双向双波段感烟探测技术在文物建筑中的应用分析

■ 何桢 中国人民警察大学

一、引言

我国历史悠久，文物建筑数量众多，但因建筑多为木结构或砖木结构建造，具有极大的火灾危险性，火灾的及时准确探测对防范文物建筑火灾的发展、蔓延具有重要意义。木材燃烧的初始阶段首先产生一定量烟雾，此时明火和热量累积尚不明显，因此，光电感烟火灾探测是当前在文物建筑中采用最为广泛的技术。

传统光电感烟探测器采用一发一收的方式进行烟雾检测，并采用简单的阈值判定算法进行烟雾类别及报警判断，因此粉尘、水蒸气等粒径与烟雾粒子相差无几的干扰源会使探测器误报。文物建筑作为火灾危险性极大的场所，传统的光电感烟探测器无法确保能够准确监测到火灾的发生，而双光电感烟探测技术的出现则更符合文物建筑场所的感烟火灾探测需要。文章将传统光电感烟探测器与双向双波段的光电感烟探测器（以下简称“双光电”）进行对比，分析双光电感烟探测器在文物建筑中的应用优势。双光电感烟探测器能够有效降低感烟探测器误报率，提高烟雾报警响应均衡度，有效降低文物建筑的火灾危险性，对保护文物建筑、防止文物建筑大型火灾的发生具有重要意义。

二、文物建筑应用分析

（一）文物建筑火灾案例

根据应急管理部消防救援局给出的数据，近十年来，全国共接报文物古建筑火灾392起，直接财产损失2808.9万元。

2014年以来，国家相关部门陆续制定出台了《古城镇和村寨火灾防控指导意见》《关于加强历史文化名城名镇名村及文物建筑消防安全工作的指导意见》《文物建筑电气防火导则（试行）》等来确保文物建筑的消防安全[1]。

2014年1月3日凌晨2时49分，云南省大理州巍山县拱辰楼发生火灾，过火面积约300m2，600多年历史古迹全被烧毁。拱辰楼位于巍山县城南诏镇，原为蒙化卫城的北门城楼，始建于明洪武二十三年，是巍山古城的标志性建筑之一，是云南省级文物保护单位。

2017年12月10日12时39分，四川省一座寺庙发生火灾，被大火烧毁的木塔已修建8年，共16层高，号称亚洲第一高木塔。火灾造成寺内大雄宝殿、上师殿、高塔（在建）全部过火。起火点位于寺庙大殿，随后引燃高塔。

2020年5月4日，温州永嘉县岩头镇芙蓉古村内的司马第大屋突发火灾，芙蓉古村始建于唐末，是楠溪江流域历史最悠久的村落，按照“七星八斗”布局设计，寓意人才辈出如同星斗繁密无数。村寨布局呈莲花瓣形，村内道路、水渠迂回曲折， 至今仍世袭珍藏着南宋“十八金带”的容图、象牙笏板、祭器和“黄金印”等古物。 此次过火建筑面积约1246m2。火灾未造成人员伤亡。

从上述三个案例中可以看出，文物建筑一旦发生火灾，会对国家和社会财产造成极大的损失。文物建筑火灾的发生有多种因素的作用，在消防设备方面，许多文物建筑内未安装光电感烟探测器或是感烟探测器无法正常作用。在国家文物局2020年1月份的一次排查中，许多文物建筑内的光电感烟探测器无法对火灾烟雾进行有效报警，将双光电感烟探测器替代传统光电感烟探测器应用在文物建筑内会成为有效降低建筑火灾危险性的一种手段。

（二）双光电探测器应用分析

我国最为普遍的（砖）木结构文物建筑是双光电智能火灾探测器及其报警系统的主要应用场合之一。在各地政府都大力整治文物古建筑火灾的形势下，寻找替代传统光电感烟探测器，具备更灵敏、更准确的火灾探测器将成为必然的趋势，而双光电感烟探测器的工作原理及适用场景更符合文物建筑的建筑特点，具有非常重要的应用意义：

（1）文物建筑具有无法复刻的珍贵价值，因此火灾探测应做到“探早报小”，即在无明火的阴燃阶段就可对烟雾进行有效的探测识别；

（2）文物建筑为防止电气火灾事故发生，绝大部分房间夜间关灯断电，甚至室内完全没有引入照明，因此，一些基于探测火焰光原理的图像型火灾探测器因对环境亮度有所要求，难以实现烟雾探测功能；

（3）文物建筑普遍较封闭，灰尘经年累积，火灾探测器的工作环境较为恶劣，误报率偏高。而且文物保护单位人员编制较少，技术力量较薄弱，要求探测器稳定可靠，易于维护，因此亟待开发具有优良抗干扰性能的感烟火灾探测器；

（4）文物建筑大部分房间面积较小、层高较低，要求探测器尽可能隐蔽安装，减少对其原始风貌的破坏。

三、基本原理

（一）光电感烟探测器

目前的光电感烟火灾探测器均基于烟雾颗粒对光的散射原理，其基本实现方式是：发射器发出红外光束，经过气体室中的颗粒区域后发生散射，由接收器探测散射光强并转换为电信号。通常颗粒浓度越高，散射光强越大，当达到报警阈值后发出报警。典型散射光型感烟火灾探测器结构如图1所示，主体由发光二极管（LED）发射器、光电二极管（PD）接收器、腔体迷宫等组成，具有成本低、可靠性高、易于组装等优点。

