多傳感器耦合區(qū)域火災(zāi)報(bào)警技術(shù)研究

王靜舞，關(guān)勁夫，于淼淼，袁宏永,*，陳 濤，劉小勇，王 軍

(1.清華大學(xué)合肥公共安全研究院，合肥，230061;2.清華大學(xué)工程物理系公共安全研究院，北京，100084)

0 引言

點(diǎn)型感煙/感溫火災(zāi)探測(cè)器是居住或辦公類建筑中最常用的火災(zāi)探測(cè)器。近些年來，由于老化、空間電磁環(huán)境干擾日益復(fù)雜和市場(chǎng)對(duì)探測(cè)器成本的擠壓，分布于居住和辦公場(chǎng)所的點(diǎn)型感煙/感溫探測(cè)器誤報(bào)十分嚴(yán)重，導(dǎo)致大量的規(guī)?；褂锰綔y(cè)器的單位不堪誤報(bào)干擾，直接關(guān)閉報(bào)警系統(tǒng)的現(xiàn)象屢屢發(fā)生，多次造成嚴(yán)重火災(zāi)傷亡事故。為了解決探測(cè)器誤報(bào)問題，基于監(jiān)控?cái)z像的圖像火災(zāi)識(shí)別發(fā)展迅速[1-3]，但此類建筑一般為相對(duì)獨(dú)立的分隔結(jié)構(gòu)，具有一定的私密性，圖像型火災(zāi)探測(cè)方式具有一定的局限性。因此，如何降低點(diǎn)型探測(cè)器的誤報(bào)率、提高火災(zāi)報(bào)警的準(zhǔn)確性和及時(shí)性，仍待深入研究。

軍艦、飛機(jī)貨艙等特殊場(chǎng)景常常使用基于多信號(hào)融合的探測(cè)算法，如煙氣消光、溫度、CO/CO2濃度信息融合。Cleary[4]在全尺度雙腔室住宅火災(zāi)實(shí)驗(yàn)中，測(cè)試了雙光電/離子感煙探測(cè)器的性能，優(yōu)于同一位置布置的單個(gè)光電或離子感煙探測(cè)器。此類多信息融合方法可以大大提高火災(zāi)報(bào)警的準(zhǔn)確性、提前報(bào)警時(shí)間，但由于成本原因很難大規(guī)模應(yīng)用于城鎮(zhèn)建筑中。此外，已有建筑中多采用點(diǎn)型感煙/感溫火災(zāi)探測(cè)器，且配備有火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)。利用已有火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)，通過融合火災(zāi)早期煙氣蔓延規(guī)律和探測(cè)器信號(hào)時(shí)空分布特征，是降低火災(zāi)探測(cè)誤報(bào)率、實(shí)現(xiàn)火災(zāi)早期準(zhǔn)確識(shí)別與預(yù)警的最經(jīng)濟(jì)的手段之一。

火災(zāi)探測(cè)器作為火災(zāi)探測(cè)硬件設(shè)備經(jīng)常安裝于建筑物頂棚中間位置，因此頂棚射流與近頂棚流動(dòng)的煙氣蔓延模型是與火災(zāi)探測(cè)過程最相關(guān)的。自20世紀(jì)50年代開始，有非常多的各種非受限與受限情況下的頂棚射流特征研究[5]。這些研究基于穩(wěn)態(tài)或半穩(wěn)態(tài)火源假設(shè)，更多地關(guān)注近頂棚處煙氣層的形成過程。而點(diǎn)型感煙探測(cè)器的探測(cè)過程要早于煙氣層的形成過程，與火災(zāi)探測(cè)更相關(guān)的是煙氣近頂棚流動(dòng)以及沿頂棚的流動(dòng)過程。

