OSID火灾探测新型技术及其在城市轨道交通中的应用

杨大鹏，甘建文

(北京城建设计发展集团股份有限公司，北京100037)

OSID火灾探测新型技术及其在城市轨道交通中的应用

杨大鹏，甘建文

(北京城建设计发展集团股份有限公司，北京100037)

分析城市轨道交通行业的高大开放空间火灾探测的现状，指出传统火灾探测器的不足，详细阐述高大开放空间成像探测器(OSID)的工作原理和关键技术。OSID采用双波粒子检测、感光元件光学成像、预对准光学成像等多项先进技术，而且支持多发射器－单接收器。将OSID与线型光束感烟火灾探测器和吸气式感烟火灾探测器进行对比，指出OSID的主要优缺点。给出OSID在民用领域和城市轨道交通领域的典型应用，OSID可为城市轨道交通领域的火灾探测提供参考。

城市轨道交通;火灾探测系统;双波粒子检测;预对准光学成像

1 研究背景

城市轨道交通行业许多建筑物的高大开放空间对火灾探测系统提出了严峻挑战。火灾探测器根据其原理的不同可分为点式感烟火灾探测器、线型光束感烟火灾探测器、吸气式感烟火灾探测器和图像型火灾探测器等。轨道交通领域的高大开放空间包括车辆维修基地的联合检修库、停车列检库等大库，以及具有圆拱穹顶且镂空率大的地铁站厅、站台公共区等区域。上述区域由于具有开放空间较高，吊顶上方桥架、管路错综复杂和屋顶不平整等特点，火灾探测不宜采用点式火灾探测器［13］，往往采用线型光束感烟火灾探测器或吸气式感烟火灾探测器［45］。

GB 50116—2013《火灾自动报警系统设计规范》(简称《火规》)对线型火灾探测器的选择做了如下规定:无遮挡的大空间宜选择线型光束感烟火灾探测器;有大量粉尘、水雾滞留，正常情况下有烟滞留，固定探测器的建筑结构由于振动等原因会产生较大位移的场所，不宜选择线型光束感烟火灾探测器。而地铁的车辆维修基地、停车场等地经常有粉尘滞留;安装探测器的建筑墙体可能会因为经常进出的轨道交通列车所产生的振动而发生漂移;昆虫或其他杂物也可能对光路造成临时遮挡。这些因素会使得线型火灾探测器时常发出故障信号或误报警信号［6 7］。

此外，《火规》对吸气式感烟火灾探测器的选择也做了明确规定:大空间、舞台上方、建筑高度超过12 m的场所和需要进行隐蔽探测的场所，宜选择吸气式感烟火灾探测器。对于联合检修库、停车列检库、地铁站厅及站台等场所，虽然可以选择吸气式感烟火灾探测器进行火灾探测，但在实际情形中上述空间内各专业的管路线缆纵横交错，吸气式感烟火灾探测器的采样管道安装较为困难。此外，对于具有圆拱穹顶的地铁站厅等反映当地风貌的城市景观场所，虽然可采用点式火灾探测器进行火灾探测，但该探测器会对建筑物的整体美观效果造成一定影响。

综上所述，传统的点式火灾探测器和线型火灾探测器都不是高大开放空间火灾探测的最理想选择，而新型的开放空间成像探测器(open- area smoke imaging detection，OSID，又称双鉴式烟雾探测器)能够解决以上问题。与传统的线型光束感烟火灾探测器简单应用光束散射的原理不同，OSID不仅测量光束沿直线路径上因烟雾粒子引起的散射，而且采用了双波长和图像处理技术，从而能克服传统探测器的许多缺点和不足。同时，OSID仍然满足现有规范和标准对线型光束感烟火灾探测器的要求。

本文首先介绍传统线型光束烟雾探测的方法和局限性，然后阐述OSID的工作原理和关键技术，最后分析OSID在城市轨道交通领域的典型应用。

2 传统线型光束感烟火灾探测器

2.1 工作原理

线型光束感烟探测器通过测量直线光束中被烟雾粒子遮挡和散射后的衰减率来判断是否发生火灾，进而报出感烟探测器和火灾的位置。尽管线型光束感烟探测器可以进行火灾探测，但是不能区分粒子的类型和大小。

