獨(dú)立式光電智能火災(zāi)探測技術(shù)在藏區(qū)古建筑中的應(yīng)用

王 濤，萬躍敏

（1.西藏自治區(qū)消防救援總隊(duì)，西藏 拉薩；2.秦皇島泰和安科技有限公司，河北 秦皇島）

引言

古建筑作為重要的文化遺產(chǎn)，承載著豐富的歷史和文化價值。而我國西藏地區(qū)古建筑以寺廟為主，多為土、石木結(jié)構(gòu)，采用椽子木、白瑪草等可燃材料，建筑耐火等級較低，并大量存放唐卡、經(jīng)書等珍貴文物，火災(zāi)風(fēng)險極大。目前在西藏寺廟中常用火災(zāi)報警系統(tǒng)為對點(diǎn)型火災(zāi)探測器，該系統(tǒng)的探測靈敏度不高，且屬于被動探測，易導(dǎo)致火災(zāi)誤報。本文提出了一種獨(dú)立式光電智能火災(zāi)探測系統(tǒng)，解決傳統(tǒng)火災(zāi)探測器誤報問題，同時均衡黑白煙響應(yīng)一致性，高靈敏性，滿足在藏區(qū)古建筑中應(yīng)用要求。

1 古建筑火災(zāi)探測技術(shù)需求分析

古建筑作為文化遺產(chǎn)的重要組成部分，具有獨(dú)特的構(gòu)造，并使用了傳統(tǒng)材料。首先，古建筑的構(gòu)造通?？紤]了氣候、地理和文化因素。此外，古建筑的維修和保養(yǎng)過程往往比較復(fù)雜，傳統(tǒng)的火災(zāi)探測技術(shù)在安裝和維護(hù)時面臨困難。因此，對于古建筑火災(zāi)探測技術(shù)，由于其特殊性和保護(hù)需求，需要從兼容性、靈敏度和調(diào)整性、耐受性和穩(wěn)定性、維護(hù)和可替換性等特殊需求方面進(jìn)行分析。

2 光電智能火災(zāi)探測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 光電智能火災(zāi)探測系統(tǒng)架構(gòu)

通過對古建筑火災(zāi)探測需求進(jìn)行分析，以及傳統(tǒng)火災(zāi)探測技術(shù)所面臨的局限性，如傳統(tǒng)技術(shù)通常依賴于煙霧、熱量或火焰等傳感器的單一信號，容易受到誤報和干擾[1]。導(dǎo)致傳統(tǒng)技術(shù)對古建筑特殊環(huán)境的適應(yīng)性有限，往往無法滿足古建筑火災(zāi)探測技術(shù)的特殊需求。因此，通過提出一種獨(dú)立式的光電智能火災(zāi)探測系統(tǒng)，解決傳統(tǒng)火災(zāi)探測技術(shù)在古建筑的局限性。

光電智能火災(zāi)探測系統(tǒng)作為一種創(chuàng)新的火災(zāi)探測技術(shù)，具備快速、準(zhǔn)確和可靠的特點(diǎn)[2]。隨著科技的發(fā)展和進(jìn)步，光電智能火災(zāi)探測技術(shù)在古建筑保護(hù)領(lǐng)域的應(yīng)用前景也日益廣闊。該技術(shù)可以通過感煙、熱敏、光學(xué)和智能分析等多重手段實(shí)現(xiàn)對火災(zāi)的及時檢測，并提供精確的報警信號，為火災(zāi)的防范和撲滅提供重要支持。

光電智能火災(zāi)探測系統(tǒng)是一種基于光電原理和智能算法的火災(zāi)探測解決方案。主要系統(tǒng)架構(gòu)由光電感煙探測器、控制器、數(shù)據(jù)傳輸和通信模塊、報警和應(yīng)急響應(yīng)設(shè)備、智能算法和分析功能等組成，系統(tǒng)架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

