地铁物联网消防给水系统应用探讨

张浩杰

0 引言

随着社会经济的不断发展以及城市化的不断推进，地铁作为一种重要的快捷、新型交通工具，在一定程度上推进了城市的建设与发展。由于地铁建筑结构相对复杂，地下空间相对密闭，人员密集且不确定因素多，一旦发生火灾，扑救难度极大，且极易造成重大人员伤亡和财产损失。消防给水系统作为地铁最为主要和重要的灭火救援系统，具有一定的特殊性和重要性，必须时刻确保其完好性和可靠性。在新的应用背景下，传统消防给水系统已难以满足地铁消防安全和运维管理的需要，因此新型的物联网消防给水系统建设对提高地铁消防安全水平是十分必要的。

1 当前城市地铁工程中存在的消防安全隐患分析

1.1 地铁站内火灾风险大

对于地铁工程而言，乘坐人员众多、客流量较大，旅客随身携带的物品中存在大量的可燃物品，具有一定的不确定性因素。此外，当前地铁站内大多设置有便利店、商店、餐厅或者报亭等大多以售卖报纸、书刊及食品为主的便民服务设施，火灾荷载较大且相对复杂，地铁站内设置的众多广告宣传栏也是十分重要的火灾隐患。此外，部分地铁换乘站与大型商业综合体相邻而建或直接开发为上盖物业，体量较大、建筑功能复杂，为地铁建筑消防安全带来了新的问题和挑战，随着一系列新型问题的出现，地铁建筑火灾风险性也相对不断增大。

1.2 地铁站内相关消防装备缺乏

地铁工程涵盖了包括车站、区间隧道、桥梁、车辆段、综合基地等众多建筑组成，大部分处于地下空间，地铁消防装备的设计和选择上具有一定的局限性，目前地铁消防装备应用率也相对比较低，在消防设备硬件、控制、运维管理和实际应用等方面均有相当多问题，在系统的匹配性、兼容性、智能化和监控时效性等方面均有不足，很难满足新时代应用背景下地铁火灾救援的需要。同时，由于地铁大多属于地下空间，火灾时一些相关消防设备及救援器材很难向事故现场及时送达。因此，如何提高地铁消防设备的整体灭火性能，提高系统的监控时效性，确保系统时刻处于“准”工作状态，是十分必要的。

1.3 地铁消防安全管理不到位

地铁消防给水设施设备遍布于地铁车站、区间隧道、车辆段以及安全通道等各个场所，例如在设备夹层或者区间隧道等比较隐蔽区域，日常管理和检查的工作难度极大，而且消防给水系统平时大多数处于静默状态，如果发生问题，很难第一时间发现并且对其进行整改。实际监控管理者的综合素养参差不齐，目前采用的“手填表”形式的运维手段难以保证系统过程性检验，管理的手段上明显存在不足。其次，普通的消防给水系统不具备较高的智能化程度，不能自动或主动地反映问题，导致系统监管时效比较滞后，以至于在系统设备长期运行过程中，未能对其进行合理维护及保养，导致消防安全隐患不断积累增加，多起地铁事故已暴露出相关问题[1]；在地铁日常管理中消防维护不到位的情况比较突出，在消防维护过程中存在诸多人为因素和管理因素。因此，通过物联网技术应用来加强消防设施监管，显得尤为重要[2]。

2 地铁消防给水系统存在的问题分析

消防给水系统是地铁工程消防安全的重要保障，其完好程度是在紧急情况下进行消防救援的关键因素。因此，应确保消防管网及消防灭火设施时刻处于完好的状态。但由于在实际的施工过程中以及后期的运营过程中存在着很多不确定因素，导致存在管网漏损严重、消防灭火设施失效、控制系统失效等风险高居不下等问题，无法满足城市轨道交通的消防救援需求，消防给水设施具体问题和风险分析如下：

2.1 水泵控制系统的安全可靠性不高

消防水泵控制系统是消防给水系统的大脑中枢，传统的消防控制系统采用分散采购、多柜组合，相互间接线较多，系统匹配兼容性较差，控制系统的安全可靠性有待进一步提高，控制系统面临的主要问题有以下几点：