传统的线型光束感烟探测器有两种类型，一种是发射接收式的，一种是反射接收式的。这两种探测器原理类似，这里只介绍一种。发射接收式探测器通常包含两个基本单元，发射器和接收器［89］。发射器内设置一个周期闪烁的红外光源，发出的光束经过凸透镜聚为平行光束，然后照射到接收器的透镜上。发射器和接收器之间的距离可以达到100 m。光束经凸透镜聚到接收器的感光传感器(硅光电二极管)上，其工作原理如图1所示。

图1 线型光束感烟探测器工作原理Fig.1 Principle of linear beam smoke detector

硅光电二极管的电信号经放大和测量后便可知光信号的衰减率，从而测得发射器和接收器之间的烟雾浓度。一般来说，发射器和接收器之间要有同步线以使得它们的光脉冲同步。若没有同步线，发射器和接收器则要布置在单一的设备里，然后在另一侧布置一个远程反射器，此反射器几乎可以不衰减地将光束按照射的反方向反射回去。

2.2 存在问题和局限性

安装传统的线型光束感烟火灾探测器时对准比较困难，而且经常会误报火灾信息。这些错误的报警信息可在很多情形下触发，例如物体(移动检修天车、气球或飞鸟)经过光束路径时，空气中的灰尘，发射器、接收器或反射器光学表面的昆虫，周围干扰光束等。此外，温度变化、环境振动引发的建筑物漂移也会影响光束的对准。

在初始安装时，传统的线型光束感烟探测器要求对准精度达到0.1°。尽管这个精度最终可以达到，但初始调试过程要花费相当长的时间。有些探测器使用软件控制的电机驱动机械平台来完成初始对准，并保持持续对准，但这需要更大的经济投入，而且感烟探测器所占用的空间和功耗也会更大。

3 OSID的工作原理与关键技术

大空间成像感烟探测器是专为开放高大空间区域设计的新型线型光束感烟探测器，它能够保护人的生命和财产安全，使其少受损失。与传统的线型光束感烟探测器相比，OSID有以下3个突出优点。

1)使用红外、紫外两种波长的光束，可测量粒子的大小，进而分辨粒子是真实的烟雾还是其他固体遮挡物，以降低错误报警的概率。

2)使用高像素的感光成像器件，而不单纯使用光电二极管，因此系统配置方式可以为多个发射器配备一个接收器，这使得在开放大空间内也可确定火灾方位。

3)布置和安装过程简单，比传统线型光束探测器节省约70%的时间。

除此之外，光照条件的变化对OSID的影响不大，无论是强阳光还是全黑条件下，OSID都能正常工作，低对比度情形下亦是如此。而且，由于OSID采用感光元件成像来识别发射器，发射器轻微的位置漂移对探测器没有影响，因此后期的维护成本较低。

3.1 双波粒子检测

通过采用两种波长的光检测粒子，使得探测系统可以分辨粒子的大小。由于紫外光的波长较短，因此小粒子或大粒子均可遮挡住紫外光。而红外光的波长较长，其受大粒子的影响较为显著。因此使用双波光路丢失检测可以测得遮挡光线的粒子大小，从而分辨出烟雾(灰尘)粒子和一般固体遮挡物(见图2)。

图2 双波粒子检测示意Fig.2 Schematic of double wave particle detection

3.2 感光成像器光学成像

感光探测器的感光光学成像器可用于定位和捕捉图像。由于在感光成像器中可轻易地找到红外/紫外光源，所以火灾探测系统的安装和对准变得较为简单，而且感光成像器允许光源有一定的偏移，所以能够补偿建筑物结构的自然漂移造成的误差。此外，光学滤波和智能软件算法还可以保证探测器对大范围光线变化的抗扰性。

3.3 发射器和接收器

OSID发射器的两个或以上LED发出的光束经过凸透镜会聚后形成宽度范围大于正负5°的光束。发射器采用低功耗的微控制器，其内置的A/D转换器将发出的脉冲强度采样后，通过软件进行温度和衰减补偿。每个LED发出的光束是唯一的，不会与其他光束发生混淆。

接收器配备一个凸透镜，该凸透镜对两种波长光的焦距几乎相同，同时对温度变化有鲁棒性。接收器上的感光成像器还需配备一个滤波器，用来滤去红外光和紫外光之外的其他光线，这就使OSID探测器系统能够不受干扰地工作在宽范围的光照条件下，包括阳光直射、强人工光线、闪烁灯光等环境。

