人防工程通風(fēng)與排煙系統(tǒng)在火災(zāi)中的聯(lián)動控制機制

摘要：人防工程是特殊情況下用于保護人員和物資的重要設(shè)施，其通風(fēng)和排煙系統(tǒng)是保障工程內(nèi)部消防安全的關(guān)鍵部分，在消防安全保障體系中，人防工程通風(fēng)與排煙系統(tǒng)的協(xié)同聯(lián)動控制意義重大。深入分析人防工程中通風(fēng)與排煙系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)構(gòu)成，及其在火災(zāi)情境下的聯(lián)動觸發(fā)邏輯，重點研究了煙霧與溫感信號的識別機制，以及這些信號對聯(lián)動響應(yīng)的觸發(fā)作用。通過將模糊控制算法與PID算法相結(jié)合，構(gòu)建多參數(shù)驅(qū)動的聯(lián)動控制模型，明確了各執(zhí)行機構(gòu)的響應(yīng)策略和協(xié)同動作方式。旨在提高系統(tǒng)在火災(zāi)初期的響應(yīng)效率與控制精準(zhǔn)度，從而有效抑制火勢蔓延，為人員疏散和應(yīng)急救援爭取關(guān)鍵時間，全面增強人防工程的火災(zāi)防控能力。

關(guān)鍵詞：人防工程；通風(fēng)系統(tǒng)；排煙系統(tǒng)；火災(zāi)聯(lián)動控制

人防工程作為特殊的地下空間，在面臨火災(zāi)事故時，由于空間呈封閉狀態(tài)、通風(fēng)受約束等結(jié)構(gòu)特性，煙氣會迅速積聚、溫度急劇升高、毒性顯著增強，極易引發(fā)群死群傷等災(zāi)難性后果，實現(xiàn)通風(fēng)與排煙系統(tǒng)的高效聯(lián)合控制，能及時消除煙霧、降低毒氣濃度，給人員疏散以及消防救援贏得寶貴時間。構(gòu)建契合實戰(zhàn)需求的通排聯(lián)動控制體系，在監(jiān)測機制、算法邏輯及執(zhí)行協(xié)同等關(guān)鍵環(huán)節(jié)實現(xiàn)突破，推動人防工程向更高水平的安全運營體系發(fā)展。

1 人防工程通風(fēng)與排煙系統(tǒng)的組成與功能分析

1.1" 通風(fēng)系統(tǒng)的基本構(gòu)成與作用

風(fēng)機、進風(fēng)口、初中效過濾單元及風(fēng)壓調(diào)節(jié)機構(gòu)共同構(gòu)成了通風(fēng)系統(tǒng)的進風(fēng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過建立內(nèi)部正壓場，能有效阻擋外部煙氣倒灌，實現(xiàn)含氧量與二氧化碳濃度的動態(tài)平衡調(diào)控。

通風(fēng)系統(tǒng)的排風(fēng)系統(tǒng)主要由排風(fēng)道、止回裝置以及排風(fēng)風(fēng)機組成，其作用是迅速排走內(nèi)部積攢的熱氣和有毒氣體，在系統(tǒng)運行階段，排風(fēng)風(fēng)機的額定排量宜不小于5700m3/h，風(fēng)壓應(yīng)控制在500～1000Pa之間，以滿足高層人防地下室通風(fēng)換氣與排煙要求[1]，使高密度煙霧能迅速從受影響區(qū)域轉(zhuǎn)移出去。為防止二次污染與熱氣逆向灌入，止回閥組件應(yīng)具備熱敏閉合功能，且需與電動聯(lián)動控制器協(xié)同，以實現(xiàn)閥門的即時響應(yīng)，排風(fēng)路徑應(yīng)依照最短距離布設(shè)，根據(jù)最大排煙量核定風(fēng)道的截面面積，通常情況下，需遵循每平方米有效面積對應(yīng)200～250m3/h排煙量的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，確保高溫?zé)煔饽苎杆傧♂尯褪枭ⅰ?/p>

