極早期火災(zāi)探測技術(shù)在客滾船中的應(yīng)用

□黃劍1林建華童梅靜

近年來，客滾船火災(zāi)事故時有發(fā)生，而大多數(shù)火災(zāi)事故都發(fā)生在汽車艙內(nèi)，有的甚至造成了重大的海難事故。在汽車艙失火時，由于安裝的火災(zāi)探測器靈敏度低，且受艙內(nèi)空間結(jié)構(gòu)影響未能在火情發(fā)生早期即時探測識別，往往待火勢發(fā)展到一定程度時，艙內(nèi)火災(zāi)探測系統(tǒng)才發(fā)出報警，錯過了撲滅火災(zāi)的黃金時間，最終釀成重大海難事故。因此，有必要對汽車艙火災(zāi)早期探測技術(shù)及應(yīng)用進(jìn)行研究。筆者從分析汽車艙火災(zāi)成因及特點入手，結(jié)合汽車艙結(jié)構(gòu)“大空間、強對流”的特殊性，對汽車艙目前的火災(zāi)探測系統(tǒng)存在的問題及原因進(jìn)行分析。在研究極早期火災(zāi)探測技術(shù)的基礎(chǔ)上，對幾種探測技術(shù)的優(yōu)缺點進(jìn)行分析，提出采用多探測器結(jié)合的技術(shù)方案，為盡早發(fā)現(xiàn)和撲滅火災(zāi)贏取寶貴時間。

一、汽車艙火災(zāi)情況分析

客滾船是滾裝船與客船的結(jié)合體，它將兩種船舶的優(yōu)點合二為一，客、車、貨可同船運輸，具有很高的運輸效率。然而，正是由于客、車、貨同船，而使得火災(zāi)的危險性大大增加，因而火災(zāi)事故時有發(fā)生。

1. 汽車艙火災(zāi)成因

（1）車輛火患。車輛燃油可能發(fā)生滲漏，滲出燃油積聚在艙內(nèi)，當(dāng)油氣濃度達(dá)到一定極限，一旦遇到明火，就會引起火災(zāi)或爆炸。此外，車輛也存在因電線短路引起火災(zāi)的風(fēng)險。

（2）裝載危險物。車輛違規(guī)裝載的易燃易爆危險品受撞擊或者泄漏均可自燃。

（3）新能源車發(fā)生自燃。新能源車因電池受撞擊或故障等原因易發(fā)生自燃。

（4）車輛位移碰撞。在風(fēng)浪大時，如汽車艙內(nèi)的車輛沒有固定好，車輛容易發(fā)生位移造成互碰，導(dǎo)致油箱破裂，油料外泄，引起燃燒或爆炸。

（5）車輛溫度過高。因車輛駕駛員忘記熄火，導(dǎo)致車輛發(fā)動機溫度過高，引發(fā)火情。

（6）船舶自身隱患?？蜐L船自身電纜老化、破裂或受損裸露，電纜一旦發(fā)生短路，易引發(fā)火災(zāi)。

（7）司機、旅客違反規(guī)定。司機或旅客違章吸煙,亂扔煙頭，易引發(fā)火災(zāi)。

（8）港口管理部門管理不嚴(yán)。管理人員責(zé)任心不強，沒有按照安全管理相關(guān)規(guī)定對車輛、人員進(jìn)行有效檢查和管理。

2. 汽車艙火災(zāi)特點

（1）火勢蔓延快。由于汽車艙并非全封閉，且為全通甲板，船首尾兩端存在強烈的空氣對流，火勢容易擴大。如果一處著火就會很快波及全船；艙內(nèi)車輛輪胎、電瓶等極易發(fā)生爆炸，造成火勢在艙內(nèi)迅速蔓延。

（2）撲救難度大?；馂?zāi)發(fā)生后，艙內(nèi)煙霧彌漫，難以確定著火點；艙內(nèi)車輛密集，撲救風(fēng)險高、難度大；當(dāng)船舶電線、電纜被燒損，船舶動力系統(tǒng)、照明系統(tǒng)停止工作，極大增加火災(zāi)撲救和人員疏散的難度。

