凌霄 張嘉琪 周艷

摘要：針對實(shí)驗(yàn)室火災(zāi)事故頻發(fā)的現(xiàn)狀，基于LabVIEW虛擬儀器，對某高校安全技術(shù)研究中心綜合實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行火災(zāi)報(bào)警及應(yīng)急疏散系統(tǒng)設(shè)計(jì)。采用感溫感煙混合探測器、聲光報(bào)警器、消防應(yīng)急燈具等硬件，對其安裝是否符合國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行驗(yàn)算;利用ZigBee通信技術(shù)與部分自建二總線協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸、遠(yuǎn)程調(diào)控等功能;根據(jù)A-Star算法制定各個(gè)區(qū)域的發(fā)生火災(zāi)時(shí)最佳疏散路徑。達(dá)到火情監(jiān)測、集中控制、保障實(shí)驗(yàn)室人員安全等目的。

關(guān)鍵詞：實(shí)驗(yàn)室;火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng);LabVIEW虛擬儀器;ZigBee通信技術(shù);應(yīng)急疏散

中圖分類號：TP277 ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號：1009-3044（2022）05-0120-05

1 引言

實(shí)驗(yàn)室是創(chuàng)新、科研的重要基地，是高校綜合教育的重要組成部分，但也是事故頻發(fā)場所[1]。據(jù)報(bào)道：2013年南京理工大學(xué)一實(shí)驗(yàn)室發(fā)生火災(zāi)事故造成1死3傷;2015年清華大學(xué)一實(shí)驗(yàn)室發(fā)生火災(zāi)燃爆事故，一名博士當(dāng)場死亡;2021年3月，中科院化學(xué)所發(fā)生實(shí)驗(yàn)室火災(zāi)事故，造成一名研究生當(dāng)場死亡。除實(shí)驗(yàn)人員誤操作、安全意識(shí)淡薄和對消防安全管理不重視等因素外，現(xiàn)有消防設(shè)施不滿足國家規(guī)范要求、消防系統(tǒng)老化失靈、安全疏散設(shè)置不合理等也是造成實(shí)驗(yàn)室火災(zāi)事故的重要原因[2]。

隨著物聯(lián)網(wǎng)科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，智能化消防系統(tǒng)逐漸進(jìn)入大家的視野?；缸谑3]提出了一種應(yīng)用在“智慧消防”中的多設(shè)備聯(lián)動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)， 由該系統(tǒng)將傳感器聯(lián)動(dòng)現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)攝像頭及視頻等對現(xiàn)場火災(zāi)情況進(jìn)行分析，快速做出相應(yīng)決策;侯欣明等[4]設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于高校實(shí)驗(yàn)室的新型火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警及消防聯(lián)動(dòng)控制裝置;周永明[5]提出了基于意法半導(dǎo)體公司推出的STM32系列ARM控制器、TI公司的CC2420無線射頻芯片以及Zigbee無線通信技術(shù)為技術(shù)核心的無線智能型校園火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)硬件節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方案。據(jù)此本文結(jié)合國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求和某高校實(shí)驗(yàn)室環(huán)境實(shí)際情況，基于虛擬儀器LabVIEW設(shè)計(jì)一款火災(zāi)報(bào)警與疏散指示系統(tǒng)。

2 實(shí)驗(yàn)室概況

2.1 平面結(jié)構(gòu)

某高校安全技術(shù)研究中心位于某學(xué)院三樓，分為六個(gè)實(shí)驗(yàn)室，相鄰實(shí)驗(yàn)室之間用0.2m厚石膏板隔離，高3m，實(shí)驗(yàn)室距頂部5m且無吊頂相通。對研究中心布局進(jìn)行簡化并實(shí)地測量后，平面圖如圖1所示：

