關于城市隧道火災報警探測器選擇的探討

周科

（重慶市設計院 重慶 400015）

前言

重慶是一個典型的山地城市。近年來，隨著城市建設的加快發展，城市隧道的建設也越來越多。

作為一種特殊的地下建筑，城市隧道結構復雜，環境密閉，交通量大，人員密集。火災是城市隧道面臨的高度危險之一，越來越引起了城市隧道電氣消防設計工作者的高度重視。

1 隧道的火災特點

發生在隧道中的火災，多數是開放性火災，它帶有濃煙，其熱輻射率為數兆瓦級，在數分鐘內便可形成火災。經廣泛的試驗(包括路面車輛和地鐵列車)，一起火災通常在8～10分鐘完全形成。對于大型貨運卡車，大約為20～30分鐘。當有燃料泄漏并形成坑池時，火災在1～3分鐘內完全形成。“隧道火災”實例的測試顯示，在大約5分鐘之后，車輛火災的溫度升至大約200攝氏度。

隧道火災的主要特征是耀眼的明火及強的輻射熱 （危險性在于汽車的動力燃料）且發展速度極快。其蔓延程度還取決于隧道洞內的風速，所以隧道機電工程中的火災自動檢測和及時報告無疑是保障隧道營運安全的重要手段之一。同時，由于隧道環境的特殊性，其火災自動報警探測器選用必須做到可靠、先進并具有高靈敏度和極低的誤報率的特點，這樣才能防患未然并進行早期自救。

現行國際國內的隧道火災報警探測器主要有雙波長火災探測器、光纖光柵感溫探測器及圖像型火災探測器等幾種類型的自動火災報警探測器。下面就該幾類探測器的特點及設計使用方式作簡單的概述。

2 雙波長火災探測器

雙波長火災探測器是通過捕捉火焰輻射光的閃動頻率的兩種波長進行比較從而判斷火災是否發生的報警探測器。雙波長火災探測器檢測火災靈敏度很高，且不受日光及人工照明光的影響，不會因此而動作。其設計的基本結構如下：

2.1 捕捉火焰特有的燃燒變化頻率

火災的火焰一邊燃燒一邊放射的光，是按周期變化。利用這種現象，通過探測器的電帶狀過濾器檢測火焰特有的頻率（1-15HZ），這是判斷發生火災的因素之一。

2.2 捕捉火災特有的光譜分布特性

火災的火焰所放射出的光的光譜分布情況與自然光或各種人工照明燈光（環境光）的光譜分布情況不同。雙波長火災探測器對一般照明用環境光的光學輸入相對光譜和車輛火災或汽油火災時檢測器的相對光譜比較，捕捉1.0μm的β值和1.7um的α值，在波長1.0um～1.8um范圍內汽車燈光、自然光、熒光燈、鈉光燈及其他光源的曲線呈下降趨勢，汽油燃燒曲線呈上升趨勢，對非火災曲線的β值和α值進行比較得出Pα-pβ<0，對火災曲線的β值和α值進行比較得出Pα-p β>0，因此當α值>β值時判定為火災信號。利用這個特性，探測器通過對于不同波長帶域各具靈敏度的二個檢測元件，比較輻射光的輸入值，做為檢測火災的判斷因素之一。

由于雙波長火災探測器擁有白天的日光、白熾燈、水銀燈、熒光燈、納燈等人工照明燈等都不會使檢測器動作的特點，且不受風速、環境、溫度影響。能夠較好地實現在正常情況下零誤報，在現行國內的隧道消防中應用較為廣泛。

3 光纖光柵感溫探測器

光纖感溫探測系統是一套利用光纖作為線性感溫探測器的高新技術，其基本原理是利用光纖中石英分子鍵會受溫度上升而產生晶格振動。這種振動會導致在光纖中傳輸的光產生散射(喇曼散射及Rayleigh散射)，而散射量的大小可以直接反應溫度的高低，因此光纖感溫探測系統可以將環境溫度以連續的線性方式表示出來。光纖感溫探測系統的另一個嶄新的技術是可以準確地定位溫度變化的確切位置。系統通過OTDR、OFDR(光時域及光頻域反射測量法)及連續FFT(快速傅立葉變換)對訊息進行處理，將微小的時空差別以頻率方式體現出來實現精確定位，從而構成一套精密的光纖線性感溫探測系統。

光纖感溫探測系統包括一個分析單元(頻率生成器、激光源、光模、HF合成器和微處理器)以及一個石英光纖纜(LG)作為線性溫度傳感器，其應用于城市隧道火災探測的優勢有：