其中，光電感煙探測器是光電智能火災(zāi)探測系統(tǒng)的核心組件，它采用光電原理，通過檢測煙霧、可見光和紅外輻射等參數(shù)來判斷火災(zāi)的發(fā)生。光電探測器能夠及早檢測到火災(zāi)產(chǎn)生的煙霧和燃燒物，并發(fā)出相應(yīng)的火警信號。光電感煙探測器是根據(jù)火災(zāi)時煙霧對光傳播的特性進(jìn)行設(shè)計(jì)的，一般分為遮光型和散射型兩種類型。

其次，控制器是光電智能火災(zāi)探測系統(tǒng)的中樞。它接收光電探測器傳來的火警信號，并進(jìn)行處理和分析?？刂破骺梢詫鹁盘栠M(jìn)行驗(yàn)證，排除誤報情況，并觸發(fā)相應(yīng)的報警響應(yīng)措施。

另外，數(shù)據(jù)傳輸和通信模塊可以將火警信號和其他信息傳輸給指定的監(jiān)控中心、消防部門或其他管理人員。通信模塊可以使用有線或無線方式與外部系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和遠(yuǎn)程控制。

以及，報警和應(yīng)急響應(yīng)設(shè)備，一旦探測器檢測到火警信號，并經(jīng)由控制器驗(yàn)證，系統(tǒng)將觸發(fā)聲光報警設(shè)備進(jìn)行警報和提醒，同時可自動啟動相關(guān)的應(yīng)急設(shè)備，如噴淋系統(tǒng)、緊急疏散指示燈和通風(fēng)設(shè)備等。

最后，智能算法和分析功能，可以對火警信號進(jìn)行實(shí)時分析和處理，提高探測器的靈敏度和準(zhǔn)確性，同時可以識別火災(zāi)類型、火勢等級，并根據(jù)情況采取相應(yīng)的措施。

2.2 系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)

光電智能探測系統(tǒng)是一種利用火災(zāi)煙霧對光產(chǎn)生吸收和散射作用來探測火災(zāi)的裝置。根據(jù)煙粒子與光的相互作用，產(chǎn)生兩種不同的過程分別是，煙粒子可以發(fā)生散射，即以同樣波長再輻射已接收的能量，并在不同方向上產(chǎn)生不同強(qiáng)度的輻射；同時，光也可以被吸收，并轉(zhuǎn)變成其他形式的能量。為了探測煙霧的存在，可以使用減光型探測法或散射型探測法。其工作原理如圖2 所示。

光電智能探測系統(tǒng)的光電感煙器主要由發(fā)光元件和受光元件組成。在點(diǎn)型光電感煙探測器中，收發(fā)元件被安裝在一個小的暗室內(nèi)，煙霧可以進(jìn)入暗室但光線卻不能進(jìn)入。而在光束對射感煙探測器中，收發(fā)元件被安裝在開放空間中，用于檢測光路上的煙霧。在可見光和近紅外光譜范圍內(nèi)，對于黑煙，光主要以吸收為主，而對于灰、白煙，則主要是散射起作用。

根據(jù)煙霧粒子對光的吸收和散射作用，光電感煙式火災(zāi)探測器可分為減光式和散射光式兩種類型。減光式探測器通過檢測光通量的減少來判斷煙霧濃度，并進(jìn)一步進(jìn)行閾值放大比較、類比判斷處理或火災(zāi)參數(shù)運(yùn)算，最終產(chǎn)生相應(yīng)的火災(zāi)信號。散射式探測器則是通過散射光產(chǎn)生的光電流變化來判斷煙霧的存在，并用于激勵遮光暗室外部的信號處理電路，發(fā)出火災(zāi)信號。不同的處理方式和數(shù)據(jù)處理方式，可以構(gòu)成不同類型的火災(zāi)探測器，如閾值報警開關(guān)量火災(zāi)探測器、類比判斷模擬量火災(zāi)探測器和參數(shù)運(yùn)算智能化火災(zāi)探測器。

