一種礦用鉸接式卡車火災(zāi)探測系統(tǒng)設(shè)計與驗(yàn)證

耿萌媛

（上海倍安實(shí)業(yè)有限公司，上海 200032）

0 引言

礦用鉸接式卡車為重型大型車輛，大多長度超過11m，重量多在40t 以上，價格昂貴。鉸接式卡車為燃油動力設(shè)備，發(fā)動機(jī)運(yùn)行時發(fā)熱量較大，加之內(nèi)部電器故障、漏油、雜物積累等火災(zāi)因素，一旦發(fā)生火災(zāi)，存在燃燒速度快、火災(zāi)載荷大、難撲救等特點(diǎn)[1]。同時，國內(nèi)專用的礦用重型車輛火災(zāi)探測與滅火標(biāo)準(zhǔn)缺失，研究該類火災(zāi)探測的專業(yè)機(jī)構(gòu)和企業(yè)較少。因此，在礦山惡劣環(huán)境中，開展礦用鉸接式卡車火災(zāi)早期有效探測研究工作需求較為迫切。

1 鉸接式卡車火災(zāi)探測系統(tǒng)設(shè)計

通過前期對礦用鉸接式卡車火災(zāi)發(fā)生機(jī)理、特點(diǎn)及過程的了解和分析，在此基礎(chǔ)上確定重型鉸卡發(fā)動機(jī)艙火災(zāi)探測和起火點(diǎn)空間分布特征量，結(jié)合模擬仿真驗(yàn)證平臺和現(xiàn)場測試，提出重型鉸卡發(fā)動機(jī)艙火災(zāi)探測系統(tǒng)整體設(shè)計方案，對系統(tǒng)擬采用關(guān)鍵技術(shù)開展論證，以完成新型專用鉸卡火災(zāi)探測系統(tǒng)設(shè)計。

1.1 系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)礦用鉸接式卡車火災(zāi)探測的需求，在對圖像火災(zāi)、危險氣體、多波段光學(xué)、離子等探測技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，從穩(wěn)定性、有效性、通用性、耐用性等角度出發(fā)，結(jié)合礦用鉸接式卡車火災(zāi)發(fā)展過程和探測機(jī)理，分別開展了紫外線、紅外線、熱釋離子、熱敏管、光柵及光纖感溫等技術(shù)的仿真實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場測試。針對礦用鉸接式卡車惡劣工況環(huán)境，系統(tǒng)探測設(shè)計選用熱釋離子、紅紫外復(fù)合和光纖探測器的多傳感器融合方案，形成模糊邏輯判決算法，最終采用危險等級的方式進(jìn)行呈現(xiàn)。在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中充分體現(xiàn)了分布式處理思想，采用嵌入式雙核DSP 設(shè)計，具有鉸卡火災(zāi)自動探測、多火識別、溫度分析等功能[2]。

1.2 重型鉸卡熱釋離子探測器

通常，火災(zāi)在早期階段會產(chǎn)生大量煙霧，煙霧是由熾熱微小顆粒和微粒群組成的氣態(tài)高溫產(chǎn)物。礦用鉸接式卡車機(jī)艙內(nèi)部構(gòu)件較多，對于圖像型火災(zāi)探測障礙物較多，無法消除的探測盲區(qū)較多。整套探測系統(tǒng)為加裝式，不能影響鉸卡的正常運(yùn)行，且需考慮鉸卡定期維護(hù)的便捷性。因此，煙霧探測技術(shù)可在受限空間內(nèi)較好地消除探測盲區(qū)，被廣泛應(yīng)用于礦用鉸接式卡車機(jī)艙火災(zāi)探測。

