工業建筑群火災報警系統環型結構設計

楊智勇

（隆基樂葉光伏科技（西咸新區）有限公司，陜西 西安 712000）

0 引言

與民用建筑不同，工業建筑具有不同的防火特點，這是因為工業建筑主要是為工業生產或者為生產服務的空間，例如廠房、倉儲結構、生產車間等，其具有結構多樣、體量大、生產設備多、管線復雜、存儲易燃易爆物品、燃燒條件充分等特點，受到生產車間環境溫度、濕度、粉塵、強磁場等因素的影響，也增加了火災危險性[1]。火災自動報警系統作為工業建筑物早期火災的有效控制消防設備措施，它在工業建筑中也得到廣泛應用[2]。在工業建筑群是由多棟工業廠房組成的建筑群，各個建筑之間的功能不一、管線復雜、生產環境和生產工藝流程多變、火災自動報警系統分散且回路距離長等，導致工業建筑群的防火系統、設備存在不同程度的故障，工業建筑群火災報警系統的設計是影響人身和財產安全的首要問題[3]。

1 工程概況

陜西省西安市某工業園區位于城市郊區，由于建設過程采用分階段實施，先后共建成了相對獨立的5座工業分園區，最終形成工業建筑群，總占地面積87239.08m2，總建筑面積25482.35m2，建設規模1.47億元。每個工業分園區均由6座標準化廠房組成，廠房按數字編號為1#～6#，所有標準化廠房均采用標準鋼結構工程，高度均為3層（8.5m），跨度均為32m，其中1#、2#、3#、4#廠房長132m，5#、6#廠房長120m，柱距6m，邊柱頂標高8.5m，建筑面積4224m2，廠房由GJ1和GJ2兩種鋼架組成。其中GJ1鋼架有兩榀，GJ2鋼架有21榀，GJ1鋼架鋼柱之間設置有抗風柱，GJ2鋼架設置有中柱，跨距大。每棟廠房的功能分區很多，一樓主要為進料區和加工區，二樓主要為包裝區和控制區，三樓主要為成品區和存儲區。由于工業園區的建筑物很多、功能分區分層、工業分園區相對獨立、生產車間環境復雜、易燃易爆物品很多等，導致廠區建筑群的火災自動報警設計系統分散，設計回路距離長，使建筑群火災自動報警系統在運營時容易出現各種故障隱患，因此結合園區建筑的特點，采用環形結構火災自動報警系統將各個建筑物群串聯，以避免回路過長等問題。

2 建筑群環形火災自動報警系統的結構特性及設計

2.1 建筑群火災自動報警系統環形網絡結構特性及設計

在火災自動報警系統環形結構中，控制器串聯形成環形網絡結構，控制器線路形成環形回路結構[4-5]。環形網絡結構是將相互獨立的很多火災自動報警控制器進行串聯，串聯數量可以達到35臺，各臺火災自動報警控制器之間的信息交互和跨屏控制、聯動功能則借助運行程序的局域網絡實現，可以設置火災自動報警控制器的層級管理，也可以設置火災自動報警器的自主控制和無層級操作[6]。建筑群火災自動報警系統環形網絡結構具有2個典型特性：1）為高效率和高可信度的信息交互。在火災自動報警系統中，控制器的環形網絡結構具有拓撲結構特征，每個火災自動報警控制器能夠實現對火災信息的識別、獲取、發送、接收、預警和轉發網絡系統等功能，控制器以SCK403B0X處理器為運算核心，獨立的環形網路結構之間的可以無障礙地共享信息及跨區域機器控制、人機交互[7]，火災自動報警控制器的功能模塊結構設計如圖1所示。從圖中可以看出，FLASH ROM SST39VF160Q和SDRAM HY57V641620HG是火災自動報警控制器的兩個重要存儲核心模塊，兩者均在操作系統uCLinux中可以得到動態運行，前者為16位1M大小的Flash存儲器，用于嵌入式系統的BootLoader存儲，后者為16位1M大小的4 Banks SDRAM，主要是存儲uCLinux的程序代碼，并與CPU的頻率同步。2）為信號中斷的自動隔離與兩端通信。在火災自動報警系統中的控制器系列，當網路中的控制器節點出現故障時，環形網絡將自動將故障控制器節點進行自動隔離，其余控制器節點保留通信功能和控制層級，當控制節點之間的網絡線路出現故障時，線路兩端的控制器則會自動向兩端進行通信，節點仍保持通信功能，實現環形網路和控制器節點的網絡重組，以避免故障網路的影響，如圖2所示。

圖1 控制器的功能模塊結構設計

2.2 建筑群火災自動報警系統環形回路結構特性及設計

火災自動報警系統的環形回路結構與控制器分散的線形結構不同，可以有效環節控制器之間回路的冗余，實現減少回路故障，使信息傳輸更高效。火災自動報警系統環形回路結構設計如圖3所示，其典型結構特性如下。