3.4 OSID的配置

OSID系统的1个成像器(接收器)最多能够支持7个发射器，这使得它能够应用在许多不规则的区域内。发射器可安装在不同的高度以分层布置，从而提供早期的火灾探测。因为线型光束需要在空间中布置得更加紧凑，这种多发射器3D的设计在探测器数量相同的情形下可将探测范围增大50%。

OSID系统可配置用以保护某范围内的空间，而受空间形状的影响不大，受保护的区域或防护网与OSID探测器的布置有关。例如Xtralis公司的OSID产品可支持的最大距离和角度如表1所示。

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

3.4.1 简单线型配置(单对单)

在最简单的配置情形下，系统包含一个发射器和一个接收器(含成像器)。它们被放在相对的墙上，初始状态仅需要粗略对准，如图3所示。

图3 OSID简单线型配置ig.3 Simple linear configuration of OSID

实际上，发射器发出的光束允许有±5°宽的误差，而初始对准时发射器只需要达到0.5°的精度即可。对于单一光束，接收器所配备的感光成像器的视角为± 5°，这也是很容易实现的。

OSID与传统的线型光束感烟探测器相比，主要优点在于OSID不需要在机械上精确地对准光学系统。发射器在成像器视野中的精确位置由成像器软件自动确定。发射器可以在成像器的视野中处于任意位置。成像器视野的图像与一般的电视机或电脑显示器屏幕类似，当发射器发出的光束闪烁时，成像器的视野中便呈现出一个闪烁的亮点。如果发射器由于环境振动或建筑物漂移等原因发生三维空间内的平动，它在成像器视野的图像将会被重新定位并跟踪，这些都是软件自动处理完成的，从而能使系统自动过滤由漂移造成的错误报警。

3.4.2 多发射器情形

在开放空间内，系统最多可布置7个发射器。多个发射器的布置情形如图4所示。

图4 多发射器布置Fig.4 Multiple emitters

在这种情形下，接收器需配备90°的感光成像器，发射器和接收器的最大距离可达34 m。如果配备45°的感光成像器，那么发射器和接收器的最大距离可达60 m。

4 OSID在民用领域的应用

4.1 迪士尼乐园

美国东海岸迪士尼乐园的室内过山车设施成功应用OSID进行火灾探测。在演出阶段，室内是一个暗室——无背景光、只有闪光灯特效。众所周知，图像型火灾探测系统需要在室内有光的情形下才能正常工作，而演出现场又没有合适的位置安装点式感烟探测器或吸气式感烟探测器。OSID由于能提供三维立体覆盖，设计灵活，克服了传统探测器的不足，在上述项目中得到了成功应用。

4.2 英国BBC广播电台停车场

BBC的停车场早期采用线型光束感烟探测器(红外对射)进行火灾探测。随着时间的推移，建筑结构位移和其他因素使得这种探测器大量误报，而每次报警时间都需要人工现场处理，使得维护成本过高。后期改造应用OSID后，彻底解决了误报警的问题。这得力于OSID的一个优点——在任何环境中都能可靠运作，不受建筑物结构位移的影响。

5 OSID在城市轨道交通中的应用

5.1 站厅站台

目前新建城市轨道交通线路的站厅有一些是反映当地区域性特点的城市景观，其吊顶可能为圆形穹顶或某种不规则形状。如果在这类吊顶上布置点式火灾探测器，安装和维护将较为困难，而且点式火灾探测器对吊顶的整体视觉效果会造成很大影响。

此外，既有城市轨道交通线路站厅站台的火灾探测系统改造工程具有安装空间狭小、电气线路增改困难大、光路遮挡物较多等特点，不适合安装线型光束感烟火灾探测器。目前有些城市旧线的地铁车站内管路错综复杂，改造时可用于安装火灾探测设备的空间有限。OSID正好能适应这种复杂的环境，并可承担此类车站的火灾探测任务。

由于OSID支持多发射器—单接收器的配置情形，并且发射器可以采用具有持久电力的电池供电，所以OSID可为站厅和站台的火灾探测提供较为完善的参考解决方案。另外，也能为既有的城市轨道交通改造工程提供可行且方便实施的参考解决方案。