3. 汽車艙空間結(jié)構(gòu)特點

汽車艙面積可達(dá)數(shù)千平方米，高度超過5 米，艙首、艙尾非水密門結(jié)構(gòu)，航行時艙內(nèi)產(chǎn)生強對流空氣，因此汽車艙結(jié)構(gòu)具有“大空間、強對流”的特點。

4. 汽車艙火災(zāi)探測中存在的問題分析

汽車艙目前普遍使用的火災(zāi)探測器主要是傳統(tǒng)的點型探測器，如圖1 所示，存在探測靈敏度較低的問題。例如，傳統(tǒng)點型煙霧探測器靈敏度僅為3%～5%obs/m，而傳統(tǒng)點型溫度探測器，即使靈敏度最高的，也僅能檢測0.5℃/分鐘的溫度上升速度。由于汽車艙空間較大，在船舶航行時艙內(nèi)的空氣會產(chǎn)生強烈對流，在熱源產(chǎn)生煙霧時，氣流會將煙霧稀釋，或妨礙煙霧上升。由于汽車艙內(nèi)頂部有大的結(jié)構(gòu)橫梁，發(fā)生火災(zāi)時，頂部煙霧被橫梁阻擋致使感煙探測器響應(yīng)時間變長，且探測器靈敏度低，只有當(dāng)火情迅猛發(fā)展并產(chǎn)生了大量熱量和煙霧，探測器才能發(fā)生作用。同樣由于汽車艙空氣流通較快，要使火情溫度達(dá)到安裝在汽車艙頂部的溫度探測器的報警閾值，火勢可能已發(fā)展到不可控的嚴(yán)重程度，溫度探測器難以起到消防預(yù)警的作用。

圖1 汽車艙內(nèi)煙霧探測器

二、火災(zāi)變化過程及主要特征

可燃物與助燃物相互作用發(fā)生的氧化反應(yīng)隨即燃燒，燃燒過程中伴隨著產(chǎn)生光和熱?；馂?zāi)變化過程主要分為4 個階段：初起期、陰燃期、發(fā)展期、熄滅期。具體表現(xiàn)特征為：初起期，平均溫度不高，火災(zāi)發(fā)展速度不快，火勢不穩(wěn)定，產(chǎn)生大量的煙霧氣溶膠；陰燃期，所占時間較短，煙霧氣濃度較高，溫度迅速升高，遇明火極易點燃；發(fā)展期，產(chǎn)生大量可見光，溫度很高，火勢迅速蔓延，已形成火災(zāi)；熄滅期，燃燒速率逐漸降低，溫度均值降至峰值的80%以下。

火災(zāi)發(fā)生時，通常伴生火焰、光和煙。產(chǎn)生的新成分是火災(zāi)的主要特征，這些特征通常被定義為火災(zāi)參量，檢測這些參量可判斷是否發(fā)生了火災(zāi)。由于火源、燃燒物性質(zhì)及環(huán)境的復(fù)雜性，采用測量單一火災(zāi)參量以確定火災(zāi)是否存在的做法，結(jié)果往往是不可靠、不可信的，往往需要對2 個或多個火災(zāi)參量同時測量，綜合分析，才能較有把握地確定火災(zāi)是否發(fā)生。因此，有必要對各種火災(zāi)探測技術(shù)進(jìn)行深入的研究。

三、極早期火災(zāi)探測技術(shù)在汽車艙的應(yīng)用

在火災(zāi)發(fā)生前30—120 分鐘的時間段內(nèi)，即在火災(zāi)的初始陰燃階段，對火災(zāi)參量進(jìn)行檢測和判斷，稱為極早期火災(zāi)探測。在火災(zāi)初起陰燃階段，對溫度、煙霧的探測是極早期識別火災(zāi)的可靠手段，同時，對燃燒產(chǎn)生的光的光譜及火焰進(jìn)行探測分析，可更精確判斷火災(zāi)是否發(fā)生。

