基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的地鐵排煙噴霧系統(tǒng)設(shè)計

李軍 彭偉

（安徽理工大學(xué)，安徽 淮南 232001）

0 引言

地鐵作為替代城市汽車代步工具，不僅減少了二氧化碳的產(chǎn)生，同時也帶動了地鐵沿線的商業(yè)發(fā)展。2020年中國地鐵運營線路長度達7 253.73km，截止到2021年6月中國有地鐵的城市有48座。目前區(qū)間隧道由于空間狹長，為充分利用狹長的空間，地鐵車站或區(qū)間的火災(zāi)事故通風(fēng)系統(tǒng)常會與正常通風(fēng)系統(tǒng)共用，或者一個通風(fēng)系統(tǒng)同時服務(wù)多個區(qū)域、承擔(dān)多種功能，這就難免在發(fā)生火災(zāi)時濃煙排出難，熱量聚集，再加之地下散熱條件與通信網(wǎng)絡(luò)差，使得人員疏散困難。這就使得通風(fēng)系統(tǒng)的組成、控制模式、功能轉(zhuǎn)換時需動作的設(shè)備數(shù)量多，通風(fēng)系統(tǒng)的正常運行模式轉(zhuǎn)換為火災(zāi)事故運行模式的時間存在延長的風(fēng)險。當(dāng)車輛因隧道火災(zāi)，導(dǎo)致地鐵動力喪失，或因火災(zāi)無法繼續(xù)行駛到前方站臺時，乘客不得不采取緊急疏散的方式，易造成人員的二次傷害，為解決本問題，本文研究基于物聯(lián)網(wǎng)的智能地鐵排煙噴霧系統(tǒng)，該系統(tǒng)是一種自動消防設(shè)施，以期實現(xiàn)協(xié)助人員疏散。

1 地鐵火災(zāi)排煙噴霧理論基礎(chǔ)

1.1 自組織網(wǎng)絡(luò)機理

當(dāng)災(zāi)害導(dǎo)致原有通信設(shè)施無法使用時，就需構(gòu)建一個救援的通信網(wǎng)，能在緊急救援時快速構(gòu)建通信網(wǎng)，實現(xiàn)有效的救援。隨著物聯(lián)網(wǎng)的蓬勃發(fā)展，IPv6日益普及，目前自組織網(wǎng)絡(luò)有很多研究與實踐都是基于IPv6平臺上改進的。自組織網(wǎng)絡(luò)中的各種計算機設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中的作用是同等重要的，在進行信息交互的時候，既可以作為移動客戶端，也可以作為移動服務(wù)端，將所有移動終端快速組織到無線網(wǎng)絡(luò)中，且自組織網(wǎng)絡(luò)通過接口接入網(wǎng)關(guān)（AP）的轉(zhuǎn)發(fā)和路由可以與有線網(wǎng)絡(luò)互通無線，也可以和傳統(tǒng)有線網(wǎng)絡(luò)相互補充，相輔相成。

1.2 細水霧降溫裝置的機理

可在離風(fēng)機有較遠一段距離處設(shè)置細小水霧噴嘴，細水霧在汽化過程中可吸收大量熱量，實現(xiàn)對火場影響區(qū)域進行降溫，補救地鐵隧道通風(fēng)不足的缺陷。細水霧作用后，一方面細水霧抑制了火災(zāi)燃燒，降低了煙氣流溫度，減緩了二氧化碳的產(chǎn)生速率，保證了風(fēng)機的排煙能力；另一方面細水霧溶解了部分二氧化碳。同時細水霧配合排煙機，將蒸發(fā)汽化或吸熱后形成的水蒸氣帶出火場區(qū)域，從而避免水霧堆積，以及因濕度上升對地鐵隧道設(shè)備產(chǎn)生的不良影響。

1.3 排煙機工作的機理

根據(jù)現(xiàn)行條件，城市地鐵大都位于地下空間，天然的外向洞口基本沒有。這時，就應(yīng)當(dāng)考慮采用機械通風(fēng)的方法來防止煙氣進入處于無煙區(qū)非著火列車，但利用機械排煙不可能完全滿足要求，因為煙氣只有通過隧道內(nèi)靠近排煙風(fēng)機處才能被排出，這就給疏散人群帶來危險感。在提高排煙換氣率的情況下，可致部分煙氣及時被排煙機排走。在煙氣通過排煙機處時，溫度對比煙氣沒有經(jīng)過排煙機處有很明顯的下降幅度。隧道排煙換氣率大的隧道頂棚溫度低于隧道排煙換氣率小的隧道頂棚溫度?；鹪次恢貌贾迷谂棚L(fēng)口及其下游，可有效阻止煙氣蔓延，因此地鐵排煙噴霧系統(tǒng)可以移動到火源位置的下游。

2 系統(tǒng)主要功能和結(jié)構(gòu)架構(gòu)

