水下隧道火災定位及聯動滅火技術探析

吳小麗

（招商局重慶交通科研設計院有限公司，重慶 400067）

1 引言

近年來，我國水下隧道的建設發展迅速。水下隧道具有隧道長、斷面大、縱坡大、防災救援問題突出等特點。為保證水下隧道的運營安全，設計人員通常設置完善的通風、照明、消防、排水、監控及供配電系統；課題研究也多集中于通風排煙、人員疏散救援等領域，以制定相應的災害應對措施。而水下隧道發生火災時，易造成嚴重的人員傷亡及巨大的經濟損失，及時探測火災的發生及發生初期快速滅火尤為重要?；馂亩ㄎ患奥搫訙缁鹂刂萍夹g較復雜，本文對火災探測技術、火災定位邏輯關系及聯動控制流程等進行探討、分析，為設計及管理者提供借鑒。

2 火災定位問題

根據GB 50116—2013《火災自動報警系統設計規范》，水下隧道應同時采用線型光纖感溫火災探測器和點型紅外火焰探測器（或圖像型火災探測器）。采用探測2種及以上火災參數的探測器，有助于盡早發現火災。但在發現火災后，如何確定火災位置，仍存在一些問題。

1）水下隧道發生火災，可能存在火災探測器均未報警、現場人員采用按鈕或電話報警的情況，需要由監控值班員通過視頻監控攝像機進行火災位置判斷，遠程手動開啟對應的噴霧滅火設備，對值班員的應變能力、操作能力要求較高，受主觀判斷影響較大。

2）聯動控制方式的聯動觸發信號采用2個獨立的報警觸發裝置信號的“與”邏輯組合，但2類火災探測器的報警分區無法從物理上完全保持一致，火災發生時2類火災探測器的報警區域可能不同或報警區域有多個，需要判斷采用哪一類火災探測器和哪一個報警區域進行火災定位。

3）水下隧道報警分區、防護分區數量較多，對應關系較復雜。需要建立報警分區與防護分區之間的對應關系，便于實現對火災的定位滅火。

3 火災定位分析

3.1 不同火災探測器的定位特點

目前，國內常用的火災探測設備主要包括分布式光纖火災探測器、光纖光柵火災探測器、點型紅外火焰探測器、圖像型火災探測器。分布式光纖火災探測器、光纖光柵火災探測器根據探測環境溫度變化進行報警；點型紅外火焰探測器通過識別火焰特征光譜和變化頻率來發現火災；圖像型火災探測器是基于數字圖像的處理和分析判斷火災[1]。

受探測原理及隧道環境的影響，各類探測器在探測隧道火災時各有優缺點。

點型紅外火焰探測器根據探測原理，可定位火災發生在某個火災探測區域，但不能定位到具體的發生點；火焰探測器采用側墻式安裝，需要通過鄰近探測器覆蓋部分探測區域，以減少探測盲區；探測效果受遮擋、探測器污染的影響較大，受風速影響較??；探測分區即報警分區，通過硬件設備（一般間隔不大于50m）進行分隔、定位。

圖像型火災探測器可利用攝像機已知的內部參數水平視場角、垂直視場角和焦距計算得到報警圖像中火災發生點相對于攝像機光軸的偏轉角度，然后根據攝像機外部參數安裝高度和安裝俯仰角度計算得到火災實際發生位置[2]。圖像型火災探測器可實現火災的定位，安裝方式與火焰探測器類似。車輛遮擋對探測效果影響較大，探測器受污染程度影響次之，受風速影響較小。探測分區通過硬件設備（一般間隔不大于100m）進行分隔，再結合軟件進行報警定位。

光纖光柵火災探測器縱向布設在隧道頂部，設置間距不大于10m，可實現火災的定位。每個火災探測鏈路相對獨立，探測分區通過硬件設備（一般探測鏈路長100m、200m、400m）進行分隔，再結合軟件進行定位。光纖光柵火災探測器的探測效果受遮擋、污染影響較小，受風速影響較大。

分布式光纖火災探測器沿隧道全長敷設，理論上可實現火災的定位。但探測分區通過軟件進行劃分，與硬件設備的關聯性差，報警分區可能存在“漂移”，與火災實際發生位置存在偏差。分布式光纖火災探測器的探測效果受遮擋、污染影響較小，受風速影響較大。

根據隧道全尺寸火災探測試驗[3]，基本驗證了圖像型火災探測器、雙波長火災探測器及線型光纖感溫火災探測器對火災進行定位的特點。

3.2 報警邏輯關系

通過對目前幾種常用火災探測器特點及定位功能的分析，水下隧道火災自動報警系統推薦采用“圖像型火災探測器+光纖光柵火災探測器”或“點型紅外火焰探測器+光纖光柵火災探測器”，由于火災報警觸發裝置還應考慮手動報警按鈕，因此，可實現聯動功能的火災報警裝置的組合形式有以下幾種情況（見表1、表2）。

