地鐵火災(zāi)智能防控系統(tǒng)研究

摘 要：地鐵系統(tǒng)載運(yùn)量大且空間封閉，因此對其進(jìn)行火情智能防控具有重要意義。本文以物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)，構(gòu)建了以多傳感器網(wǎng)絡(luò)為核心的火情智能防控系統(tǒng)。首先，分析了火情發(fā)生時(shí)的地鐵內(nèi)環(huán)境變化機(jī)理，包括煙霧生成、物質(zhì)噴濺崩塌、氣流流動和溫度升高，其基礎(chǔ)是物質(zhì)、動量和能量的守恒關(guān)系。其次，選用溫度、感光、煙霧和氣體4類傳感器構(gòu)建火情智能防控網(wǎng)絡(luò)。最后，分別針對地鐵運(yùn)行通道和地鐵車站進(jìn)行測試試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果顯示，隨著燃燒物不斷燃燒，煙霧傳感器的濃度變化曲線不斷拉升，進(jìn)而及時(shí)進(jìn)行報(bào)警。

關(guān)鍵詞：地鐵系統(tǒng)；火災(zāi)防控；智能防控；測試試驗(yàn)

中圖分類號：U 231" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

城鎮(zhèn)化建設(shè)進(jìn)程加快推動我國城市規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國人口在1000萬以上的城市超過20個(gè)，居世界首位。如果將這個(gè)衡量標(biāo)準(zhǔn)調(diào)整到500萬的人口規(guī)模，我國的大型城市數(shù)量會更多。大規(guī)模城市內(nèi)的交通壓力較大，常規(guī)的地面交通經(jīng)常會出現(xiàn)擁堵、運(yùn)力不足等問題[1]。在這樣的情況下，修建地鐵系統(tǒng)成為一種有效的方式。地鐵系統(tǒng)的突出優(yōu)勢是運(yùn)行于地面以下，不會占用城市地面空間[2]。同時(shí)，地鐵系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)營，不會出現(xiàn)擁堵問題。地鐵系統(tǒng)運(yùn)力強(qiáng)大，可以有效緩解城市的交通壓力。當(dāng)然，地鐵系統(tǒng)也存在一些風(fēng)險(xiǎn)，最大的問題就是安全隱患，例如火災(zāi)等[3]。地鐵系統(tǒng)相對密閉，主要通風(fēng)口都集中在地鐵站的進(jìn)、出口。一旦發(fā)生火情，迅速增加的煙氣無法有效排出。同時(shí)，地鐵空間相對狹小，不利于進(jìn)行救援和人口疏散。尤其需要注意的是，傳統(tǒng)的人工巡檢等方式對火情的發(fā)現(xiàn)不夠及時(shí)?；谏鲜鲈颍⒌罔F系統(tǒng)火災(zāi)的智能防控系統(tǒng)勢在必行。

1 地鐵系統(tǒng)的火情判斷模型

地鐵系統(tǒng)運(yùn)行于地面之下，空間相對密閉、逃生通道少且通風(fēng)孔少，這都給火情發(fā)生后的防控工作帶來了極大障礙。因此，本文致力于建立一種地鐵系統(tǒng)的火災(zāi)智能防控系統(tǒng)，其智能體現(xiàn)在打破常規(guī)的人工巡檢，基于火情關(guān)聯(lián)參數(shù)、火情發(fā)生時(shí)的機(jī)理，利用傳感器自動化捕捉火情參數(shù)的變化，進(jìn)行實(shí)時(shí)救援和防控。

本文地鐵系統(tǒng)的火災(zāi)防控系統(tǒng)進(jìn)行了三維建模，制定準(zhǔn)確的防控策略。為了模擬火災(zāi)現(xiàn)場，需要充分了解火災(zāi)發(fā)生過程中的物理和化學(xué)特征?；馂?zāi)實(shí)際上是一系列不同種類、不同屬性的物質(zhì)發(fā)生燃燒后形成的復(fù)雜的、綜合性的化學(xué)反應(yīng)，因?yàn)椴煌ㄖ镎w和內(nèi)部結(jié)構(gòu)具有差異性，所以火災(zāi)的蔓延速度特征、燃燒生成物特征和火焰特征均會有所差異。因此，針對不同建筑設(shè)計(jì)火災(zāi)防控系統(tǒng)，進(jìn)而采用仿真試驗(yàn)觀察火災(zāi)可能達(dá)到的強(qiáng)度，對精準(zhǔn)防控具有重要意義。

