封闭式储煤仓煤堆火灾阴燃起火点快速定位法的可行性分析

李宁宁 邱怀骏

摘要：随着近年来我国消防事业的飞速发展，针对特定灾情的专业力量建设、技战术训练、装备器材配置等相应环节必须及时跟上时代的发展。以封闭式储煤仓燃煤煤堆作为处置对象，将探测器与消防炮有机结合，利用透视投影将搜索范围由平面缩小到线段的方式，快速查找出煤堆火灾中的阴燃起火点，有效改善了自动消防炮无法有效定位煤堆火灾阴燃起火点的实际问题，并将其有效推广到各类煤堆火灾的实战处置过程中。同时，对实战处置过程中定位误差产生的原因及相应的处理方法进行了较为深入的分析，以期为仓储类建筑的固定消防设施工程设计与实际应用提供参考。

关键词：煤堆；阴燃；热成像仪；自动消防炮

1 现状与问题

随着我国对于环保节能要求的逐渐提高，封闭式的储煤仓得到了较为广泛的应用。由于以上空间内部纵深较长、火灾荷载较高，因此，管理过程中稍有不慎极可能导致封闭式储煤仓内的煤炭发生自燃事故。按照我国GB51428—2021《煤化工工程设计防火标准》[1]的相关要求，储煤仓内部要设置足够数量的感温火灾探测器，当现场存在高温热源或明火现象发生时，探测器能自动喷水对初起火灾实施有效压制。目前市场上的感温探测器主要有点型感温探测器和线型感温探测器，通常情况下，煤堆的自燃现象都是发生在煤堆的内部，传统的感温探测器由于无法透过煤层及时探测到内部热源，根本无法达到提前预警、及时处理的目的。因此，很多储煤仓优先选择使用热成像图像复合火灾探测器（以下简称“热成像探测器”）用于及时查探火灾初起阶段的阴燃火点（如图1所示）。当监控区域内温度升高超过一定阈值时探测器会自动发出预警信号。热成像探测器是在图像型火灾探测器的基础应用上，增加了热成像仪的相关功能，通过近红外和远红外两种参数共同实施综合判断的原理，在火灾发生初期或阴燃阶段，能够根据煤堆细微的温度变化及时发现内部的火灾隐患。

按照GB51428—2021《煤化工工程设计防火标准》的相关要求，储煤仓的灭火设施必须设置适量的固定消防水炮系统。因此，通过热成像探测器有效确定了煤堆内部的阴燃起火点后，一般要同步启动消防水炮进行喷水降温，而自动消防水炮通常采用手动控制或遠程启动的开启方式[2]。目前，常用的自动消防水炮通常分为两个种类：第一类消防炮通常不具备温度探测功能，因此无法自动定位阴燃起火部位；第二类消防炮通常是采用类似于热成像技术的具备温度探测功能的探测组件，应用该组件能够扫描发现煤堆外部的温度异常点。然而，此类消防炮的探测组件在实际使用过程中普遍存在两个缺陷：一是分辨率较低、对于阴燃起火部位探测不够及时，极易导致火灾漏报事故的发生；二是该类消防炮视野相对较窄，需要反复多次扫描才能有效覆盖整个保护区域，且扫描实际耗时相对较长，极易错过火灾处置的最佳时机。可见，无论消防炮是否具备感温功能，都需要一种能够更加准确、高效地完成消防炮自动定位功能的辅助机制。

事实上，燃煤煤堆火灾实际处置的最大难点当属其起火部位的及时探查[3]。相比于车站、会展中心等自动消防炮较为常用的场所，此类火灾一般起火部位均位于地面，在起火点有效定位后消防炮适当调整射流角度即可有效命中目标。然而，煤堆阴燃起火点通常位于距该煤堆表面 1.5～5.5m的氧化层内部。因此，对于默认火点位于地面的消防炮射流无论其补偿角采用经验值还是计算值均会产生较大的偏差，实际喷射过程中根本无法准确直击火点。与煤堆情况类似的仓库货架、石化油罐、管廊侧壁等其他场合也普遍存在此类问题。