2.1.1 水泵控制柜故障率较高

传统的消防给水系统目前一般采用分散采购再施工整合的模式，很多消防水泵与消防水泵控制柜分属于不同的厂家供货，消防水泵控制柜与消防水泵的匹配性比较差。同时，由于长期处于通风条件恶劣的地下室或封闭的消防水泵房内，在潮湿环境中控制系统故障频发，不能及时被发现或排除，导致控制系统故障率较高，致使系统无法正常启动。

2.1.2 控制系统失效

控制系统失效通常表现为控制回路依然有电，但是无论采取什么方式都无法启动消防水泵，大多由于控制柜内部电器元件、二次控制回路故障导致，很难在短时间内完成排障工作，缺乏有效的监控和测试手段，无法及时地发现控制系统问题，控制系统失效将导致整个消防给水系统无法正常启动供水。

2.1.3 缺少机械应急装置或者采用不合格的机械应急装置

机械应急启动装置是确保系统启动的最后也是最重要的一环，是在水泵控制系统失效，无法正常使用的情况下，采取人为机械接通的方式，实现消防水泵的全压强启，从而保证在火灾等紧急情况下及时启动水泵，达到及时供水灭火的效果。目前市场上存在的应急启动装置存在许多诸如机械应力、柜门变形等情况导致的机械应急失效，瞬时启动电流导致击穿伤人的安全隐患，或者应急启动开关无法很好地检查和排除故障等[3]。

2.1.4 自动状态的保障措施不足

目前，我国消防水泵控制柜产品都会设置手/自动状态锁，以此锁定系统的手/自动状态。长期消防实践证明，很多因素会导致手/自动状态钥匙的滥用。另外，由于控制柜向消控室反馈手动/自动状态信号的接线方式通常为干接线，只要电路接通就会有反馈信号，很容易出现反接或弄虚作假的情况。甚至有些项目在消防检查前，突击改为正确的接线方式，消防检查后，再对调接线，虽然远程监控的显示结果为“自动”，实际上系统却处于“手动”状态，手/自动状态的时效性和可靠性亟待解决。

2.1.5 自动启动的前置条件被篡改

在实际运行的消防工程中，随意调整压力开关和流量开关动作设定值的情况经常发生。例如，某系统压力开关的设定值为0.80MPa、流量开关的设定值为1.5L/s。但是，在消防水泵出现频繁自动启动的现象后，人为地降低压力开关的设定值至0.60 MPa，提高流量开关的设定值至100 L/s。系统虽然平时处于自动状态，但在达到设定报警值时，依然无法自动启动，失去火灾时及时自动启动的前提条件。

2.2 消防水源的充足性无法得到保证

消防水源是灭火的根本，水量的多少对灭火救援起着关键性的作用，目前对于消防水源主要是通过FAS 监控，但其只能监控开关量信号，无法监控连续性信号，而且FAS 监控无法做到全过程闭环，一旦外部回路出现不接、空接或虚接的情况，很容易导致“在线不报警”的风险。实践证明，在设定消防水池或高位消防水箱的水位报警设施时很容易受到人为干扰，例如某消防水池的设计水位为3.0 m，因为水池漏水，实际水位已降至 0.5 m，操作人员擅自把数显仪表的报警设定值降至 0.5 m，导致无法正常的报警，无法在火灾时保证充足的消防供水量。

2.3 普通消防水泵无低流量过热防治措施

据调查统计，大部分消防水泵会处于长时间低流量运行的状态。目前，我国对此没有引起足够的重视，在现行国家标准《消防泵》（GB6245-2006 ）[4]中没有相应的性能要求，而欧美等发达国家的消防水泵均为专用消防水泵，通常可以承受小于或等于5% 额定流量时长期运转的技术要求，但是国内生产的消防水泵大都由生产、市政或生活水泵改用而来，绝大多数消防水泵不能满足此要求。消防泵低流量长时间运行会导致轴封温度迅速升高，温升会导致填料的损坏，目前国内的消防泵大多采用机械密封，一旦损坏很容易造成不可逆的损坏，甚至导致消防泵整体失效，不具备低流量防过热的防止措施，存在消防泵低流量运行轴封过热的普遍风险。