2.2 存在的安全隱患

六個(gè)實(shí)驗(yàn)室分別為職業(yè)衛(wèi)生實(shí)驗(yàn)室、電氣安全實(shí)驗(yàn)室、消防工程實(shí)驗(yàn)室、實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備室、無損檢測實(shí)驗(yàn)室、安全人機(jī)工程實(shí)驗(yàn)室。六個(gè)實(shí)驗(yàn)室均不進(jìn)行易燃易爆氣體實(shí)驗(yàn)，且不存在使用明火或高溫?zé)嵩吹那闆r，環(huán)境較為單一，屬于低危場所。但各實(shí)驗(yàn)室均有多種實(shí)驗(yàn)用電器，功率較大，存在電氣火災(zāi)隱患，燃燒物多為電氣試驗(yàn)裝置的塑料外殼;其他可燃性物體多為紙質(zhì)文件、裝修材料。

其中電氣安全實(shí)驗(yàn)室所用儀器會(huì)產(chǎn)生高壓，具有外放電現(xiàn)象;無損檢測實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)會(huì)使用低熔點(diǎn)溶劑清潔金屬表面，且著色探傷實(shí)驗(yàn)中探傷劑為易燃物質(zhì)，六個(gè)實(shí)驗(yàn)室均未吊頂且頂部相通，研究中心并未安裝通風(fēng)裝置，因此具有電氣安全技術(shù)實(shí)驗(yàn)室外放高壓電火花點(diǎn)燃從無損檢測實(shí)驗(yàn)室逸散過來的可燃?xì)怏w、液體的風(fēng)險(xiǎn)。

3 火災(zāi)報(bào)警及應(yīng)急疏散系統(tǒng)

如圖2所示，該系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集處理模塊、報(bào)警及應(yīng)急疏散模塊、傳輸網(wǎng)絡(luò)和基于LabVIEW系統(tǒng)控制機(jī)組成。通過對實(shí)驗(yàn)中心各區(qū)域火災(zāi)信息的獲取與處理，能夠達(dá)到及時(shí)發(fā)現(xiàn)火情，判斷火災(zāi)地點(diǎn)，快速合理疏散人群等目的，保護(hù)人員生命健康并減少火災(zāi)損失。

3.1 數(shù)據(jù)采集處理模塊

數(shù)據(jù)采集處理模塊由安裝在各實(shí)驗(yàn)室中以及走廊區(qū)域的感溫感煙混合探測器組成，主要功能是對各實(shí)驗(yàn)室不同區(qū)域進(jìn)行環(huán)境信息實(shí)時(shí)監(jiān)測與記錄，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。

3.1.1 火災(zāi)探測器規(guī)范性驗(yàn)證

在所有實(shí)驗(yàn)室中，職業(yè)衛(wèi)生實(shí)驗(yàn)室占地面積最大，預(yù)對每個(gè)實(shí)驗(yàn)室設(shè)置8個(gè)點(diǎn)型感煙感溫混合探測器，走廊設(shè)置9個(gè)點(diǎn)型感煙感溫混合探測器，布線采用兩根徑寬為1mm的耐火雙絞軟線?，F(xiàn)在對探測器數(shù)量和覆蓋范圍是否滿足國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行驗(yàn)證：

據(jù)實(shí)際情況，該實(shí)驗(yàn)室最多容納80人進(jìn)行試驗(yàn)，故K取0.9。

由GB50116-2013《火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》表6.2.2中火災(zāi)探測器的保護(hù)面積和保護(hù)半徑數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算[6]，由于感煙探測器保護(hù)面積大于感溫探測器，所以A取表中感溫探測器最小保護(hù)面積20m?。

職業(yè)衛(wèi)生實(shí)驗(yàn)室長10.2m，寬9.3m，高4m，面積S=94.86m?。

根據(jù)GB50116-2013《火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》，一個(gè)探測區(qū)域內(nèi)所需設(shè)置的探測器數(shù)量，不應(yīng)小于以下公式（1）的計(jì)算值[6]：

