城市軌道交通分布式疏散指示系統(tǒng)可實(shí)施性探討

楊正波 魏海洋

(中鐵第六勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，300308，天津∥第一作者，高級(jí)工程師)

由于地鐵車站處于地下空間的位置特殊性，一旦發(fā)生火災(zāi)，大量乘客在進(jìn)行逃生疏散時(shí)，容易發(fā)生踩踏等次生災(zāi)害，因此，消防應(yīng)急照明和疏散指示系統(tǒng)的設(shè)置尤為重要。

根據(jù)GB 51309—2018《消防應(yīng)急照明和疏散指示系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》,現(xiàn)城市軌道交通車站采用集中電源集中控制型疏散指示系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱“集中控制型疏散指示系統(tǒng)”)，即由1臺(tái)中央控制主機(jī)通過通信線路集中控制站內(nèi)所有疏散指示燈具的指向，疏散指示邏輯方案通常采用預(yù)案制，即由人工預(yù)先對(duì)每種火災(zāi)報(bào)警信息做出預(yù)案，預(yù)先配置設(shè)定好火災(zāi)報(bào)警信息所對(duì)應(yīng)疏散指示燈的指示方向，并存入數(shù)據(jù)庫。當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí)，火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)通過通信線路聯(lián)動(dòng)集中控制型智能疏散指示系統(tǒng)主機(jī)，主機(jī)根據(jù)事先設(shè)定好的預(yù)案開展工作，引導(dǎo)人員安全疏散。

但集中控制型疏散指示系統(tǒng)存在以下幾個(gè)問題：①系統(tǒng)僅設(shè)有1臺(tái)中央控制主機(jī)，如果出現(xiàn)宕機(jī)故障，整個(gè)系統(tǒng)將會(huì)癱瘓，進(jìn)而導(dǎo)致所有末端疏散指示燈將無法正常指示疏散方向；②系統(tǒng)主機(jī)與火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)之間、系統(tǒng)主機(jī)與疏散指示燈具之間的通信均通過通信線纜傳輸信息，如果出現(xiàn)通信線路損壞，整個(gè)系統(tǒng)將無法接收或傳輸信息，導(dǎo)致疏散指示燈具將無法正常指示；③疏散指示燈在煙霧中穿透力弱且無距離安全出口的米標(biāo)信息，當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí)，逃生人員由于對(duì)環(huán)境陌生，容易產(chǎn)生恐慌緊張的情緒。因此，本文提出了基于5G(第五代移動(dòng)通信)技術(shù)的分布式疏散指示系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱“分布式疏散系統(tǒng)”)，并結(jié)合天津?yàn)I海新區(qū)軌道交通B1線實(shí)際工程項(xiàng)目，嘗試從系統(tǒng)組成、控制原理、技術(shù)經(jīng)濟(jì)性等方面，對(duì)兩種系統(tǒng)進(jìn)行分析比較，研究分布式疏散指示系統(tǒng)在城市軌道交通車站應(yīng)用的可行性，以期為后續(xù)的工程應(yīng)用提供參考。

1 系統(tǒng)組成及控制原理

1.1 集中控制型疏散指示系統(tǒng)

集中控制型疏散指示系統(tǒng)由控制層、配電層和燈具層組成?？刂茖訛橄缿?yīng)急照明和疏散指示系統(tǒng)控制器，配電層為應(yīng)急照明集中電源/應(yīng)急照明配電箱，燈具層為DC 36 V/DC 24 V的A型消防應(yīng)急照明燈具。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

集中控制型疏散指示系統(tǒng)采用功率總線技術(shù)，將車站內(nèi)所有應(yīng)急照明燈具及其配套設(shè)備整合在一起。在正常情況下，系統(tǒng)24 h實(shí)時(shí)巡檢系統(tǒng)各設(shè)備及燈具的狀態(tài)和故障信息，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)各供電/通信回路的工作狀況等，通過聲光報(bào)警提醒管理人員及時(shí)對(duì)故障燈具或線路進(jìn)行維護(hù)檢修。在火災(zāi)工況下，系統(tǒng)實(shí)時(shí)與火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)(FAS)主機(jī)聯(lián)動(dòng)，接收火災(zāi)報(bào)警信號(hào)并確定著火點(diǎn)的位置，并通過自動(dòng)/手動(dòng)程序控制和改變疏散指示標(biāo)志燈的指示方向，從而使逃生人員安全、準(zhǔn)確、迅速地選擇安全通道逃生。

1.2 分布式疏散指示系統(tǒng)

分布式疏散指示系統(tǒng)由配電層和燈具層組成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。系統(tǒng)配電層為應(yīng)急照明配電箱。不同于集中控制型疏散指示系統(tǒng)，分布式疏散指示系統(tǒng)的燈具層包括了具備5G傳輸能力的通信單元，其中通信網(wǎng)絡(luò)采用目前已實(shí)現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)全覆蓋的民用通信傳輸系統(tǒng)，具備加載更新建筑場(chǎng)所信息的處理單元，智能算法的計(jì)算單元，控制頻閃及距離顯示功能的控制單元，顯示功能的屏顯單元和巡檢維護(hù)的二維碼，為一個(gè)能夠進(jìn)行通信、計(jì)算、處理及控制的獨(dú)立裝置。智能疏散指示燈具構(gòu)造示意圖如圖3所示。

