極早期火災探測技術在客滾船中的應用

□黃劍1林建華童梅靜

近年來，客滾船火災事故時有發生，而大多數火災事故都發生在汽車艙內，有的甚至造成了重大的海難事故。在汽車艙失火時，由于安裝的火災探測器靈敏度低，且受艙內空間結構影響未能在火情發生早期即時探測識別，往往待火勢發展到一定程度時，艙內火災探測系統才發出報警，錯過了撲滅火災的黃金時間，最終釀成重大海難事故。因此，有必要對汽車艙火災早期探測技術及應用進行研究。筆者從分析汽車艙火災成因及特點入手，結合汽車艙結構“大空間、強對流”的特殊性，對汽車艙目前的火災探測系統存在的問題及原因進行分析。在研究極早期火災探測技術的基礎上，對幾種探測技術的優缺點進行分析，提出采用多探測器結合的技術方案，為盡早發現和撲滅火災贏取寶貴時間。

一、汽車艙火災情況分析

客滾船是滾裝船與客船的結合體，它將兩種船舶的優點合二為一，客、車、貨可同船運輸，具有很高的運輸效率。然而，正是由于客、車、貨同船，而使得火災的危險性大大增加，因而火災事故時有發生。

1. 汽車艙火災成因

（1）車輛火患。車輛燃油可能發生滲漏，滲出燃油積聚在艙內，當油氣濃度達到一定極限，一旦遇到明火，就會引起火災或爆炸。此外，車輛也存在因電線短路引起火災的風險。

（2）裝載危險物。車輛違規裝載的易燃易爆危險品受撞擊或者泄漏均可自燃。

（3）新能源車發生自燃。新能源車因電池受撞擊或故障等原因易發生自燃。

（4）車輛位移碰撞。在風浪大時，如汽車艙內的車輛沒有固定好，車輛容易發生位移造成互碰，導致油箱破裂，油料外泄，引起燃燒或爆炸。

（5）車輛溫度過高。因車輛駕駛員忘記熄火，導致車輛發動機溫度過高，引發火情。

（6）船舶自身隱患。客滾船自身電纜老化、破裂或受損裸露，電纜一旦發生短路，易引發火災。

（7）司機、旅客違反規定。司機或旅客違章吸煙,亂扔煙頭，易引發火災。

（8）港口管理部門管理不嚴。管理人員責任心不強，沒有按照安全管理相關規定對車輛、人員進行有效檢查和管理。

2. 汽車艙火災特點

（1）火勢蔓延快。由于汽車艙并非全封閉，且為全通甲板，船首尾兩端存在強烈的空氣對流，火勢容易擴大。如果一處著火就會很快波及全船；艙內車輛輪胎、電瓶等極易發生爆炸，造成火勢在艙內迅速蔓延。

（2）撲救難度大。火災發生后，艙內煙霧彌漫，難以確定著火點；艙內車輛密集，撲救風險高、難度大；當船舶電線、電纜被燒損，船舶動力系統、照明系統停止工作，極大增加火災撲救和人員疏散的難度。

3. 汽車艙空間結構特點

汽車艙面積可達數千平方米，高度超過5 米，艙首、艙尾非水密門結構，航行時艙內產生強對流空氣，因此汽車艙結構具有“大空間、強對流”的特點。

4. 汽車艙火災探測中存在的問題分析

汽車艙目前普遍使用的火災探測器主要是傳統的點型探測器，如圖1 所示，存在探測靈敏度較低的問題。例如，傳統點型煙霧探測器靈敏度僅為3%～5%obs/m，而傳統點型溫度探測器，即使靈敏度最高的，也僅能檢測0.5℃/分鐘的溫度上升速度。由于汽車艙空間較大，在船舶航行時艙內的空氣會產生強烈對流，在熱源產生煙霧時，氣流會將煙霧稀釋，或妨礙煙霧上升。由于汽車艙內頂部有大的結構橫梁，發生火災時，頂部煙霧被橫梁阻擋致使感煙探測器響應時間變長，且探測器靈敏度低，只有當火情迅猛發展并產生了大量熱量和煙霧，探測器才能發生作用。同樣由于汽車艙空氣流通較快，要使火情溫度達到安裝在汽車艙頂部的溫度探測器的報警閾值，火勢可能已發展到不可控的嚴重程度，溫度探測器難以起到消防預警的作用。