風(fēng)管網(wǎng)絡(luò)是通排系統(tǒng)的核心傳輸介質(zhì)，承擔(dān)著將各通風(fēng)與排煙節(jié)點連接起來的功能，在系統(tǒng)設(shè)計期間，需在主風(fēng)道跟支管之間安裝動壓均衡裝置，采用分段風(fēng)量調(diào)節(jié)閥對各支路風(fēng)量分配進行控制，將風(fēng)速控制在合適的范圍區(qū)間，以防止氣流噪聲和渦流干擾對傳感器監(jiān)測及排煙方向產(chǎn)生不良影響[2]。

1.2" 排煙系統(tǒng)的關(guān)鍵組件與功能

風(fēng)機葉輪作為系統(tǒng)煙氣驅(qū)動的重要部件，其功率和轉(zhuǎn)速對煙霧抽排效率及控制范圍起決定性作用，在高溫運行工況下，風(fēng)機葉輪應(yīng)保持穩(wěn)定運轉(zhuǎn)，溫度承載能力較高。直聯(lián)式風(fēng)機采用三相異步電機驅(qū)動，額定電流與啟動電流的差值須控制在標(biāo)準(zhǔn)倍數(shù)以內(nèi)，防止對電網(wǎng)造成沖擊。排煙口與防火閥共同構(gòu)成煙氣路徑的啟閉控制界面，其結(jié)構(gòu)形式應(yīng)符合GB51251—2017《建筑防煙排煙系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》要求，排煙口應(yīng)設(shè)置在空間頂部以及火災(zāi)煙氣積聚區(qū)域的高位地段，閥門在接收火災(zāi)信號后，應(yīng)盡快達(dá)到完全開啟狀態(tài)，為保障排煙的流暢性，防火閥須具備熔斷開啟機制，并配合電信號控制，實現(xiàn)就地及遠(yuǎn)程的雙重控制。閥門需達(dá)到氣密等級Ⅱ級以上的標(biāo)準(zhǔn)，并將泄漏率控制在盡量低的水平，防止煙火蔓延至相鄰區(qū)域。

補風(fēng)系統(tǒng)主要用于補充排煙時排出的空氣體積，防止負(fù)壓產(chǎn)生造成結(jié)構(gòu)破壞以及煙氣逆向流動。補風(fēng)路徑需避開存在火源的區(qū)域，風(fēng)速應(yīng)與排煙速度協(xié)同配合，補風(fēng)量不應(yīng)小于排煙量的50%，平時送風(fēng)量建議為排風(fēng)量的80%～90%[3]，在正壓區(qū)邊界附近，補風(fēng)口應(yīng)配置風(fēng)壓傳感器及溫濕度反饋模塊，采用聯(lián)動控制算法動態(tài)調(diào)整風(fēng)機的出力，以實現(xiàn)系統(tǒng)整體氣壓的均衡。

2 火災(zāi)中通風(fēng)與排煙系統(tǒng)的聯(lián)動控制

2.1" 火災(zāi)信號的監(jiān)測與傳輸機制

火災(zāi)初期的有效識別需依賴感知元件的準(zhǔn)確響應(yīng)能力，煙霧探測器利用光電式或離子式傳感單元，可對空間內(nèi)氣溶膠粒子濃度變化進行采集，當(dāng)可見粒子濃度超出背景值所定閾值時，傳感器會生成標(biāo)準(zhǔn)的4～20mA電流信號或RS485通信信號，傳輸給中央控制單元。傳感器采樣周期的設(shè)定要符合要求，以便在煙霧擴散的初始階段快速響應(yīng)，溫度傳感器采用熱電偶或熱敏電阻原理，將火源區(qū)域的熱量變化轉(zhuǎn)化成電壓信號，再由AD轉(zhuǎn)換模塊實現(xiàn)數(shù)字化的輸出，高精度熱敏單元的響應(yīng)時間要盡量短，以保障控制系統(tǒng)對火災(zāi)特征的識別精準(zhǔn)度。

