城市道路隧道點型紅外火焰與圖像型火災(zāi)探測比較分析

周璟軍

(廈門市公路橋隧維護(hù)與應(yīng)急中心 廈門 361000)

城市道路隧道一般處于城市快速路、道路立體交叉處或為克服城市中的高程及平面障礙的道路中。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：①車流量大，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，易造成次生事故。基于上述原因，一旦在火災(zāi)發(fā)生后沒有及時報警、采取措施，很容易造成重大災(zāi)難。為此，GB 50116-2013 《火災(zāi)自動報警系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》特別規(guī)定，城市道路隧道必須同時使用線型光纖感溫探測器、點型紅外火焰探測器(或圖像型火災(zāi)探測器)，以助盡早發(fā)現(xiàn)火災(zāi)。線型光纖感溫探測器可實時監(jiān)測溫度，為必選項，本文對可二選一的點型紅外火焰探測器、圖像型火災(zāi)探測器的原理及應(yīng)用場景進(jìn)行對比分析。

1 隧道火災(zāi)探測原理

隧道火災(zāi)一般經(jīng)歷4個階段：前期、早期、中期及晚期。階段特點[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，火勢上升很快；后期火勢擴(kuò)散。

1.1 點型紅外火焰探測

紅外火焰探測器屬于感光探測器。常見的有雙波長、三波長紅外火焰探測器，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。閃爍特性指汽油燃燒火焰跳動頻率一般為1～15 Hz；紅外輻射特性指一般光源發(fā)光強度在紅外波段呈下降趨勢，而火焰則呈上升趨勢。雙波長紅外火焰探測器工作原理[2]見圖1。

圖1 雙波長火焰探測器工作原理圖

1.2 圖像型火災(zāi)探測

圖像型火災(zāi)探測屬于數(shù)字信息處理技術(shù)。前端攝像機采集圖像，進(jìn)入數(shù)字信號處理模塊進(jìn)行運算處理，通過形狀、面積、頻域等特性來識別火焰，通過背景模糊、湍流特性、紋理等來識別煙霧，判斷出火災(zāi)并報警。其工作原理[3-4]見圖2。

圖2 圖像型火災(zāi)探測器工作原理圖

2 主要性能分析

2.1 報警響應(yīng)時間

點型紅外探測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，因此對火焰響應(yīng)速度快，但對煙霧無法識別。圖像型火災(zāi)探測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算能力強，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，點型紅外火焰探測器無法及時報警，而圖像型火災(zāi)探測器可快速識別煙霧并報警，縮短報警響應(yīng)時間。

2.2 準(zhǔn)確性

點型紅外火焰探測借助于仿智邏輯進(jìn)行的信號處理，僅對特定頻率起作用，能有效避免照明、汽車燈光等影響，抗干擾能力強，幾乎無誤報。圖像型火災(zāi)探測器對車輛雙閃燈或警報燈有時會誤判，主流產(chǎn)品報警準(zhǔn)確率可達(dá)99%。

2.3 遮擋影響

點型紅外火焰探測器當(dāng)其探頭前剛好有車輛擋住火焰，阻擋了火焰紅外光進(jìn)入感光元件時，無法感應(yīng)火災(zāi)，響應(yīng)時間變長甚至不會報警。圖像型火災(zāi)探測器一般采用彩色、黑白、近紅外等多種圖像進(jìn)行冗余比對運算，在半遮擋情況下仍可有效識別火災(zāi)。

2.4 造價

以單洞總長3 km的隧道為例，選用日本能美雙波長方案造價約460 元/m，選用國內(nèi)某品牌三波長方案造價約210 元/m，選用國內(nèi)某品牌圖像火災(zāi)、事件檢測、圖像監(jiān)控三合一整合方案造價約350 元/m。主要性能、造價對比見表1。

表1 主要性能、造價對比表

3 布設(shè)優(yōu)化建議

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

3.1 圖像型火災(zāi)探測器準(zhǔn)確率優(yōu)化

從統(tǒng)計數(shù)據(jù)看，誤報事件大部分集中在汽車尾燈、警報燈等光源。可根據(jù)車輛定向移動、形狀固定特性及干擾源特殊閃爍頻率、色彩等排除干擾源；通過強大算法，使系統(tǒng)對火災(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)一步抑制誤報源，提高準(zhǔn)確率。

3.2 點型紅外火焰探測器防遮擋優(yōu)化

現(xiàn)有隧道點型紅外火焰探測器均安裝在同一側(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，使檢測區(qū)域適當(dāng)重疊，可降低系統(tǒng)被遮擋情況下漏報的概率。

4 應(yīng)用實例及對比

4.1 試驗隧道

廈門會展隧道為雙洞單向雙車道，左右洞各長900 m、寬10.3 m、高5.8 m。隧道同時設(shè)有雙波長紅外和圖像型火災(zāi)探測系統(tǒng)。本次選擇該隧道進(jìn)行多種工況下點火及煙霧試驗。

4.2 試驗數(shù)據(jù)

試驗使用同一燃燒源(火盆或煙霧彈)，在不同風(fēng)速工況下，對平均報警響應(yīng)時間及報警情況進(jìn)行測試。火盆規(guī)格為0.632 m長×0.632 m寬、火焰高度1 m、測試距離30 m、現(xiàn)場光照2.87 cd/m2，測試數(shù)據(jù)見表2。

表2 隧道火災(zāi)自動報警系統(tǒng)測試記錄表

4.3 試驗數(shù)據(jù)分析

1) 同工況下，圖像型火災(zāi)探測器報警響應(yīng)時間比雙波長火焰探測器短37%～50%。

2) 半遮擋時，圖像型火災(zāi)探測器可正常報警，點型紅外火焰探測器因被車輛擋住火焰，部分紅外光無法進(jìn)入感光元件，不報警概率高。

3) 點型紅外火焰探測器無法識別煙霧，圖像型火災(zāi)探測器可識別煙霧并報警。

4.4 應(yīng)用案例

廈門市成功大道隧道群、會展、云頂、文興、灌新隧道等共計12座隧道(單洞累計41.15 km)采用了圖像型火災(zāi)探測器。近5年，累計發(fā)生4起隧道內(nèi)車輛著火事件，均有報警。

廈門市會展、天馬山、蓮岳隧道共計3座隧道(單洞累計9.78 km)采用了雙波長火焰探測器。近5年，累計發(fā)生2起隧道內(nèi)車輛著火事件，其中報警1起，未報警1起。

5 結(jié)語

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

2) 點型紅外火焰探測器在準(zhǔn)確性、單功能造價(國產(chǎn))方面優(yōu)于圖像型火災(zāi)探測器。建議經(jīng)費不充裕的隧道采用點型紅外火焰探測器。

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)字信號處理算法解決文中提出的提高圖像型火災(zāi)探測器準(zhǔn)確率問題；通過改變布設(shè)方式，交替冗余布置，安裝實測改善點型紅外火焰探測器遮擋情況下的漏報問題。