地鐵因與外部相連的通道少，且寬度與高度尺寸較少，在活塞風(fēng)影響下火災(zāi)容易迅速蔓延到鄰近車廂，進而造成車廂連續(xù)燃燒，引發(fā)重大火災(zāi)，由于沒有充分燃燒的氣體和物質(zhì)，在空氣充足的狀態(tài)下，遇到明火或者溫度到達一定時，將會繼續(xù)燃燒，同時隧道火災(zāi)傳感器也有一定的誤報率。因此研究一種能夠跟蹤采集、定位追溯、消防聯(lián)動、自動控制、信息處理、協(xié)助疏散、信息可視的智能排煙噴霧系統(tǒng)尤為重要。基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的地鐵排煙噴霧系統(tǒng)將智能控制、深度學(xué)習(xí)、與室內(nèi)精確定位技術(shù)結(jié)合，利用原有軌行區(qū)火災(zāi)探測器的報警信號，對火場區(qū)域進行檢測、監(jiān)控，從而實現(xiàn)對火場信息的快速準確的識別以及對火場區(qū)域的排煙降溫。

3 系統(tǒng)設(shè)計方案

3.1 總體方案

地下隧道敷設(shè)鐵軌后，需在隧道內(nèi)建立自組織網(wǎng)絡(luò)，在頂部圍巖上架設(shè)上軌道，軌行車則在上軌道行駛，排煙噴霧裝置、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備與軌行車安裝在一起。通過程序控制軌行車整體的行駛以及排煙風(fēng)機的開啟和細水霧裝置啟動。物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備接受原有軌行區(qū)的火災(zāi)探測器報警信號，通過信號確定起火點的位置，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備根據(jù)位置控制軌行車去帶動整個設(shè)備沿上軌道運行到火災(zāi)區(qū)域，同時運用監(jiān)測數(shù)據(jù)采集與定位單元進行視頻監(jiān)控，提供事故現(xiàn)場信息給平臺，然后根據(jù)煙霧的大小，系統(tǒng)自動控制設(shè)備上端的排煙裝置對籠罩在隧道頂部的煙氣進行抽離，另外，利用設(shè)備的細水霧化噴霧裝置對火場下部區(qū)域噴霧，起到降溫和吸收隧道空氣中煙霧的效果，保證火場區(qū)域的煙氣能夠及時排出，以及保持軌行區(qū)下部區(qū)域的低溫。細水霧化噴頭經(jīng)高壓水泵將細水霧對火場影響的區(qū)域進行噴灑，達到一個溫度較低，能見度較好的疏散條件。監(jiān)測數(shù)據(jù)采集與定位單元運用視頻監(jiān)控事故現(xiàn)場的情況，為救援指揮提供依據(jù)，軌行車帶動排煙噴霧設(shè)備移動，其不受工作場合限制，輕便、靈活的地鐵軌行區(qū)排煙噴霧設(shè)備從協(xié)助人員疏散入手，實現(xiàn)有效救援。

3.2 系統(tǒng)組成

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的地鐵排煙噴霧系統(tǒng)，包括監(jiān)測數(shù)據(jù)采集與定位子系統(tǒng)、運移子系統(tǒng)。運移系統(tǒng)主要由地鐵上軌道設(shè)備（包括上軌道軌行車、直軌道、上斜軌道、設(shè)備檢修間）和排煙噴霧裝置組成。監(jiān)測數(shù)據(jù)采集與定位子系統(tǒng)由定位傳感器、火場數(shù)據(jù)監(jiān)測設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備組成。其中，上軌道軌行車由低功率廣域網(wǎng)絡(luò)、速度控制器、傳感器網(wǎng)絡(luò)、云數(shù)據(jù)庫、人工智能引擎及用戶界面組成。

3.3 地鐵火災(zāi)排煙噴霧系統(tǒng)設(shè)計

地鐵火災(zāi)排煙噴霧系統(tǒng)主要用于實現(xiàn)對火場區(qū)域的定位、檢測、監(jiān)控、排煙、噴霧、指示等一系列自動化過程。同時，控制中心人員可以在后方通過遠程監(jiān)控系統(tǒng)對隧道進行監(jiān)視與排煙噴霧系統(tǒng)的控制，如圖1所示的隧道斷面排煙噴霧系統(tǒng)的組成圖。該系統(tǒng)主要能夠?qū)崿F(xiàn)以下功能。

圖1 隧道斷面排煙噴霧系統(tǒng)圖

3.3.1 定位、檢測與監(jiān)控

地鐵火災(zāi)排煙噴霧系統(tǒng)能夠依據(jù)傳感器信息對火場區(qū)域進行自動識別與定位，通過輪式軌行車的移動實現(xiàn)對火場區(qū)域的多次檢測，并運用深度學(xué)習(xí)的人工智能進行預(yù)測和鑒別隧道火災(zāi)是否誤報及在設(shè)備失效的環(huán)境下模擬火災(zāi)發(fā)生的場景。如圖2所示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖展現(xiàn)的系統(tǒng)可開啟視頻監(jiān)控，除可對火場區(qū)域進行監(jiān)控外，平時也能對隧道內(nèi)通風(fēng)、照明、消防泵、排水泵等設(shè)備進行監(jiān)控，在發(fā)生事故時將相關(guān)信息反饋至控制平臺，控制平臺提供位置給管理人員，管理人員依據(jù)信息，決定派遣人員對相應(yīng)位置的隧道進行救援。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