根據(jù)接收管接收到的光強(qiáng)弱，光電智能探測系統(tǒng)就可以判定是否存在煙霧或其他干擾項(xiàng)。主要根據(jù)光散射理論，顆粒的光散射特性受其形貌、大小和折射率的影響，并結(jié)合多種顆粒光散射模型，如光散射理論顆粒球形模型、煙顆粒分型結(jié)構(gòu)模型、體積隨機(jī)填充粉塵顆粒模型等，實(shí)現(xiàn)光電智能探測系統(tǒng)的感煙判斷功能。形成如圖3（a）、（b）和（c）所展示的油滴懸浮顆粒、火災(zāi)煙霧顆粒和粉塵懸浮顆粒的模型示意圖。油滴懸浮顆粒是由揮發(fā)的油脂、煙焦油等組成的近似球形顆粒，在大氣中存在。相關(guān)實(shí)驗(yàn)表明該油滴粒徑分布在0.5～10 μm 之間，計(jì)算中選取了油滴典型分布的中位徑為b=1 μm。同樣，通過實(shí)驗(yàn)表明水汽顆粒的典型分布中位徑也為b=1 μm。

圖3 顆粒模型示意

其中，火災(zāi)煙霧顆粒是具有近似分形結(jié)構(gòu)、基本粒子數(shù)近似服從對數(shù)正態(tài)分布、空間隨機(jī)取向的煙顆粒群，其結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)滿足公式（1）所示。

式中：N 為煙顆粒中的基本粒子數(shù)；kf為分形前置因子；Rg為煙顆粒的質(zhì)量回轉(zhuǎn)半徑；a 為基本粒子半徑；Df為分形維數(shù)。

通過公式（1）可知，當(dāng)其他參數(shù)確定時， 煙顆粒的尺度大小由凝團(tuán)的基本粒子數(shù)決定。

根據(jù)查閱相關(guān)文獻(xiàn)，公式中采用分形前因子kf=3.77，分形維數(shù)Df=1.85，基本粒子半徑a=30.8 nm，折射率為1.54+0.46i。

粉塵懸浮顆粒由于產(chǎn)生的機(jī)理和環(huán)境不同，是各種有機(jī)物和無機(jī)物等復(fù)雜成分構(gòu)成的一種隨機(jī)結(jié)構(gòu)顆粒，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，計(jì)算中取d=2 μm。

香燭與酥油燈產(chǎn)生的煙霧顆粒實(shí)際上與火災(zāi)煙霧顆粒相同，都屬于物質(zhì)燃燒后產(chǎn)生的煙霧，但其顯著的特點(diǎn)是與實(shí)際火災(zāi)煙霧的濃度增量不同，一般室內(nèi)香燭量小，且環(huán)境半開放，產(chǎn)生的煙霧濃度小，增量低。對于古建筑中常見的酥油燈、香燭火，這些煙霧不屬于火災(zāi)報警范圍。

光電感煙探測器采用探測煙霧粒徑的方法區(qū)分非火災(zāi)顆粒。該方法通過檢測光散射矩陣， 區(qū)分火災(zāi)煙霧顆粒和非火災(zāi)煙霧顆粒，可減少非火災(zāi)煙霧顆粒引起的誤報。同時采用煙霧濃度變化方式區(qū)分香燭燃燒產(chǎn)生的非火災(zāi)煙霧。

2.3 光電智能火災(zāi)探測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

針對于當(dāng)前古建筑火災(zāi)探測技術(shù)的特殊需求問題，結(jié)合系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)，提出了一種獨(dú)立式雙光電智能火災(zāi)探測系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用基于一體化注塑迷宮方式進(jìn)行了揚(yáng)塵顆粒極強(qiáng)拒入機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過使用雙向雙波段顆粒識別技術(shù)可區(qū)分出黑煙、白煙以及水汽、灰塵、香燭火、酥油燈、焚香等干擾，以及基于粒徑特征和煙霧濃度的智能火災(zāi)探測算法實(shí)現(xiàn)高效智能感煙探測功能。