（1）它不包含任何電子器件，所以不會受到任何種類的電磁干擾的影響。

（2）光纖傳感線纜設計了優異的耐用性(可以預期大約50年的服務壽命)，所以對環境影響如溫度、壓力和濕度波動極具抵抗力，同樣也適用于多塵和含有腐蝕性物質的空氣中。

（3）安裝傳感線纜和維護都十分容易，在線纜有損傷的地方可以像修復普通光纖一樣接合。

（4）傳感線纜能夠不受限制地被切割成要求的長度，為每一個工程提供所需的長度，最長可達4km。

同時，光纖感溫探測系統能夠精確定位火災位置，對隧道可進行大范圍的或局部范圍的顯示，而且能指明火災蔓延方向和速率。

但光纖光柵感溫線型探測器一般安裝于隧道頂部，如隧道頂部較高，感溫線型探測器達到報警溫度時，則火災已發展到相當規模，不利于早期消防滅火。且設計車速較高的隧道常年保持的風速為（2～10米/秒），并且一年四季的季節變換，環境溫度變化較大，給測溫方式檢測火災帶來不穩定性及滯后性。

4 圖像型火災探測器

智能圖像型火災探測器的現行應用主要領域是石油、化工等產業，近幾年在隧道消防中的應用也逐漸增多。

圖像型火災探測器采用的是智能圖像分析技術，屬于成像型非接觸式面型探測方式，具有視頻監控和火災探測雙重功能，能夠區別真實的火災和干擾源（如太陽強光、各類光源、CO2熱氣排放、黑體輻射等），實現了“眼睛與大腦”的完美統一，能夠在各種復雜環境下對火災（火焰、煙霧）作出快速準確的判斷。在火災探測方面，一旦有火情出現，可以在2～15秒內做出準確判斷，并給出火災定位信息（誤差小于1.5m），為及時控制火情，迅速啟動應急預案贏得了時間。圖像型火災探測器集成了視頻監控和明火的即時分析、即時報警功能，而且在傳統隧道視頻監控的基礎上稍做改造就能使監控系統具有火焰探測功能，避免了重復投資，減小了施工難度。

隨著技術水平的提高，由于綜合了監控及火災報警功能，圖像型火災探測器在隧道消防報警系統中有著一定優勢：

（1）利用前端智能視頻分析，通過火焰、煙霧的圖像意義上的檢測可及時發現火情、預測火勢，屬于火災早期探測報警（最小檢測火焰15cm×15cm汽油盤火，響應速度快20秒以內），大大縮短發現火災、發出報警時間。

（2）光線的變化不會誤報火警，隧道內氣流的單向流動，不會影響火災檢測的靈敏度。

（3）隧道內的輕微抖動不影響探測器正常工作。

（4）在隧道內風速較快、場內有火的情況下，同樣可以不降低靈敏度，迅速報警。

（5）利用視頻監控，可以掌握第一手甚至實時現場影像資料。

5 比較及結論

光纖光柵感溫監測系統是基于光纖光柵傳感器的傳感系統，該系統在國內的石化、電力、冶金行業應用較為廣泛，在公路隧道的消防探測領域也有一定的應用。

近年來，雙波長火災探測器由于其穩定性高、響應時間短的特點，在隧道消防的應用中越來越多。筆者參與設計的重慶嘉華隧道，根據其隧道特點就采用雙波長火災探測器。嘉華隧道是嘉華大橋及南北引道工程的一部分，隧道全長1435m，道路等級按城市快速路進行設計，時速每小時80km，采用上、下行分離式雙洞，雙向六車道，出口端黃沙溪段為雙向8車道，最大斷面220m2，最寬寬度達21m，居亞洲同類型城市隧道之首。由于嘉華隧道采用的是拱頂結構，斷面大，洞寬較寬，洞高較高，且洞內已按相關規范設置了獨立的監控系統，通過技術經濟比較后，火災探測器未采用圖像型火災探測器和光纖光柵探測系統，而是選用了雙波長火災探測器。探測器與手動報警按鈕組成綜合探測盤，安裝在洞內一側1.5m高的側墻上，探測器間距為50m。通過安裝后的火災試驗表明，在發生火災時，雙波長火災探測器能夠迅速響應來聯動其他消防系統，較好地達到了設計及消防部門的要求。

圖像型火災探測器結合了監控與火災探測兩大功能，隨著圖形軟件處理技術及前端攝像機技術的提升，應該是未來隧道消防火災探測器的發展方向。

通過對三種探測器的比較并結合城市隧道的特點，筆者認為在城市隧道內可以優先選擇雙波長火災型探測器來作為火災探測報警器。對于部分隧道斷面較小、洞頂不高、設計車速較低或洞內常年風速小的城市隧道可選用光纖光柵型報警器。圖像型火災探測器在工程實例中應用較少，其技術水平的提高應該代表著隧道消防探測的新方向。對于消防等級要求較高的隧道，則可以采用多種探測器結合的方式以保證前期火災探測的準確性。

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