多传感器耦合区域火灾报警技术研究

王静舞，关劲夫，于淼淼，袁宏永,*，陈 涛，刘小勇，王 军

(1.清华大学合肥公共安全研究院，合肥，230061;2.清华大学工程物理系公共安全研究院，北京，100084)

0 引言

点型感烟/感温火灾探测器是居住或办公类建筑中最常用的火灾探测器。近些年来，由于老化、空间电磁环境干扰日益复杂和市场对探测器成本的挤压，分布于居住和办公场所的点型感烟/感温探测器误报十分严重，导致大量的规模化使用探测器的单位不堪误报干扰，直接关闭报警系统的现象屡屡发生，多次造成严重火灾伤亡事故。为了解决探测器误报问题，基于监控摄像的图像火灾识别发展迅速[1-3]，但此类建筑一般为相对独立的分隔结构，具有一定的私密性，图像型火灾探测方式具有一定的局限性。因此，如何降低点型探测器的误报率、提高火灾报警的准确性和及时性，仍待深入研究。

军舰、飞机货舱等特殊场景常常使用基于多信号融合的探测算法，如烟气消光、温度、CO/CO2浓度信息融合。Cleary[4]在全尺度双腔室住宅火灾实验中，测试了双光电/离子感烟探测器的性能，优于同一位置布置的单个光电或离子感烟探测器。此类多信息融合方法可以大大提高火灾报警的准确性、提前报警时间，但由于成本原因很难大规模应用于城镇建筑中。此外，已有建筑中多采用点型感烟/感温火灾探测器，且配备有火灾自动报警系统。利用已有火灾自动报警系统，通过融合火灾早期烟气蔓延规律和探测器信号时空分布特征，是降低火灾探测误报率、实现火灾早期准确识别与预警的最经济的手段之一。

火灾探测器作为火灾探测硬件设备经常安装于建筑物顶棚中间位置，因此顶棚射流与近顶棚流动的烟气蔓延模型是与火灾探测过程最相关的。自20世纪50年代开始，有非常多的各种非受限与受限情况下的顶棚射流特征研究[5]。这些研究基于稳态或半稳态火源假设，更多地关注近顶棚处烟气层的形成过程。而点型感烟探测器的探测过程要早于烟气层的形成过程，与火灾探测更相关的是烟气近顶棚流动以及沿顶棚的流动过程。

近些年，由于隧道和其他地下空间的空气密闭性和人员疏散特征，火灾烟气蔓延和防控一直是隧道和其他地下空间火灾的研究热点，尤其是顶棚射流。Tang等[6]利用1∶6缩尺寸隧道实验模型进行了不同横向火源位置的烟气蔓延实验，得出了沿隧道中心线方向的顶棚热烟气最大温度分布情况，提出了一个无量纲拟合系数来表征火源位置对烟气层温度分布的影响。高子鹤[7]研究了隧道内受限火羽流和顶棚射流发展规律。姚勇征[8]采用缩尺寸实验和理论分析相结合的方法，研究了出口受限情况下隧道烟气输运规律。

不同于水平结构隧道，倾斜隧道会带来一定程度的烟囱效应。关于倾斜隧道的烟气蔓延的研究逐渐增多。Oka和Imazeki[9,10]和Chatterjee等[11]研究了倾斜隧道烟气层温度和速度分布情况。Wang和Li研究了倾斜顶棚和狭窄空间的烟气羽流迟滞行为[12,13]。迟滞时间(lag time)的定义为从火灾开始到火灾烟气恰好蔓延至待测点的时间；对于t2火源，其计算公式为：

(1)

式中，lb和H分别为实验空间的半宽和高；x为火源与待测点的水平距离；g为重力加速度；ρ∞、cp和T∞依次为环境空气的密度、比热和温度；α为t2火源的增长系数。

综上，虽然有众多学者研究了烟气在不同顶棚的运动状态，但将烟气在顶棚运动的过程和特征用于火灾烟气报警判据研究较少，本文通过研究火灾早期烟气的蔓延行为和探测器的信号变化规律，分析相邻探测器信号相关性，探索基于火灾发展动力学与传感器时空信息融合的区域火灾报警技术，以降低了火灾探测误报率，实现对火灾的早期准确识别与预警。

1 区域火灾报警技术原理

建筑结构对火灾烟气蔓延路径起着主导作用，同类型建筑结构中，烟气的蔓延规律具有相似性，火灾探测器信号的时空分布规律也有相似性。对建筑结构进行总结归类，有助于深入了解烟气蔓延规律和探测器信号分布特征的相关性。将建筑物看作一个由不同功能空间组成的结构集合体，不同功能空间由于其特定功能，具有某些特定的布局，例如走廊和楼梯井属于狭长的连通结构，房间和设备间属于封闭或半封闭腔室结构。根据这些特征可以将建筑结构分为竖向结构、横向结构以及复合结构等，这些建筑空间我们称为“建筑结构微元”。将火灾烟气在建筑结构微元中的蔓延特征与多传感器早期火灾报警模型进行融合研究，探索提高早期火灾探测及时性和准确性的途径。