圖1 汽車艙內煙霧探測器

二、火災變化過程及主要特征

可燃物與助燃物相互作用發生的氧化反應隨即燃燒，燃燒過程中伴隨著產生光和熱。火災變化過程主要分為4 個階段：初起期、陰燃期、發展期、熄滅期。具體表現特征為：初起期，平均溫度不高，火災發展速度不快，火勢不穩定，產生大量的煙霧氣溶膠；陰燃期，所占時間較短，煙霧氣濃度較高，溫度迅速升高，遇明火極易點燃；發展期，產生大量可見光，溫度很高，火勢迅速蔓延，已形成火災；熄滅期，燃燒速率逐漸降低，溫度均值降至峰值的80%以下。

火災發生時，通常伴生火焰、光和煙。產生的新成分是火災的主要特征，這些特征通常被定義為火災參量，檢測這些參量可判斷是否發生了火災。由于火源、燃燒物性質及環境的復雜性，采用測量單一火災參量以確定火災是否存在的做法，結果往往是不可靠、不可信的，往往需要對2 個或多個火災參量同時測量，綜合分析，才能較有把握地確定火災是否發生。因此，有必要對各種火災探測技術進行深入的研究。

三、極早期火災探測技術在汽車艙的應用

在火災發生前30—120 分鐘的時間段內，即在火災的初始陰燃階段，對火災參量進行檢測和判斷，稱為極早期火災探測。在火災初起陰燃階段，對溫度、煙霧的探測是極早期識別火災的可靠手段，同時，對燃燒產生的光的光譜及火焰進行探測分析，可更精確判斷火災是否發生。

1. 紅外熱成像探測技術在汽車艙的應用

自然界所有溫度在絕對零度（－273 ℃）以上的物體，因其分子、原子的熱運動而不斷地產生紅外熱輻射，這是紅外熱成像的技術基礎。與傳統的點型溫度探測器相比，紅外熱成像探測器具有很高的測量精度和響應時間，在火災陰燃階段，就可探知溫度異常升高并報警。此外紅外熱成像探測器還具有不受光線、霧霾、氣流等外部環境影響等特性。紅外熱成像探測器適用于汽車艙極早期火災探測。在汽車艙頂部安裝探測器，當探測器探測到其下視場范圍內的任何物體溫度達到預設的報警閾值時即產生報警，并標定該物體所在的區域。

2. 煙霧探測技術

產生大量煙霧和氣溶膠，是火災初始陰燃階段最顯著特征之一。由于汽車艙氣流變化較大，熱源產生的煙霧被氣流稀釋，汽車艙頂部的傳統點型煙霧探測器難以探測到艙內被稀釋的煙霧，需要采用靈敏度高、抗干擾能力強的煙霧探測技術。

（1）吸氣式煙感探測技術在汽車艙的應用。該技術屬于高靈敏度煙感探測技術，它的工作原理是應用激光散射測量和煙粒子計數技術，在防火區域布設空氣抽樣管道網，然后通過抽氣泵，連續不斷地主動抽取監控區域的空氣樣本，空氣樣本被送至裝有激光探測光源及接收器的探測室。探測室通過光源發出探測光束，光束照射到空氣樣本上，如空氣樣本中含有煙粒子成分，發出的光束將產生散射，散射的光信號被探測室內的激光接收器接受，接收器通過檢測接受到的散射光的強弱變化，或通過計量散射光信號的脈沖數，測量出空氣樣本的煙粒子數。當煙粒子數達到某一設定閾值時，產生警報，如圖2 所示。

