周璟軍

(廈門(mén)市公路橋隧維護(hù)與應(yīng)急中心 廈門(mén) 361000)

城市道路隧道一般處于城市快速路、道路立體交叉處或?yàn)榭朔鞘兄械母叱碳捌矫嬲系K的道路中。相比其他公路隧道(主要指山嶺公路隧道)，城市道路隧道具有如下特點(diǎn)：①車(chē)流量大，易發(fā)生交通擁堵；②結(jié)構(gòu)封閉，疏散與救援難度大；③風(fēng)速快，煙霧、火災(zāi)蔓延速度快；④若處置不及時(shí)，易造成次生事故。基于上述原因，一旦在火災(zāi)發(fā)生后沒(méi)有及時(shí)報(bào)警、采取措施，很容易造成重大災(zāi)難。為此，GB 50116-2013 《火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》特別規(guī)定，城市道路隧道必須同時(shí)使用線型光纖感溫探測(cè)器、點(diǎn)型紅外火焰探測(cè)器(或圖像型火災(zāi)探測(cè)器)，以助盡早發(fā)現(xiàn)火災(zāi)。線型光纖感溫探測(cè)器可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫度，為必選項(xiàng)，本文對(duì)可二選一的點(diǎn)型紅外火焰探測(cè)器、圖像型火災(zāi)探測(cè)器的原理及應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行對(duì)比分析。

1 隧道火災(zāi)探測(cè)原理

隧道火災(zāi)一般經(jīng)歷4個(gè)階段：前期、早期、中期及晚期。階段特點(diǎn)[1]為：前期有一定的煙霧；早期煙量增加、出現(xiàn)火光；中期火災(zāi)形成，火勢(shì)上升很快；后期火勢(shì)擴(kuò)散。

1.1 點(diǎn)型紅外火焰探測(cè)

紅外火焰探測(cè)器屬于感光探測(cè)器。常見(jiàn)的有雙波長(zhǎng)、三波長(zhǎng)紅外火焰探測(cè)器，其原理為利用火焰的閃爍效應(yīng)和紅外輻射進(jìn)行火災(zāi)探測(cè)。閃爍特性指汽油燃燒火焰跳動(dòng)頻率一般為1～15 Hz；紅外輻射特性指一般光源發(fā)光強(qiáng)度在紅外波段呈下降趨勢(shì)，而火焰則呈上升趨勢(shì)。雙波長(zhǎng)紅外火焰探測(cè)器工作原理[2]見(jiàn)圖1。

圖1 雙波長(zhǎng)火焰探測(cè)器工作原理圖

1.2 圖像型火災(zāi)探測(cè)

圖像型火災(zāi)探測(cè)屬于數(shù)字信息處理技術(shù)。前端攝像機(jī)采集圖像，進(jìn)入數(shù)字信號(hào)處理模塊進(jìn)行運(yùn)算處理，通過(guò)形狀、面積、頻域等特性來(lái)識(shí)別火焰，通過(guò)背景模糊、湍流特性、紋理等來(lái)識(shí)別煙霧，判斷出火災(zāi)并報(bào)警。其工作原理[3-4]見(jiàn)圖2。

圖2 圖像型火災(zāi)探測(cè)器工作原理圖

2 主要性能分析

2.1 報(bào)警響應(yīng)時(shí)間

點(diǎn)型紅外探測(cè)器采用紅外光敏元件，其濾波器、差放、整流等主要功能部件處理速度快，因此對(duì)火焰響應(yīng)速度快，但對(duì)煙霧無(wú)法識(shí)別。圖像型火災(zāi)探測(cè)器主要取決于算法及硬件處理速度，成熟產(chǎn)品算法及處理芯片運(yùn)算能力強(qiáng)，因此響應(yīng)速度很快。

在非明火性質(zhì)或先陰燃產(chǎn)生煙霧后有明火的火災(zāi)情況下，點(diǎn)型紅外火焰探測(cè)器無(wú)法及時(shí)報(bào)警，而圖像型火災(zāi)探測(cè)器可快速識(shí)別煙霧并報(bào)警，縮短報(bào)警響應(yīng)時(shí)間。

2.2 準(zhǔn)確性

點(diǎn)型紅外火焰探測(cè)借助于仿智邏輯進(jìn)行的信號(hào)處理，僅對(duì)特定頻率起作用，能有效避免照明、汽車(chē)燈光等影響，抗干擾能力強(qiáng)，幾乎無(wú)誤報(bào)。圖像型火災(zāi)探測(cè)器對(duì)車(chē)輛雙閃燈或警報(bào)燈有時(shí)會(huì)誤判，主流產(chǎn)品報(bào)警準(zhǔn)確率可達(dá)99%。

2.3 遮擋影響

點(diǎn)型紅外火焰探測(cè)器當(dāng)其探頭前剛好有車(chē)輛擋住火焰，阻擋了火焰紅外光進(jìn)入感光元件時(shí)，無(wú)法感應(yīng)火災(zāi)，響應(yīng)時(shí)間變長(zhǎng)甚至不會(huì)報(bào)警。圖像型火災(zāi)探測(cè)器一般采用彩色、黑白、近紅外等多種圖像進(jìn)行冗余比對(duì)運(yùn)算，在半遮擋情況下仍可有效識(shí)別火災(zāi)。

2.4 造價(jià)