火灾初期烟雾信号弱，探测器不能迅速达到报警阈值，但火源周围的探测器由于空间位置的不同，接受到的烟雾信号明显不同且具有一定的规律性。比如不考虑通风、遮挡等情况下，探测器信号强度随探测器与火源的距离减小而增强，当距火源最近的探测器信号强度达到报警阈值的70%时，距火源第二近的探测器信号强度可能达到报警阈值的20%或以上。此种情况下，利用这两个探测器的信号相关性进行火灾识别，可以有效缩短报警时间。当一个探测器因干扰而发生误报警时，通过搜索报警探测器在建筑结构微元内相邻探测器的信号反应，相邻探测器信号如果均没有烟雾信号反应时，则可以判断该探测器属于孤立误报警信号，如果相邻探测器的烟雾信号反应与报警探测器完全同步，则可以判断该区域电路受到强烈电磁环境干扰，通过多个探测器信号相互验证，实现增强抗环境干扰，降低误报率。基于建筑结构微元内的烟气蔓延规律，本文提出了多传感器耦合区域火灾报警模型，流程如图1所示。

图1 区域火灾报警技术流程图

步骤1：监测所有探测器信号；

步骤2：判断探测器信号是否达到触发阈值；

步骤3：若建筑内某一探测器信号强度达到触发阈值，则定位该触发探测器，并识别出同一建筑结构微元内相邻探测器；采集触发探测器及其相邻多探测器信号数据，将采集到的数据传送到网关；

步骤3：选择触发探测器所在建筑结构微元信号参数单元，信号参数单元包括信号处理方法和火警阈值等重要参量，获取信号特征；

步骤4：将步骤3中的信号特征输入到区域火灾报警算法中，得到该环境下火灾报警为真警的概率值，根据火警阈值判定是否存在火情；

步骤5：当概率值超过火警阈值时，视为高度疑似警情。当概率值不满足判据时，对触发探测器及其相邻多探测器信号进行持续监测判定；

步骤6：若探测器及其相邻多探测器信号长时间仍未满足报警判据，则给出非火警的判断结论。

2 CFD数值模拟

2.1 建模

本文采用FDS(Fire Dynamics Simulator)模拟火灾引起的烟气输运与热传输过程。如图2所示，模拟模型为一狭长结构，长28.0 m (x)宽2.8 m (y)高3.0 m (z)。模型中不设开口或风机，模拟不涉及室内外空气交换，所有的模拟工况均在静止环境中。在顶部下方0.05 m处布置6个测点，用于记录火灾烟气蔓延过程中的烟浓度、感烟探测器的信号变化、温度等信息。根据相关规范要求以及工程实际，模拟模型中的感烟探测器居中布置，沿-x轴分别为烟感1到烟感6(SD1～SD6)，相邻探测器间距为5 m。感烟探测器依靠扩散进探测腔室的烟气进行火灾探测，因此探测腔内与探测腔外的烟雾浓度分别达到阈值的时间差是评测感烟探测器性能的关键参数，称为延迟时间(delay time)。由于离子感烟探测器对环境的辐射污染，现在多采用光电感烟探测器，因此本文采用四参数的Cleary光电I模型计算感烟探测器的延迟时间。FDS技术手册建议的感烟探测器阈值为3.28%/m(0.14 dB/m)。然而在实际环境中，由于各种各样干扰源的影响，为了保证探测器准确率，阈值一般设在0.22 dB/m～1.25 dB/m(5%/m～25%/m)。

图2 模拟模型示意图 (单位：m)

火源采用正庚烷、乙醇、木材、尼龙、聚氨酯等五种常见材料，设置在4个不同位置：I和II设置在模型端部，III和IV设置在模型中部，其中I和III靠近墙壁，II和IV居中布置。火源热释放速率以αt2形式增长，面积参考TF5标准火设置为0.33 m×0.33 m[14]。火源设置的相关参数见表1[5,15,16]。

表1 火源参数

根据预模拟结果和感烟/感温探测器的响应时间，模拟时长设为100 s～150 s，以保证在不同火源情况下至少有两个探测器发出报警信号。

模型的顶棚采用石膏板，墙壁和地面采用混凝土，两种材料的热物性参数见表2。

表2 材料热物性参数

2.2 网格敏感性分析

为了评估网格划分质量，FDS用户手册[16]中给出了无量纲式D*/δx，其中D*为火源特征直径：

(2)

