地下空間火災(zāi)智能預(yù)警與滅火系統(tǒng)的優(yōu)化策略

摘要：地下空間結(jié)構(gòu)封閉，人員處于高度聚集狀態(tài)，且氣流組織較為復(fù)雜，這些因素致使火災(zāi)蔓延時(shí)呈現(xiàn)出熱流疊加、煙氣滯留以及人員感知遲滯等非線性演化特征?；诖?，分析地下空間火災(zāi)特點(diǎn)，研究了多模態(tài)傳感器節(jié)點(diǎn)集群以及多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合模型，并結(jié)合模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與粒子群優(yōu)化算法，設(shè)計(jì)了融合預(yù)警策略。同時(shí)，構(gòu)建基于以太光纖環(huán)網(wǎng)與雙儲(chǔ)瓶切換架構(gòu)的滅火系統(tǒng)，并配置了分布式?jīng)Q策框架。旨在推動(dòng)復(fù)雜地下空間火災(zāi)安全技術(shù)向體系化、集成化演進(jìn)。

關(guān)鍵詞：地下空間；火災(zāi)智能預(yù)警；滅火?系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：X913.4" " " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " " "文章編號(hào)：2096-1227（2025）06-0112-03

0 引言

地下空間內(nèi)發(fā)生的火災(zāi)具有諸多特性，煙氣層化情況劇烈使熱釋放速率出現(xiàn)突變情形，空間中的可燃物負(fù)荷分布并非均勻狀態(tài)，從而導(dǎo)致聲光干擾耦合現(xiàn)象顯著。在此情形下，研究基于地下空間場(chǎng)景的火災(zāi)特點(diǎn)，圍繞火災(zāi)智能預(yù)警技術(shù)與滅火系統(tǒng)的優(yōu)化策略展開研究，構(gòu)建了結(jié)合模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與粒子群優(yōu)化算法的智能預(yù)警技術(shù)，設(shè)計(jì)了基于雙泡沫瓶滅火設(shè)備及災(zāi)情聯(lián)動(dòng)響應(yīng)模型的滅火系統(tǒng)架構(gòu)。

1 地下空間火災(zāi)特點(diǎn)

地下空間發(fā)生火災(zāi)時(shí)，具有高圍護(hù)熱慣性的特點(diǎn)，氣流組織呈現(xiàn)封閉特性，燃燒產(chǎn)物容易積聚，且疏散路徑不是線性的，由此形成煙氣分層現(xiàn)象較為明顯、熱流場(chǎng)不穩(wěn)定的耦合災(zāi)變機(jī)制。場(chǎng)所的封閉性會(huì)使熱釋放速率不斷積累，煙霧粒子也會(huì)不斷聚集，使CO、NOx等氣態(tài)污染物在低層區(qū)域形成高濃度滯留區(qū)域，對(duì)傳感器的早期響應(yīng)閾值判別起到了抑制的作用。結(jié)構(gòu)方面的復(fù)雜性使得火源在空間上的分布變得非規(guī)則化，樓板通風(fēng)孔洞以及設(shè)施障礙物也會(huì)讓熱煙遷移路徑出現(xiàn)多次反射與偏轉(zhuǎn)，進(jìn)而引發(fā)局部回流以及湍流再燃現(xiàn)象，對(duì)溫度梯度的提取以及火場(chǎng)穩(wěn)定結(jié)構(gòu)造成了干擾[1]。

2 火災(zāi)智能預(yù)警技術(shù)的優(yōu)化策略

2.1" ?傳感器選擇與優(yōu)化策略

在地下空間火災(zāi)智能預(yù)警系統(tǒng)中，傳感器的選擇需依照燃燒初期粒子呈現(xiàn)的特征、多維輻射強(qiáng)度以及氣體成分發(fā)生的變化構(gòu)建響應(yīng)譜系。離子式探測(cè)器主要依靠火焰產(chǎn)物中帶電粒子的漂移情況做出響應(yīng)，這種探測(cè)器適用于開闊區(qū)域且存在強(qiáng)對(duì)流場(chǎng)的環(huán)境；而光電式探測(cè)器是以Tyndall散射模型作為基礎(chǔ)，它有利于捕捉亞微米級(jí)碳粒濃度的峰值變化；紅外式傳感器能對(duì)紅外輻射強(qiáng)度存在的差異進(jìn)行識(shí)別并找出高溫源點(diǎn)，該傳感器適合在煙氣相對(duì)透明的區(qū)域開展探測(cè)工作。