礦用鉸接式卡車機(jī)艙處于高粉塵環(huán)境，吸氣式感煙火災(zāi)探測器維護(hù)清潔周期較短，需定期進(jìn)行吹掃處理，系統(tǒng)運(yùn)營維護(hù)成本較高。易受車輛行駛、礦區(qū)灰塵等外部環(huán)境的氣流影響，發(fā)生誤報。同時，受礦用鉸接式卡車運(yùn)動氣流和室外氣流影響，煙霧粒子會被氣流稀釋，造成漏報，雖然可以通過提高靈敏度進(jìn)行有效解決，但增大了系統(tǒng)誤報的風(fēng)險。

為了在“氣流擾動大且高粉塵的受限空間環(huán)境”下，較好地利用火災(zāi)煙霧特征進(jìn)行探測，采用“熱釋離子”火災(zāi)煙霧特征技術(shù)。熱釋離子是物質(zhì)受熱受損時大量產(chǎn)生的，早于煙霧產(chǎn)生時間，在火災(zāi)征兆時出現(xiàn)。通過熱釋離子的探測，能在燃燒出現(xiàn)征兆時發(fā)現(xiàn)火災(zāi)隱患，實(shí)現(xiàn)早期火災(zāi)的探測。

熱釋離子探測技術(shù)利用詹姆斯“凝結(jié)核”理論，探索極小空間中云霧形成的條件，解決熱釋離子顆粒的準(zhǔn)確檢測問題，有效避免空氣中非熱釋離子顆粒對云霧中熱釋離子顆粒檢測的干擾。云霧式檢測技術(shù)涉及云霧形成、凝結(jié)核和采樣空氣熱釋離子濃度確定?；馂?zāi)發(fā)生時，氣溶膠質(zhì)?？尚纬伤Y(jié)，從而會產(chǎn)生大量的熱釋離子顆?；驇щ婋x子。這些物質(zhì)就是凝結(jié)核的物質(zhì)，通過改變空氣中的能量，這些凝結(jié)物質(zhì)吸收空氣中的水分，形成云霧中的凝結(jié)核。

在實(shí)際環(huán)境中，熱釋離子的粒徑大約在0.1 ～10nm，而現(xiàn)有的技術(shù)幾乎無法直接探測，將熱釋離子在探測器分析室中進(jìn)行“霧化”，形成粒徑相同、間距相等的“水滴”，再通過激光技術(shù)以可見光斑消散速度和強(qiáng)度算法確定燃燒級別發(fā)出預(yù)警。通過主動采集鉸卡發(fā)動機(jī)艙區(qū)域內(nèi)的空氣中的熱釋離子，送到分析室中進(jìn)行分析、處理，實(shí)現(xiàn)火災(zāi)早期預(yù)警的功能。該探測器是基于無耗材云室原理實(shí)現(xiàn)熱釋離子的探測，預(yù)警系統(tǒng)僅分析粒徑為0.1 ～10nm 左右的熱釋離子，可遠(yuǎn)遠(yuǎn)避開粒徑為400 ～1200nm 左右的粉塵、霧霾、水霧等的干擾。做到真正的靈敏、不誤報，通過測試能較好地適應(yīng)鉸卡發(fā)動機(jī)艙所處的高粉塵、高溫環(huán)境，且不需要進(jìn)行定期清理掃吹維護(hù)工作。

針對鉸卡發(fā)動機(jī)艙應(yīng)用，采樣管路最長為120m，所有樣品空氣均勻、平衡地送到探測分析單元，判斷是否有火災(zāi)隱患發(fā)生。通過空氣動力仿真軟件進(jìn)行仿真，確定120m 范圍空氣采樣的開孔大小，確保采樣空氣平衡。

1 臺鉸卡采用1 條采樣管路，管路上有25 個孔，開孔位置同時考慮需要保護(hù)的機(jī)艙重點(diǎn)部位，并可進(jìn)行4 分區(qū)設(shè)計，方便火災(zāi)探測分區(qū)管理（如圖1 所示）。探測器平均無故障工作時間（MTBF）不低于20 萬小時，能較好地適應(yīng)露天礦區(qū)惡劣工作環(huán)境。