圖3 火災自動報警環形結構系統的回路結構設計

其一為信號中斷的自動隔離與兩端通信。如圖4所示，當火災自動報警環形結構地址單元之間出現開路情況時，為避免出現系統通信中斷情況，回路主要通過A支路和B支路向兩端進行信號傳輸，以免故障影響導致火災自動報警功能的失效。

圖4 工業建筑群火災自動報警系統環形結構設計的仿真計算結果

其二為具有高強度的系統自我保護能力。為避免環形結構系統在出現短路或接地等故障時受到功能受損影響，在設備系統中可以設置短路隔離器，線路出現異常時可以保護系統，在各個系統中的組件也可以設置短路隔離器，以保證及時系統已經發生短路狀況，系統中的組件仍具備運行能力。

其三為強大的環路接分支能力。工業建筑群具有線路長、建筑物分散等特點，而環形回路很好地適用于這種工況條件，能夠在環形回路中任意位置實現分支節點的接駁，支路上最大可接駁35個地址元件，提高了系統的連接能力，也避免了單一線路中只能在端頭接駁的弊端。

3 火災自動報警系統環型結構設計在工業建筑群中的應用效果

為驗證以上火災自動報警系統環形結構的設計效果，基于模糊神經網絡理論和MATLAB仿真軟件，選取明火、陰燃和無火3種工況進行分析，分別計算其期望值。模糊神經網絡計算的學習率η如公式（1）所示。

式中：E為期望；k為訓練樣本；β=1.06；θ=0.78；α=1.07。

仿真計算的訓練樣本共40個，參數分別為煙霧濃度、傳感器溫度和CO濃度，見表1。其中煙霧濃度的測量采用NIK-80D型離子式煙霧傳感器檢測，可以對各種顏色的煙霧產生高靈敏度的探測，其靈敏度特性為當煙霧濃度為0時，輸出電壓為（5.6±0.4）V，當煙霧濃度1%時，輸出電壓為（5.3±0.5）V，當煙霧濃度為2%時，輸出電壓為（5.0±0.5）V，當煙霧濃度為3%時，輸出電壓為（4.7±0.5）V，當煙霧濃度為4%時，輸出電壓為（4.4±0.5）V，所有電壓誤差范圍為（0.3±0.5）V。CO氣體濃度采用NAD-507型電化學CO氣體監測器探測，其檢測CO氣體范圍為0～1000×10-10，分辨率為1×10-10，響應時間小于30s，可在最短的時間預警，防止人體吸入過量CO中毒而物理逃生，監測器可工作環境溫度為-20℃～50℃，可工作環境濕度為15%RH～90%RH，重復再現性在±2%以內。溫度則由HN37型溫度傳感器獲得環境中由于物質燃燒產生的熱量，其外形結構為φ3mm×10mm金屬殼封裝，延長線為φ0.5mm×15mm高溫線，可測量范圍為-50℃～200℃，線性度為±0.5%，電壓溫度系數為-2mV/℃。

表1 基于模糊神經網絡的仿真計算訓練樣本

從圖中可以看出，工業建筑群發生無火、陰燃和明火的期望曲線均呈現不同程度的波動，但是波動的幅度均在較小的區間范圍內，在平均值中上下浮動。工業建筑發生無火的期望平均值最大，其數值為0.83，而工業建筑發生陰燃的期望平均值和發生明火的期望平均值均較小，前者為0.27，后者為0.10。由此表明，采用環形結構設計的工業建筑群火災自動報警系統能夠有地預防火災的發生，達到了火災報警的目的。

4 結論

該文以陜西省西安市某工業園區建筑群的自動火災報警系統設計為例，在分析建筑群環形火災自動報警系統的結構特性基礎上，將建筑物群進行環形結構設計，并通過模糊神經網絡理論和MATLAB仿真軟件驗證應用效果，得到以下3個結論：1）工業園區建筑群由多棟工業廠房組成，各個建筑之間的功能不同、管線復雜、生產環境和生產工藝流程多變、火災自動報警系統分散且回路距離長，運用環形結構自動火災報警系統設計具有明顯優勢。2）環形網路具有高效率和高可信度的信息交互能力、信號中斷的自動隔離與兩端通信能力，環形結構具有信號中斷的自動隔離與兩端通信能力、高強度的系統自我保護能力和強大的環路接分支能力。3）基于模糊神經網絡理論和MATLAB仿真軟件，對采用環形結構設計的工業建筑群火災自動報警系統發生無火、陰燃和明火的期望進行計算，結果表明，工業建筑發生無火的期望為0.83，發生陰燃的期望平均值為0.27和發生明火的期望平均值為0.10，采用環形結構設計的工業建筑群火災自動報警系統能夠有地預防火災的發生，達到了火災報警的目的。