圖3 智能疏散指示燈具構(gòu)造示意圖

分布式疏散指示系統(tǒng)在逃生算法方面，采用確定式和啟發(fā)式相結(jié)合的算法，融入仿生學(xué)和人類行為特征的概念，系統(tǒng)根據(jù)發(fā)生火災(zāi)的位置通過合適的算法進(jìn)行計(jì)算，以實(shí)現(xiàn)逃生邏輯。在系統(tǒng)可靠性方面，采用FMEA(失效模式與影響分析)方法，從中央處理器單元、信息載波發(fā)送和信息接收單元的選型與設(shè)計(jì)，將可能存在的安全隱患一一排除；同時(shí)引入“故障導(dǎo)向安全”的可靠性設(shè)計(jì)理念，保證系統(tǒng)在故障模式下進(jìn)入“無害”的安全狀態(tài)，并能發(fā)出故障信號(hào)。

分布式疏散指示系統(tǒng)無集中控制型智能疏散指示系統(tǒng)的中央控制主機(jī)及通信控制線路，系統(tǒng)中的每個(gè)疏散指示燈具均擁有獨(dú)立的通信單元、計(jì)算單元、控制單元及屏顯單元，形成分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。其中，通信單元通過5G網(wǎng)絡(luò)接收火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)發(fā)送的火警信息，計(jì)算單元可根據(jù)著火點(diǎn)位置動(dòng)態(tài)生成最佳疏散方向，傳輸至控制單元，并控制屏顯單元頻閃及距離顯示，有效引導(dǎo)人員安全疏散。在正常情況下，每個(gè)疏散指示燈具常亮指向就近安全出口的方向，并顯示距離最近安全出口的米標(biāo)信息。日常系統(tǒng)的實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)視、事件記錄查詢、終端遠(yuǎn)程復(fù)位、設(shè)備自檢等信息通過二維碼在維保人員的手機(jī)端進(jìn)行維護(hù)管理。在火災(zāi)工況下，所在防火分區(qū)的疏散指示燈通過5G接收火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)發(fā)送的火警信息，燈具自動(dòng)轉(zhuǎn)入頻閃狀態(tài)，計(jì)算單元根據(jù)其自身建立的建筑場(chǎng)所信息，獨(dú)立分析、判斷疏散指示燈指向的出入口路線中是否存在火情障礙。若無火情障礙，燈具則保持目前的疏散指示方向，顯示距離安全出口的米標(biāo)信息；若存在火情障礙，燈具計(jì)算單元?jiǎng)t計(jì)算出避開火情的疏散指示方向，控制單元根據(jù)實(shí)時(shí)計(jì)算結(jié)果，調(diào)整疏散指示方向及顯示至安全出口的距離，通過屏顯單元引導(dǎo)人員安全疏散，分布式疏散指示系統(tǒng)的邏輯框圖和疏散路徑示意圖分別如圖4和圖5所示。

圖4 分布式疏散指示系統(tǒng)邏輯框圖Fig.4 Logic diagram of distributed evacuation indication system

圖5 分布式智能疏散指示系統(tǒng)疏散路徑示意圖

2 案例分析

以天津?yàn)I海新區(qū)軌道交通B1線一期工程(北段)車站北路站為例，比較分析以上兩種系統(tǒng)方案。車站北路站為地下兩層島式車站，其中車站地下一層為站廳層，地下二層為站臺(tái)層。車站總長(zhǎng)為244.1 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬為23.1 m，有效站臺(tái)長(zhǎng)度均為140 m。車站主體建筑面積為10 347 m2，出入口通道、風(fēng)道(風(fēng)亭)建筑面積為4 515 m2。

2.1 集中控制型疏散指示系統(tǒng)方案

以天津?yàn)I海新區(qū)軌道交通B1線一期工程(北段)車站北路站為例，車站疏散指示系統(tǒng)采用集中控制型疏散指示系統(tǒng)，系統(tǒng)在車站控制室設(shè)置1套集中控制型應(yīng)急照明控制器，在車站站廳層和站臺(tái)層的A、B端照明配電室根據(jù)疏散指示回路設(shè)置不同數(shù)量的應(yīng)急照明配電箱，其系統(tǒng)框圖如圖6所示。

2.2 分布式疏散指示系統(tǒng)方案

如果采用分布式疏散指示系統(tǒng)，系統(tǒng)在車站站廳和站臺(tái)層的A、B端照明配電室各設(shè)置1套應(yīng)急照明配電箱，為應(yīng)急疏散指示燈和應(yīng)急疏散照明燈提供電源，其系統(tǒng)框圖如圖7所示。

2.3 技術(shù)經(jīng)濟(jì)性比較

由表1所示的集中控制型疏散指示系統(tǒng)和分布式疏散指示系統(tǒng)的技術(shù)比較可知，分布式疏散指示系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)較為明顯，主要體現(xiàn)在以下方面：