圖1 管路及吸氣孔設(shè)計簡圖

通過管路和吸氣孔，利用激光通過“凝結(jié)核”的散射現(xiàn)象，利用光強(qiáng)度檢測技術(shù)和凝結(jié)核數(shù)量對應(yīng)的算法，準(zhǔn)確算出采樣空氣中的熱釋離子含量。用激光光源照射云室中的云霧，在激光光源穿過云霧后，部分光源會被小水滴反射、折射或散射，通過激光檢測云霧的寬度和厚度，計算云霧中水滴的數(shù)量，根據(jù)水滴的數(shù)量換算成云霧的濃度，分析是否存在火災(zāi)隱患。

通過現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，熱釋離子探測器對帶電熱釋離子顆粒監(jiān)測極其準(zhǔn)確，對非熱釋離子產(chǎn)生的微粒不誤報，尤其是普通的粉塵，因此能適應(yīng)鉸卡運(yùn)行的礦山作業(yè)環(huán)境；減少加水和高成本的過濾器，鉸卡熱釋離子探測器采用自清潔功能，通過兩級過濾器就能滿足系統(tǒng)過濾要求。鉸卡熱釋離子探測器與主流產(chǎn)品對比分析見表1。

表1 鉸卡熱釋離子探測器與主流產(chǎn)品對比分析

1.3 紅紫外復(fù)合火焰探測器

火災(zāi)的發(fā)生伴隨著火焰的產(chǎn)生，火焰會輻射含有可見光與不可見光的電磁波?；馂?zāi)探測中一般對不可見光(紅外線、紫外線等)進(jìn)行探測，與陽光和燈光等輻射區(qū)分開。紅紫外復(fù)合火焰探測器為具有紫外線和紅外線感應(yīng)功能的復(fù)合器件。

紫外線感應(yīng)元件工作波段在200nm 附近，紅外線感應(yīng)元件工作波段在4.48um 附近[3]。露天礦區(qū)用照明光源大多不產(chǎn)生紫外波段，但考慮雷電、電焊電弧、高壓放電、工藝用紫外燈等情況，為提升系統(tǒng)抗干擾能力，需結(jié)合紅外火焰探測進(jìn)行復(fù)合探測，從而減少誤報，提高系統(tǒng)的可靠性。

紅紫外復(fù)合火焰探測器的監(jiān)測特征選取主要包括紅外波段、紫外波段、火焰閃爍頻率、太陽光波段、人工輻射光源、人工輻射熱源進(jìn)行綜合分析以確定監(jiān)測參量，如圖2 所示。

圖2 輻射光譜工作范圍選擇

首先在紅紫外火焰探測器設(shè)計與優(yōu)化中，需開展抗震設(shè)計。為解決火焰探測器在礦用鉸接式卡車運(yùn)行環(huán)境應(yīng)力篩選和加裝車輛發(fā)動機(jī)艙時出現(xiàn)的核心元器件損壞的問題，需通過結(jié)構(gòu)分析，找出結(jié)構(gòu)中存在的薄弱部位。不可能在紅外管和紫外管結(jié)構(gòu)上進(jìn)行更改以增強(qiáng)剛度，分別通過結(jié)構(gòu)形式的改進(jìn)，增加結(jié)構(gòu)的安裝剛度和增加減震緩沖處理的結(jié)構(gòu)，使其在鉸卡運(yùn)行振動環(huán)境中不產(chǎn)生共振和外部力量的沖擊，同時，對固定盤安裝固定方式進(jìn)行改進(jìn)?；鹧嫣綔y器結(jié)構(gòu)綜合考慮選用阻尼法，阻尼材料首選橡膠材料，橡膠材料具有較高內(nèi)阻，對突然沖擊和振動的吸收具有良好的效果，并且橡膠變形后的恢復(fù)力對紅外管和紫外管還有固定作用，增加結(jié)構(gòu)安裝剛度。最后，對于高頻器件，在模具設(shè)計中進(jìn)行屏蔽隔離，避免引入高頻噪聲干擾。