以單洞總長(zhǎng)3 km的隧道為例，選用日本能美雙波長(zhǎng)方案造價(jià)約460 元/m，選用國(guó)內(nèi)某品牌三波長(zhǎng)方案造價(jià)約210 元/m，選用國(guó)內(nèi)某品牌圖像火災(zāi)、事件檢測(cè)、圖像監(jiān)控三合一整合方案造價(jià)約350 元/m。主要性能、造價(jià)對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 主要性能、造價(jià)對(duì)比表

3 布設(shè)優(yōu)化建議

點(diǎn)型紅外火焰探測(cè)器與圖像型火災(zāi)探測(cè)器布設(shè)時(shí)均需綜合考慮其單體探測(cè)范圍、安裝間距、安裝高度等要素，以確保系統(tǒng)探測(cè)范圍能覆蓋整個(gè)隧道。

3.1 圖像型火災(zāi)探測(cè)器準(zhǔn)確率優(yōu)化

從統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)看，誤報(bào)事件大部分集中在汽車(chē)尾燈、警報(bào)燈等光源?？筛鶕?jù)車(chē)輛定向移動(dòng)、形狀固定特性及干擾源特殊閃爍頻率、色彩等排除干擾源；通過(guò)強(qiáng)大算法，使系統(tǒng)對(duì)火災(zāi)特性參數(shù)的獲取更全面，再配備合理的區(qū)域靈敏度設(shè)置技術(shù)，可進(jìn)一步抑制誤報(bào)源，提高準(zhǔn)確率。

3.2 點(diǎn)型紅外火焰探測(cè)器防遮擋優(yōu)化

現(xiàn)有隧道點(diǎn)型紅外火焰探測(cè)器均安裝在同一側(cè)隧道壁，間距約50 m。建議采用雙側(cè)隧道壁交替安裝，適當(dāng)縮短間距，使檢測(cè)區(qū)域適當(dāng)重疊，可降低系統(tǒng)被遮擋情況下漏報(bào)的概率。

4 應(yīng)用實(shí)例及對(duì)比

4.1 試驗(yàn)隧道

廈門(mén)會(huì)展隧道為雙洞單向雙車(chē)道，左右洞各長(zhǎng)900 m、寬10.3 m、高5.8 m。隧道同時(shí)設(shè)有雙波長(zhǎng)紅外和圖像型火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)。本次選擇該隧道進(jìn)行多種工況下點(diǎn)火及煙霧試驗(yàn)。

4.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

試驗(yàn)使用同一燃燒源(火盆或煙霧彈)，在不同風(fēng)速工況下，對(duì)平均報(bào)警響應(yīng)時(shí)間及報(bào)警情況進(jìn)行測(cè)試。火盆規(guī)格為0.632 m長(zhǎng)×0.632 m寬、火焰高度1 m、測(cè)試距離30 m、現(xiàn)場(chǎng)光照2.87 cd/m2，測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 隧道火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)測(cè)試記錄表

4.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

1) 同工況下，圖像型火災(zāi)探測(cè)器報(bào)警響應(yīng)時(shí)間比雙波長(zhǎng)火焰探測(cè)器短37%～50%。

2) 半遮擋時(shí)，圖像型火災(zāi)探測(cè)器可正常報(bào)警，點(diǎn)型紅外火焰探測(cè)器因被車(chē)輛擋住火焰，部分紅外光無(wú)法進(jìn)入感光元件，不報(bào)警概率高。

3) 點(diǎn)型紅外火焰探測(cè)器無(wú)法識(shí)別煙霧，圖像型火災(zāi)探測(cè)器可識(shí)別煙霧并報(bào)警。

4.4 應(yīng)用案例

廈門(mén)市成功大道隧道群、會(huì)展、云頂、文興、灌新隧道等共計(jì)12座隧道(單洞累計(jì)41.15 km)采用了圖像型火災(zāi)探測(cè)器。近5年，累計(jì)發(fā)生4起隧道內(nèi)車(chē)輛著火事件，均有報(bào)警。

廈門(mén)市會(huì)展、天馬山、蓮岳隧道共計(jì)3座隧道(單洞累計(jì)9.78 km)采用了雙波長(zhǎng)火焰探測(cè)器。近5年，累計(jì)發(fā)生2起隧道內(nèi)車(chē)輛著火事件，其中報(bào)警1起，未報(bào)警1起。

5 結(jié)語(yǔ)

1) 圖像型火災(zāi)探測(cè)器在報(bào)警響應(yīng)時(shí)間、煙霧識(shí)別、綜合功能、半遮擋報(bào)警方面優(yōu)于點(diǎn)型紅外火焰探測(cè)器。城市道路隧道需要采用高清監(jiān)控、事件檢測(cè)等功能確保其安全運(yùn)營(yíng)，建議有上述綜合功能改造需求的隧道采用圖像型火災(zāi)探測(cè)器。

2) 點(diǎn)型紅外火焰探測(cè)器在準(zhǔn)確性、單功能造價(jià)(國(guó)產(chǎn))方面優(yōu)于圖像型火災(zāi)探測(cè)器。建議經(jīng)費(fèi)不充裕的隧道采用點(diǎn)型紅外火焰探測(cè)器。

3) 下一步需利用干擾源特性、區(qū)域靈敏度設(shè)置等優(yōu)化數(shù)字信號(hào)處理算法解決文中提出的提高圖像型火災(zāi)探測(cè)器準(zhǔn)確率問(wèn)題；通過(guò)改變布設(shè)方式，交替冗余布置，安裝實(shí)測(cè)改善點(diǎn)型紅外火焰探測(cè)器遮擋情況下的漏報(bào)問(wèn)題。