周科

（重慶市設(shè)計院 重慶 400015）

前言

重慶是一個典型的山地城市。近年來，隨著城市建設(shè)的加快發(fā)展，城市隧道的建設(shè)也越來越多。

作為一種特殊的地下建筑，城市隧道結(jié)構(gòu)復(fù)雜，環(huán)境密閉，交通量大，人員密集?；馂?zāi)是城市隧道面臨的高度危險之一，越來越引起了城市隧道電氣消防設(shè)計工作者的高度重視。

1 隧道的火災(zāi)特點

發(fā)生在隧道中的火災(zāi)，多數(shù)是開放性火災(zāi)，它帶有濃煙，其熱輻射率為數(shù)兆瓦級，在數(shù)分鐘內(nèi)便可形成火災(zāi)。經(jīng)廣泛的試驗(包括路面車輛和地鐵列車)，一起火災(zāi)通常在8～10分鐘完全形成。對于大型貨運卡車，大約為20～30分鐘。當(dāng)有燃料泄漏并形成坑池時，火災(zāi)在1～3分鐘內(nèi)完全形成?！八淼阑馂?zāi)”實例的測試顯示，在大約5分鐘之后，車輛火災(zāi)的溫度升至大約200攝氏度。

隧道火災(zāi)的主要特征是耀眼的明火及強的輻射熱 （危險性在于汽車的動力燃料）且發(fā)展速度極快。其蔓延程度還取決于隧道洞內(nèi)的風(fēng)速，所以隧道機(jī)電工程中的火災(zāi)自動檢測和及時報告無疑是保障隧道營運安全的重要手段之一。同時，由于隧道環(huán)境的特殊性，其火災(zāi)自動報警探測器選用必須做到可靠、先進(jìn)并具有高靈敏度和極低的誤報率的特點，這樣才能防患未然并進(jìn)行早期自救。

現(xiàn)行國際國內(nèi)的隧道火災(zāi)報警探測器主要有雙波長火災(zāi)探測器、光纖光柵感溫探測器及圖像型火災(zāi)探測器等幾種類型的自動火災(zāi)報警探測器。下面就該幾類探測器的特點及設(shè)計使用方式作簡單的概述。

2 雙波長火災(zāi)探測器

雙波長火災(zāi)探測器是通過捕捉火焰輻射光的閃動頻率的兩種波長進(jìn)行比較從而判斷火災(zāi)是否發(fā)生的報警探測器。雙波長火災(zāi)探測器檢測火災(zāi)靈敏度很高，且不受日光及人工照明光的影響，不會因此而動作。其設(shè)計的基本結(jié)構(gòu)如下：

2.1 捕捉火焰特有的燃燒變化頻率

火災(zāi)的火焰一邊燃燒一邊放射的光，是按周期變化。利用這種現(xiàn)象，通過探測器的電帶狀過濾器檢測火焰特有的頻率（1-15HZ），這是判斷發(fā)生火災(zāi)的因素之一。

2.2 捕捉火災(zāi)特有的光譜分布特性

火災(zāi)的火焰所放射出的光的光譜分布情況與自然光或各種人工照明燈光（環(huán)境光）的光譜分布情況不同。雙波長火災(zāi)探測器對一般照明用環(huán)境光的光學(xué)輸入相對光譜和車輛火災(zāi)或汽油火災(zāi)時檢測器的相對光譜比較，捕捉1.0μm的β值和1.7um的α值，在波長1.0um～1.8um范圍內(nèi)汽車燈光、自然光、熒光燈、鈉光燈及其他光源的曲線呈下降趨勢，汽油燃燒曲線呈上升趨勢，對非火災(zāi)曲線的β值和α值進(jìn)行比較得出Pα-pβ<0，對火災(zāi)曲線的β值和α值進(jìn)行比較得出Pα-p β>0，因此當(dāng)α值>β值時判定為火災(zāi)信號。利用這個特性，探測器通過對于不同波長帶域各具靈敏度的二個檢測元件，比較輻射光的輸入值，做為檢測火災(zāi)的判斷因素之一。

由于雙波長火災(zāi)探測器擁有白天的日光、白熾燈、水銀燈、熒光燈、納燈等人工照明燈等都不會使檢測器動作的特點，且不受風(fēng)速、環(huán)境、溫度影響。能夠較好地實現(xiàn)在正常情況下零誤報，在現(xiàn)行國內(nèi)的隧道消防中應(yīng)用較為廣泛。