為提升系統(tǒng)容錯能力，傳感器網(wǎng)絡(luò)需搭建冗余通信路徑，信號采集單元經(jīng)CAN總線或Modbus協(xié)議與控制主機建立實時的數(shù)據(jù)鏈路，確保節(jié)點之間的數(shù)據(jù)傳輸延遲時間較短，傳輸線路采用屏蔽雙絞線與光纖相結(jié)合的通信模式，以抵御電磁干擾對信號質(zhì)量的影響，當(dāng)系統(tǒng)接收到高優(yōu)先級火災(zāi)信號時，網(wǎng)絡(luò)需采用主從通信結(jié)構(gòu)，優(yōu)先開啟傳輸通道，保證響應(yīng)指令及時下達(dá)，為強化系統(tǒng)的抗擾能力，控制器當(dāng)中需嵌入CRC校驗機制及多信道備份機制，若檢測出數(shù)據(jù)存在異?；蛐盘杹G失，系統(tǒng)應(yīng)迅速切換到備用通路。

2.2" 聯(lián)動控制算法的設(shè)計與實現(xiàn)

戰(zhàn)時人防工程的控制系統(tǒng)依托傳感層回傳的多源數(shù)據(jù)流，建立以毒氣濃度、氣壓擾動速率和CO2濃度為核心參數(shù)的響應(yīng)模型。在一級警戒階段，系統(tǒng)維持監(jiān)測模式，僅記錄各區(qū)域氣體變化趨勢；進入二級響應(yīng)階段，系統(tǒng)將切斷非重點區(qū)域的補風(fēng)支路，同時啟動有害氣體封閉通道的預(yù)壓隔離流程；一旦達(dá)到三級戰(zhàn)備狀態(tài)，系統(tǒng)啟動全域控制機制，命令全部排風(fēng)設(shè)備、有害物隔離風(fēng)閥及毒劑過濾模塊同步響應(yīng)。系統(tǒng)各項響應(yīng)閾值需結(jié)合人防掩體容積、通道深度、氣密性等級進行現(xiàn)場校準(zhǔn)。考慮地下連續(xù)艙室間的聯(lián)通特性，響應(yīng)模型中應(yīng)嵌入反向壓力波傳播邏輯，用于預(yù)測污染反擴散的可能路徑，并提前調(diào)整風(fēng)壓場結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)防護區(qū)-隔離區(qū)-污染區(qū)的3段式控制閉合環(huán)。

動態(tài)變化的煙氣擴散環(huán)境可采用模糊控制邏輯，系統(tǒng)憑借模糊規(guī)則庫與隸屬函數(shù)開展運算，把傳感器采集的溫度增量、煙霧濃度變化率轉(zhuǎn)化為模糊變量，之后輸入到模糊推理系統(tǒng)中?？刂戚敵龅哪繕?biāo)設(shè)定為風(fēng)閥開度、風(fēng)機轉(zhuǎn)速及排煙優(yōu)先級，并生成控制指令矩陣。模糊控制器核心規(guī)則的設(shè)置應(yīng)覆蓋多種典型工況情形，并結(jié)合經(jīng)驗反饋不斷開展自我學(xué)習(xí)，優(yōu)化權(quán)重分配比例，針對線性變化極為明顯的工況區(qū)間，系統(tǒng)可添加PID調(diào)節(jié)器，基于當(dāng)下誤差大小、誤差變化的快慢和積分累計量計算控制增量，實現(xiàn)對目標(biāo)狀態(tài)的漸進逼近，PID調(diào)節(jié)器采用Ziegler-Nichols法或模型參考自整定法設(shè)定PID控制器的初始參數(shù)，實現(xiàn)響應(yīng)速度和系統(tǒng)穩(wěn)定性的兼顧。