2.3.1 揚(yáng)塵顆粒極強(qiáng)拒入機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的煙霧迷宮設(shè)計(jì)只設(shè)計(jì)了防蟲網(wǎng)、遮光齒和迷宮體部分。防蟲網(wǎng)的作用是阻止小型的飛蟲或爬蟲進(jìn)入迷宮干擾煙霧探測。遮光齒的作用是阻止外界光線進(jìn)入迷宮干擾煙霧探測，并且起到一定的混煙作用。但是這些部件無法有效阻止揚(yáng)塵或灰塵顆粒進(jìn)入迷宮干擾煙霧探測。因?yàn)槿绻苯幼柚够覊m，也同樣會阻止火災(zāi)煙霧的進(jìn)入迷宮，影響探測器的靈敏度，這也是傳統(tǒng)光電感煙探測器無法排除揚(yáng)塵誤報警問題的重要原因[3]。

獨(dú)立式光電智能火災(zāi)探測系統(tǒng)設(shè)計(jì)了揚(yáng)塵顆粒極強(qiáng)拒入機(jī)構(gòu)，如圖4 所示，采用不同于傳統(tǒng)方案的平面角，采用空間角度設(shè)計(jì)，通過上蓋限位，迷宮腔體與PCB 緊密扣合，形成封閉腔體，相對于傳統(tǒng)迷宮、防蟲網(wǎng)組裝為一體的設(shè)計(jì)，將防蟲網(wǎng)和迷宮上蓋一體化，解決傳統(tǒng)組裝方式可能帶來的縫隙隱患，從而提升產(chǎn)品揚(yáng)塵顆粒拒入能力。

圖4 揚(yáng)塵顆粒極強(qiáng)拒入機(jī)構(gòu)

2.3.2 基于光電二極管（LED）的典型顆粒特征提取及區(qū)分技術(shù)

當(dāng)前通過激光探測顆粒粒徑并進(jìn)行分析的煙霧或粉塵探測器技術(shù)已較為成熟，但由于成本過于高昂，不適用于文物建筑消防場合。利用成本較低的LED 光源取代激光進(jìn)行粒徑分析更為可行。然而，相比于激光，LED 聚光性較差，造成光信號的采集和分析存在一定困難，降低了粒徑識別的準(zhǔn)確性，需要從光源選擇、光路設(shè)置、感光元件及其轉(zhuǎn)換電路等多方面進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，其中受限空間典型火災(zāi)顆粒生成與運(yùn)輸過程如圖5 所示。同時，現(xiàn)有文物建筑內(nèi)典型火災(zāi)煙霧及干擾源顆粒的特征差異并不顯著，相關(guān)數(shù)據(jù)存在缺失，成為制約粒徑識別準(zhǔn)確率提高的關(guān)鍵因素。

圖5 受限空間典型火災(zāi)顆粒生成與運(yùn)輸過程

根據(jù)發(fā)射光與散射光的夾角，即散射角，可將產(chǎn)品探測類型分為前向散射和后向散射，如圖6 所示。散射角θ 的定義為：入射光光軸與粒子散射光光軸的夾角。根掘散射光與入射光的相對方向可分為前向散射與后向散射，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。

圖6 散射強(qiáng)度和散射角度關(guān)系示意

煙霧粒子散射特性：

（1） 散射不對稱：前向散射明顯強(qiáng)于后向散射；（2） 粒子顏色對散射強(qiáng)度的影響：白煙散射光強(qiáng)度強(qiáng)于黑煙。

基于光波的散射原理，不同發(fā)射角度的雙波段光電二極管煙霧傳感器，可放大懸浮顆粒特征，并結(jié)合不同應(yīng)用下的數(shù)據(jù)模型，可以有效地區(qū)分出黑煙、白煙以及水汽、灰塵、香燭火、酥油燈、焚香等干擾。