傳感器布局需要將感知盲區(qū)盡可能縮小，同時(shí)降低信號(hào)衰減程度。正四邊形的布設(shè)方式對(duì)網(wǎng)格均勻覆蓋比較有利，在空間結(jié)構(gòu)規(guī)則的區(qū)域運(yùn)用起來較為合適[2]；而正六邊形布設(shè)方式在單位節(jié)點(diǎn)數(shù)量保持恒定的條件下，更適用于存在較多障礙物場(chǎng)景下的高密度部署，見圖1。多源異構(gòu)節(jié)點(diǎn)組合依據(jù)熱源遷移的主通道以及頂棚熱聚焦區(qū)進(jìn)行布點(diǎn)，構(gòu)建多模態(tài)傳感器節(jié)點(diǎn)集群，再結(jié)合分層布控以及信號(hào)閾值交叉驗(yàn)證策略，可提升觸發(fā)閾值判別分辨率，提高動(dòng)態(tài)滯后補(bǔ)償?shù)木取?/p>

2.2" 智能?數(shù)據(jù)融合預(yù)警策略

地下空間火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)的多源數(shù)據(jù)融合策略是將異構(gòu)傳感器節(jié)點(diǎn)所產(chǎn)生的煙霧濃度、熱釋紅外強(qiáng)度、氣體質(zhì)量分?jǐn)?shù)以及溫度梯度作為高維輸入集，并構(gòu)建多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合模型進(jìn)行區(qū)分。利用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建非線性映射結(jié)構(gòu)使特征冗余消解，并提升預(yù)警信號(hào)提純能力。假設(shè)多源輸入向量為X=[x1，x2，…，xn]，模糊耦合輸出函數(shù)則為：

式中：y——融合輸出的火災(zāi)置信指數(shù)；

n——輸入變量的個(gè)數(shù)；

m——神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中隱藏層神經(jīng)元的個(gè)數(shù)；

wij——權(quán)重連接系數(shù)；

i——輸入特征變量的編號(hào)；

j——神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中隱藏層神經(jīng)元的編號(hào)；

μi（xi）——第i類火災(zāi)參數(shù)的隸屬度函數(shù)；

φj（xi）——第j個(gè)神經(jīng)元的激活函數(shù)；

xi——第i個(gè)火災(zāi)感知輸入特征變量（煙霧濃度，mg/m3；溫度，℃）；

b——偏置項(xiàng)。

該公式用于將多模態(tài)輸入特征映射為融合輸出的火災(zāi)置信指數(shù)。

在完成模型構(gòu)建后將粒子群優(yōu)化算法引入到參數(shù)空間中去尋求最優(yōu)解，假設(shè)每個(gè)粒子位置向量為Pk=[wk1，wk2，…，wkn]，其速度更新與位置調(diào)整的公式如下：

式中：——第k個(gè)粒子在t+1次迭代中的速度向量（煙霧濃度，mg/m3；溫度，℃）；

——慣性權(quán)重；

Vk——速度矢量；

k——粒子編號(hào)索引；

t——迭代輪數(shù)索引；

c1、c2——學(xué)習(xí)因子；

r1，r2∈[0，1]——隨機(jī)變量；

Pkbest——粒子個(gè)體最優(yōu)位置，即感知特征對(duì)應(yīng)的實(shí)際物理量（煙霧濃度，mg/m3；溫度，℃）；

Pkt——第k個(gè)粒子在第t次迭代的位置（煙霧濃度，mg/m3；溫度，℃）；

Gbest——全局最優(yōu)位置，即感知特征對(duì)應(yīng)的實(shí)際物理量（煙霧濃度，mg/m3；溫度，℃）；

Pkt+1——第k個(gè)粒子在t+1次迭代中的位置（煙霧濃度，mg/m3；溫度，℃）。

該種機(jī)制能夠讓火災(zāi)置信指數(shù)在具備多源特征的條件下實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)擬合，并對(duì)分類邊界進(jìn)行自適應(yīng)重構(gòu)操作，以此提高地下空間中多態(tài)火災(zāi)信號(hào)的動(dòng)態(tài)識(shí)別率[3]。