1.4 光纖探測器

鉸卡發(fā)動機(jī)艙火災(zāi)發(fā)生過程中，溫度變化是至關(guān)重要的判斷變量。除人為放火和交運(yùn)事故等瞬間產(chǎn)生高溫的情況外，大部分的鉸卡發(fā)動機(jī)艙火災(zāi)是從早期的陰燃慢慢發(fā)展起來的。一般在鉸卡發(fā)動機(jī)艙火災(zāi)早期，紅紫外分量、熱釋離子濃度的變化比較明顯，而溫度的變化比較緩慢，往往到了火災(zāi)的中后期才會出現(xiàn)大規(guī)模的放熱現(xiàn)象。在汽車火災(zāi)前期，溫度數(shù)據(jù)得出的基本概率賦值與紅紫外分量、熱釋離子濃度的基本概率賦值進(jìn)行融合時，沖突較大，嚴(yán)重影響了融合效果和系統(tǒng)的反應(yīng)速度。光纖溫度探測和線性測溫電纜是溫度傳感器的兩個突出成就，光纖在電力行業(yè)的電纜火災(zāi)監(jiān)測中有重要的作用[4]。光纖可以部分或全部地反射入射光中波長滿足布拉格條件的光，溫度變化使光纖光柵的周期和有效折射率發(fā)生改變，而從改變光纖光柵的反射波長，利用波長變化和溫度之間的線性關(guān)系，光纖光柵可以作為穩(wěn)定、抗干擾強(qiáng)、靈敏度高的感溫傳感器[5]。通過多次仿真驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，使用光柵差溫探測方式能較好彌補(bǔ)上述缺點(diǎn)，能較好地提升溫度參數(shù)可融合的意義，大幅提升了系統(tǒng)探測的可靠性。

1.5 鉸接式卡車火災(zāi)探測系統(tǒng)算法設(shè)計

紅紫外火焰探測器受復(fù)合采集節(jié)點(diǎn)在礦用鉸接式卡車內(nèi)安裝位置、監(jiān)測角度、環(huán)境情況和車體結(jié)構(gòu)影響較大，易產(chǎn)生較大的波動。因此，如果直接對該數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，可能會導(dǎo)致系統(tǒng)可靠性差。比如，光線較弱或者被遮擋，火焰基本概率賦值很低，對其他傳感器證據(jù)產(chǎn)生持續(xù)性沖突；出現(xiàn)意外的火焰（礦區(qū)火炬、車外火焰光投入）時，又容易導(dǎo)致證據(jù)誤判。因此，采用紅紫外傳感器、熱釋離子前期融合方案，同時加入其他紫外和紅外光敏管參數(shù)特征進(jìn)行分析，提升系統(tǒng)抗干擾能力。比如，紫外計數(shù)脈沖下限值是紫外光敏管參數(shù)之一，用于判定紫外光敏管是否故障；紫外標(biāo)準(zhǔn)方差報警閾值和紫外自激脈沖平均值響應(yīng)閾值為查詢值，是真實(shí)值的10 倍；紅外探測模擬量越限次數(shù)閾值用于設(shè)置模擬信號電壓超高的樣本數(shù)，判定火焰強(qiáng)度參數(shù)。

直接對傳感器的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，紅紫外、熱釋離子和光柵/光纖處理節(jié)點(diǎn)抽象出特征向量，每個傳感器獨(dú)立具有決策局部，統(tǒng)一經(jīng)由上位機(jī)MCU 處理單位完成特征向量的融合[6-7]。采用多傳感器融合火災(zāi)探測算法設(shè)計，主要結(jié)合熱釋離子單位濃度及變化率、紫外傳感器自激脈沖平均響應(yīng)閾值、紅外標(biāo)準(zhǔn)方差響應(yīng)閾值、紅紫外強(qiáng)度、溫度等參數(shù)進(jìn)行融合算法設(shè)計。這種處理方法數(shù)據(jù)損失量大、精度最低，但是具有抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。