2.3.3 基于粒徑特征和煙霧濃度的智能火災(zāi)探測算法

火災(zāi)煙霧主要分為兩個大類，即白煙和黑煙，如圖7 所示。

圖7 火災(zāi)的黑煙與白煙

白煙定義：民用場所，所使用的日用品、裝飾材料多為棉毛制品，在發(fā)生火災(zāi)時產(chǎn)生的煙以灰白色為主，所以定義棉織品或木材制品火災(zāi)時產(chǎn)生的煙霧統(tǒng)稱為白煙。既GB4715 中火災(zāi)靈敏度火災(zāi)中的SH1 和SH2 實(shí)驗(yàn)火。

黑煙定義：建筑室內(nèi)裝修及用品中大量使用化纖、塑料制品，在燃燒時會產(chǎn)生大量黑煙，所以石化產(chǎn)品火災(zāi)時產(chǎn)生的煙霧統(tǒng)稱為黑煙。既GB4715 中火災(zāi)靈敏度火災(zāi)中的SH3 和SH4 實(shí)驗(yàn)火。

前向光電感煙探測器對白煙響應(yīng)靈敏度較高，對黑煙響應(yīng)靈敏度較低。即使設(shè)計(jì)合理的前向散射光電火災(zāi)探測器，為了通過SH3 和SH4 黑煙試驗(yàn)，不得不把探測器的響應(yīng)閾值調(diào)得很小，對應(yīng)的m 值往往小于0.15 db/m（白煙情況下m 值）。過小的m 值給產(chǎn)品一致性和標(biāo)定帶來了不少的困難。但即使是通過了黑煙試驗(yàn)，也是響應(yīng)很慢的情況下，黑煙接近最高點(diǎn)時才報警。

后向光電感煙探測器對黑煙響應(yīng)靈敏度較高，對白煙響應(yīng)靈敏度較低。比較容易解決黑煙靈敏響應(yīng)的問題。后向散射光電感煙探測器最高可以在m 值設(shè)置為0.5 db/m（白煙情況下m 值）時，還能很好地通過SH3 和SH4 黑煙試驗(yàn)。

為此根據(jù)前向感煙探測器和后向感煙探測器對于黑白煙的不同靈敏度，設(shè)計(jì)一款雙向感煙探測器，從而提高白煙報警閾值的同時可以保證黑煙的靈敏度。

具體為根據(jù)雙向探測器在黑白煙情況下對于煙霧的不同靈敏度，即前向探測區(qū)域?qū)τ诎谉熋舾?、黑煙不敏感以及后向探測區(qū)域?qū)τ诤跓熋舾小谉煵幻舾械奶匦?，通過對黑白煙的煙霧測試驗(yàn)證，建立對應(yīng)的模型，通過前后向的數(shù)據(jù)值判斷出當(dāng)前的具體煙霧種類，并根據(jù)煙霧種類進(jìn)行煙霧濃度的判斷，當(dāng)煙霧濃度超出閾值時，產(chǎn)品進(jìn)行報警。

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的獨(dú)立式雙光電感煙火災(zāi)探測系統(tǒng)，主要是通過揚(yáng)塵顆粒極強(qiáng)拒入機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)、典型顆粒特征的提取和區(qū)分、前后向黑白煙探測的設(shè)計(jì)和算法應(yīng)用，可以較好地區(qū)分火災(zāi)煙霧和一定量的水汽、香燭火、酥油燈、焚香和油煙等功能。該探測系統(tǒng)可以保證火災(zāi)探測的靈敏度，并適用于建筑物內(nèi)部的各個場所。尤其是解決了藏區(qū)文物建筑采用傳統(tǒng)光電感煙探測器時在面對粉塵、香燭、焚香和煨桑等煙霧時出現(xiàn)誤報警問題的情況，同時也解決了傳統(tǒng)光電感煙探測器對標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)煙霧響應(yīng)不均衡的問題。因此，該探測器基本可以滿足藏區(qū)古建筑火災(zāi)探測和報警需求。