1. 紅外熱成像探測技術(shù)在汽車艙的應(yīng)用

自然界所有溫度在絕對零度（－273 ℃）以上的物體，因其分子、原子的熱運動而不斷地產(chǎn)生紅外熱輻射，這是紅外熱成像的技術(shù)基礎(chǔ)。與傳統(tǒng)的點型溫度探測器相比，紅外熱成像探測器具有很高的測量精度和響應(yīng)時間，在火災(zāi)陰燃階段，就可探知溫度異常升高并報警。此外紅外熱成像探測器還具有不受光線、霧霾、氣流等外部環(huán)境影響等特性。紅外熱成像探測器適用于汽車艙極早期火災(zāi)探測。在汽車艙頂部安裝探測器，當(dāng)探測器探測到其下視場范圍內(nèi)的任何物體溫度達(dá)到預(yù)設(shè)的報警閾值時即產(chǎn)生報警，并標(biāo)定該物體所在的區(qū)域。

2. 煙霧探測技術(shù)

產(chǎn)生大量煙霧和氣溶膠，是火災(zāi)初始陰燃階段最顯著特征之一。由于汽車艙氣流變化較大，熱源產(chǎn)生的煙霧被氣流稀釋，汽車艙頂部的傳統(tǒng)點型煙霧探測器難以探測到艙內(nèi)被稀釋的煙霧，需要采用靈敏度高、抗干擾能力強的煙霧探測技術(shù)。

（1）吸氣式煙感探測技術(shù)在汽車艙的應(yīng)用。該技術(shù)屬于高靈敏度煙感探測技術(shù)，它的工作原理是應(yīng)用激光散射測量和煙粒子計數(shù)技術(shù)，在防火區(qū)域布設(shè)空氣抽樣管道網(wǎng)，然后通過抽氣泵，連續(xù)不斷地主動抽取監(jiān)控區(qū)域的空氣樣本，空氣樣本被送至裝有激光探測光源及接收器的探測室。探測室通過光源發(fā)出探測光束，光束照射到空氣樣本上，如空氣樣本中含有煙粒子成分，發(fā)出的光束將產(chǎn)生散射，散射的光信號被探測室內(nèi)的激光接收器接受，接收器通過檢測接受到的散射光的強弱變化，或通過計量散射光信號的脈沖數(shù)，測量出空氣樣本的煙粒子數(shù)。當(dāng)煙粒子數(shù)達(dá)到某一設(shè)定閾值時，產(chǎn)生警報，如圖2 所示。

圖2 激光散射系統(tǒng)

該技術(shù)適用于汽車艙極早期火災(zāi)探測，它采用主動空氣采樣探測方式，靈敏度高且調(diào)節(jié)范圍很寬（0.005%～20%obs/米），空氣對流對其探測結(jié)果及響應(yīng)時間的影響很小，抗干擾能力強，既可以發(fā)現(xiàn)早期發(fā)生的火情，也可以發(fā)現(xiàn)吸煙或其他原因產(chǎn)生的微小煙霧，在火災(zāi)初始陰燃階段可見煙出現(xiàn)之前即發(fā)出報警。

3. 光探測技術(shù)

光是火災(zāi)參量之一，通過對光檢測和分析可作為火災(zāi)是否發(fā)生的判斷或參考依據(jù)。光探測常采用對光敏感的元件，如光敏電阻、光電管、紅外光敏管等，對火焰進(jìn)行探測。雙波段紅外火焰探測技術(shù)在汽車艙的應(yīng)用。該探測技術(shù)的原理是利用火焰的閃爍效應(yīng)和紅外輻射特性進(jìn)行火災(zāi)探測。閃爍特性指火焰會隨著燃燒不斷閃爍和跳躍，經(jīng)實驗檢測，其跳動頻率一般為1 ～15 赫茲；紅外輻射特性指一般光源，如白熾燈、LED 燈等，其發(fā)光強度在紅外波段呈下降趨勢，而火焰則呈上升趨勢。應(yīng)用該類技術(shù)的探測器對汽油燃燒火焰的跳動頻率十分敏感，對因汽車汽油泄漏而產(chǎn)生的火災(zāi)具有較好的探測效果。該探測技術(shù)不受環(huán)境氣流影響，抗干擾能力強，響應(yīng)速度快，適用于汽車艙火災(zāi)探測。

4. 圖像火災(zāi)探測技術(shù)

