工業(yè)建筑群火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)環(huán)型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

楊智勇

（隆基樂(lè)葉光伏科技（西咸新區(qū)）有限公司，陜西 西安 712000）

0 引言

與民用建筑不同，工業(yè)建筑具有不同的防火特點(diǎn)，這是因?yàn)楣I(yè)建筑主要是為工業(yè)生產(chǎn)或者為生產(chǎn)服務(wù)的空間，例如廠房、倉(cāng)儲(chǔ)結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)車(chē)間等，其具有結(jié)構(gòu)多樣、體量大、生產(chǎn)設(shè)備多、管線復(fù)雜、存儲(chǔ)易燃易爆物品、燃燒條件充分等特點(diǎn)，受到生產(chǎn)車(chē)間環(huán)境溫度、濕度、粉塵、強(qiáng)磁場(chǎng)等因素的影響，也增加了火災(zāi)危險(xiǎn)性[1]?；馂?zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)作為工業(yè)建筑物早期火災(zāi)的有效控制消防設(shè)備措施，它在工業(yè)建筑中也得到廣泛應(yīng)用[2]。在工業(yè)建筑群是由多棟工業(yè)廠房組成的建筑群，各個(gè)建筑之間的功能不一、管線復(fù)雜、生產(chǎn)環(huán)境和生產(chǎn)工藝流程多變、火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)分散且回路距離長(zhǎng)等，導(dǎo)致工業(yè)建筑群的防火系統(tǒng)、設(shè)備存在不同程度的故障，工業(yè)建筑群火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是影響人身和財(cái)產(chǎn)安全的首要問(wèn)題[3]。

1 工程概況

陜西省西安市某工業(yè)園區(qū)位于城市郊區(qū)，由于建設(shè)過(guò)程采用分階段實(shí)施，先后共建成了相對(duì)獨(dú)立的5座工業(yè)分園區(qū)，最終形成工業(yè)建筑群，總占地面積87239.08m2，總建筑面積25482.35m2，建設(shè)規(guī)模1.47億元。每個(gè)工業(yè)分園區(qū)均由6座標(biāo)準(zhǔn)化廠房組成，廠房按數(shù)字編號(hào)為1#～6#，所有標(biāo)準(zhǔn)化廠房均采用標(biāo)準(zhǔn)鋼結(jié)構(gòu)工程，高度均為3層（8.5m），跨度均為32m，其中1#、2#、3#、4#廠房長(zhǎng)132m，5#、6#廠房長(zhǎng)120m，柱距6m，邊柱頂標(biāo)高8.5m，建筑面積4224m2，廠房由GJ1和GJ2兩種鋼架組成。其中GJ1鋼架有兩榀，GJ2鋼架有21榀，GJ1鋼架鋼柱之間設(shè)置有抗風(fēng)柱，GJ2鋼架設(shè)置有中柱，跨距大。每棟廠房的功能分區(qū)很多，一樓主要為進(jìn)料區(qū)和加工區(qū)，二樓主要為包裝區(qū)和控制區(qū)，三樓主要為成品區(qū)和存儲(chǔ)區(qū)。由于工業(yè)園區(qū)的建筑物很多、功能分區(qū)分層、工業(yè)分園區(qū)相對(duì)獨(dú)立、生產(chǎn)車(chē)間環(huán)境復(fù)雜、易燃易爆物品很多等，導(dǎo)致廠區(qū)建筑群的火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警設(shè)計(jì)系統(tǒng)分散，設(shè)計(jì)回路距離長(zhǎng)，使建筑群火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)在運(yùn)營(yíng)時(shí)容易出現(xiàn)各種故障隱患，因此結(jié)合園區(qū)建筑的特點(diǎn)，采用環(huán)形結(jié)構(gòu)火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)將各個(gè)建筑物群串聯(lián)，以避免回路過(guò)長(zhǎng)等問(wèn)題。

2 建筑群環(huán)形火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特性及設(shè)計(jì)

2.1 建筑群火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)環(huán)形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特性及設(shè)計(jì)

