楊大鵬，甘建文

(北京城建設(shè)計發(fā)展集團股份有限公司，北京100037)

OSID火災(zāi)探測新型技術(shù)及其在城市軌道交通中的應(yīng)用

楊大鵬，甘建文

(北京城建設(shè)計發(fā)展集團股份有限公司，北京100037)

分析城市軌道交通行業(yè)的高大開放空間火災(zāi)探測的現(xiàn)狀，指出傳統(tǒng)火災(zāi)探測器的不足，詳細(xì)闡述高大開放空間成像探測器(OSID)的工作原理和關(guān)鍵技術(shù)。OSID采用雙波粒子檢測、感光元件光學(xué)成像、預(yù)對準(zhǔn)光學(xué)成像等多項先進(jìn)技術(shù)，而且支持多發(fā)射器－單接收器。將OSID與線型光束感煙火災(zāi)探測器和吸氣式感煙火災(zāi)探測器進(jìn)行對比，指出OSID的主要優(yōu)缺點。給出OSID在民用領(lǐng)域和城市軌道交通領(lǐng)域的典型應(yīng)用，OSID可為城市軌道交通領(lǐng)域的火災(zāi)探測提供參考。

城市軌道交通;火災(zāi)探測系統(tǒng);雙波粒子檢測;預(yù)對準(zhǔn)光學(xué)成像

1 研究背景

城市軌道交通行業(yè)許多建筑物的高大開放空間對火災(zāi)探測系統(tǒng)提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)?；馂?zāi)探測器根據(jù)其原理的不同可分為點式感煙火災(zāi)探測器、線型光束感煙火災(zāi)探測器、吸氣式感煙火災(zāi)探測器和圖像型火災(zāi)探測器等。軌道交通領(lǐng)域的高大開放空間包括車輛維修基地的聯(lián)合檢修庫、停車列檢庫等大庫，以及具有圓拱穹頂且鏤空率大的地鐵站廳、站臺公共區(qū)等區(qū)域。上述區(qū)域由于具有開放空間較高，吊頂上方橋架、管路錯綜復(fù)雜和屋頂不平整等特點，火災(zāi)探測不宜采用點式火災(zāi)探測器［13］，往往采用線型光束感煙火災(zāi)探測器或吸氣式感煙火災(zāi)探測器［45］。

GB 50116—2013《火災(zāi)自動報警系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》(簡稱《火規(guī)》)對線型火災(zāi)探測器的選擇做了如下規(guī)定:無遮擋的大空間宜選擇線型光束感煙火災(zāi)探測器;有大量粉塵、水霧滯留，正常情況下有煙滯留，固定探測器的建筑結(jié)構(gòu)由于振動等原因會產(chǎn)生較大位移的場所，不宜選擇線型光束感煙火災(zāi)探測器。而地鐵的車輛維修基地、停車場等地經(jīng)常有粉塵滯留;安裝探測器的建筑墻體可能會因為經(jīng)常進(jìn)出的軌道交通列車所產(chǎn)生的振動而發(fā)生漂移;昆蟲或其他雜物也可能對光路造成臨時遮擋。這些因素會使得線型火災(zāi)探測器時常發(fā)出故障信號或誤報警信號［6 7］。

此外，《火規(guī)》對吸氣式感煙火災(zāi)探測器的選擇也做了明確規(guī)定:大空間、舞臺上方、建筑高度超過12 m的場所和需要進(jìn)行隱蔽探測的場所，宜選擇吸氣式感煙火災(zāi)探測器。對于聯(lián)合檢修庫、停車列檢庫、地鐵站廳及站臺等場所，雖然可以選擇吸氣式感煙火災(zāi)探測器進(jìn)行火災(zāi)探測，但在實際情形中上述空間內(nèi)各專業(yè)的管路線纜縱橫交錯，吸氣式感煙火災(zāi)探測器的采樣管道安裝較為困難。此外，對于具有圓拱穹頂?shù)牡罔F站廳等反映當(dāng)?shù)仫L(fēng)貌的城市景觀場所，雖然可采用點式火災(zāi)探測器進(jìn)行火災(zāi)探測，但該探測器會對建筑物的整體美觀效果造成一定影響。