火災(zāi)防控系統(tǒng)的仿真設(shè)計(jì)不僅需要對地鐵系統(tǒng)內(nèi)建筑及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行準(zhǔn)確建模，而且應(yīng)該對環(huán)境信息，包括火災(zāi)發(fā)生位置、火焰強(qiáng)度、煙霧濃度和環(huán)境溫度進(jìn)行準(zhǔn)確模擬。例如，需要對地鐵系統(tǒng)中的行車通道、地鐵站等內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，并分析可能導(dǎo)致火災(zāi)發(fā)生和蔓延的電氣線路。

地鐵系統(tǒng)內(nèi)部出現(xiàn)火情后，隨著易燃物質(zhì)燃燒、煙霧流動，火勢會逐漸蔓延。火勢蔓延過程會遵循質(zhì)量、動量和能量的守恒，可以借助這種機(jī)制去發(fā)現(xiàn)火情、及時(shí)監(jiān)視火情的強(qiáng)弱，其策略如圖1所示。

2 地鐵系統(tǒng)火災(zāi)的智能防控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

明確地鐵系統(tǒng)發(fā)生火情的機(jī)理后可知火情會導(dǎo)致地鐵系統(tǒng)內(nèi)部環(huán)境內(nèi)物質(zhì)的變化、煙霧的生成和環(huán)境溫度的改變。據(jù)此，可以利用傳感器采集這些參數(shù)的變化，進(jìn)而利用計(jì)算機(jī)等控制設(shè)備判斷火情并生成控制策略。本文給出的地鐵系統(tǒng)火災(zāi)智能防控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

地鐵運(yùn)行通道的內(nèi)部空間比較狹長、擁擠，但是整個(gè)環(huán)境的空間布局比較規(guī)律。如果地鐵列車或軌道周圍發(fā)生火情，可以利用兩側(cè)通道中配置的傳感器來檢測火情是否發(fā)生。

本文地鐵系統(tǒng)火災(zāi)防控具有智能屬性，配置了多種類型的傳感器，這些傳感器可以自動完成地鐵系統(tǒng)內(nèi)部環(huán)境的信息采集，這些傳感器包括氣體傳感器、煙霧傳感器、溫度傳感器和感光傳感器。其中，氣體傳感器主要對CO、CO2等氣體敏感；煙霧傳感器對空氣中煙霧濃度的變化敏感；溫度傳感器對地鐵系統(tǒng)內(nèi)部環(huán)境溫度的改變敏感；感光傳感器對地鐵系統(tǒng)內(nèi)部的光強(qiáng)敏感，一旦出現(xiàn)大量煙霧遮擋，地鐵內(nèi)部環(huán)境的清晰度就會發(fā)生改變。

3 地鐵系統(tǒng)火災(zāi)智能防控系統(tǒng)的性能測試

上文針對地鐵系統(tǒng)的火災(zāi)防控構(gòu)建了一個(gè)智能化系統(tǒng)。首先，分析了火情發(fā)生過程中的地鐵內(nèi)環(huán)境變化機(jī)理，包括煙霧生成、物質(zhì)噴濺崩塌、氣流流動和溫度升高，其基礎(chǔ)是物質(zhì)、動量和能量的守恒關(guān)系。其次，以此為基礎(chǔ)，構(gòu)建了多傳感器網(wǎng)絡(luò)為核心的智能防控系統(tǒng)，需要使用溫度、感光、煙霧和氣體4類傳感器。這些傳感器可以自動完成地鐵內(nèi)部環(huán)境火情信息的數(shù)據(jù)采集。最后，通過試驗(yàn)對地鐵系統(tǒng)火災(zāi)的智能防控系統(tǒng)進(jìn)行性能測試。

在試驗(yàn)中，為了更真實(shí)地模擬燃燒過程，取地鐵系統(tǒng)空間內(nèi)部的氣體密度ρ=1.225kg/m3，地鐵系統(tǒng)空間內(nèi)部的熱比率c=5%，地鐵系統(tǒng)空間內(nèi)部的環(huán)境溫度T=25℃，地鐵系統(tǒng)空間內(nèi)部的重力加速度g=9.8m/s2，地鐵系統(tǒng)空間內(nèi)部火源向外擴(kuò)散的速率Q=15kW/s，根據(jù)公式（4）計(jì)算出火源覆蓋面積等效直徑=3.28m。

由上述計(jì)算結(jié)果可知，試驗(yàn)中火源波及范圍如圖3所示。圖3選用的地鐵試驗(yàn)信號為C型，鐵軌寬度小于2.6m，火源直接波及范圍為3.28m（如圖3中內(nèi)層虛線圓環(huán)所示），而其燃燒導(dǎo)致的周邊空氣影響范圍會進(jìn)一步擴(kuò)大（如圖3中外層虛線圓環(huán)所示）。因此，該火源會使周圍傳感器迅速反應(yīng)。