近些年，由于隧道和其他地下空間的空氣密閉性和人員疏散特征，火災(zāi)煙氣蔓延和防控一直是隧道和其他地下空間火災(zāi)的研究熱點(diǎn)，尤其是頂棚射流。Tang等[6]利用1∶6縮尺寸隧道實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行了不同橫向火源位置的煙氣蔓延實(shí)驗(yàn)，得出了沿隧道中心線方向的頂棚熱煙氣最大溫度分布情況，提出了一個(gè)無量綱擬合系數(shù)來表征火源位置對(duì)煙氣層溫度分布的影響。高子鶴[7]研究了隧道內(nèi)受限火羽流和頂棚射流發(fā)展規(guī)律。姚勇征[8]采用縮尺寸實(shí)驗(yàn)和理論分析相結(jié)合的方法，研究了出口受限情況下隧道煙氣輸運(yùn)規(guī)律。

不同于水平結(jié)構(gòu)隧道，傾斜隧道會(huì)帶來一定程度的煙囪效應(yīng)。關(guān)于傾斜隧道的煙氣蔓延的研究逐漸增多。Oka和Imazeki[9,10]和Chatterjee等[11]研究了傾斜隧道煙氣層溫度和速度分布情況。Wang和Li研究了傾斜頂棚和狹窄空間的煙氣羽流遲滯行為[12,13]。遲滯時(shí)間(lag time)的定義為從火災(zāi)開始到火災(zāi)煙氣恰好蔓延至待測(cè)點(diǎn)的時(shí)間；對(duì)于t2火源，其計(jì)算公式為：

(1)

式中，lb和H分別為實(shí)驗(yàn)空間的半寬和高；x為火源與待測(cè)點(diǎn)的水平距離；g為重力加速度；ρ∞、cp和T∞依次為環(huán)境空氣的密度、比熱和溫度；α為t2火源的增長(zhǎng)系數(shù)。

綜上，雖然有眾多學(xué)者研究了煙氣在不同頂棚的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，但將煙氣在頂棚運(yùn)動(dòng)的過程和特征用于火災(zāi)煙氣報(bào)警判據(jù)研究較少，本文通過研究火災(zāi)早期煙氣的蔓延行為和探測(cè)器的信號(hào)變化規(guī)律，分析相鄰探測(cè)器信號(hào)相關(guān)性，探索基于火災(zāi)發(fā)展動(dòng)力學(xué)與傳感器時(shí)空信息融合的區(qū)域火災(zāi)報(bào)警技術(shù)，以降低了火災(zāi)探測(cè)誤報(bào)率，實(shí)現(xiàn)對(duì)火災(zāi)的早期準(zhǔn)確識(shí)別與預(yù)警。

1 區(qū)域火災(zāi)報(bào)警技術(shù)原理

建筑結(jié)構(gòu)對(duì)火災(zāi)煙氣蔓延路徑起著主導(dǎo)作用，同類型建筑結(jié)構(gòu)中，煙氣的蔓延規(guī)律具有相似性，火災(zāi)探測(cè)器信號(hào)的時(shí)空分布規(guī)律也有相似性。對(duì)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行總結(jié)歸類，有助于深入了解煙氣蔓延規(guī)律和探測(cè)器信號(hào)分布特征的相關(guān)性。將建筑物看作一個(gè)由不同功能空間組成的結(jié)構(gòu)集合體，不同功能空間由于其特定功能，具有某些特定的布局，例如走廊和樓梯井屬于狹長(zhǎng)的連通結(jié)構(gòu)，房間和設(shè)備間屬于封閉或半封閉腔室結(jié)構(gòu)。根據(jù)這些特征可以將建筑結(jié)構(gòu)分為豎向結(jié)構(gòu)、橫向結(jié)構(gòu)以及復(fù)合結(jié)構(gòu)等，這些建筑空間我們稱為“建筑結(jié)構(gòu)微元”。將火災(zāi)煙氣在建筑結(jié)構(gòu)微元中的蔓延特征與多傳感器早期火災(zāi)報(bào)警模型進(jìn)行融合研究，探索提高早期火災(zāi)探測(cè)及時(shí)性和準(zhǔn)確性的途徑。