表1 火災報警裝置的組合表

表2 火災報警裝置的組合形式之一

在火災報警及聯動控制軟件平臺，根據各火災報警裝置的邏輯關系，建立報警分區與防護分區的對應關系。發生火災時，確定一個報警分區作為火災發生位置后，聯動與之關聯的泡沫水噴霧控制閥箱進行滅火。

對于只有一類火災探測器報警、手動報警按鈕報警及人員報警的情況，不能觸發聯動滅火控制。由監控值班員結合視頻監視信息進行確認，若未發生火災，則不作處理，報警系統復位；若發生火災，則根據火災位置進行滅火處理。也可能發生火災而無報警的情況，因此，視頻監控攝像機設置時，應盡可能與防護分區保持一致，便于確定滅火位置[4]。

4 報警控制流程

火災報警控制器處于手動模式時，當火災探測器、手動報警按鈕任一裝置發出報警時，監控人員通過視頻監控確認火災信息，確認發生火災后，可通過手動控制盤、監控軟件平臺或現場打開相應的火災區域及其左右相鄰的2個防護分區的泡沫-水噴霧控制閥箱中的雨淋閥電磁閥和泡沫電磁閥。此時供水管道壓力下降，水噴霧主泵啟動供水；同時，泡沫原液管道壓力下降，泡沫泵工作供應泡沫。泡沫原液經比例混合器混合后，通過專用泡沫-水噴霧噴頭向啟動3個防護分區噴泡沫-水噴霧滅火（見圖1）。

圖1 火災報警聯動控制流程圖

火災報警控制器處于聯動模式時，當滿足聯動觸發信號時，聯動控制器聯動噴霧系統進行滅火[5]。

5 應用實例

5.1 泡沫-水噴霧聯用滅火系統

以某市水下雙向6車道隧道為例，泡沫-水噴霧聯用滅火系統設置的泡沫水噴霧控制閥箱間距為25m，噴頭間距為5m，每25m長為一個泡沫-水噴霧防護區間（見圖2）。當水下隧道內發生火災時，根據火災報警系統、攝像機等定位的火災位置，消防聯動控制器聯動相應的火災區域及左右相鄰的2個防護分區的噴頭共3組噴頭進行滅火。即當火災定位分區N發生火災時，啟動分區N-1、分區N及分區N+1的噴水裝置進行滅火。

圖2 某水下隧道噴頭及泡沫水噴霧控制閥箱布置圖（單位：m）

5.2 火災報警系統

該項目火災報警系統采用“圖像型火災探測器+光纖光柵火災探測器”的方式。

圖像型火災探測器設置在隧道行車方向右側，單側間距75m，報警分區為25m，平面布設位置基本與泡沫-水噴霧防護區間保持一致（見圖3）。圖像型火災探測器探測到火災時，將視頻信息、報警信息上傳至圖像火災報警管理平臺，在管理平臺可查看實時圖像、報警信息、報警畫面/視頻，并能對現場圖像型火災探測器進行遠程管理。探測器報警信號通過傳輸模塊上傳至火災報警控制器。

光纖光柵火災探測器在隧道拱頂設置2條探測鏈路，光纖光柵火災探測器間距為5m，報警分區為25m，每個探測鏈路長100m（見圖4）。光纖光柵火災探測器探測到火災時，將報警信號上傳到光纖光柵信號處理器，再通過傳輸模塊上傳至火災報警控制器。

發生火災時，若圖像型火災探測器和光纖光柵火災探測器報警分區均為分區N，則火災定位到分區N，啟動分區N-1、分區N及分區N+1的噴水裝置；若圖像型火災探測器和光纖光柵火災探測器報警分區不同，則主要依據圖像型火災探測器進行定位，輔助視頻監控的圖像進行確認，開啟相應的噴水裝置。

以上示例為固定火源的情況下，火災報警系統及報警區域的示意。

6 結語

1）根據不同火災探測器的特點，水下隧道火災探測建議采用“點型紅外火焰探測器+光纖光柵火災探測器”或“圖像型火災探測器+光纖光柵火災探測器”。

圖3 某水下隧道圖像型火災探測器布置圖（單位：m）

圖4 某水下隧道光纖光柵火災探測器布置圖（單位：m）

2）視頻監控攝像機設置位置盡可能與防護分區對應，設置間距按防護分區倍數關系考慮。在發生火災而未報警的情況下，有利于監控值班員判斷開啟滅火裝置的區域。

3）點型紅外火焰探測器、光纖光柵火災探測器及圖像型火災探測器的報警分區盡可能與防護分區對應，使火災定位的邏輯關系進行簡化。

4）若火災報警系統達到聯動報警要求，系統則根據建立的報警定位邏輯關系，綜合確定報警分區，聯動對應的滅火裝置。

5）鑒于水下隧道運營安全的重要性，建議運營管理時采用火災定位后由監控值班員確認后實施控制的方式。