近年來，受基于人工智能的計算機視覺技術(shù)發(fā)展的推動，火災(zāi)探測技術(shù)也發(fā)生了很大的進(jìn)步，從傳統(tǒng)的感溫、感煙、感光探測發(fā)展到基于圖像化、智能化的新型探測。目前，圖像火災(zāi)探測技術(shù)的研究和應(yīng)用取得了很大的進(jìn)展，達(dá)到了火災(zāi)探測技術(shù)的較高水平。根據(jù)不同的探測對象和識別算法，圖像火災(zāi)探測可分為圖像火焰探測和圖像煙霧探測2 種：圖像火焰探測技術(shù)是通過采集火焰的視頻圖像，然后通過分析火焰的形狀、面積、頻域等特性來識別火焰；圖像煙霧探測技術(shù)是通過采集火焰的視頻圖像，然后通過分析火焰的背景模糊、湍流特性、紋理等特性來識別煙霧。

圖像火災(zāi)探測采用人工智能和圖像識別進(jìn)行火災(zāi)探測，特別適用于汽車艙，它不受空間高度、汽車尾氣、空氣對流、鹽霧等的影響，可以有效地避免誤報、遲報、漏報甚至失效的問題。

四、幾種火災(zāi)探測器比較

1. 紅外熱成像探測器

紅外熱成像探測器在火災(zāi)尚未能被人眼所識別的情況下，正確探測潛在的火災(zāi)并發(fā)出警報，為極早期火災(zāi)探測提供了有效的手段。在大空間環(huán)境早期火災(zāi)探測中，面臨且難以解決的是靈敏度與可靠性之間的矛盾，而這種探測器能夠做到兩者之間的有機統(tǒng)一。其具有探測距離遠(yuǎn)、靈敏度高、覆蓋范圍廣、反應(yīng)迅速、誤報率低、不受氣流影響等優(yōu)點，但須在可視范圍內(nèi)才能有效發(fā)揮作用，如果探測物被遮擋，將無法發(fā)揮作用。

2. 吸氣式煙感探測器

吸氣式煙感探測器具有較高靈敏度和響應(yīng)速度，在非可視范圍內(nèi)仍可工作，在燃燒初期可見煙出現(xiàn)之前即發(fā)出警報。但它本質(zhì)上仍屬于氣體濃度探測，仍會受強氣流的影響。

3. 點型紅外火焰探測器

點型紅外火焰探測器不受氣流影響、抗干擾能力強、對火焰響應(yīng)速度快，缺點是只能在可視范圍內(nèi)發(fā)生明火的時候，方能有效探測火情。

4. 圖像型火災(zāi)探測器

圖像型火災(zāi)探測器可探測陰燃階段產(chǎn)生的煙霧及燃燒階段的火焰，不受氣流干擾、響應(yīng)速度快，探測準(zhǔn)確度主要取決于火災(zāi)圖像識別算法，隨著人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展，其準(zhǔn)確度也在不斷提高。

五、汽車移動偵測技術(shù)

車輛如發(fā)生位移相互碰撞，造成燃油泄漏，遇到明火便會引起燃燒和爆炸，因此有必要通過技術(shù)手段及早發(fā)現(xiàn)車輛位移。應(yīng)用移動偵測技術(shù)，在汽車艙頂不同間隔安裝移動偵測攝像機，攝像機采集不同幀率的圖像，然后將圖像按一定的算法進(jìn)行計算和比較，當(dāng)車輛發(fā)生位移時，計算比較結(jié)果得出的數(shù)值會發(fā)生變化，當(dāng)其超過閾值時立即產(chǎn)生位移事件報警信號。

六、多技術(shù)手段結(jié)合的極早期火災(zāi)探測

火災(zāi)的燃燒過程十分復(fù)雜，往往伴有多個火災(zāi)參量。采用測量單一火災(zāi)參量以確定火災(zāi)是否存在的做法，其準(zhǔn)確性和適用性都難以保證。通過同時測量、綜合分析2 個或者多個火災(zāi)參量，才能較有把握地確定火災(zāi)是否發(fā)生。汽車艙火災(zāi)的火源、燃燒物及環(huán)境均有其特殊性，采用的火災(zāi)探測技術(shù)和設(shè)備，必須與其特殊性緊密結(jié)合，才能取得較好的效果。