火災(zāi)初期煙霧信號(hào)弱，探測(cè)器不能迅速達(dá)到報(bào)警閾值，但火源周圍的探測(cè)器由于空間位置的不同，接受到的煙霧信號(hào)明顯不同且具有一定的規(guī)律性。比如不考慮通風(fēng)、遮擋等情況下，探測(cè)器信號(hào)強(qiáng)度隨探測(cè)器與火源的距離減小而增強(qiáng)，當(dāng)距火源最近的探測(cè)器信號(hào)強(qiáng)度達(dá)到報(bào)警閾值的70%時(shí)，距火源第二近的探測(cè)器信號(hào)強(qiáng)度可能達(dá)到報(bào)警閾值的20%或以上。此種情況下，利用這兩個(gè)探測(cè)器的信號(hào)相關(guān)性進(jìn)行火災(zāi)識(shí)別，可以有效縮短報(bào)警時(shí)間。當(dāng)一個(gè)探測(cè)器因干擾而發(fā)生誤報(bào)警時(shí)，通過搜索報(bào)警探測(cè)器在建筑結(jié)構(gòu)微元內(nèi)相鄰探測(cè)器的信號(hào)反應(yīng)，相鄰探測(cè)器信號(hào)如果均沒有煙霧信號(hào)反應(yīng)時(shí)，則可以判斷該探測(cè)器屬于孤立誤報(bào)警信號(hào)，如果相鄰探測(cè)器的煙霧信號(hào)反應(yīng)與報(bào)警探測(cè)器完全同步，則可以判斷該區(qū)域電路受到強(qiáng)烈電磁環(huán)境干擾，通過多個(gè)探測(cè)器信號(hào)相互驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)抗環(huán)境干擾，降低誤報(bào)率。基于建筑結(jié)構(gòu)微元內(nèi)的煙氣蔓延規(guī)律，本文提出了多傳感器耦合區(qū)域火災(zāi)報(bào)警模型，流程如圖1所示。

圖1 區(qū)域火災(zāi)報(bào)警技術(shù)流程圖

步驟1：監(jiān)測(cè)所有探測(cè)器信號(hào)；

步驟2：判斷探測(cè)器信號(hào)是否達(dá)到觸發(fā)閾值；

步驟3：若建筑內(nèi)某一探測(cè)器信號(hào)強(qiáng)度達(dá)到觸發(fā)閾值，則定位該觸發(fā)探測(cè)器，并識(shí)別出同一建筑結(jié)構(gòu)微元內(nèi)相鄰探測(cè)器；采集觸發(fā)探測(cè)器及其相鄰多探測(cè)器信號(hào)數(shù)據(jù)，將采集到的數(shù)據(jù)傳送到網(wǎng)關(guān)；

步驟3：選擇觸發(fā)探測(cè)器所在建筑結(jié)構(gòu)微元信號(hào)參數(shù)單元，信號(hào)參數(shù)單元包括信號(hào)處理方法和火警閾值等重要參量，獲取信號(hào)特征；

步驟4：將步驟3中的信號(hào)特征輸入到區(qū)域火災(zāi)報(bào)警算法中，得到該環(huán)境下火災(zāi)報(bào)警為真警的概率值，根據(jù)火警閾值判定是否存在火情；

步驟5：當(dāng)概率值超過火警閾值時(shí)，視為高度疑似警情。當(dāng)概率值不滿足判據(jù)時(shí)，對(duì)觸發(fā)探測(cè)器及其相鄰多探測(cè)器信號(hào)進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)判定；

步驟6：若探測(cè)器及其相鄰多探測(cè)器信號(hào)長(zhǎng)時(shí)間仍未滿足報(bào)警判據(jù)，則給出非火警的判斷結(jié)論。