[N=SK·A=94.860.9×20=5.27] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

故每個(gè)房間至少設(shè)置六個(gè)探測器，預(yù)設(shè)探測器數(shù)量符合國家標(biāo)準(zhǔn)要求。職業(yè)衛(wèi)生實(shí)驗(yàn)室為其中面積最大的實(shí)驗(yàn)室，滿足要求且有富余，故其他五個(gè)實(shí)驗(yàn)室均符合要求。

同理，走廊面積S=73.87m?，A取20m?，K取0.9。走廊設(shè)置探測器的數(shù)量不應(yīng)小于下式（2）的計(jì)算值。

[N=SK·A=73.870.9×20=4.1] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

故走廊至少設(shè)置五個(gè)探測器，預(yù)設(shè)探測器數(shù)量符合國家標(biāo)準(zhǔn)要求。

根據(jù)GB50116-2013《火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄E 探測器安裝間距的極限曲線以及距離要求[6]，以職業(yè)衛(wèi)生實(shí)驗(yàn)室為例，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室具體環(huán)境，探測器安裝間距如下圖3所示，走廊探測器布局如下圖4所示，均符合規(guī)范要求。

3.1.2 火災(zāi)探測器覆蓋范圍驗(yàn)證

同樣以職業(yè)衛(wèi)生實(shí)驗(yàn)室為例，已知實(shí)驗(yàn)室面積為 94.86m?，距離屋頂5m，屋頂坡度小于 15°。根據(jù)GB50116-2013《火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》[6]，可知此狀態(tài)下單個(gè)感溫探測器覆蓋半徑為 3.6m，單個(gè)感煙探測器的覆蓋半徑為5.8m。由于使用的是感煙感溫復(fù)合探測器，當(dāng)感溫探測功能覆蓋整個(gè)實(shí)驗(yàn)室時(shí)，感煙探測功能亦能覆蓋。

使用AutoCAD建模，得出感溫探測器覆蓋范圍如圖5所示，可知實(shí)驗(yàn)室中未被覆蓋的范圍僅僅不到0.22m?，占總面積的0.2%左右，可認(rèn)為在正常情況下，基本滿足本實(shí)驗(yàn)室探測需求。同理，感煙探測器探測范圍可完全覆蓋實(shí)驗(yàn)室，且有較大冗余量。

同理對走廊進(jìn)行覆蓋范圍驗(yàn)證，可認(rèn)為在正常情況滿足走廊探測需求，感溫探測器覆蓋范圍如圖6所示，由于感煙探測器覆蓋半徑大于感溫探測器，所以這種安裝方式的探測范圍基本能對走廊進(jìn)行全覆蓋，且有較大冗余量。

3.2 報(bào)警與應(yīng)急疏散模塊

報(bào)警與應(yīng)急疏散模塊由各實(shí)驗(yàn)室門內(nèi)外安裝的火災(zāi)聲光報(bào)警器、手動(dòng)報(bào)警器以及消防應(yīng)急照明和疏散指示等裝置組合而成，基于LabVIEW系統(tǒng)平臺(tái)集中控制。

3.2.1 聲光報(bào)警器

系統(tǒng)中火災(zāi)聲光報(bào)警器采用壁掛方式，安裝在不同實(shí)驗(yàn)室進(jìn)出口各一個(gè)，底邊均距離地面2.5m，符合GB50116-2013《火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》[6]底邊距地面高度應(yīng)大于 2.2m的要求;采用聲壓級為80dB的HJ9030B型聲光報(bào)警器，高于規(guī)范中要求的75dB，符合要求。通過對控制機(jī)程序的編程，可根據(jù)火災(zāi)發(fā)生位置，播放不同語音警報(bào)，以聲音和閃光提醒人群有序疏散，避開火源。

3.2.2 手動(dòng)報(bào)警器

手動(dòng)報(bào)警器安裝在各個(gè)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)出口，安裝高度距離地面1.5m，且有明顯標(biāo)志，安全技術(shù)研究中心內(nèi)任一點(diǎn)距離最近手動(dòng)報(bào)警器最大步行距離為17m，符合《GB50116-2013火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》[6]的明顯和便于操作要求，也符合任何位置到最鄰近手動(dòng)報(bào)警器的距離不超過30m的要求。