2.3" 執(zhí)行機構(gòu)的協(xié)同動作模式

執(zhí)行機構(gòu)作為聯(lián)動機制的直接操作單元，風(fēng)機啟停需與火情等級相綁定，依據(jù)反饋信息動態(tài)調(diào)整啟停頻率，主排煙風(fēng)機應(yīng)具備變頻調(diào)速能力，啟動時間應(yīng)盡量短，保障煙霧完全清除，停機延遲設(shè)定也要盡量短，風(fēng)閥執(zhí)行器采用雙向電動驅(qū)動架構(gòu)，在接收響應(yīng)指令后，應(yīng)以最快速度執(zhí)行全行程動作，控制系統(tǒng)需制定風(fēng)機啟停與風(fēng)閥開閉的同步聯(lián)動表，依靠邏輯觸發(fā)條件實現(xiàn)時間的契合與執(zhí)行的協(xié)同，避免因響應(yīng)不一致造成逆流、超壓等運行異常。

應(yīng)急通風(fēng)疏導(dǎo)系統(tǒng)在人防工事中的作用尤為關(guān)鍵，不僅影響氣體流動的組織形態(tài)，還決定著人員疏散的路徑效率。在突發(fā)事件初期，控制系統(tǒng)應(yīng)優(yōu)先開啟防護區(qū)的排風(fēng)通道，同時根據(jù)戰(zhàn)時通風(fēng)圖模擬模型，將低污染區(qū)優(yōu)先納入清潔氣流通道。燈光系統(tǒng)雖不承擔(dān)主導(dǎo)任務(wù)，但可在特定階段啟動紅外或冷光標(biāo)識，引導(dǎo)人群向低壓區(qū)或潔凈區(qū)集結(jié)。系統(tǒng)需融合人防通風(fēng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中的“防護單元布設(shè)圖”與“防化學(xué)戰(zhàn)污染預(yù)測模型”，動態(tài)識別毒氣走向與人員停留密度，在風(fēng)閥調(diào)節(jié)和風(fēng)機運行中優(yōu)先保障封閉單元與隔離艙室的通風(fēng)需求，避開有害氣體濃度上升區(qū)域。若接收到某一區(qū)域二氧化硫或光氣超限信號，系統(tǒng)應(yīng)立即關(guān)閉該區(qū)域補風(fēng)路徑，并調(diào)高下游區(qū)段排風(fēng)速率，以壓制有害氣體擴散趨勢。

系統(tǒng)控制平臺需搭建狀態(tài)反饋的閉合回路，所有執(zhí)行機構(gòu)的動作狀態(tài)、運行電流、溫度及故障信息應(yīng)實時上傳至主控制器，系統(tǒng)通過狀態(tài)比對算法對執(zhí)行效果開展連續(xù)評估，若檢測到響應(yīng)未達(dá)到設(shè)定參數(shù)要求，應(yīng)觸發(fā)故障自檢程序，啟用備用設(shè)備，并發(fā)出異常信號，在多級聯(lián)動過程中，狀態(tài)同步機制應(yīng)包括邏輯動作前后的延時設(shè)定、響應(yīng)日志記錄及異常識別內(nèi)容，構(gòu)建出穩(wěn)定可靠的自動化控制閉環(huán)架構(gòu)。