2 CFD數(shù)值模擬

2.1 建模

本文采用FDS(Fire Dynamics Simulator)模擬火災(zāi)引起的煙氣輸運(yùn)與熱傳輸過程。如圖2所示，模擬模型為一狹長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)28.0 m (x)寬2.8 m (y)高3.0 m (z)。模型中不設(shè)開口或風(fēng)機(jī)，模擬不涉及室內(nèi)外空氣交換，所有的模擬工況均在靜止環(huán)境中。在頂部下方0.05 m處布置6個(gè)測(cè)點(diǎn)，用于記錄火災(zāi)煙氣蔓延過程中的煙濃度、感煙探測(cè)器的信號(hào)變化、溫度等信息。根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求以及工程實(shí)際，模擬模型中的感煙探測(cè)器居中布置，沿-x軸分別為煙感1到煙感6(SD1～SD6)，相鄰探測(cè)器間距為5 m。感煙探測(cè)器依靠擴(kuò)散進(jìn)探測(cè)腔室的煙氣進(jìn)行火災(zāi)探測(cè)，因此探測(cè)腔內(nèi)與探測(cè)腔外的煙霧濃度分別達(dá)到閾值的時(shí)間差是評(píng)測(cè)感煙探測(cè)器性能的關(guān)鍵參數(shù)，稱為延遲時(shí)間(delay time)。由于離子感煙探測(cè)器對(duì)環(huán)境的輻射污染，現(xiàn)在多采用光電感煙探測(cè)器，因此本文采用四參數(shù)的Cleary光電I模型計(jì)算感煙探測(cè)器的延遲時(shí)間。FDS技術(shù)手冊(cè)建議的感煙探測(cè)器閾值為3.28%/m(0.14 dB/m)。然而在實(shí)際環(huán)境中，由于各種各樣干擾源的影響，為了保證探測(cè)器準(zhǔn)確率，閾值一般設(shè)在0.22 dB/m～1.25 dB/m(5%/m～25%/m)。

圖2 模擬模型示意圖 (單位：m)

火源采用正庚烷、乙醇、木材、尼龍、聚氨酯等五種常見材料，設(shè)置在4個(gè)不同位置：I和II設(shè)置在模型端部，III和IV設(shè)置在模型中部，其中I和III靠近墻壁，II和IV居中布置?；鹪礋後尫潘俾室驭羣2形式增長(zhǎng)，面積參考TF5標(biāo)準(zhǔn)火設(shè)置為0.33 m×0.33 m[14]?；鹪丛O(shè)置的相關(guān)參數(shù)見表1[5,15,16]。

表1 火源參數(shù)

根據(jù)預(yù)模擬結(jié)果和感煙/感溫探測(cè)器的響應(yīng)時(shí)間，模擬時(shí)長(zhǎng)設(shè)為100 s～150 s，以保證在不同火源情況下至少有兩個(gè)探測(cè)器發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

模型的頂棚采用石膏板，墻壁和地面采用混凝土，兩種材料的熱物性參數(shù)見表2。

表2 材料熱物性參數(shù)

2.2 網(wǎng)格敏感性分析

為了評(píng)估網(wǎng)格劃分質(zhì)量，F(xiàn)DS用戶手冊(cè)[16]中給出了無量綱式D*/δx，其中D*為火源特征直徑：

(2)

本文所使用的火源中，正庚烷火熱釋放速率最大，因此使用正庚烷火進(jìn)行網(wǎng)格敏感性分析。對(duì)于TF5標(biāo)準(zhǔn)火，D*=0.445，則有δx=0.028～0.111，因此網(wǎng)格單元尺寸設(shè)置為0.040 m、0.050 m、0.075 m、0.100 m和0.15 m。報(bào)警時(shí)間和遲滯時(shí)間能夠反映火災(zāi)煙氣蔓延的重要參數(shù)。本文中，報(bào)警時(shí)間定義為從火災(zāi)發(fā)生到探測(cè)器發(fā)出報(bào)警信號(hào)的時(shí)間，即從模擬開始到感煙探測(cè)器動(dòng)作的時(shí)間；遲滯時(shí)間定為從火災(zāi)發(fā)生到煙氣蔓延至探測(cè)器的時(shí)間，在模擬算例中，認(rèn)為當(dāng)探測(cè)器處的煙霧光學(xué)密度達(dá)到0.1%時(shí)即為煙氣蔓延至探測(cè)器的時(shí)刻[5,12,13]。圖3給出了火源在I位置時(shí)傳統(tǒng)報(bào)警方式的報(bào)警時(shí)間和延滯時(shí)間，當(dāng)網(wǎng)格單元小于等于0.050 m時(shí)，模擬結(jié)果保持在一定水平不再變化，即模擬結(jié)果獨(dú)立于網(wǎng)格單元的尺寸。因此本文網(wǎng)格單元尺寸設(shè)置為0.050 m，對(duì)應(yīng)的D*/δx=8.9。