3.2.3 應(yīng)急疏散

控制機(jī)確認(rèn)火情后，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室中火災(zāi)發(fā)生位置、手報(bào)信號等信息迅速選定合理疏散路線，并利用指示性燈具和廣播動(dòng)態(tài)引導(dǎo)人員疏散。

根據(jù)GB50116-2013《火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》[6]和GB51309-2018《消防應(yīng)急照明和疏散指示系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[7]，采用集中控制型系統(tǒng)，選取雙向可調(diào)A型指示跑馬燈安裝在各實(shí)驗(yàn)室門外左側(cè)。應(yīng)急照明燈最低照度達(dá)到5lx，分別安裝在走廊西出口上方0.5m處、走廊東向盡頭拐角處。燈具設(shè)置最遠(yuǎn)距離為6.3m，符合規(guī)范規(guī)定的間距不大于10m的要求。

A-Star（A*）算法作為Dijkstra算法的擴(kuò)展，它也是對于靜態(tài)路網(wǎng)中找尋最短、最優(yōu)路徑的一種直接搜索方法，在尋路和圖的遍歷過程中具有一定的高效性[8]。利用在理論上是時(shí)間最優(yōu)的A-Star算法，與逃生避險(xiǎn)原則和就近原則相結(jié)合，規(guī)劃不同位置發(fā)生火情時(shí)的最優(yōu)疏散路徑。如圖7所示，對實(shí)驗(yàn)室建立模型，利用A-Sta算法計(jì)算每個(gè)實(shí)驗(yàn)室的最優(yōu)逃生路徑，此路徑為安全人機(jī)實(shí)驗(yàn)室西樓梯逃生路徑。

3.3 傳輸線路及供電

利用ZigBee技術(shù)將火災(zāi)信息探測器監(jiān)測和記錄的信息、火災(zāi)報(bào)警及應(yīng)急疏散模塊等工作狀態(tài)信息傳輸?shù)娇刂茩C(jī)平臺(tái)中，并且將控制機(jī)中的控制指令反饋到各裝置。芯片選用順舟科技SZ05-ADV系列，各個(gè)元件接線如圖8所示，其中P1為ZigBee接口，P5為傳感器接口。

供電方面，將供電線路直接接在UPS無間斷24V電源上，再將UPS無間斷24V電源接在市電上，系統(tǒng)供電直接由電源驅(qū)動(dòng)，在發(fā)生緊急情況斷電時(shí)，UPS電源可供給系統(tǒng)正常運(yùn)行24小時(shí)的電量。

3.4 ?LabVIEW系統(tǒng)控制機(jī)

基于LabVIEW程序的控制機(jī)能夠?qū)崟r(shí)讀取環(huán)境信息，以及對系統(tǒng)狀態(tài)和各裝置進(jìn)行全局控制，使用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法提高數(shù)據(jù)處理的準(zhǔn)確性。能針對區(qū)域內(nèi)發(fā)生的火情及時(shí)采取反應(yīng)，除此之外還具有仿真模擬多種火災(zāi)情況、短路檢測、故障處理等功能。其中感溫感煙探測器數(shù)據(jù)采集處理以及相應(yīng)報(bào)警參數(shù)設(shè)置程序框圖如圖9所示，系統(tǒng)主界面如圖10所示：

該程序的實(shí)時(shí)監(jiān)測功能可對實(shí)驗(yàn)室溫度、煙度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測并自動(dòng)存檔，形成趨勢圖如圖11所示：