1. 汽車艙常見火災(zāi)及探測器適用性分析

（1）燃油泄漏、吸煙等引發(fā)的火災(zāi)。車輛存在燃油滲漏或者載有易燃物，一旦遇到明火或者火星，火災(zāi)瞬間即進(jìn)入燃燒階段，溫度迅速升高并產(chǎn)生強光。對這類火災(zāi)，吸氣式煙感探測器可能產(chǎn)生遲報警，而采用紅外熱成像探測器和雙波段火焰探測器，通過測量溫度、火焰這兩個火災(zāi)參量來識別火情，可準(zhǔn)確、及時地發(fā)現(xiàn)火災(zāi)。

（2）電器設(shè)備和電纜故障引發(fā)的火災(zāi)。電器設(shè)備故障或者電纜、電池短路造成過熱時，其陰燃階段可持續(xù)很長時間，在達(dá)到燃燒物著火點后，才進(jìn)入燃燒階段，此時紅外熱成像探測器和吸氣式煙感探測器具有較大的探測優(yōu)勢。

2. 采用火災(zāi)探測設(shè)備的考慮因素

在選擇汽車艙火災(zāi)探測設(shè)備時，首先要考慮能最大程度地克服強對流空氣影響；其次要結(jié)合各種火源和燃燒物特點，還要解決監(jiān)控對象相互遮擋而造成監(jiān)控區(qū)域可視范圍受限以及車輛移位等問題；第三要考慮施工、工程造價等因素。

3. 多技術(shù)手段結(jié)合的汽車艙極早期火災(zāi)探測

各種火災(zāi)探測技術(shù)和設(shè)備在功能和性能上各有長短，需采用多種探測手段相互取長補短，最終實現(xiàn)汽車艙的極早期火災(zāi)探測。技術(shù)方案是集成“紅外熱成像探測器+吸氣式煙感探測器+點型雙波段紅外火焰探測器+移動探測設(shè)備”，針對不同的火源、燃燒物和環(huán)境因素，探測器在火災(zāi)不同階段發(fā)揮各自的作用，達(dá)到火災(zāi)早期預(yù)警的目的。見表1 所列。

表1 各類型探測器的探測參量、適應(yīng)環(huán)境、不同火災(zāi)階段探測能力

七、多技術(shù)手段結(jié)合的極早期火災(zāi)探測應(yīng)用

2022 年海南海峽航運股份有限公司在其客滾船汽車艙火災(zāi)探測系統(tǒng)改造中，采用了“紅外熱成像探測器+吸氣式煙感探測器+點型雙波段紅外火焰探測器+移動探測設(shè)備”的技術(shù)方案，并開發(fā)了一套多傳感器融合算法和抗誤報算法，經(jīng)過近1 年多的使用情況證明，與傳統(tǒng)的依靠單一傳感器來進(jìn)行探測的方法相比，火災(zāi)的早期預(yù)警能力、火災(zāi)探測的準(zhǔn)確性和可靠性得到了很大的提升。

八、提高火警預(yù)警系統(tǒng)環(huán)境適應(yīng)性措施

在汽車艙內(nèi)，汽車尾氣排放、灰塵積累等都可能引起探測器的誤報或靈敏度的下降，需要采取措施提高其對環(huán)境的適應(yīng)性。除了采取常用的措施如定期對熱成像探測器、煙霧探測器進(jìn)行檢查、清潔，及時更換易耗件外，還可在軟件上采用相應(yīng)的抗誤報算法，避免因汽車尾氣、鹽霧、灰塵、船舶振動等引進(jìn)的誤報、漏報現(xiàn)象。

九、結(jié)語

由于客滾船汽車艙結(jié)構(gòu)、環(huán)境、燃燒的特殊性，常用的點型感溫、感煙探測器作用受限，難以實現(xiàn)對火災(zāi)的早發(fā)現(xiàn)、早預(yù)警。通過多種火災(zāi)探測手段相互取長補短，實現(xiàn)了極早期火災(zāi)的探測和報警，在客滾船火災(zāi)防控上具有巨大的應(yīng)用價值和良好的前景。