綜上所述，傳統(tǒng)的點式火災(zāi)探測器和線型火災(zāi)探測器都不是高大開放空間火災(zāi)探測的最理想選擇，而新型的開放空間成像探測器(open- area smoke imaging detection，OSID，又稱雙鑒式煙霧探測器)能夠解決以上問題。與傳統(tǒng)的線型光束感煙火災(zāi)探測器簡單應(yīng)用光束散射的原理不同，OSID不僅測量光束沿直線路徑上因煙霧粒子引起的散射，而且采用了雙波長和圖像處理技術(shù)，從而能克服傳統(tǒng)探測器的許多缺點和不足。同時，OSID仍然滿足現(xiàn)有規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)對線型光束感煙火災(zāi)探測器的要求。

本文首先介紹傳統(tǒng)線型光束煙霧探測的方法和局限性，然后闡述OSID的工作原理和關(guān)鍵技術(shù)，最后分析OSID在城市軌道交通領(lǐng)域的典型應(yīng)用。

2 傳統(tǒng)線型光束感煙火災(zāi)探測器

2.1 工作原理

線型光束感煙探測器通過測量直線光束中被煙霧粒子遮擋和散射后的衰減率來判斷是否發(fā)生火災(zāi)，進(jìn)而報出感煙探測器和火災(zāi)的位置。盡管線型光束感煙探測器可以進(jìn)行火災(zāi)探測，但是不能區(qū)分粒子的類型和大小。

傳統(tǒng)的線型光束感煙探測器有兩種類型，一種是發(fā)射接收式的，一種是反射接收式的。這兩種探測器原理類似，這里只介紹一種。發(fā)射接收式探測器通常包含兩個基本單元，發(fā)射器和接收器［89］。發(fā)射器內(nèi)設(shè)置一個周期閃爍的紅外光源，發(fā)出的光束經(jīng)過凸透鏡聚為平行光束，然后照射到接收器的透鏡上。發(fā)射器和接收器之間的距離可以達(dá)到100 m。光束經(jīng)凸透鏡聚到接收器的感光傳感器(硅光電二極管)上，其工作原理如圖1所示。

圖1 線型光束感煙探測器工作原理Fig.1 Principle of linear beam smoke detector

硅光電二極管的電信號經(jīng)放大和測量后便可知光信號的衰減率，從而測得發(fā)射器和接收器之間的煙霧濃度。一般來說，發(fā)射器和接收器之間要有同步線以使得它們的光脈沖同步。若沒有同步線，發(fā)射器和接收器則要布置在單一的設(shè)備里，然后在另一側(cè)布置一個遠(yuǎn)程反射器，此反射器幾乎可以不衰減地將光束按照射的反方向反射回去。

2.2 存在問題和局限性

安裝傳統(tǒng)的線型光束感煙火災(zāi)探測器時對準(zhǔn)比較困難，而且經(jīng)常會誤報火災(zāi)信息。這些錯誤的報警信息可在很多情形下觸發(fā)，例如物體(移動檢修天車、氣球或飛鳥)經(jīng)過光束路徑時，空氣中的灰塵，發(fā)射器、接收器或反射器光學(xué)表面的昆蟲，周圍干擾光束等。此外，溫度變化、環(huán)境振動引發(fā)的建筑物漂移也會影響光束的對準(zhǔn)。

在初始安裝時，傳統(tǒng)的線型光束感煙探測器要求對準(zhǔn)精度達(dá)到0.1°。盡管這個精度最終可以達(dá)到，但初始調(diào)試過程要花費相當(dāng)長的時間。有些探測器使用軟件控制的電機驅(qū)動機械平臺來完成初始對準(zhǔn)，并保持持續(xù)對準(zhǔn)，但這需要更大的經(jīng)濟投入，而且感煙探測器所占用的空間和功耗也會更大。

3 OSID的工作原理與關(guān)鍵技術(shù)

大空間成像感煙探測器是專為開放高大空間區(qū)域設(shè)計的新型線型光束感煙探測器，它能夠保護(hù)人的生命和財產(chǎn)安全，使其少受損失。與傳統(tǒng)的線型光束感煙探測器相比，OSID有以下3個突出優(yōu)點。

1)使用紅外、紫外兩種波長的光束，可測量粒子的大小，進(jìn)而分辨粒子是真實的煙霧還是其他固體遮擋物，以降低錯誤報警的概率。

2)使用高像素的感光成像器件，而不單純使用光電二極管，因此系統(tǒng)配置方式可以為多個發(fā)射器配備一個接收器，這使得在開放大空間內(nèi)也可確定火災(zāi)方位。