本文所使用的火源中，正庚烷火热释放速率最大，因此使用正庚烷火进行网格敏感性分析。对于TF5标准火，D*=0.445，则有δx=0.028～0.111，因此网格单元尺寸设置为0.040 m、0.050 m、0.075 m、0.100 m和0.15 m。报警时间和迟滞时间能够反映火灾烟气蔓延的重要参数。本文中，报警时间定义为从火灾发生到探测器发出报警信号的时间，即从模拟开始到感烟探测器动作的时间；迟滞时间定为从火灾发生到烟气蔓延至探测器的时间，在模拟算例中，认为当探测器处的烟雾光学密度达到0.1%时即为烟气蔓延至探测器的时刻[5,12,13]。图3给出了火源在I位置时传统报警方式的报警时间和延滞时间，当网格单元小于等于0.050 m时，模拟结果保持在一定水平不再变化，即模拟结果独立于网格单元的尺寸。因此本文网格单元尺寸设置为0.050 m，对应的D*/δx=8.9。

图3 不同网格单元尺寸模拟工况下的报警时间与迟滞时间

3 数值实验分析与讨论

3.1 火灾烟气蔓延特征与烟感信号分析

图4给出了当烟气蔓延至探测器位置时的瞬态烟气图像(火源：正庚烷-I)。在烟气沿顶棚蔓延至第三个探测器(SD3)的过程中，冷空气对烟气运动的阻滞作用不明显，顶棚附近的烟气流速大于烟气层与冷空气交界面上的气流速度。在61.6 s时，由于烟气流前缘与其前方冷空气的混合作用，烟气流出现了“水跃现象(hydraulic jumplike)”[5]，此时，烟气流前缘聚集较多烟气，烟气层厚度逐渐增大并且气流增速放缓，同时由于强烈的卷吸作用，烟气流质量流量增大。

图4 当烟气蔓延至探测器时的瞬态烟气图像

图5 无量纲迟滞时间与无量纲距离

(3)

拟合优度为R2=0.9523。

文献[13]的数据来源于宽与高相同的走廊实验数据，其拟合趋势与本文的结果相近。然而，当R/H大于4时，文献拟合结果高于本文的模拟结果。这主要是因为文献采用的是小尺度实验数据，R的最大值为4 m，烟气蔓延是一个加速过程，水跃条件尚未形成，所以文献拟合结果在距离火源较远处存在过高预测的可能。

为了进一步分析烟气蔓延对探测器信号的影响，图6给出了不同位置正庚烷火的探测器信号曲线。图6(a)和图6(b)中，SD1位于火源正上方，SD2～SD6与火源的距离依次增大。随着烟雾沿着-x轴方向蔓延，探测器依次发出报警信号；由于存在水跃现象，烟雾在蔓延过程中聚集现象越发明显，造成探测器信号增速依次增大。探测器信号的这一变化规律，可以用来作为火警的判断标准，以降低火警的准确性。

图6 正庚烷标准火感烟探测器信号曲线

3.2 报警时间对比

对图6中的探测器信号曲线进行分析，如图7(a)所示，当探测器报警阈值设为1.25 dB/m时，距离火源最近的SD1探测器发出报警信号，报警时间是58 s，此时SD2与SD3也探测到了烟雾信号，但未达到阈值。若将SD1与SD2的报警信号进行关联分析，即设置报警判断标准：第一个探测器信号强度达到报警阈值的70%时(0.87 dB/m)，与其相邻的探测器信号强度达到报警阈值的20%时(0.25 dB/m)，则报警时间可以缩短至47 s。同理，其他正庚烷工况下，报警时间分别由72 s、95 s、88 s缩短至52 s、77 s、68 s。

图7 区域火灾报警模型与传统方式比较

对比不同工况结果，可以发现，报警阈值的设置与火源的位置、火源与探测器的距离、相邻探测器之间的距离相关。应用区域火灾报警模型后，各类火源的报警提前时间及提前时间占比如图8所示。结果表明，区域火灾报警模型可以有效提前报警时间，对于模拟工况，报警时间平均缩短14.7%。本文模拟案例中，报警提前时间最多的是木材火，这主要是因为木材产烟率属于中等偏下水平且火灾增长速度较慢，烟气蔓延速度慢，感烟探测器信号曲线有较长的增长周期。

图8 各类火源的报警提前时间

4 结论

本文针对建筑火灾探测要求早期预警和低误报的难题，开展了典型火灾场景下烟气蔓延模拟，通过融合分析火灾烟气蔓延规律与探测器信号时空分布特征，提出了建筑结构微元的概念，建立了一种多传感器耦合区域火灾报警技术，显著缩短了火灾报警时间，提高了火灾报警效率。研究表明：

(1)在狭长结构中，由于烟气流前缘与其前方冷空气的混合作用，烟气流在蔓延一定距离后发生了“水跃现象”，该现象导致感烟探测器信号强度变化具有一定的规律性。

(2)火灾烟气在建筑结构微元中蔓延规律的特征化、规律化，可以作为新的火灾探测报警模式，据此研发了基于建筑结构微元下烟气蔓延规律的区域火灾报警模型。

(3)区域火灾报警模型的判据与建筑结构微元类型、火源种类与位置、起火点与探测器的距离、探测器布置间距、通风、顶棚等众多因素相关，合理设置判据可以有效缩短报警时间。对于文中的模拟工况，多传感器耦合探测模式将报警时间平均缩短14.7%。