圖3 不同網(wǎng)格單元尺寸模擬工況下的報(bào)警時(shí)間與遲滯時(shí)間

3 數(shù)值實(shí)驗(yàn)分析與討論

3.1 火災(zāi)煙氣蔓延特征與煙感信號(hào)分析

圖4給出了當(dāng)煙氣蔓延至探測(cè)器位置時(shí)的瞬態(tài)煙氣圖像(火源：正庚烷-I)。在煙氣沿頂棚蔓延至第三個(gè)探測(cè)器(SD3)的過程中，冷空氣對(duì)煙氣運(yùn)動(dòng)的阻滯作用不明顯，頂棚附近的煙氣流速大于煙氣層與冷空氣交界面上的氣流速度。在61.6 s時(shí)，由于煙氣流前緣與其前方冷空氣的混合作用，煙氣流出現(xiàn)了“水躍現(xiàn)象(hydraulic jumplike)”[5]，此時(shí)，煙氣流前緣聚集較多煙氣，煙氣層厚度逐漸增大并且氣流增速放緩，同時(shí)由于強(qiáng)烈的卷吸作用，煙氣流質(zhì)量流量增大。

圖4 當(dāng)煙氣蔓延至探測(cè)器時(shí)的瞬態(tài)煙氣圖像

圖5 無量綱遲滯時(shí)間與無量綱距離

(3)

擬合優(yōu)度為R2=0.9523。

文獻(xiàn)[13]的數(shù)據(jù)來源于寬與高相同的走廊實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，其擬合趨勢(shì)與本文的結(jié)果相近。然而，當(dāng)R/H大于4時(shí)，文獻(xiàn)擬合結(jié)果高于本文的模擬結(jié)果。這主要是因?yàn)槲墨I(xiàn)采用的是小尺度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，R的最大值為4 m，煙氣蔓延是一個(gè)加速過程，水躍條件尚未形成，所以文獻(xiàn)擬合結(jié)果在距離火源較遠(yuǎn)處存在過高預(yù)測(cè)的可能。

為了進(jìn)一步分析煙氣蔓延對(duì)探測(cè)器信號(hào)的影響，圖6給出了不同位置正庚烷火的探測(cè)器信號(hào)曲線。圖6(a)和圖6(b)中，SD1位于火源正上方，SD2～SD6與火源的距離依次增大。隨著煙霧沿著-x軸方向蔓延，探測(cè)器依次發(fā)出報(bào)警信號(hào)；由于存在水躍現(xiàn)象，煙霧在蔓延過程中聚集現(xiàn)象越發(fā)明顯，造成探測(cè)器信號(hào)增速依次增大。探測(cè)器信號(hào)的這一變化規(guī)律，可以用來作為火警的判斷標(biāo)準(zhǔn)，以降低火警的準(zhǔn)確性。