3)布置和安裝過程簡單，比傳統(tǒng)線型光束探測器節(jié)省約70%的時間。

除此之外，光照條件的變化對OSID的影響不大，無論是強陽光還是全黑條件下，OSID都能正常工作，低對比度情形下亦是如此。而且，由于OSID采用感光元件成像來識別發(fā)射器，發(fā)射器輕微的位置漂移對探測器沒有影響，因此后期的維護(hù)成本較低。

3.1 雙波粒子檢測

通過采用兩種波長的光檢測粒子，使得探測系統(tǒng)可以分辨粒子的大小。由于紫外光的波長較短，因此小粒子或大粒子均可遮擋住紫外光。而紅外光的波長較長，其受大粒子的影響較為顯著。因此使用雙波光路丟失檢測可以測得遮擋光線的粒子大小，從而分辨出煙霧(灰塵)粒子和一般固體遮擋物(見圖2)。

圖2 雙波粒子檢測示意Fig.2 Schematic of double wave particle detection

3.2 感光成像器光學(xué)成像

感光探測器的感光光學(xué)成像器可用于定位和捕捉圖像。由于在感光成像器中可輕易地找到紅外/紫外光源，所以火災(zāi)探測系統(tǒng)的安裝和對準(zhǔn)變得較為簡單，而且感光成像器允許光源有一定的偏移，所以能夠補償建筑物結(jié)構(gòu)的自然漂移造成的誤差。此外，光學(xué)濾波和智能軟件算法還可以保證探測器對大范圍光線變化的抗擾性。

3.3 發(fā)射器和接收器

OSID發(fā)射器的兩個或以上LED發(fā)出的光束經(jīng)過凸透鏡會聚后形成寬度范圍大于正負(fù)5°的光束。發(fā)射器采用低功耗的微控制器，其內(nèi)置的A/D轉(zhuǎn)換器將發(fā)出的脈沖強度采樣后，通過軟件進(jìn)行溫度和衰減補償。每個LED發(fā)出的光束是唯一的，不會與其他光束發(fā)生混淆。

接收器配備一個凸透鏡，該凸透鏡對兩種波長光的焦距幾乎相同，同時對溫度變化有魯棒性。接收器上的感光成像器還需配備一個濾波器，用來濾去紅外光和紫外光之外的其他光線，這就使OSID探測器系統(tǒng)能夠不受干擾地工作在寬范圍的光照條件下，包括陽光直射、強人工光線、閃爍燈光等環(huán)境。

3.4 OSID的配置

OSID系統(tǒng)的1個成像器(接收器)最多能夠支持7個發(fā)射器，這使得它能夠應(yīng)用在許多不規(guī)則的區(qū)域內(nèi)。發(fā)射器可安裝在不同的高度以分層布置，從而提供早期的火災(zāi)探測。因為線型光束需要在空間中布置得更加緊湊，這種多發(fā)射器3D的設(shè)計在探測器數(shù)量相同的情形下可將探測范圍增大50%。

OSID系統(tǒng)可配置用以保護(hù)某范圍內(nèi)的空間，而受空間形狀的影響不大，受保護(hù)的區(qū)域或防護(hù)網(wǎng)與OSID探測器的布置有關(guān)。例如Xtralis公司的OSID產(chǎn)品可支持的最大距離和角度如表1所示。

表1 OSID支持的最大距離和角度Tab.1 Maximum distance and angle supported by OSID

3.4.1 簡單線型配置(單對單)

在最簡單的配置情形下，系統(tǒng)包含一個發(fā)射器和一個接收器(含成像器)。它們被放在相對的墻上，初始狀態(tài)僅需要粗略對準(zhǔn)，如圖3所示。

圖3 OSID簡單線型配置ig.3 Simple linear configuration of OSID

實際上，發(fā)射器發(fā)出的光束允許有±5°寬的誤差，而初始對準(zhǔn)時發(fā)射器只需要達(dá)到0.5°的精度即可。對于單一光束，接收器所配備的感光成像器的視角為± 5°，這也是很容易實現(xiàn)的。