3.3.2 排煙、噴霧

地鐵火災(zāi)排煙噴霧系統(tǒng)能夠?qū)崟r檢測火場信息，控制排煙風(fēng)機跟隨噴霧配合，從而達到一個溫度較低，能見度較好，刺激性氣體較少的疏散條件，減光系數(shù)與人行走速度的關(guān)系，且刺激性氣體和減光系數(shù)是影響人員疏散的重要因素。該系統(tǒng)在人工智能算法下能識別火場區(qū)域的火災(zāi)在隧道活塞風(fēng)的作用下產(chǎn)生突變的現(xiàn)象及火源功率的大小，在火災(zāi)蔓延趨勢已到來時處置，對煙氣溫度大于60℃的區(qū)域進行排煙噴霧。

3.3.3 智能控制

地鐵火災(zāi)排煙噴霧系統(tǒng)在火場災(zāi)害區(qū)域應(yīng)具有實時性、容錯性、魯棒性、自適應(yīng)性，系統(tǒng)通過檢測與監(jiān)控火場區(qū)域，自主控制排煙風(fēng)機功率和噴霧水壓，協(xié)助救援，救援信息反饋至火災(zāi)中央控制平臺，對火場區(qū)域自動完成跟蹤與處置結(jié)束后，火災(zāi)排煙噴霧系統(tǒng)自動后退至相應(yīng)位置。如遇突發(fā)情況時，可以進行人工遠程控制，進行相關(guān)檢測、操作。

3.3.4 動態(tài)指示

地鐵火災(zāi)排煙噴霧系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對火場區(qū)域的火災(zāi)羽流的實時監(jiān)控與圖像傳輸，通過電腦、手機等交互界面控制系統(tǒng)完成各種人工動作指令。系統(tǒng)通過煙霧傳感器實時監(jiān)測火場區(qū)域附近的煙霧濃度，發(fā)現(xiàn)濃度超標時及時向疏散人員發(fā)出警報，并控制消防應(yīng)急照明和疏散指示標志系統(tǒng)給疏散人員顯示合適的逃生信息，如疏散指示標志標示出當(dāng)前位置與前方聯(lián)絡(luò)通道或安全出口的最近距離和控制消防應(yīng)急照明燈，減少疏散人員產(chǎn)生應(yīng)激反應(yīng)。

4 結(jié)語

地鐵隧道發(fā)生火災(zāi)后，主要依靠消防應(yīng)急照明和疏散標志指示燈保證人員疏散，這將給疏散人員心理造成較大的壓力。我國TB 10020—2017《鐵路隧道防災(zāi)疏散救援工程設(shè)計規(guī)范》即采用“定點救援”原則，不考慮火災(zāi)列車隨機?？坑趨^(qū)間隧道的排煙，且針對長度超過20 km的隧道或隧道群才應(yīng)要設(shè)有應(yīng)急救助站，而針對長度10 km的單孔隧道則被需要在洞身段設(shè)有不少于一處應(yīng)急出口以及避難所。而有的區(qū)間可能僅僅只能通過出口通風(fēng)，在這種受限空間，大量煙霧和有害氣體在火災(zāi)熱動力的作用下迅速布滿區(qū)間隧道，一氧化碳和其他有毒氣體可致人在數(shù)分鐘內(nèi)死亡。且隧道內(nèi)的手機信號因土巖結(jié)構(gòu)的阻擋也不如在地表處傳輸穩(wěn)定，火災(zāi)的發(fā)生又導(dǎo)致了其他通信工具的癱瘓，這樣便阻斷了與外界聯(lián)絡(luò)，而隧道內(nèi)的高溫和高濃度煙霧也使外部的消防人員開展救援工作困難，達不成理想的營救要求。本系統(tǒng)建立自組織網(wǎng)絡(luò)確保排煙噴霧系統(tǒng)在通信設(shè)備癱瘓時，降低災(zāi)害對排煙噴霧的通信影響，提供信息給隧道內(nèi)外部救援人員，排煙降溫，實現(xiàn)協(xié)助救援，但由于無線通信技術(shù)的限制，導(dǎo)致通信距離有限，需要布置多個無線接入網(wǎng)點。從長遠看，未來智能輔助救援設(shè)備將與專業(yè)的地鐵隧道救援隊一同應(yīng)對火災(zāi)事故，尤其是應(yīng)對救援人員進入困難的場所，實現(xiàn)在必須安全疏散時間內(nèi)達成救援及減少人員傷亡效果。