针对上述现象，本文提出一种探测器与自动消防炮有机结合后，快速定位煤堆内部起火点的处置方案，并对可能出现误差的相关原因及相应解决方法进行了逐一探讨。本方案适合于各种类型的自动消防炮，在实际搜索过程中能够将其搜索范围由整个平面缩小到一条线段，有效弥补了普通消防炮无法准确定位阴燃起火点的实际问题，极大程度地缩短了消防炮的实际启动时间，能够最大限度降低火灾处置的难度，并定点指引自动消防炮在火灾初起阶段将火势及时控制在较小范围内。

2 热成像探测技术背景

红外热像仪是一种利用物体与周围环境的温度及发射率的差异从而进行成像的装置。其成像系统主要由光学系统、光敏传感器、信号处理器三大部分组成，如图2所示。

其中，光学系统决定热像仪的视场大小，例如2.8mm、3.5mm、12mm等，数字越大视场角越小，对应探测距离则越远。目标辐射红外光，经光学系统汇聚成像到光敏传感器并转变为电信号。该信号经过信号处理器放大、补偿以及线性处理，最终将辐射功率转化为温度，从而获得被测场景温度数据。

从产品层面，红外热像仪可分为制冷型与非制冷型两种。其区别在于当热像仪工作时是否需要制冷机配合工作。由于红外热像仪的使用过程中往往会受到自身周围温度的影响，因此制冷型热像仪配有低温制冷机装置以降低自身温度，这样在检测其他物体温度时灵敏度更高、误差更小、检测温度范围更广。然而，额外的制冷机会带来更多的功耗以及更昂贵的成本。目前用于煤堆阴燃检测的设备一般采用非制冷型红外热像仪。非制冷型产品虽然精度略低，但其具有结构简单、使用寿命长、分辨率高、成本低等优势，被广泛应用到安防、消防等领域。

3 自动消防炮及时定位起火部位的解决方案

如图3所示，图中用橙色圆锥体代表煤堆。坐标原点O位于圆锥底面任意处。图中红色坐标轴为x轴，绿色为y轴，蓝色为z轴。圆锥体底面位于x-y平面上，绿色A点为煤堆顶点。火灾探测器位于z轴C点，安装高度为已知。自动消防炮位于图中W点，其安装位置为已知。G点为W点在x轴投影。

当火灾发生时，设着火点为F，此点位于圆锥面上，以红色表示。引射线CF，交x-y平面于P点。由于C点坐标为已知，射线CF与z轴夹角可由探测器内成像平面安装角度及F点成像位置计算得到，因此P点坐标可求。

由于透视投影关系，射线CF上任意一点沿此线投影，与圆锥底部交点均为P点，因此，位于C点的探测器无法具体得知F点准确位置。因此，与之相关联的位于W点的自动消防炮同样无法确定着火点F具体坐标，因而无法射水灭火。

连W点与F点做射线WF，该射线与x-y平面交于Q点。再连接P点与Q点做射线PQ。因为F点与C点、W点共面；P点、Q点、W点共面，因此C、W、F、P、Q五点共面。图中平面用青色表示。

由图3可见，F点位置随着圆锥体高度的变化而变化。相对于C点，其最远端为P点，当圆锥体高度为零时，F点与P点重合。为了使位于W点的自动消防炮能够尽量缩小搜索范围或射流范围，对其沿线段PF进行搜索。但由于实际煤堆形状可能千变万化，不一定符合圆锥体形状，因此按锥体表面计算F点位置不可靠。计算F点沿射线WF在x-y平面交点Q坐标，因为Q点是F点在x-y平面的透视投影点，消防炮对准点Q就相当于对准了点F（实际情况下射流存在弧度，会有一定误差）。这样，搜索路径由沿射线PF变为射线PQ，即沿射线PF在x-y平面的透视投影线进行搜索。定义消防炮的寻址为消防炮寻找着火点（或阴燃火点）进行扫描的过程，寻址线（寻址线段、寻址轨迹同理）为消防炮寻址时其炮口延长线所扫过的平面与某个参考平面的交点所连成的直线或曲线。