OSID與傳統(tǒng)的線型光束感煙探測器相比，主要優(yōu)點在于OSID不需要在機械上精確地對準(zhǔn)光學(xué)系統(tǒng)。發(fā)射器在成像器視野中的精確位置由成像器軟件自動確定。發(fā)射器可以在成像器的視野中處于任意位置。成像器視野的圖像與一般的電視機或電腦顯示器屏幕類似，當(dāng)發(fā)射器發(fā)出的光束閃爍時，成像器的視野中便呈現(xiàn)出一個閃爍的亮點。如果發(fā)射器由于環(huán)境振動或建筑物漂移等原因發(fā)生三維空間內(nèi)的平動，它在成像器視野的圖像將會被重新定位并跟蹤，這些都是軟件自動處理完成的，從而能使系統(tǒng)自動過濾由漂移造成的錯誤報警。

3.4.2 多發(fā)射器情形

在開放空間內(nèi)，系統(tǒng)最多可布置7個發(fā)射器。多個發(fā)射器的布置情形如圖4所示。

圖4 多發(fā)射器布置Fig.4 Multiple emitters

在這種情形下，接收器需配備90°的感光成像器，發(fā)射器和接收器的最大距離可達(dá)34 m。如果配備45°的感光成像器，那么發(fā)射器和接收器的最大距離可達(dá)60 m。

4 OSID在民用領(lǐng)域的應(yīng)用

4.1 迪士尼樂園

美國東海岸迪士尼樂園的室內(nèi)過山車設(shè)施成功應(yīng)用OSID進(jìn)行火災(zāi)探測。在演出階段，室內(nèi)是一個暗室——無背景光、只有閃光燈特效。眾所周知，圖像型火災(zāi)探測系統(tǒng)需要在室內(nèi)有光的情形下才能正常工作，而演出現(xiàn)場又沒有合適的位置安裝點式感煙探測器或吸氣式感煙探測器。OSID由于能提供三維立體覆蓋，設(shè)計靈活，克服了傳統(tǒng)探測器的不足，在上述項目中得到了成功應(yīng)用。

4.2 英國BBC廣播電臺停車場

BBC的停車場早期采用線型光束感煙探測器(紅外對射)進(jìn)行火災(zāi)探測。隨著時間的推移，建筑結(jié)構(gòu)位移和其他因素使得這種探測器大量誤報，而每次報警時間都需要人工現(xiàn)場處理，使得維護(hù)成本過高。后期改造應(yīng)用OSID后，徹底解決了誤報警的問題。這得力于OSID的一個優(yōu)點——在任何環(huán)境中都能可靠運作，不受建筑物結(jié)構(gòu)位移的影響。

5 OSID在城市軌道交通中的應(yīng)用

5.1 站廳站臺

目前新建城市軌道交通線路的站廳有一些是反映當(dāng)?shù)貐^(qū)域性特點的城市景觀，其吊頂可能為圓形穹頂或某種不規(guī)則形狀。如果在這類吊頂上布置點式火災(zāi)探測器，安裝和維護(hù)將較為困難，而且點式火災(zāi)探測器對吊頂?shù)恼w視覺效果會造成很大影響。

此外，既有城市軌道交通線路站廳站臺的火災(zāi)探測系統(tǒng)改造工程具有安裝空間狹小、電氣線路增改困難大、光路遮擋物較多等特點，不適合安裝線型光束感煙火災(zāi)探測器。目前有些城市舊線的地鐵車站內(nèi)管路錯綜復(fù)雜，改造時可用于安裝火災(zāi)探測設(shè)備的空間有限。OSID正好能適應(yīng)這種復(fù)雜的環(huán)境，并可承擔(dān)此類車站的火災(zāi)探測任務(wù)。

由于OSID支持多發(fā)射器—單接收器的配置情形，并且發(fā)射器可以采用具有持久電力的電池供電，所以O(shè)SID可為站廳和站臺的火災(zāi)探測提供較為完善的參考解決方案。另外，也能為既有的城市軌道交通改造工程提供可行且方便實施的參考解決方案。