3 人防工程通風(fēng)排煙聯(lián)動系統(tǒng)的優(yōu)化策略

3.1" 智能化技術(shù)的集成應(yīng)用

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)借助感知、網(wǎng)絡(luò)以及數(shù)據(jù)處理3層架構(gòu)，為通風(fēng)與排煙系統(tǒng)提供了實時狀態(tài)感知及遠(yuǎn)程控制的能力，系統(tǒng)在設(shè)備層級部署各類智能終端，包括風(fēng)機運行監(jiān)測模塊、風(fēng)閥位移傳感部件及煙氣濃度監(jiān)測節(jié)點，各個終端采用統(tǒng)一協(xié)議接入邊緣計算網(wǎng)關(guān)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高頻收集與本地預(yù)處理。控制平臺借助MQTT、OPC UA等輕量級通信協(xié)議，與邊緣網(wǎng)關(guān)建立可靠連接，實現(xiàn)風(fēng)機轉(zhuǎn)速、風(fēng)壓、溫度及煙氣指標(biāo)的遠(yuǎn)程可視化展示，主控中心通過SCADA系統(tǒng)對各子系統(tǒng)進行實時調(diào)度，同時留存事件記錄及操作日志，為系統(tǒng)故障診斷及運行情況分析提供數(shù)據(jù)支撐。人工智能技術(shù)通過對歷史火災(zāi)數(shù)據(jù)進行深度訓(xùn)練與模型學(xué)習(xí)，具備對火情發(fā)展趨勢的前瞻性判斷能力。系統(tǒng)在云端部署深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，以溫度、濕度、煙霧濃度、空氣流速等多源實時數(shù)據(jù)作為輸入變量，模型結(jié)構(gòu)采用多層感知器與時序卷積單元相結(jié)合的方式，挖掘數(shù)據(jù)間的非線性關(guān)系及時間演化特點，控制平臺利用預(yù)測模塊，給出未來90s內(nèi)煙氣蔓延路徑和溫度梯度的分布圖，并按照預(yù)判結(jié)果對排煙通道的優(yōu)先級以及風(fēng)機運行策略進行調(diào)整[4]。

3.2" 系統(tǒng)可靠性與冗余設(shè)計

作為聯(lián)動控制系統(tǒng)能源基礎(chǔ)的供電系統(tǒng)，其連續(xù)性、穩(wěn)定性直接決定了排煙設(shè)備的可靠運行，人防工程需構(gòu)建主輔雙電源的供電體系，主電源與市政高壓線路相連，經(jīng)變壓降壓后為系統(tǒng)供電，輔電源采用柴油發(fā)電機組或蓄電池陣列，為輔電源構(gòu)建備用回路。系統(tǒng)設(shè)定主輔電源的切換臨界值，當(dāng)電壓下降幅度超出10%且供電中斷超過3s時，自行投入備用電源，切換由ATS自動轉(zhuǎn)換開關(guān)進行控制，以防設(shè)備停擺，切換時間需控制在10s內(nèi)，風(fēng)機冗余配置采用一用一備或者兩用一備的結(jié)構(gòu)。為增強系統(tǒng)在故障狀態(tài)下的運行穩(wěn)定性，備用風(fēng)機與主風(fēng)機采用并聯(lián)布置形式，常規(guī)狀態(tài)下呈待機狀態(tài)。系統(tǒng)每月自動對工作機組輪換運行，保證機械系統(tǒng)的潤滑狀態(tài)及運行性能。

憑借信號冗余監(jiān)測與狀態(tài)邏輯判別，關(guān)鍵節(jié)點可實現(xiàn)故障自診斷功能，能夠主動對系統(tǒng)故障進行識別與反饋。風(fēng)閥驅(qū)動模塊將電流、電壓及位移3路反饋信號集成在一起，如果發(fā)生位移值跟指令不符、電流過載或響應(yīng)超時等情況，系統(tǒng)將記錄故障編碼，并向控制器傳遞異常信息，控制平臺收到異常信號后，迅速執(zhí)行旁路協(xié)同邏輯，調(diào)用備用通路或關(guān)閉對應(yīng)節(jié)點，保障系統(tǒng)整體功能的連貫運行[5]。

4 結(jié)束語

在具備高度封閉特點與特殊功能的人防工程空間體系中，通風(fēng)與排煙系統(tǒng)的高效協(xié)同，不僅關(guān)乎技術(shù)層面的系統(tǒng)可靠性，更體現(xiàn)了工程對生命安全保障能力的全面提升，當(dāng)傳統(tǒng)控制模式逐漸被智能化且自適應(yīng)的動態(tài)機制替換，系統(tǒng)運行不再只憑借固定參數(shù)與人工介入，而是利用實時感知、算法驅(qū)動與冗余設(shè)計構(gòu)建多維閉環(huán)，實現(xiàn)精準(zhǔn)應(yīng)對與高效調(diào)度，只有持續(xù)推進控制策略的智能化演變，才能在復(fù)雜環(huán)境下實現(xiàn)系統(tǒng)的韌性成長與功能躍升，切實構(gòu)建起以人員安全為關(guān)鍵的防御保障架構(gòu)。

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