3 光纖光柵感溫探測器

光纖感溫探測系統(tǒng)是一套利用光纖作為線性感溫探測器的高新技術(shù)，其基本原理是利用光纖中石英分子鍵會受溫度上升而產(chǎn)生晶格振動。這種振動會導(dǎo)致在光纖中傳輸?shù)墓猱a(chǎn)生散射(喇曼散射及Rayleigh散射)，而散射量的大小可以直接反應(yīng)溫度的高低，因此光纖感溫探測系統(tǒng)可以將環(huán)境溫度以連續(xù)的線性方式表示出來。光纖感溫探測系統(tǒng)的另一個嶄新的技術(shù)是可以準(zhǔn)確地定位溫度變化的確切位置。系統(tǒng)通過OTDR、OFDR(光時域及光頻域反射測量法)及連續(xù)FFT(快速傅立葉變換)對訊息進(jìn)行處理，將微小的時空差別以頻率方式體現(xiàn)出來實現(xiàn)精確定位，從而構(gòu)成一套精密的光纖線性感溫探測系統(tǒng)。

光纖感溫探測系統(tǒng)包括一個分析單元(頻率生成器、激光源、光模、HF合成器和微處理器)以及一個石英光纖纜(LG)作為線性溫度傳感器，其應(yīng)用于城市隧道火災(zāi)探測的優(yōu)勢有：

（1）它不包含任何電子器件，所以不會受到任何種類的電磁干擾的影響。

（2）光纖傳感線纜設(shè)計了優(yōu)異的耐用性(可以預(yù)期大約50年的服務(wù)壽命)，所以對環(huán)境影響如溫度、壓力和濕度波動極具抵抗力，同樣也適用于多塵和含有腐蝕性物質(zhì)的空氣中。

（3）安裝傳感線纜和維護(hù)都十分容易，在線纜有損傷的地方可以像修復(fù)普通光纖一樣接合。

（4）傳感線纜能夠不受限制地被切割成要求的長度，為每一個工程提供所需的長度，最長可達(dá)4km。

同時，光纖感溫探測系統(tǒng)能夠精確定位火災(zāi)位置，對隧道可進(jìn)行大范圍的或局部范圍的顯示，而且能指明火災(zāi)蔓延方向和速率。

但光纖光柵感溫線型探測器一般安裝于隧道頂部，如隧道頂部較高，感溫線型探測器達(dá)到報警溫度時，則火災(zāi)已發(fā)展到相當(dāng)規(guī)模，不利于早期消防滅火。且設(shè)計車速較高的隧道常年保持的風(fēng)速為（2～10米/秒），并且一年四季的季節(jié)變換，環(huán)境溫度變化較大，給測溫方式檢測火災(zāi)帶來不穩(wěn)定性及滯后性。

4 圖像型火災(zāi)探測器

智能圖像型火災(zāi)探測器的現(xiàn)行應(yīng)用主要領(lǐng)域是石油、化工等產(chǎn)業(yè)，近幾年在隧道消防中的應(yīng)用也逐漸增多。

圖像型火災(zāi)探測器采用的是智能圖像分析技術(shù)，屬于成像型非接觸式面型探測方式，具有視頻監(jiān)控和火災(zāi)探測雙重功能，能夠區(qū)別真實的火災(zāi)和干擾源（如太陽強光、各類光源、CO2熱氣排放、黑體輻射等），實現(xiàn)了“眼睛與大腦”的完美統(tǒng)一，能夠在各種復(fù)雜環(huán)境下對火災(zāi)（火焰、煙霧）作出快速準(zhǔn)確的判斷。在火災(zāi)探測方面，一旦有火情出現(xiàn)，可以在2～15秒內(nèi)做出準(zhǔn)確判斷，并給出火災(zāi)定位信息（誤差小于1.5m），為及時控制火情，迅速啟動應(yīng)急預(yù)案贏得了時間。圖像型火災(zāi)探測器集成了視頻監(jiān)控和明火的即時分析、即時報警功能，而且在傳統(tǒng)隧道視頻監(jiān)控的基礎(chǔ)上稍做改造就能使監(jiān)控系統(tǒng)具有火焰探測功能，避免了重復(fù)投資，減小了施工難度。