5.2 車輛綜合基地

城市軌道交通(含地鐵、輕軌、有軌電車)往往需要在車輛綜合基地設(shè)置聯(lián)合檢修庫、停車列檢庫等大型車庫，用于車輛的檢修。這類開放空間經(jīng)常有粉塵滯留，而且安裝火災(zāi)探測器的建筑墻體可能會因為經(jīng)常進(jìn)出的軌道交通列車所產(chǎn)生的振動而發(fā)生漂移，從而使原本對準(zhǔn)的線型光束探測器發(fā)生偏移，發(fā)出誤報警信號。高空車輛檢修設(shè)施、飛蟲等其他雜物也可能對光路造成臨時遮擋，進(jìn)而使傳統(tǒng)的線型光束探測器誤報。此外，吸氣式感煙探測器的采樣管路需要在頂部吊裝，管路多且不美觀，安裝也比較困難;吸氣式感煙探測器的采樣管路和采樣孔若出現(xiàn)嚴(yán)重堵塞時需要進(jìn)行清洗維護(hù)，而清洗維護(hù)在高大檢修庫里的采樣管網(wǎng)是較為困難的。所以采用OSID可為地鐵車輛基地高大庫區(qū)的火災(zāi)探測提供一個可行的參考技術(shù)方案，較為完美地解決上述問題。

蘇州有軌電車車輛綜合基地的停車場正是一個典型的應(yīng)用案例，該停車場采用OSID進(jìn)行火災(zāi)探測，而沒有采用傳統(tǒng)的吸氣式感煙探測器，有效地降低了后期維護(hù)成本，而且使誤報警的問題得到了很好的解決。

6 結(jié)語

本文著重介紹了新型火災(zāi)探測器——開放空間成像探測器的工作原理和關(guān)鍵技術(shù)，并與傳統(tǒng)的線型光束感煙火災(zāi)探測器進(jìn)行了對比。

針對城市軌道交通領(lǐng)域高大開放空間火災(zāi)探測的難題，分析并提出了典型的參考解決方案?；馂?zāi)探測中最大的矛盾在于如何準(zhǔn)確檢測火災(zāi)位置和降低投入成本，此外，還需要盡可能地降低錯誤火災(zāi)報警的概率。以往有許多研究工作致力于提高可靠性、保證經(jīng)濟性的同時，分辨遮擋物粒子是灰塵、煙霧還是其他干擾物。OSID采用雙波檢測技術(shù)為解決以上問題提供了可能。基于數(shù)字信號處理技術(shù)和圖像技術(shù)的自動對準(zhǔn)技術(shù)降低了安裝和維護(hù)成本，基于OSID的火災(zāi)探測系統(tǒng)將給包括城市軌道交通領(lǐng)域在內(nèi)的高大開放空間的火災(zāi)探測系統(tǒng)提供較好且可行的參考解決方案。

此外，基于雙波檢測技術(shù)的OSID火災(zāi)探測技術(shù)屬于火災(zāi)探測的新型技術(shù)，其應(yīng)用案例還不是很多，而且相關(guān)產(chǎn)品的穩(wěn)定性、可靠性、適用性還有待通過更多的應(yīng)用案例進(jìn)行驗證，建議今后設(shè)計方和應(yīng)用方持續(xù)并深入關(guān)注該項技術(shù)的發(fā)展，在技術(shù)成熟的情況下方可廣泛應(yīng)用。

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(編輯:王艷菊)

New Technology of Fire Detecting Using OSID and Its Application in Urban Rail Transit

YANG Dapeng，GAN Jianwen
(Beijing Urban Construction Design＆Development Group Co.，Ltd.，Beijing 100037)

This paperanalyzes the statusof open space fire detection in urban rail transit industry and pointsout the shortcomings of the traditional fire detectors.The working principle and key technology of open space imaging detector(OSID)is stated.OSID adopts the doublewave particle detection，CMOS optical imaging，pre－alignmentand other advanced technologies，and supportsmulti transm itter w ith a single receiver.OSID，optical beam smoke fire detector and aspirating smoke fire detector are compared，and themain advantages of OSID are presented.Finally，the typical applications of OSID in civil domain and urban rail transitarea are presented.It is pointed out thatand OSID would be a nice reference of fire detecting solution in the urban rail transit area.

urban rail transit;fire detection system;double wave particle detection;pre－alignment optical imaging

U231.7

A

1672- 6073(2017)02- 0086- 04

10.3969/j.issn.1672 6073.2017.02.017

2016- 03 22

2017 01 04

楊大鵬，男，博士，工程師，從事自動化系統(tǒng)設(shè)計和軌道交通控制系統(tǒng)研究，yangdp1988@163.com