1) 系統(tǒng)更穩(wěn)定可靠。分布式疏散指示系統(tǒng)沒有集中控制型疏散指示系統(tǒng)的中央控制主機(jī)及通信控制線路，為分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。每個(gè)疏散指示燈具各自為主機(jī)控制器，均具備獨(dú)立通信、計(jì)算、控制及顯示能力，即使出現(xiàn)宕機(jī)故障，也僅為某個(gè)疏散指示燈故障，不影響其他燈具的正常使用。系統(tǒng)不會(huì)出現(xiàn)集中控制型疏散指示系統(tǒng)的全系統(tǒng)癱瘓情況，甚至分布式系統(tǒng)燈具自帶蓄電池時(shí)，即使電源線故障，由于均能收到5G信號(hào)，系統(tǒng)不受物理線纜通斷影響，整個(gè)系統(tǒng)可靠性更高。

2) 系統(tǒng)疏散邏輯更先進(jìn)。集中控制型疏散指示系統(tǒng)預(yù)設(shè)疏散地圖信息，在火災(zāi)情況下，根據(jù)FAS反饋著火信息，生成逃生路徑進(jìn)行疏散。而分布式疏散指示系統(tǒng)不預(yù)設(shè)地圖信息，只需根據(jù)著火點(diǎn)位置，每個(gè)燈具均進(jìn)行獨(dú)立分析、判斷與計(jì)算，確定最佳疏散方向并動(dòng)態(tài)生成逃生路徑。

圖6 集中控制型疏散指示系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架圖Fig.6 Network architecture diagram of centralized control evacuation indication system

圖7 分布式疏散指示系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架圖Fig.7 Network architecture diagram of distributed evacuation indication system

表1 集中控制型和分布式疏散指示系統(tǒng)的技術(shù)比較Tab.1 Technical comparison between centralized control and distributed evacuation indication system

3) 系統(tǒng)響應(yīng)更迅速。分布式疏散指示系統(tǒng)的每個(gè)疏散指示燈具均可通過5G網(wǎng)絡(luò)接收火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)發(fā)送的火警信息，相較于傳統(tǒng)通信線路而言，其響應(yīng)度更快。

4) 系統(tǒng)維護(hù)更便捷。分布式疏散指示系統(tǒng)日常的維護(hù)管理，可通過裝在維保人員手機(jī)端的屏顯單元二維碼隨時(shí)隨地進(jìn)行，不僅可以實(shí)現(xiàn)就地、控制室和遠(yuǎn)程維護(hù)，還節(jié)省了后臺(tái)的管理主機(jī)，系統(tǒng)管理和維護(hù)更為便捷。以車站北路站為例，兩個(gè)系統(tǒng)的投資費(fèi)用情況如表2所示。

表2 疏散指示系統(tǒng)設(shè)備數(shù)量及投資費(fèi)用表(不含區(qū)間)Tab.2 Quantity and investment cost of evacuation indication system equipment (excluding interval)

從表2數(shù)據(jù)可以看出，相比于分布式疏散指示系統(tǒng)，集中控制型疏散指示系統(tǒng)的投資總體少8萬元。這主要是由于分布式系統(tǒng)的消防應(yīng)急疏散指示燈具均具有中央處理芯片，能夠進(jìn)行獨(dú)立通信、計(jì)算、處理及控制功能，其單價(jià)約為集中控制型系統(tǒng)疏散指示燈的2.5～3.0倍，但隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展和設(shè)備的量產(chǎn)化，分布式系統(tǒng)的疏散指示燈設(shè)備造價(jià)將會(huì)下降，兩個(gè)系統(tǒng)的投資差別將會(huì)不斷縮小。

通過對(duì)車站北路站兩個(gè)系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、通信方式、疏散邏輯、系統(tǒng)維護(hù)及投資費(fèi)用的綜合比較，獲得兩者綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)對(duì)比結(jié)果，如表3所示。

表3 疏散指示系統(tǒng)的綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)對(duì)比

由表3可知，分布式疏散指示系統(tǒng)盡管投資較高，但其系統(tǒng)可靠性、響應(yīng)度、疏散邏輯及系統(tǒng)可維護(hù)性較集中控制型系統(tǒng)更具優(yōu)勢(shì)。

3 結(jié)語

城市軌道交通車站消防應(yīng)急照明和疏散指示系統(tǒng)對(duì)于地下空間的消防安全疏散至關(guān)重要。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的不斷發(fā)展，智能消防應(yīng)急照明和疏散指示系統(tǒng)在滿足系統(tǒng)運(yùn)行要求的前提下，采用成熟先進(jìn)的技術(shù)、設(shè)備配置與選型是該領(lǐng)域不斷升級(jí)換代的需求。相較于集中控制型疏散指示系統(tǒng)，分布式疏散指示系統(tǒng)盡管其投資較高，但基于其分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，在系統(tǒng)先進(jìn)性、可靠性、開放性、響應(yīng)度及可維修性等方面均具有領(lǐng)先性，尤其在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上，其分布式獨(dú)立處理單元具有極其安全可靠的優(yōu)勢(shì)，值得在新建線路或改造項(xiàng)目中推廣實(shí)施。