5.2 车辆综合基地

城市轨道交通(含地铁、轻轨、有轨电车)往往需要在车辆综合基地设置联合检修库、停车列检库等大型车库，用于车辆的检修。这类开放空间经常有粉尘滞留，而且安装火灾探测器的建筑墙体可能会因为经常进出的轨道交通列车所产生的振动而发生漂移，从而使原本对准的线型光束探测器发生偏移，发出误报警信号。高空车辆检修设施、飞虫等其他杂物也可能对光路造成临时遮挡，进而使传统的线型光束探测器误报。此外，吸气式感烟探测器的采样管路需要在顶部吊装，管路多且不美观，安装也比较困难;吸气式感烟探测器的采样管路和采样孔若出现严重堵塞时需要进行清洗维护，而清洗维护在高大检修库里的采样管网是较为困难的。所以采用OSID可为地铁车辆基地高大库区的火灾探测提供一个可行的参考技术方案，较为完美地解决上述问题。

苏州有轨电车车辆综合基地的停车场正是一个典型的应用案例，该停车场采用OSID进行火灾探测，而没有采用传统的吸气式感烟探测器，有效地降低了后期维护成本，而且使误报警的问题得到了很好的解决。

6 结语

本文着重介绍了新型火灾探测器——开放空间成像探测器的工作原理和关键技术，并与传统的线型光束感烟火灾探测器进行了对比。

针对城市轨道交通领域高大开放空间火灾探测的难题，分析并提出了典型的参考解决方案。火灾探测中最大的矛盾在于如何准确检测火灾位置和降低投入成本，此外，还需要尽可能地降低错误火灾报警的概率。以往有许多研究工作致力于提高可靠性、保证经济性的同时，分辨遮挡物粒子是灰尘、烟雾还是其他干扰物。OSID采用双波检测技术为解决以上问题提供了可能。基于数字信号处理技术和图像技术的自动对准技术降低了安装和维护成本，基于OSID的火灾探测系统将给包括城市轨道交通领域在内的高大开放空间的火灾探测系统提供较好且可行的参考解决方案。

此外，基于双波检测技术的OSID火灾探测技术属于火灾探测的新型技术，其应用案例还不是很多，而且相关产品的稳定性、可靠性、适用性还有待通过更多的应用案例进行验证，建议今后设计方和应用方持续并深入关注该项技术的发展，在技术成熟的情况下方可广泛应用。

［1］谢文黎.超高层建筑电气消防技术应用研究［J］.现代建筑电气，2013，4(7):44 49.

XIEWenli.Application research of electrical fire-fighting technology in super high rise buildings［J］.Modern architecture electric，2013，4(7):44 49.

［2］舒移民，蒋永兵.城市轨道交通段场大库内火灾探测器设置方案研究［J］.科技致富向导，2015(5):280- 281.

SHU Yim in，JIANG Yongbing.Research on setting scheme of fire detector in large section of urban rail transit［J］.Keji zhifu xiangdao，2015(5):280 281.

［3］黄红花.杭州东站项目隧道火灾报警系统方案介绍［J］.电气消防，2015(38):262- 264.

HUANG Honghua.Introduction to the projectof tunnel fire alarm system in Hangzhou East Railway Station［J］.Electrical fire，2015(38):262- 264.

［4］甘建文，尹晓宏，赵金勇，等.地铁气体灭火报警及控制系统设计［J］.都市快轨交通，2009，22(1):88 90.

GAN Jianwen，YIN Xiaohong，ZHAO Jinyong，et.al.Design of gas fire extinguishing system for subways［J］.Urban rapid rail transit，2009，22(1):88- 90.

［5］何晶.空气采样早期烟雾探测系统在地铁火灾防护中的应用［J］.城市轨道交通研究，2012，15(5):126 128.

HE Jing.Application of air sample early smoke detection system inmetro［J］.Urbanmass transit，2012，15(5): 126- 128.

［6］火灾自动报警系统设计规范:GB 50116—2013［S］.北京:中国计划出版社，2013.

Code for design of automatic fire alarm system:GB 50116—2013［S］.Beijing:China Planning Press，2013.

［7］地铁设计规范:GB 50157—2013［S］.北京:中国建筑工业出版社，2013.

Code for design ofmetro:GB 50157—2013［S］.Beijing: China Architecture＆Building Press，2013.

［8］RON Knox.Open-area smoke imaging detection(OSID)［C］//Proceedings of SUPDET 2010，2010.

［9］RON Knox.Open-area light scattering smoke detection (OLSD)［C］//Proceedings of SUPDET 2008，2008.

(编辑:王艳菊)

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

杨大鹏，男，博士，工程师，从事自动化系统设计和轨道交通控制系统研究，yangdp1988@163.com