圖6 正庚烷標(biāo)準(zhǔn)火感煙探測(cè)器信號(hào)曲線

3.2 報(bào)警時(shí)間對(duì)比

對(duì)圖6中的探測(cè)器信號(hào)曲線進(jìn)行分析，如圖7(a)所示，當(dāng)探測(cè)器報(bào)警閾值設(shè)為1.25 dB/m時(shí)，距離火源最近的SD1探測(cè)器發(fā)出報(bào)警信號(hào)，報(bào)警時(shí)間是58 s，此時(shí)SD2與SD3也探測(cè)到了煙霧信號(hào)，但未達(dá)到閾值。若將SD1與SD2的報(bào)警信號(hào)進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，即設(shè)置報(bào)警判斷標(biāo)準(zhǔn)：第一個(gè)探測(cè)器信號(hào)強(qiáng)度達(dá)到報(bào)警閾值的70%時(shí)(0.87 dB/m)，與其相鄰的探測(cè)器信號(hào)強(qiáng)度達(dá)到報(bào)警閾值的20%時(shí)(0.25 dB/m)，則報(bào)警時(shí)間可以縮短至47 s。同理，其他正庚烷工況下，報(bào)警時(shí)間分別由72 s、95 s、88 s縮短至52 s、77 s、68 s。

圖7 區(qū)域火災(zāi)報(bào)警模型與傳統(tǒng)方式比較

對(duì)比不同工況結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)，報(bào)警閾值的設(shè)置與火源的位置、火源與探測(cè)器的距離、相鄰探測(cè)器之間的距離相關(guān)。應(yīng)用區(qū)域火災(zāi)報(bào)警模型后，各類火源的報(bào)警提前時(shí)間及提前時(shí)間占比如圖8所示。結(jié)果表明，區(qū)域火災(zāi)報(bào)警模型可以有效提前報(bào)警時(shí)間，對(duì)于模擬工況，報(bào)警時(shí)間平均縮短14.7%。本文模擬案例中，報(bào)警提前時(shí)間最多的是木材火，這主要是因?yàn)槟静漠a(chǎn)煙率屬于中等偏下水平且火災(zāi)增長(zhǎng)速度較慢，煙氣蔓延速度慢，感煙探測(cè)器信號(hào)曲線有較長(zhǎng)的增長(zhǎng)周期。

圖8 各類火源的報(bào)警提前時(shí)間

4 結(jié)論

本文針對(duì)建筑火災(zāi)探測(cè)要求早期預(yù)警和低誤報(bào)的難題，開展了典型火災(zāi)場(chǎng)景下煙氣蔓延模擬，通過融合分析火災(zāi)煙氣蔓延規(guī)律與探測(cè)器信號(hào)時(shí)空分布特征，提出了建筑結(jié)構(gòu)微元的概念，建立了一種多傳感器耦合區(qū)域火災(zāi)報(bào)警技術(shù)，顯著縮短了火災(zāi)報(bào)警時(shí)間，提高了火災(zāi)報(bào)警效率。研究表明：

(1)在狹長(zhǎng)結(jié)構(gòu)中，由于煙氣流前緣與其前方冷空氣的混合作用，煙氣流在蔓延一定距離后發(fā)生了“水躍現(xiàn)象”，該現(xiàn)象導(dǎo)致感煙探測(cè)器信號(hào)強(qiáng)度變化具有一定的規(guī)律性。

(2)火災(zāi)煙氣在建筑結(jié)構(gòu)微元中蔓延規(guī)律的特征化、規(guī)律化，可以作為新的火災(zāi)探測(cè)報(bào)警模式，據(jù)此研發(fā)了基于建筑結(jié)構(gòu)微元下煙氣蔓延規(guī)律的區(qū)域火災(zāi)報(bào)警模型。

(3)區(qū)域火災(zāi)報(bào)警模型的判據(jù)與建筑結(jié)構(gòu)微元類型、火源種類與位置、起火點(diǎn)與探測(cè)器的距離、探測(cè)器布置間距、通風(fēng)、頂棚等眾多因素相關(guān)，合理設(shè)置判據(jù)可以有效縮短報(bào)警時(shí)間。對(duì)于文中的模擬工況，多傳感器耦合探測(cè)模式將報(bào)警時(shí)間平均縮短14.7%。