2.3" ?誤報(bào)率降低策略

地下空間火災(zāi)的誤報(bào)率壓制策略需在探測(cè)靈敏度與異常干擾抑制之間實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)平衡，因此研究構(gòu)建了多層次誤觸發(fā)約束機(jī)制，該機(jī)制依托多參量協(xié)同感知、異態(tài)識(shí)別判別以及時(shí)序演化溯源形成。

地下封閉環(huán)境具有煙氣易擾動(dòng)、熱流常波動(dòng)以及非火警激發(fā)頻次高的特性。對(duì)此，運(yùn)用模糊隸屬域壓縮算法構(gòu)建高置信隸屬矩陣，同時(shí)引入Z-Score校正的離群抑制器，以剔除短時(shí)高頻波動(dòng)數(shù)據(jù)。將靈敏度調(diào)控機(jī)制嵌入基于粒子群-模糊PID的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)模型中，當(dāng)傳感器處于工作臨界區(qū)時(shí)，對(duì)激活閾值以及響應(yīng)周期加以調(diào)整，從而保證觸發(fā)邊界具備區(qū)分能力以及容錯(cuò)能力。

多模態(tài)意味著存在冗余數(shù)據(jù)，可構(gòu)建異構(gòu)節(jié)點(diǎn)輸出協(xié)同度函數(shù)，以此強(qiáng)化邏輯一致性檢測(cè)工作，并且借助異步響應(yīng)時(shí)間窗篩選進(jìn)一步完善相關(guān)操作。將貝葉斯置信度重構(gòu)技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)非典型火災(zāi)態(tài)與外部擾動(dòng)態(tài)的分類邊界收斂，同時(shí)對(duì)誤報(bào)情況予以控制，達(dá)成靈敏響應(yīng)與誤警判別的平衡狀態(tài)，進(jìn)而構(gòu)建保障火災(zāi)智能預(yù)警系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵判據(jù)機(jī)制。

3 地下空間滅火系統(tǒng)的優(yōu)化策略

3.1" 滅火?系統(tǒng)架構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

地下空間滅火系統(tǒng)的架構(gòu)優(yōu)化采用分層模塊化設(shè)計(jì)方式。決策模塊與監(jiān)測(cè)模塊由上位機(jī)、調(diào)度室、總工辦以及備機(jī)共同構(gòu)成，借助地面交換機(jī)和以太光纖環(huán)網(wǎng)搭建信息主干通道，使地面控制環(huán)節(jié)與地下感知環(huán)節(jié)協(xié)同運(yùn)作；通信模塊則由通信光纖與火災(zāi)檢測(cè)監(jiān)控分站相連，構(gòu)建實(shí)時(shí)指令傳輸路徑，該路徑支持多個(gè)節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)交互與狀態(tài)反饋[4]。檢測(cè)模塊主要依托火災(zāi)檢測(cè)監(jiān)控分站開展信號(hào)中繼和邊緣計(jì)算工作，實(shí)現(xiàn)對(duì)本地火情的準(zhǔn)確判別，同時(shí)具備信號(hào)冗余緩存功能。該模塊集成煙霧、溫度、一氧化碳、火焰等多種模態(tài)的傳感器，采用RS-485總線并聯(lián)的通信方式保障感知信息能夠及時(shí)獲取。各模塊之間由標(biāo)準(zhǔn)化的通信協(xié)議以及QoS級(jí)聯(lián)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)對(duì)異構(gòu)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一調(diào)度，同時(shí)完成執(zhí)行鏈路的同步構(gòu)建，以此支撐火情態(tài)勢(shì)感知、指令流下發(fā)以及滅火聯(lián)動(dòng)的閉環(huán)邏輯，使系統(tǒng)具備功能解耦、結(jié)構(gòu)松耦合、接口標(biāo)準(zhǔn)化的特性。