圖2 激光散射系統

該技術適用于汽車艙極早期火災探測，它采用主動空氣采樣探測方式，靈敏度高且調節范圍很寬（0.005%～20%obs/米），空氣對流對其探測結果及響應時間的影響很小，抗干擾能力強，既可以發現早期發生的火情，也可以發現吸煙或其他原因產生的微小煙霧，在火災初始陰燃階段可見煙出現之前即發出報警。

3. 光探測技術

光是火災參量之一，通過對光檢測和分析可作為火災是否發生的判斷或參考依據。光探測常采用對光敏感的元件，如光敏電阻、光電管、紅外光敏管等，對火焰進行探測。雙波段紅外火焰探測技術在汽車艙的應用。該探測技術的原理是利用火焰的閃爍效應和紅外輻射特性進行火災探測。閃爍特性指火焰會隨著燃燒不斷閃爍和跳躍，經實驗檢測，其跳動頻率一般為1 ～15 赫茲；紅外輻射特性指一般光源，如白熾燈、LED 燈等，其發光強度在紅外波段呈下降趨勢，而火焰則呈上升趨勢。應用該類技術的探測器對汽油燃燒火焰的跳動頻率十分敏感，對因汽車汽油泄漏而產生的火災具有較好的探測效果。該探測技術不受環境氣流影響，抗干擾能力強，響應速度快，適用于汽車艙火災探測。

4. 圖像火災探測技術

近年來，受基于人工智能的計算機視覺技術發展的推動，火災探測技術也發生了很大的進步，從傳統的感溫、感煙、感光探測發展到基于圖像化、智能化的新型探測。目前，圖像火災探測技術的研究和應用取得了很大的進展，達到了火災探測技術的較高水平。根據不同的探測對象和識別算法，圖像火災探測可分為圖像火焰探測和圖像煙霧探測2 種：圖像火焰探測技術是通過采集火焰的視頻圖像，然后通過分析火焰的形狀、面積、頻域等特性來識別火焰；圖像煙霧探測技術是通過采集火焰的視頻圖像，然后通過分析火焰的背景模糊、湍流特性、紋理等特性來識別煙霧。

圖像火災探測采用人工智能和圖像識別進行火災探測，特別適用于汽車艙，它不受空間高度、汽車尾氣、空氣對流、鹽霧等的影響，可以有效地避免誤報、遲報、漏報甚至失效的問題。

四、幾種火災探測器比較

1. 紅外熱成像探測器

紅外熱成像探測器在火災尚未能被人眼所識別的情況下，正確探測潛在的火災并發出警報，為極早期火災探測提供了有效的手段。在大空間環境早期火災探測中，面臨且難以解決的是靈敏度與可靠性之間的矛盾，而這種探測器能夠做到兩者之間的有機統一。其具有探測距離遠、靈敏度高、覆蓋范圍廣、反應迅速、誤報率低、不受氣流影響等優點，但須在可視范圍內才能有效發揮作用，如果探測物被遮擋，將無法發揮作用。

2. 吸氣式煙感探測器

吸氣式煙感探測器具有較高靈敏度和響應速度，在非可視范圍內仍可工作，在燃燒初期可見煙出現之前即發出警報。但它本質上仍屬于氣體濃度探測，仍會受強氣流的影響。

3. 點型紅外火焰探測器

點型紅外火焰探測器不受氣流影響、抗干擾能力強、對火焰響應速度快，缺點是只能在可視范圍內發生明火的時候，方能有效探測火情。

4. 圖像型火災探測器

圖像型火災探測器可探測陰燃階段產生的煙霧及燃燒階段的火焰，不受氣流干擾、響應速度快，探測準確度主要取決于火災圖像識別算法，隨著人工智能技術的不斷發展，其準確度也在不斷提高。