隨著技術(shù)水平的提高，由于綜合了監(jiān)控及火災(zāi)報警功能，圖像型火災(zāi)探測器在隧道消防報警系統(tǒng)中有著一定優(yōu)勢：

（1）利用前端智能視頻分析，通過火焰、煙霧的圖像意義上的檢測可及時發(fā)現(xiàn)火情、預(yù)測火勢，屬于火災(zāi)早期探測報警（最小檢測火焰15cm×15cm汽油盤火，響應(yīng)速度快20秒以內(nèi)），大大縮短發(fā)現(xiàn)火災(zāi)、發(fā)出報警時間。

（2）光線的變化不會誤報火警，隧道內(nèi)氣流的單向流動，不會影響火災(zāi)檢測的靈敏度。

（3）隧道內(nèi)的輕微抖動不影響探測器正常工作。

（4）在隧道內(nèi)風(fēng)速較快、場內(nèi)有火的情況下，同樣可以不降低靈敏度，迅速報警。

（5）利用視頻監(jiān)控，可以掌握第一手甚至實時現(xiàn)場影像資料。

5 比較及結(jié)論

光纖光柵感溫監(jiān)測系統(tǒng)是基于光纖光柵傳感器的傳感系統(tǒng)，該系統(tǒng)在國內(nèi)的石化、電力、冶金行業(yè)應(yīng)用較為廣泛，在公路隧道的消防探測領(lǐng)域也有一定的應(yīng)用。

近年來，雙波長火災(zāi)探測器由于其穩(wěn)定性高、響應(yīng)時間短的特點，在隧道消防的應(yīng)用中越來越多。筆者參與設(shè)計的重慶嘉華隧道，根據(jù)其隧道特點就采用雙波長火災(zāi)探測器。嘉華隧道是嘉華大橋及南北引道工程的一部分，隧道全長1435m，道路等級按城市快速路進(jìn)行設(shè)計，時速每小時80km，采用上、下行分離式雙洞，雙向六車道，出口端黃沙溪段為雙向8車道，最大斷面220m2，最寬寬度達(dá)21m，居亞洲同類型城市隧道之首。由于嘉華隧道采用的是拱頂結(jié)構(gòu)，斷面大，洞寬較寬，洞高較高，且洞內(nèi)已按相關(guān)規(guī)范設(shè)置了獨立的監(jiān)控系統(tǒng)，通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后，火災(zāi)探測器未采用圖像型火災(zāi)探測器和光纖光柵探測系統(tǒng)，而是選用了雙波長火災(zāi)探測器。探測器與手動報警按鈕組成綜合探測盤，安裝在洞內(nèi)一側(cè)1.5m高的側(cè)墻上，探測器間距為50m。通過安裝后的火災(zāi)試驗表明，在發(fā)生火災(zāi)時，雙波長火災(zāi)探測器能夠迅速響應(yīng)來聯(lián)動其他消防系統(tǒng)，較好地達(dá)到了設(shè)計及消防部門的要求。

圖像型火災(zāi)探測器結(jié)合了監(jiān)控與火災(zāi)探測兩大功能，隨著圖形軟件處理技術(shù)及前端攝像機(jī)技術(shù)的提升，應(yīng)該是未來隧道消防火災(zāi)探測器的發(fā)展方向。

通過對三種探測器的比較并結(jié)合城市隧道的特點，筆者認(rèn)為在城市隧道內(nèi)可以優(yōu)先選擇雙波長火災(zāi)型探測器來作為火災(zāi)探測報警器。對于部分隧道斷面較小、洞頂不高、設(shè)計車速較低或洞內(nèi)常年風(fēng)速小的城市隧道可選用光纖光柵型報警器。圖像型火災(zāi)探測器在工程實例中應(yīng)用較少，其技術(shù)水平的提高應(yīng)該代表著隧道消防探測的新方向。對于消防等級要求較高的隧道，則可以采用多種探測器結(jié)合的方式以保證前期火災(zāi)探測的準(zhǔn)確性。

[1]JTJ026.1-1999，公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計規(guī)范[S].

[2]邵勇，鄔寧.火災(zāi)自動探測、報警設(shè)施在高速公路長隧道中應(yīng)用實例及比較[J].華東公路，2002，(03).

[3]戎小戈，章獻(xiàn)民.光纖光柵傳感器原理及應(yīng)用[J].武漢紡織工學(xué)院學(xué)報，2003，16(3).