3.2" ?滅火系統(tǒng)設(shè)備選擇

地下空間滅火系統(tǒng)設(shè)備選型需基于氣體惰化與泡沫覆蓋雙機(jī)制響應(yīng)策略，該構(gòu)型采用雙儲(chǔ)瓶切換架構(gòu)實(shí)現(xiàn)滅火劑切換調(diào)度，見圖2。控制器作為中央信號(hào)源，通過控制端口分別連接用于驅(qū)動(dòng)不同滅火劑的自動(dòng)切換裝置及切換控制單元。泡沫瓶Ⅰ與泡沫瓶Ⅱ分別設(shè)有側(cè)向增壓氣源輸入接口及頂置排放通道，構(gòu)建內(nèi)部壓力梯度驅(qū)動(dòng)模式，壓縮氣體由空壓機(jī)輸出，經(jīng)由多通道電磁閥分流至指定瓶體，實(shí)現(xiàn)滅火劑儲(chǔ)瓶間的動(dòng)態(tài)切換控制。圖2中設(shè)有二位五通電磁閥作為進(jìn)氣分配核心構(gòu)件，其公共氣源端與空壓機(jī)出口相連，通過電磁信號(hào)響應(yīng)來調(diào)整出氣流向，實(shí)現(xiàn)不同儲(chǔ)瓶間的正壓激活切換。泡沫瓶的液相出口經(jīng)邏輯控制單元連接至泡沫液混合器進(jìn)口，實(shí)現(xiàn)滅火劑與發(fā)泡介質(zhì)的比例調(diào)配，確保最終混合物的物理穩(wěn)定性與發(fā)泡濃度精度。該系統(tǒng)支持滅火劑的獨(dú)立控制路徑與通道互鎖，可避免在復(fù)雜空間布設(shè)時(shí)出現(xiàn)壓力干擾或管網(wǎng)反灌現(xiàn)象，適配地下場(chǎng)景中空間受限、反應(yīng)時(shí)限嚴(yán)苛的應(yīng)用條件。

1.控制器；2.泡沫瓶Ⅰ；3.泡沫瓶Ⅱ；4.增壓氣源輸入接口；5.排放通道；6.增壓氣源輸入接口；7.排放通道；8.空壓機(jī)；9.液相出口；10.泡沫液混合器；11.進(jìn)口；12.電磁閥；13.公共氣源端

3.3" 滅火系統(tǒng)?智能算法優(yōu)化策略

地下空間滅火系統(tǒng)的智能算法能夠?qū)?fù)雜結(jié)構(gòu)的約束以及高密度人群分布相關(guān)參數(shù)融合起來，進(jìn)而構(gòu)建依據(jù)災(zāi)情動(dòng)態(tài)反饋情況形成的災(zāi)情聯(lián)動(dòng)響應(yīng)模型。設(shè)定滅火優(yōu)選函數(shù)如下：

式中：U（t）——系統(tǒng)在時(shí)刻t對(duì)多火源點(diǎn)的滅火響應(yīng)優(yōu)選函數(shù)值；

n——火源點(diǎn)數(shù)量，個(gè)；

αi——火源等級(jí)權(quán)重系數(shù)；

Qi（t）——第i個(gè)火源點(diǎn)單位時(shí)間熱釋放強(qiáng)度，kW；

di（t）——當(dāng)前時(shí)刻滅弧單元至火源點(diǎn)的等效通行距離，m；

ò——趨近于零的平滑常數(shù)，用于防止分母為零；

e-λTi（t）——指數(shù)衰減因子，用于對(duì)第i個(gè)火源點(diǎn)的響應(yīng)滯后時(shí)間Ti（t）進(jìn)行懲罰性調(diào)整。

此函數(shù)針對(duì)所有可能的響應(yīng)路徑實(shí)時(shí)進(jìn)行打分排序操作，將其嵌入至分布式?jīng)Q策框架中，得出一套最優(yōu)算法路徑集，可以在滅火效率、響應(yīng)延遲以及人員安全等方面進(jìn)行權(quán)衡。

4 結(jié)束語

本文構(gòu)建了適配地下空間火災(zāi)特性的智能預(yù)警與滅火系統(tǒng)優(yōu)化路徑。在智能預(yù)警方面詳述了傳感器布設(shè)方式、信號(hào)閾值交叉驗(yàn)證策略、模糊融合輸出函數(shù)及靈敏度調(diào)控機(jī)制；在滅火系統(tǒng)優(yōu)化方面，構(gòu)建了系統(tǒng)架構(gòu)中的以太光纖環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)了基于氣體惰化與泡沫覆蓋雙機(jī)制響應(yīng)策略，提出了滅火優(yōu)選函數(shù)。為地下空間火災(zāi)智能預(yù)警與系統(tǒng)構(gòu)建提供了方法支撐，并拓展了其在復(fù)雜環(huán)境下的實(shí)際應(yīng)用方式。

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