2 鉸接式卡車火災(zāi)探測系統(tǒng)驗(yàn)證

瑞典SP 技術(shù)研究所發(fā)布的瑞典SP5320《重型車輛機(jī)艙火災(zāi)探測系統(tǒng)試驗(yàn)方法》是目前與重型車輛發(fā)動機(jī)艙場景最為接近的標(biāo)準(zhǔn)，被世界各國廣泛用于重型車輛發(fā)動機(jī)艙探測測試，如Kiddle、ANSUL 等公司的礦用卡車滅火產(chǎn)品均采用該標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行效果驗(yàn)證。根據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的測試場景開展火災(zāi)探測和滅火有效性驗(yàn)證試驗(yàn)，針對探測系統(tǒng)設(shè)計了13 種火災(zāi)場景。試驗(yàn)裝置參照發(fā)動機(jī)艙進(jìn)行設(shè)計，采用不同厚度的鋼板制成，如圖4 所示。

圖4 試驗(yàn)裝置示意圖

火災(zāi)探測系統(tǒng)可能由幾個不同的傳感器組成，包括不同類型的熱傳感器、火焰?zhèn)鞲衅骱蜔熿F/氣體傳感器的組合。探測器系統(tǒng)的傳感器應(yīng)放置在距離油盤高度方向至少15cm、水平方向至少5cm 外的位置。在不同試驗(yàn)中傳感器元件的位置、方向和長度以及探測系統(tǒng)的靈敏度設(shè)置不能改變，對于吸氣系統(tǒng)和取樣孔的位置、數(shù)量、大小以及流量設(shè)置在所有測試中必須相同。

探測覆蓋范圍的13 次測試火災(zāi)，必須在點(diǎn)火后2min 內(nèi)探測到。13 次測試火災(zāi)中至少有8 次必須同時滿足標(biāo)準(zhǔn)所有要求，作為補(bǔ)充傳感器/探測器可有最多5 次測試不符合響應(yīng)時間測試的要求。在響應(yīng)時間測試中，快速增長火（見圖5）必須在20s 內(nèi)產(chǎn)生警報或預(yù)警，緩慢增長火必須在測試結(jié)束前產(chǎn)生警報，不滿足要求的探測器只能作為補(bǔ)充探測器使用。探測系統(tǒng)中熱釋離子探測器、光纖探測器、點(diǎn)型紅紫外探測器的報警時間均在20s 內(nèi)，測試結(jié)果見表2，滿足標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于探測時間的要求，可以應(yīng)用在整體的探測系統(tǒng)中。

圖5 左側(cè)緩慢增長火、右側(cè)快速增長火

表2 礦用鉸接式卡車火災(zāi)探測系統(tǒng)探測時間測試結(jié)果

3 結(jié)論

在調(diào)研礦山工況和國內(nèi)外消防領(lǐng)域主流探測產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)、性能及實(shí)施方法的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了多傳感器融合的探測系統(tǒng)，參照瑞典標(biāo)準(zhǔn)SP 5320《重型車輛機(jī)艙火災(zāi)探測系統(tǒng)試驗(yàn)方法》開展火災(zāi)探測試驗(yàn)及驗(yàn)證，構(gòu)建鉸卡發(fā)動機(jī)艙火災(zāi)探測系統(tǒng)，在模擬仿真平臺上開展探測系統(tǒng)的測試，通過對不同火災(zāi)位置、通風(fēng)情況等工況試驗(yàn)結(jié)果的對比發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)能夠滿足大通風(fēng)量的高強(qiáng)度火災(zāi)和隱藏火災(zāi)應(yīng)用需求，報警響應(yīng)時間不超過15s，遠(yuǎn)超規(guī)范要求的2min，效果良好。