2.4 防管网超压措施不合理

在我国，通常认为管网超压是由消防水泵在低流量时出口压力升高造成的，主要采用泄压阀防止管网超压，而管网超压实际上是由水泵启/停泵时的水锤造成的。国内的消防工程经常采用缓闭式止回阀+水锤吸纳器作为防水锤系统，实践证明缓闭式止回阀的动作机理复杂，难以长时间保证效果。另外，缓闭式止回阀的工作机理会造成水泵泵轴的倒转，水泵发生倒转说明已经发生了回流和水锤，所以缓闭式止回阀是在水锤发生后减弱水锤的不利影响，而不是防止水锤发生。在某些采用缓闭式止回阀的消防工程里，消防水泵的倒转甚至会持续几分钟，对于消防水泵的再次启动非常不利。

2.5 消防检查维护制度的执行力不足

我国普遍采用人工定期试验的维护管理模式，发生故障了才会维修，长期实践证明这种人工模式效率低，效果差，很难长期贯彻。我国工业化和城市化快速发展的形势，造就了很多巨型厂房和大型公共建筑，这些建筑内的消防给水系统极为复杂，人工模式的可执行性越来越有难度，且可靠性低，很容易受到人为因素的干扰，很难确保试验记录和试验结果的准确性和真实性。例如在很多消防水泵水力性能的手动试验中，试验人员观察水泵启动后能出流就草草结束试验，然后根据消防水泵标称的参数，编写试验数据，是一种重记录而轻实践的典型做法。

2.6 消防远程监控系统的全面性和有效性难实现

我国的消防水泵控制柜产品、联动控制器产品以及城市消防远程监控系统仅对系统的动作信号和报警信号进行实时监控，缺乏实时数据的采集，很容易受到人为干扰。目前的消防远程监控系统还停留在消防信息化的层面，主要是政府和企业之间的远程监控，监控层面还不全面，并没有实现真正意义上的物联网消防。

3 地铁物联网消防给水系统研判及解决方案

3.1 控制系统安全可靠性方案

（1）运用全程闭环监控的理念，使水泵控制柜增加水泵自动低频巡检和自动工频巡检功能。通过定时的自动巡检，检查水泵的运行状况及水泵控制柜内部电器元件的工况，防止控制系统失效，及时发现故障并反馈，同时水泵控制柜采用IP55的防水等级，增加除湿功能，确保消防控制柜处于良好的运行环境。此外，通过物联网技术，可以实时查看水泵的运行、故障等情况。

（2）手自动状态物联网监管。通过物联网技术，可以实时监管消防水泵控制柜的手/自动状态，可以通过手机APP 或电脑PC 端实时监控。

（3）安全可靠的机械应急启动装置。机械应急启动装置为内置一体式结构，不受柜门变形或打开的影响。在控制系统故障或失效、电压下降、接触器电磁线圈烧毁、柜门变形等情况发生时，均能安全可靠地接通消防泵电动机的供电回路[5]。

（4）物联网消防给水系统还具有信息存储和查询功能，可以通过消防水泵控制柜上的面板进行查询和操作，使消防给水系统更加直观和智能化[6]。

3.2 消防给水保证安全可靠性方案

（1）消防水源监控。普通的消防水源液位显示，传输线路上的输入模块处于无源常开状态，存在设备不在线无反馈不报警的风险，难以保证消防水源的实时可靠性，同时人为故意修改高/低液位设定的数值存在风险。因此物联网消防给水系统通过物联网技术，可以实现消防水位的实时监控，形成全程闭环监控实时水位，高低液位数值设定必须通过物联网平台设定，任何人不可随意更改，确保消防水源的实时可靠性。

（2）采用专用消防水泵。严格按照国家现行标准以及国外NFPA/FM/UL 的先进技术和经验，使消防水泵流量-功率曲线存在最大功率拐点，使消防水泵在运行过程中任何一点的功率满足流量-扬程曲线上功率的要求，消防水泵通过盘根（填料）密封的方式，对水泵轴封处实现有效冷却，实现低流量运行不过热，大流量运行不过载功能，确保水泵运行的可靠性。

