理論，而火災煙氣的絕大部分粒子直徑分布在0.01～10μm。表1為部分煙霧粒子粒徑[2]：

表1 部分煙霧粒子粒徑分布

2.散射角

散射角是指探測器內(nèi)發(fā)射管與接收管形成的角度θ，θ＜90°即散射光與入射光同一方向的為前向散射，θ＞90°即散射光與入射光方向相反的為后向散射。傳統(tǒng)單發(fā)射光電感煙探測器采用的多為前向散射，其散射角度θ有120°、135°等。把入射光方向和散射光方向組成的平面作為觀察面，如圖2所示。

3.煙霧類別

火災煙霧可分為兩大類，即黑煙和白煙。黑煙基本是石油化工產(chǎn)品燃燒后產(chǎn)生的顆粒凝聚后的產(chǎn)物，白煙基本是植物纖維產(chǎn)品燃燒后產(chǎn)生的顆?！，F(xiàn)有的光電感煙探測器對黑煙和白煙的響應(yīng)靈敏度不同，導致兩種煙霧情況下報警時間相差較多。

現(xiàn)有的光電感煙火災探測器由于通過直接探測煙霧濃度進行報警，所以容易受非火災煙霧顆粒如水汽、油煙、粉塵、香燭等干擾而發(fā)生誤報[3]。以上海市為例，上海市內(nèi)一天煙霧探測器的報警總數(shù)可達到幾十萬次，其中出現(xiàn)明火導致探測器報警的只有二百多次，可見誤報的比例相當之大。

在文物建筑中，因其建筑時間長、建筑材料老化等因素，建筑內(nèi)有非常多非火災煙霧粒子，傳統(tǒng)火災煙霧探測器的作用受到極大的限制。因此需要深入研究火災煙霧顆粒與非火災干擾顆粒的光散射特征、改善光電感煙探測機理，而雙光電感煙探測器則能夠更加準確地進行火災煙霧的識別。

（二）雙光電感煙探測器

根據(jù)Mie散射原理，不同性質(zhì)的顆粒對光的散射存在方向差異，同時對不同波長的光的散射能力也存在區(qū)別。因此，雙光電感煙火災探測器能夠?qū)η跋蚝秃笙虻纳⑸涔鈴娺M行精確檢測，結(jié)合不同波長的發(fā)射光源，識別出煙霧顆粒并得到其濃度，顯著提高煙霧探測的可靠性。如圖3所示，為雙光電感煙探測器原理圖。

孫悟[4]等人通過使用T矩陣法，選擇兩種不同波長的光得到了不同光條件下火災煙霧粒子與非火災煙霧粒子的矩陣，通過數(shù)值運算成功區(qū)分了火災煙霧粒子、液滴粒子與粉塵粒子；鄧田[5]等人采用雙波長光線采集煙霧粒子的粒徑分布圖，通過多通道的多參數(shù)火災探測方法，成功實現(xiàn)了對白煙和黑煙的區(qū)分。

對于特定波長的散射效率計算如圖4所示。傳統(tǒng)的光電感煙探測器廣泛采用的是近紅外LED，波長在880～940nm。近年來，具有更短波長的藍光LED（波長470nm）被證明可以用來檢測更小的氣溶膠粒子，藍光散射效率的增加相對于近紅外來說非常明顯，因此雙光電感煙探測器多采用紅藍光作為發(fā)射光來探測煙霧，對于各種粒徑的粒子都能夠有效進行分辨。

圖5展示了光如何在與粒子發(fā)生光散射后進行向前和向后散射，對小粒子來說，前向和后向散射光強度基本均等，對于大粒子來說，前向散射光強度顯著大于后向散射。

（三）文物建筑應(yīng)用分析

根據(jù)傳統(tǒng)感煙探測器與雙光電感煙探測器的原理分析，經(jīng)對比可說明后者比前者更加適用于文物建筑的感煙探測：

1.準確性高

雙光電感煙探測器采用兩發(fā)一收設(shè)計，可精準判別煙霧粒子種類，降低文物建筑內(nèi)非煙霧粒子的干擾率，提高感煙探測準確性。

2.抗干擾性強

環(huán)境對傳統(tǒng)光電感煙探測器的影響較大，夏季氣溫高、濕度大，嚴重影響到探測器內(nèi)部的電子器件；冬季探測器的溫差效應(yīng)易形成水霧，導致發(fā)生光散射[6]。雙光電感煙探測器為雙波長光，受環(huán)境影響更小，抗干擾性強。

3.低成本

在電子領(lǐng)域科技更加進步的今天，雙光電感煙探測器的設(shè)計更加優(yōu)化，元器件搭配更加精簡有效，例如，國內(nèi)的依愛消防等開發(fā)的雙光電感煙探測器成本更低，具有更多的經(jīng)濟效益。

四、結(jié)語

具體而言，此類探測器是專門針對文物建筑的室內(nèi)火災?？紤]到我國文物建筑自身及其火災具有以上特征，更加凸顯了此類探測器在文物建筑中應(yīng)用的重要意義。雙光電智能火災探測器及其報警系統(tǒng)，通過對探測原理的升級改進和探測算法的開發(fā)優(yōu)化，在保證及早報警的同時能顯著降低誤報率，無疑是我國文物建筑火災探測領(lǐng)域更具前景的技術(shù)及應(yīng)用方向。