當(dāng)采集的環(huán)境值大于設(shè)定的溫度或煙度閾值時(shí)，程序通過傳感器數(shù)據(jù)判斷異常情況發(fā)生的地點(diǎn)，相應(yīng)位置報(bào)警器報(bào)警。根據(jù)預(yù)設(shè)程序選擇最安全的疏散路線，以綠色路線標(biāo)識(shí)在程序主界面上，同時(shí)聯(lián)動(dòng)輸出信號至實(shí)驗(yàn)室及走廊的指示燈中[9]，系統(tǒng)報(bào)警界面如圖12所示。

系統(tǒng)檢測出發(fā)生火災(zāi)的同時(shí)，將聯(lián)動(dòng)輸出信號至安裝在實(shí)驗(yàn)室的硬件，經(jīng)多次調(diào)試與實(shí)驗(yàn)，所有軟、硬件均能有效運(yùn)作。

在程序的教學(xué)模擬功能下，可以對每個(gè)傳感器的狀態(tài)進(jìn)行模擬設(shè)置，如圖13所示，模擬探測器的溫度、煙度報(bào)警或者是正常狀態(tài)。在界面左側(cè)，能選擇對多個(gè)或者單個(gè)安裝在不同實(shí)驗(yàn)室不同位置的報(bào)警器進(jìn)行聲道設(shè)置，此功能可用來模擬火情進(jìn)行消防演練，增強(qiáng)人員的安全意識(shí)，并能對軟件、硬件的運(yùn)行狀況進(jìn)行檢測和調(diào)試。

4 工作原理

通過火災(zāi)探測器對區(qū)域內(nèi)環(huán)境狀態(tài)信息（如溫度、煙度）的實(shí)時(shí)監(jiān)測與記錄，再通過傳輸網(wǎng)絡(luò)將信息數(shù)據(jù)傳送至終端LabVIEW系統(tǒng)平臺(tái)中，根據(jù)信號參數(shù)判斷區(qū)域內(nèi)是否有火災(zāi)發(fā)生。當(dāng)檢測到有火災(zāi)發(fā)生時(shí)，根據(jù)火災(zāi)探測器及手動(dòng)報(bào)警器的信號位置激活系統(tǒng)中預(yù)設(shè)對應(yīng)位置的火災(zāi)聲光報(bào)警器，并且系統(tǒng)根據(jù)火災(zāi)發(fā)生位置選擇A-Star算出的優(yōu)化疏散路徑，將其反饋到應(yīng)急疏散燈具，指引人員逃生。手動(dòng)報(bào)警器與探測器信號互相輔助確認(rèn)火情，防止人員逃生至非火災(zāi)點(diǎn)或緊急出口時(shí)誤按下手報(bào)從而使系統(tǒng)產(chǎn)生錯(cuò)誤邏輯。工作原理如圖14所示：

5 總結(jié)

本文通過分析某高校安全技術(shù)研究中心綜合實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了一款基于LabVIEW平臺(tái)的火災(zāi)報(bào)警及應(yīng)急疏散系統(tǒng)，結(jié)合ZigBee無線通信技術(shù)和A-Star算法，實(shí)現(xiàn)對實(shí)驗(yàn)室火情監(jiān)測、自動(dòng)報(bào)警、遠(yuǎn)程控制以及應(yīng)急疏散等功能，提高該實(shí)驗(yàn)中心的安全水平。并通過消防演習(xí)實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確選擇安全合理的疏散路徑，提高發(fā)生火災(zāi)時(shí)人員的生存率和疏散效率，滿足及時(shí)發(fā)現(xiàn)火情、集中控制、高效管理的安全需求。該系統(tǒng)還存在可以改進(jìn)的地方，例如改良交互界面，提高人員操作精準(zhǔn)度和便捷程度;增強(qiáng)無線通信的可靠性，提高傳輸信號的靈敏度。

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【通聯(lián)編輯：梁書】

收稿日期：2021-08-25

作者簡介：凌霄（1997—），男，湖南湘潭人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榘踩O(jiān)測和自動(dòng)化儀器研究;張嘉琪，教授，從事安全檢驗(yàn)檢測、自動(dòng)化儀器與探究;周艷，通信作者，副教授，從事安全管理研究。