在火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)環(huán)形結(jié)構(gòu)中，控制器串聯(lián)形成環(huán)形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，控制器線路形成環(huán)形回路結(jié)構(gòu)[4-5]。環(huán)形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是將相互獨(dú)立的很多火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警控制器進(jìn)行串聯(lián)，串聯(lián)數(shù)量可以達(dá)到35臺(tái)，各臺(tái)火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警控制器之間的信息交互和跨屏控制、聯(lián)動(dòng)功能則借助運(yùn)行程序的局域網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)，可以設(shè)置火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警控制器的層級(jí)管理，也可以設(shè)置火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警器的自主控制和無(wú)層級(jí)操作[6]。建筑群火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)環(huán)形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)具有2個(gè)典型特性：1）為高效率和高可信度的信息交互。在火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)中，控制器的環(huán)形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)具有拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特征，每個(gè)火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警控制器能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)火災(zāi)信息的識(shí)別、獲取、發(fā)送、接收、預(yù)警和轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等功能，控制器以SCK403B0X處理器為運(yùn)算核心，獨(dú)立的環(huán)形網(wǎng)路結(jié)構(gòu)之間的可以無(wú)障礙地共享信息及跨區(qū)域機(jī)器控制、人機(jī)交互[7]，火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警控制器的功能模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。從圖中可以看出，F(xiàn)LASH ROM SST39VF160Q和SDRAM HY57V641620HG是火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警控制器的兩個(gè)重要存儲(chǔ)核心模塊，兩者均在操作系統(tǒng)uCLinux中可以得到動(dòng)態(tài)運(yùn)行，前者為16位1M大小的Flash存儲(chǔ)器，用于嵌入式系統(tǒng)的BootLoader存儲(chǔ)，后者為16位1M大小的4 Banks SDRAM，主要是存儲(chǔ)uCLinux的程序代碼，并與CPU的頻率同步。2）為信號(hào)中斷的自動(dòng)隔離與兩端通信。在火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)中的控制器系列，當(dāng)網(wǎng)路中的控制器節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障時(shí)，環(huán)形網(wǎng)絡(luò)將自動(dòng)將故障控制器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行自動(dòng)隔離，其余控制器節(jié)點(diǎn)保留通信功能和控制層級(jí)，當(dāng)控制節(jié)點(diǎn)之間的網(wǎng)絡(luò)線路出現(xiàn)故障時(shí)，線路兩端的控制器則會(huì)自動(dòng)向兩端進(jìn)行通信，節(jié)點(diǎn)仍保持通信功能，實(shí)現(xiàn)環(huán)形網(wǎng)路和控制器節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)重組，以避免故障網(wǎng)路的影響，如圖2所示。

圖1 控制器的功能模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.2 建筑群火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)環(huán)形回路結(jié)構(gòu)特性及設(shè)計(jì)

火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)的環(huán)形回路結(jié)構(gòu)與控制器分散的線形結(jié)構(gòu)不同，可以有效環(huán)節(jié)控制器之間回路的冗余，實(shí)現(xiàn)減少回路故障，使信息傳輸更高效?；馂?zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)環(huán)形回路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3所示，其典型結(jié)構(gòu)特性如下。

圖3 火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警環(huán)形結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的回路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

其一為信號(hào)中斷的自動(dòng)隔離與兩端通信。如圖4所示，當(dāng)火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警環(huán)形結(jié)構(gòu)地址單元之間出現(xiàn)開(kāi)路情況時(shí)，為避免出現(xiàn)系統(tǒng)通信中斷情況，回路主要通過(guò)A支路和B支路向兩端進(jìn)行信號(hào)傳輸，以免故障影響導(dǎo)致火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警功能的失效。

圖4 工業(yè)建筑群火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)環(huán)形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的仿真計(jì)算結(jié)果

其二為具有高強(qiáng)度的系統(tǒng)自我保護(hù)能力。為避免環(huán)形結(jié)構(gòu)系統(tǒng)在出現(xiàn)短路或接地等故障時(shí)受到功能受損影響，在設(shè)備系統(tǒng)中可以設(shè)置短路隔離器，線路出現(xiàn)異常時(shí)可以保護(hù)系統(tǒng)，在各個(gè)系統(tǒng)中的組件也可以設(shè)置短路隔離器，以保證及時(shí)系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)生短路狀況，系統(tǒng)中的組件仍具備運(yùn)行能力。

其三為強(qiáng)大的環(huán)路接分支能力。工業(yè)建筑群具有線路長(zhǎng)、建筑物分散等特點(diǎn)，而環(huán)形回路很好地適用于這種工況條件，能夠在環(huán)形回路中任意位置實(shí)現(xiàn)分支節(jié)點(diǎn)的接駁，支路上最大可接駁35個(gè)地址元件，提高了系統(tǒng)的連接能力，也避免了單一線路中只能在端頭接駁的弊端。

3 火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)環(huán)型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在工業(yè)建筑群中的應(yīng)用效果

為驗(yàn)證以上火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)環(huán)形結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)效果，基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論和MATLAB仿真軟件，選取明火、陰燃和無(wú)火3種工況進(jìn)行分析，分別計(jì)算其期望值。模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算的學(xué)習(xí)率η如公式（1）所示。