由上文，点C、W坐标为已知，P点坐标可求，因此，平面CWQP方程可求。该平面与x-y平面相交于直线PQ。将x-y平面方程z=0代入，即可解得相交直线PQ方程。

在自动消防炮寻址过程中，以P点为起始点，按照一定间隔（例如0.5m）由直线PQ方程依次计算出Q方向上点坐标，可由此x-y坐标计算得到自动消防炮水平及垂直转动角度。这样，便可以沿直线PQ进行连续寻址，寻找灭火点，极大程度上缩小了扫描范围，节省了灭火时间。

4 误差分析

建模后，自动消防炮寻址路径为：实际着火点F相对于探测器C的投影点P至F点相对于消防炮W的投影点Q的射线，寻址范围极大缩小。为了在工程设计上能够更有效地部署应用，这里有必要对误差因素进行逐一分析。影响实际灭火精度的误差主要有三个方面，即：煤堆高度、探测器与消防炮相对位置以及消防炮射流轨迹。

4.1  煤堆高度

如图4所示，为了模拟煤堆高度的影响，在上面的模型中，我们保持探测器高度、消防炮相对位置、地平面（x-y平面）等参数不变，仅将煤堆顶点A的位置适当提高。图中左侧煤堆较低，此时，F点相对于地面较近，F在地平面投影点P与F点间线段PF较短。同时，F点相对于自动消防炮W点在地面投影点Q与P点较近。因此，自动消防炮寻址范围较小。

导致自动消防炮寻址误差的主要原因是煤堆表面的不規则性。为了建模需要，将煤堆模拟为圆锥体，但实际煤堆分布要复杂得多。因此，为了减小这种外表面的不规则性带来的误差，自动消防炮的寻址线即PF线段通常应该越短越好。另一方面，自动消防炮实际射流落点为平面PQW与圆锥体相交的曲线。该曲线与自动消防炮寻址线段PF并不重合，越接近其重合度越高、误差越小。

图4右侧所示圆锥体高度较高，此时自动消防炮寻址线段PF较长，因此未知的煤堆表面变化会对其实际寻址的有效性造成较大影响。在极端情况下，若F点位于W点可见圆锥面之外，则位于W点的自动消防炮无论如何也无法寻到实际着火点。

因此，在实际设计应用过程中，应尽量将探测器及自动消防炮安装在位置相对较高处，相当于降低了煤堆圆锥体的高度。这样一方面可以有效扩大视野，另一方面，对于自动消防炮的寻址及射流灭火有效性会有更为可靠的保障。

4.2  探测器与自动消防炮之间的相对位置

图5显示的是探测器与自动消防炮之间的相对位置对自动消防炮寻址产生的直接影响。左中右三个图中煤堆圆锥体底面与实际高度均保持不变，着火点F位置同样保持不变，改变的仅有探测器C与自动消防炮W的相对位置。相比于左图，中间图中自动消防炮W高度未发生变化，仅仅缩小了与探测器C的实际水平距离。右侧图中自动消防炮W与探测器C水平距离不变，仅降低了自动消防炮W的安装高度。

将中间图片与左图进行对比，在W点高度不变前提下，随着自动消防炮与探测器间距离的逐渐减小，自动消防炮的寻址范围也随之不断减小。虽然线段PF的长度不变，但自动消防炮实际寻址是线段PQ。在W点向C点移动过程中，P点固定不变，Q点逐步向P点靠拢。当W点与C点重合时，Q点与P点重合，此时自动消防炮寻址线段缩为一个点，即P点（Q点），寻址范围有效缩小。因此，在实际设计及应用中，应尽量减小探测器与自动消防炮间水平距离。

将右图与左图进行对比，在W点与C点水平距离不变前提下，随着自动消防炮安装高度的逐渐降低，自动消防炮的寻址范围在随之明显增大。即Q点与P点距离随W点高度的降低而不断增大。从线段PW与线段QW的夹角∠PWQ的变化亦可看出，∠PWQ角为自动消防炮的扫描角，随W点高度的降低该角度随之逐渐增大。因此，在自动消防炮有效保护半径范围内应尽量提高其实际安装高度。

4.3  射流角度

在建模过程中，实际着火点位于线段PF上，为了计算需要，以该线段在x-y平面的投影线段PQ为寻址线段。这对于自动消防炮有效寻址不会产生实际影响，因为线段PQ正是线段PF以W点为投影中心的透视投影。然而，自动消防炮寻址不是目的，寻址正确后的实际射流灭火才是最终任务。自动消防炮射流轨迹通常不是直线射流，如图6所示，其射流形状是具有一定弧度的曲线。