受篇幅限制，本文主要以煙霧傳感器為測試對象，分別以地鐵運(yùn)行通道環(huán)境下、地鐵車站環(huán)境下發(fā)生火情時(shí)煙霧傳感器的測試指標(biāo)變化為測試對象。第一組試驗(yàn)，以地鐵運(yùn)行通道環(huán)境為主要對象。在試驗(yàn)過程中，在鐵軌中間布置燃燒物，將其點(diǎn)燃并形成火源，燃燒物燃燒一段時(shí)間后，地鐵運(yùn)行通道環(huán)境內(nèi)的煙霧濃度發(fā)生了較大改變。本文選定的煙霧傳感器的敏感度臨界值是環(huán)境內(nèi)的煙霧濃度達(dá)到10%以上。據(jù)此，測得的地鐵運(yùn)行通道環(huán)境下的煙霧濃度變化曲線如圖4所示。

圖4中，橫坐標(biāo)表示燃燒發(fā)生后的持續(xù)時(shí)間，縱坐標(biāo)表示煙霧傳感器的濃度變化刻度。從圖4的變化曲線可以看出，在燃燒物質(zhì)燃燒10s后，地鐵運(yùn)行通道內(nèi)的煙霧濃度開始升高，并在60s后達(dá)到較高水平。而煙霧傳感器的敏感度較高，在10s～60s的時(shí)間范圍內(nèi)會迅速拉升，以階躍曲線的形態(tài)從0刻度達(dá)到滿刻度100。當(dāng)然，煙霧傳感器的滿刻度并不代表真實(shí)環(huán)境煙霧濃度也達(dá)到100%，但是能夠說明此時(shí)地鐵環(huán)境內(nèi)的煙霧濃度非常高。煙霧傳感器的拉升速度較快也說明地鐵運(yùn)行通道的空間相對封閉，煙霧無法有效排出，因此煙霧濃度曲線會在短時(shí)間內(nèi)迅速拉升到最大值。

第二組試驗(yàn)，以地鐵車站環(huán)境為主要對象。在試驗(yàn)過程中，在車站中心位置布置燃燒物，將其點(diǎn)燃并形成火源，燃燒物燃燒一段時(shí)間后，地鐵車站環(huán)境內(nèi)的煙霧濃度逐漸發(fā)生改變。使用本文選定的煙霧傳感器測得的地鐵車站環(huán)境下的煙霧濃度變化曲線如圖5所示。

從圖5的煙霧傳感器煙霧濃度刻度變化可以看出，與地鐵運(yùn)行通道相比，地鐵車站內(nèi)的煙霧變化比較緩慢。從第10s以后，煙霧濃度曲線開始拉升，起初的速度比較快，一直持續(xù)到50s。進(jìn)而曲線的斜率開始下降，表明煙霧濃度雖然在增加，但是增加的速度變慢了，一直到約230s，共分為若干階段，每個(gè)階段都是這種變化趨勢。230s～240s的煙霧濃度又一次加速增加，直到煙霧傳感器的濃度達(dá)到100%的滿刻度。由圖4和圖5可知，地鐵車站的煙霧濃度增加速度較慢，其根本原因是地鐵車站空間相對較大，并且出、入口等有一定的通風(fēng)渠道，可以進(jìn)行空氣流通。而地鐵運(yùn)行通道相反，環(huán)境局促，沒有通風(fēng)渠道，煙霧濃度會迅速拉升。

4 結(jié)論

地鐵系統(tǒng)相對密閉，主要通風(fēng)口均集中在地鐵站的進(jìn)、出口。一旦發(fā)生火情，煙氣迅速增加，無法有效排出。為了提升地鐵系統(tǒng)的安全性，本文以地鐵系統(tǒng)火情智能防控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為核心，進(jìn)行了研究。第一，分析了物質(zhì)燃燒時(shí)的三大守恒定律，奠定了基于關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行檢測并有效發(fā)現(xiàn)火情的理論基礎(chǔ)。第二，構(gòu)建了以物聯(lián)網(wǎng)為核心的火災(zāi)智能防控系統(tǒng)，系統(tǒng)中使用了溫度傳感器、感光傳感器、氣體傳感器和煙霧傳感器。第三，對智能防控系統(tǒng)進(jìn)行了性能測試，試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了智能防控系統(tǒng)的有效性。

參考文獻(xiàn)

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