式中：E為期望；k為訓(xùn)練樣本；β=1.06；θ=0.78；α=1.07。

仿真計(jì)算的訓(xùn)練樣本共40個(gè)，參數(shù)分別為煙霧濃度、傳感器溫度和CO濃度，見(jiàn)表1。其中煙霧濃度的測(cè)量采用NIK-80D型離子式煙霧傳感器檢測(cè)，可以對(duì)各種顏色的煙霧產(chǎn)生高靈敏度的探測(cè)，其靈敏度特性為當(dāng)煙霧濃度為0時(shí)，輸出電壓為（5.6±0.4）V，當(dāng)煙霧濃度1%時(shí)，輸出電壓為（5.3±0.5）V，當(dāng)煙霧濃度為2%時(shí)，輸出電壓為（5.0±0.5）V，當(dāng)煙霧濃度為3%時(shí)，輸出電壓為（4.7±0.5）V，當(dāng)煙霧濃度為4%時(shí)，輸出電壓為（4.4±0.5）V，所有電壓誤差范圍為（0.3±0.5）V。CO氣體濃度采用NAD-507型電化學(xué)CO氣體監(jiān)測(cè)器探測(cè)，其檢測(cè)CO氣體范圍為0～1000×10-10，分辨率為1×10-10，響應(yīng)時(shí)間小于30s，可在最短的時(shí)間預(yù)警，防止人體吸入過(guò)量CO中毒而物理逃生，監(jiān)測(cè)器可工作環(huán)境溫度為-20℃～50℃，可工作環(huán)境濕度為15%RH～90%RH，重復(fù)再現(xiàn)性在±2%以內(nèi)。溫度則由HN37型溫度傳感器獲得環(huán)境中由于物質(zhì)燃燒產(chǎn)生的熱量，其外形結(jié)構(gòu)為φ3mm×10mm金屬殼封裝，延長(zhǎng)線為φ0.5mm×15mm高溫線，可測(cè)量范圍為-50℃～200℃，線性度為±0.5%，電壓溫度系數(shù)為-2mV/℃。

表1 基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的仿真計(jì)算訓(xùn)練樣本

從圖中可以看出，工業(yè)建筑群發(fā)生無(wú)火、陰燃和明火的期望曲線均呈現(xiàn)不同程度的波動(dòng)，但是波動(dòng)的幅度均在較小的區(qū)間范圍內(nèi)，在平均值中上下浮動(dòng)。工業(yè)建筑發(fā)生無(wú)火的期望平均值最大，其數(shù)值為0.83，而工業(yè)建筑發(fā)生陰燃的期望平均值和發(fā)生明火的期望平均值均較小，前者為0.27，后者為0.10。由此表明，采用環(huán)形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的工業(yè)建筑群火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)能夠有地預(yù)防火災(zāi)的發(fā)生，達(dá)到了火災(zāi)報(bào)警的目的。

4 結(jié)論

該文以陜西省西安市某工業(yè)園區(qū)建筑群的自動(dòng)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)為例，在分析建筑群環(huán)形火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特性基礎(chǔ)上，將建筑物群進(jìn)行環(huán)形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并通過(guò)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論和MATLAB仿真軟件驗(yàn)證應(yīng)用效果，得到以下3個(gè)結(jié)論：1）工業(yè)園區(qū)建筑群由多棟工業(yè)廠房組成，各個(gè)建筑之間的功能不同、管線復(fù)雜、生產(chǎn)環(huán)境和生產(chǎn)工藝流程多變、火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)分散且回路距離長(zhǎng)，運(yùn)用環(huán)形結(jié)構(gòu)自動(dòng)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有明顯優(yōu)勢(shì)。2）環(huán)形網(wǎng)路具有高效率和高可信度的信息交互能力、信號(hào)中斷的自動(dòng)隔離與兩端通信能力，環(huán)形結(jié)構(gòu)具有信號(hào)中斷的自動(dòng)隔離與兩端通信能力、高強(qiáng)度的系統(tǒng)自我保護(hù)能力和強(qiáng)大的環(huán)路接分支能力。3）基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論和MATLAB仿真軟件，對(duì)采用環(huán)形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的工業(yè)建筑群火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)發(fā)生無(wú)火、陰燃和明火的期望進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果表明，工業(yè)建筑發(fā)生無(wú)火的期望為0.83，發(fā)生陰燃的期望平均值為0.27和發(fā)生明火的期望平均值為0.10，采用環(huán)形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的工業(yè)建筑群火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)能夠有地預(yù)防火災(zāi)的發(fā)生，達(dá)到了火災(zāi)報(bào)警的目的。