对光电感烟探测器来说，影响其探测精准度的因素主要有粒子的粒径、散射角、烟雾类别等。

1.粒径

根据粒子粒径的不同，大体上可分为小粒径、中等粒径、大粒径三类，根据粒径的不同，其符合的光学散射原理也不同。小粒径粒子符合瑞利散射理论，中等粒径粒子符合一般光学散射理论、大粒径粒子符合米散射理论，而火灾烟气的绝大部分粒子直径分布在0.01～10μm。表1为部分烟雾粒子粒径[2]：

表1 部分烟雾粒子粒径分布

2.散射角

散射角是指探测器内发射管与接收管形成的角度θ，θ＜90°即散射光与入射光同一方向的为前向散射，θ＞90°即散射光与入射光方向相反的为后向散射。传统单发射光电感烟探测器采用的多为前向散射，其散射角度θ有120°、135°等。把入射光方向和散射光方向组成的平面作为观察面，如图2所示。

3.烟雾类别

火灾烟雾可分为两大类，即黑烟和白烟。黑烟基本是石油化工产品燃烧后产生的颗粒凝聚后的产物，白烟基本是植物纤维产品燃烧后产生的颗粒。现有的光电感烟探测器对黑烟和白烟的响应灵敏度不同，导致两种烟雾情况下报警时间相差较多。

现有的光电感烟火灾探测器由于通过直接探测烟雾浓度进行报警，所以容易受非火灾烟雾颗粒如水汽、油烟、粉尘、香烛等干扰而发生误报[3]。以上海市为例，上海市内一天烟雾探测器的报警总数可达到几十万次，其中出现明火导致探测器报警的只有二百多次，可见误报的比例相当之大。

在文物建筑中，因其建筑时间长、建筑材料老化等因素，建筑内有非常多非火灾烟雾粒子，传统火灾烟雾探测器的作用受到极大的限制。因此需要深入研究火灾烟雾颗粒与非火灾干扰颗粒的光散射特征、改善光电感烟探测机理，而双光电感烟探测器则能够更加准确地进行火灾烟雾的识别。

（二）双光电感烟探测器

根据Mie散射原理，不同性质的颗粒对光的散射存在方向差异，同时对不同波长的光的散射能力也存在区别。因此，双光电感烟火灾探测器能够对前向和后向的散射光强进行精确检测，结合不同波长的发射光源，识别出烟雾颗粒并得到其浓度，显著提高烟雾探测的可靠性。如图3所示，为双光电感烟探测器原理图。

孙悟[4]等人通过使用T矩阵法，选择两种不同波长的光得到了不同光条件下火灾烟雾粒子与非火灾烟雾粒子的矩阵，通过数值运算成功区分了火灾烟雾粒子、液滴粒子与粉尘粒子；邓田[5]等人采用双波长光线采集烟雾粒子的粒径分布图，通过多通道的多参数火灾探测方法，成功实现了对白烟和黑烟的区分。

对于特定波长的散射效率计算如图4所示。传统的光电感烟探测器广泛采用的是近红外LED，波长在880～940nm。近年来，具有更短波长的蓝光LED（波长470nm）被证明可以用来检测更小的气溶胶粒子，蓝光散射效率的增加相对于近红外来说非常明显，因此双光电感烟探测器多采用红蓝光作为发射光来探测烟雾，对于各种粒径的粒子都能够有效进行分辨。

图5展示了光如何在与粒子发生光散射后进行向前和向后散射，对小粒子来说，前向和后向散射光强度基本均等，对于大粒子来说，前向散射光强度显著大于后向散射。

（三）文物建筑应用分析

根据传统感烟探测器与双光电感烟探测器的原理分析，经对比可说明后者比前者更加适用于文物建筑的感烟探测：

1.准确性高

双光电感烟探测器采用两发一收设计，可精准判别烟雾粒子种类，降低文物建筑内非烟雾粒子的干扰率，提高感烟探测准确性。

2.抗干扰性强

环境对传统光电感烟探测器的影响较大，夏季气温高、湿度大，严重影响到探测器内部的电子器件；冬季探测器的温差效应易形成水雾，导致发生光散射[6]。双光电感烟探测器为双波长光，受环境影响更小，抗干扰性强。

3.低成本

在电子领域科技更加进步的今天，双光电感烟探测器的设计更加优化，元器件搭配更加精简有效，例如，国内的依爱消防等开发的双光电感烟探测器成本更低，具有更多的经济效益。

四、结语

具体而言，此类探测器是专门针对文物建筑的室内火灾。考虑到我国文物建筑自身及其火灾具有以上特征，更加凸显了此类探测器在文物建筑中应用的重要意义。双光电智能火灾探测器及其报警系统，通过对探测原理的升级改进和探测算法的开发优化，在保证及早报警的同时能显著降低误报率，无疑是我国文物建筑火灾探测领域更具前景的技术及应用方向。