五、汽車移動偵測技術

車輛如發生位移相互碰撞，造成燃油泄漏，遇到明火便會引起燃燒和爆炸，因此有必要通過技術手段及早發現車輛位移。應用移動偵測技術，在汽車艙頂不同間隔安裝移動偵測攝像機，攝像機采集不同幀率的圖像，然后將圖像按一定的算法進行計算和比較，當車輛發生位移時，計算比較結果得出的數值會發生變化，當其超過閾值時立即產生位移事件報警信號。

六、多技術手段結合的極早期火災探測

火災的燃燒過程十分復雜，往往伴有多個火災參量。采用測量單一火災參量以確定火災是否存在的做法，其準確性和適用性都難以保證。通過同時測量、綜合分析2 個或者多個火災參量，才能較有把握地確定火災是否發生。汽車艙火災的火源、燃燒物及環境均有其特殊性，采用的火災探測技術和設備，必須與其特殊性緊密結合，才能取得較好的效果。

1. 汽車艙常見火災及探測器適用性分析

（1）燃油泄漏、吸煙等引發的火災。車輛存在燃油滲漏或者載有易燃物，一旦遇到明火或者火星，火災瞬間即進入燃燒階段，溫度迅速升高并產生強光。對這類火災，吸氣式煙感探測器可能產生遲報警，而采用紅外熱成像探測器和雙波段火焰探測器，通過測量溫度、火焰這兩個火災參量來識別火情，可準確、及時地發現火災。

（2）電器設備和電纜故障引發的火災。電器設備故障或者電纜、電池短路造成過熱時，其陰燃階段可持續很長時間，在達到燃燒物著火點后，才進入燃燒階段，此時紅外熱成像探測器和吸氣式煙感探測器具有較大的探測優勢。

2. 采用火災探測設備的考慮因素

在選擇汽車艙火災探測設備時，首先要考慮能最大程度地克服強對流空氣影響；其次要結合各種火源和燃燒物特點，還要解決監控對象相互遮擋而造成監控區域可視范圍受限以及車輛移位等問題；第三要考慮施工、工程造價等因素。

3. 多技術手段結合的汽車艙極早期火災探測

各種火災探測技術和設備在功能和性能上各有長短，需采用多種探測手段相互取長補短，最終實現汽車艙的極早期火災探測。技術方案是集成“紅外熱成像探測器+吸氣式煙感探測器+點型雙波段紅外火焰探測器+移動探測設備”，針對不同的火源、燃燒物和環境因素，探測器在火災不同階段發揮各自的作用，達到火災早期預警的目的。見表1 所列。

表1 各類型探測器的探測參量、適應環境、不同火災階段探測能力

七、多技術手段結合的極早期火災探測應用

2022 年海南海峽航運股份有限公司在其客滾船汽車艙火災探測系統改造中，采用了“紅外熱成像探測器+吸氣式煙感探測器+點型雙波段紅外火焰探測器+移動探測設備”的技術方案，并開發了一套多傳感器融合算法和抗誤報算法，經過近1 年多的使用情況證明，與傳統的依靠單一傳感器來進行探測的方法相比，火災的早期預警能力、火災探測的準確性和可靠性得到了很大的提升。

八、提高火警預警系統環境適應性措施

在汽車艙內，汽車尾氣排放、灰塵積累等都可能引起探測器的誤報或靈敏度的下降，需要采取措施提高其對環境的適應性。除了采取常用的措施如定期對熱成像探測器、煙霧探測器進行檢查、清潔，及時更換易耗件外，還可在軟件上采用相應的抗誤報算法，避免因汽車尾氣、鹽霧、灰塵、船舶振動等引進的誤報、漏報現象。

九、結語

由于客滾船汽車艙結構、環境、燃燒的特殊性，常用的點型感溫、感煙探測器作用受限，難以實現對火災的早發現、早預警。通過多種火災探測手段相互取長補短，實現了極早期火災的探測和報警，在客滾船火災防控上具有巨大的應用價值和良好的前景。