（3）采用消防专用的压力开关和流量开关。通过物联网技术，消防专用压力开关和流量开关可以通过物联网平台设定压力和流量数值，平台需要账号密码进入，任何人不可随意更改，确保设定数值的可靠性。同时流量和压力的数值可以通过手机APP 和电脑PC 端实时记录和查询，确保消防管网保持设定的压力。

（4）采用FM 防水锤专用止回阀。可有效减少水泵在启停泵时产生的水锤效应，确保管网运行过程中的安全性。

（5）采用装配式成套设备。消防给水系统的传统建设模式是分散采购部件，再由施工单位整合调试，难以保证系统的兼容性，而且在出现问题后经常出现各单位互相推诿责任、难以找到责任主体的现象。成套设备兼容性好，智能化程度高，责任主体单一明确，可提高施工及维护效率，能够提高消防给水系统整体的安全可靠性。

3.3 通过消防智能运维“技防”手段应用实现消防给水主要设备的检查及巡查功能

（1）通过物联网实现消防水泵手/自动状态的监控，有效防止人为因素的影响。

（2）消防给水重要设备要实现自检和巡检功能。包括以下方面的内容：

①消防给水机组自动巡检功能。包括消防控制柜的自动低频巡检、自动工频巡检，通过设定的时间，定期自动巡检，检查消防水泵和控制柜的运行工况，及时报警，及时反馈，通过物联网技术实现实时信息传输功能，对运行故障情况实现可记录查询功能。

②智能末端自动巡检功能。末端试水装置是测试消防给水系统管网末端压力和测试消防给水系统是否可以正常联动启泵的关键设备，由于存在人为维护不善和操作空间局限性等因素，难以保证末端试水装置测试的时效性和准确性，因此充分运用物联网技术，实现末端自动巡检功能，可以通过设定的时间进行末端自动巡检，将巡检的信息及时反馈，可以通过物联网平台、手机APP 以及PC 端进行实时查询，有效检查消防系统管网的真实情况。

3.4 物联网远程监控功能

物联网消防给水技术可以实现实时监控，建立政府、业主单位、管理单位、维保单位等各个层面的物联网监控平台，更加直观可靠，同时通过手机APP 以及PC 端可以进行实时查询，更加简便有效。采集的数据包括项目信息、系统信息、产品信息、实时数据、实时信号等关键数据，且会在用户终端界面上得到全面展示。

4 应用前景

物联网消防给水系统采用了先进的物联网消防技术，不仅适用于新建项目的消防工程，也适用于既有消防工程的改造，同时可完全兼容现有的火灾自动报警系统。

我国新建项目的规模巨大，地铁项目也越来越多，对于人员密集场所，消防给水系统的安全可靠性是必须解决的焦点问题。另外，我国经济经历了30 年的快速增长期，建成项目的规模在世界上绝无仅有，消防工程的既有规模巨大，所以从新建市场和既有市场的规模来看，应用前景十分广阔。

5 结论

我国已步入城市地铁建设的高峰期，由于地铁结构及功能相对较为复杂，且大部分属于地下空间，疏散扑救难度大，设备类型较多，人员密集，一旦发生火灾，极易造成极大的人员伤亡和财产损失，造成巨大的社会影响。因此，为确保地铁消防系统的安全可靠性和灭火救援能力，保证消防给水系统的完好性及可靠性尤为重要，物联网消防给水系统的运用格外必要。

物联网消防给水系统是一种软硬结合、安全可靠的系统整体解决方案，从水力机械、系统控制、维护管理、消防监督等几个方面，形成系统性闭环综合解决措施，可以从根本上提高消防给水系统的安全可靠性和灭火效能。消防给水系统是火灾发生后保障灭火救援工作顺利开展的重要消防设施，为提高地铁消防给水系统的安全可靠性，建议将物联网消防给水系统作为地铁“智慧消防”建设中的最重要组成部分重点建设。