如图6所示，自W点引出两条绿色曲线连接点P和点Q，并与圆锥体表面分别相交于点U和点V。此两条绿色曲线为模拟射流轨迹线，分别对应落点P和Q。线段PQ上所有射流落点所对应的射流轨迹线与圆锥体表面的交点位于经过点U和点V的橙色曲线UV上。而原自动消防炮透视投影平面PWQ与圆锥体表面相交于曲线KF。此曲线为自动消防炮寻址线，而曲线UV与曲线KF并不重合。因此，实际射流无法准确命中着火点。

由图可知，自动消防炮在实际出水过程中，其射流会在原始定位角基础上适当增加俯仰角以确保射流在重力及摩擦阻力影响下仍然能够准确命中目标。而对于圆锥体，曲线UV相比于曲线KF更接近圆锥顶点。因此，在实际射流过程中，可适当减少自动消防炮炮管俯仰角补偿值或以上下回摆的方式进行补偿以保证消防射流能够达到覆盖寻址线，从而达到准确直击起火点的目的。另一方面，曲线UV与曲线KF的间距随圆锥体高度降低而减小。因此，在探测器与自动消防炮安装于实际高度远大于煤堆高度场合下，此误差可忽略不计。

綜上所述，在设计探测器和自动消防炮的实际安装位置的过程中，在确保其保护半径前提下，应尽量提高探测器与自动消防炮的安装高度，并减少两者之间的距离从而有效降低其工作误差。在自动消防炮实际喷射过程中，应适当减少炮管俯仰角补偿值或以上下回摆的方式进行出水灭火，实现对初起火灾的有效抑制。

5 结论

针对室内储煤库内自动消防炮无法有效定位煤堆内部阴燃部位的实际问题，本文提出了一种应用热成像探测器为自动消防炮寻找煤堆起火部位的灭火方法，应用此种处置方式能够在火灾探测过程中将搜索面缩小到线段维度，在精准定位起火点的同时，有效减少了固定消防炮出水灭火的启动时间，为火势的有效处置打下了坚实的基础。该方法同样适用于仓库、货架、书架等类别堆（下转第107页）（上接第16页）垛性质火灾的实战处置。为了保证结果实用性的有效提升，对自动消防炮处置过程中的寻址行为及实际射流误差做了进一步系统分析，并以此为依据提出了相应的解决方案，为此类场所的固定消防设施工程设计提供了科学有效的依据。

参考文献：

[1]GB 51428—2021.煤化工工程设计防火标准[S].

[2]CN 202010190405.1 基于摄像机定位的自动消防炮目标经纬度计算方法[P].

[3]梁运涛.煤自然发火期快速预测研究[D].杭州：浙江大学，2010.

Feasibility analysis of rapid positioning

method for smoldering ignition point of

coal stockpiles fire in closed coal storage

Li Ningning1，Qiu Huaijun2

（1. Shenyang Fire Research Institute， Ministry of Emergency Management， Liaoning Shenyang 110034; 2. School of Computer Science， Shenyang Aerospace University， Liaoning Shenyang 110136）

Abstract：With the rapid development of fire protection work in recent years， it is necessary to keep up with the development of the time for professional strength construction， technical and tactical training， equipment configuration and so on. Combined with the smoldering problem that has always troubled the first-line fire and rescue team in the actual combat disposal process for many years， the coal stockpiles in closed coal storage are taken as the disposal object， the detector is organically combined with the fire monitor， and the perspective projection is used to narrow the search range from plane to line segment， so as to quickly find the smoldering ignition point in the coal stockpiles fire. It effectively improves the actual problem that automatic fire monitor can not effectively locate the ignition point of the coal stockpiles fire， and it is effectively extended to the actual disposal process of all kinds of the coal stockpiles fire. At the same time， the causes of positioning errors in the actual disposal process and the corresponding treatment methods are deeply analyzed， which provides references for the engineering design and practical application of fixed fire fighting facilities in warehouse buildings.

Keywords：coal pile; smoldering; thermal imager; automatic fire monitor