工业建筑群火灾报警系统环型结构设计

杨智勇

（隆基乐叶光伏科技（西咸新区）有限公司，陕西 西安 712000）

0 引言

与民用建筑不同，工业建筑具有不同的防火特点，这是因为工业建筑主要是为工业生产或者为生产服务的空间，例如厂房、仓储结构、生产车间等，其具有结构多样、体量大、生产设备多、管线复杂、存储易燃易爆物品、燃烧条件充分等特点，受到生产车间环境温度、湿度、粉尘、强磁场等因素的影响，也增加了火灾危险性[1]。火灾自动报警系统作为工业建筑物早期火灾的有效控制消防设备措施，它在工业建筑中也得到广泛应用[2]。在工业建筑群是由多栋工业厂房组成的建筑群，各个建筑之间的功能不一、管线复杂、生产环境和生产工艺流程多变、火灾自动报警系统分散且回路距离长等，导致工业建筑群的防火系统、设备存在不同程度的故障，工业建筑群火灾报警系统的设计是影响人身和财产安全的首要问题[3]。

1 工程概况

陕西省西安市某工业园区位于城市郊区，由于建设过程采用分阶段实施，先后共建成了相对独立的5座工业分园区，最终形成工业建筑群，总占地面积87239.08m2，总建筑面积25482.35m2，建设规模1.47亿元。每个工业分园区均由6座标准化厂房组成，厂房按数字编号为1#～6#，所有标准化厂房均采用标准钢结构工程，高度均为3层（8.5m），跨度均为32m，其中1#、2#、3#、4#厂房长132m，5#、6#厂房长120m，柱距6m，边柱顶标高8.5m，建筑面积4224m2，厂房由GJ1和GJ2两种钢架组成。其中GJ1钢架有两榀，GJ2钢架有21榀，GJ1钢架钢柱之间设置有抗风柱，GJ2钢架设置有中柱，跨距大。每栋厂房的功能分区很多，一楼主要为进料区和加工区，二楼主要为包装区和控制区，三楼主要为成品区和存储区。由于工业园区的建筑物很多、功能分区分层、工业分园区相对独立、生产车间环境复杂、易燃易爆物品很多等，导致厂区建筑群的火灾自动报警设计系统分散，设计回路距离长，使建筑群火灾自动报警系统在运营时容易出现各种故障隐患，因此结合园区建筑的特点，采用环形结构火灾自动报警系统将各个建筑物群串联，以避免回路过长等问题。

2 建筑群环形火灾自动报警系统的结构特性及设计

2.1 建筑群火灾自动报警系统环形网络结构特性及设计

在火灾自动报警系统环形结构中，控制器串联形成环形网络结构，控制器线路形成环形回路结构[4-5]。环形网络结构是将相互独立的很多火灾自动报警控制器进行串联，串联数量可以达到35台，各台火灾自动报警控制器之间的信息交互和跨屏控制、联动功能则借助运行程序的局域网络实现，可以设置火灾自动报警控制器的层级管理，也可以设置火灾自动报警器的自主控制和无层级操作[6]。建筑群火灾自动报警系统环形网络结构具有2个典型特性：1）为高效率和高可信度的信息交互。在火灾自动报警系统中，控制器的环形网络结构具有拓扑结构特征，每个火灾自动报警控制器能够实现对火灾信息的识别、获取、发送、接收、预警和转发网络系统等功能，控制器以SCK403B0X处理器为运算核心，独立的环形网路结构之间的可以无障碍地共享信息及跨区域机器控制、人机交互[7]，火灾自动报警控制器的功能模块结构设计如图1所示。从图中可以看出，FLASH ROM SST39VF160Q和SDRAM HY57V641620HG是火灾自动报警控制器的两个重要存储核心模块，两者均在操作系统uCLinux中可以得到动态运行，前者为16位1M大小的Flash存储器，用于嵌入式系统的BootLoader存储，后者为16位1M大小的4 Banks SDRAM，主要是存储uCLinux的程序代码，并与CPU的频率同步。2）为信号中断的自动隔离与两端通信。在火灾自动报警系统中的控制器系列，当网路中的控制器节点出现故障时，环形网络将自动将故障控制器节点进行自动隔离，其余控制器节点保留通信功能和控制层级，当控制节点之间的网络线路出现故障时，线路两端的控制器则会自动向两端进行通信，节点仍保持通信功能，实现环形网路和控制器节点的网络重组，以避免故障网路的影响，如图2所示。

图1 控制器的功能模块结构设计

2.2 建筑群火灾自动报警系统环形回路结构特性及设计

火灾自动报警系统的环形回路结构与控制器分散的线形结构不同，可以有效环节控制器之间回路的冗余，实现减少回路故障，使信息传输更高效。火灾自动报警系统环形回路结构设计如图3所示，其典型结构特性如下。

图3 火灾自动报警环形结构系统的回路结构设计

其一为信号中断的自动隔离与两端通信。如图4所示，当火灾自动报警环形结构地址单元之间出现开路情况时，为避免出现系统通信中断情况，回路主要通过A支路和B支路向两端进行信号传输，以免故障影响导致火灾自动报警功能的失效。

图4 工业建筑群火灾自动报警系统环形结构设计的仿真计算结果

其二为具有高强度的系统自我保护能力。为避免环形结构系统在出现短路或接地等故障时受到功能受损影响，在设备系统中可以设置短路隔离器，线路出现异常时可以保护系统，在各个系统中的组件也可以设置短路隔离器，以保证及时系统已经发生短路状况，系统中的组件仍具备运行能力。

其三为强大的环路接分支能力。工业建筑群具有线路长、建筑物分散等特点，而环形回路很好地适用于这种工况条件，能够在环形回路中任意位置实现分支节点的接驳，支路上最大可接驳35个地址元件，提高了系统的连接能力，也避免了单一线路中只能在端头接驳的弊端。

3 火灾自动报警系统环型结构设计在工业建筑群中的应用效果

为验证以上火灾自动报警系统环形结构的设计效果，基于模糊神经网络理论和MATLAB仿真软件，选取明火、阴燃和无火3种工况进行分析，分别计算其期望值。模糊神经网络计算的学习率η如公式（1）所示。

式中：E为期望；k为训练样本；β=1.06；θ=0.78；α=1.07。

仿真计算的训练样本共40个，参数分别为烟雾浓度、传感器温度和CO浓度，见表1。其中烟雾浓度的测量采用NIK-80D型离子式烟雾传感器检测，可以对各种颜色的烟雾产生高灵敏度的探测，其灵敏度特性为当烟雾浓度为0时，输出电压为（5.6±0.4）V，当烟雾浓度1%时，输出电压为（5.3±0.5）V，当烟雾浓度为2%时，输出电压为（5.0±0.5）V，当烟雾浓度为3%时，输出电压为（4.7±0.5）V，当烟雾浓度为4%时，输出电压为（4.4±0.5）V，所有电压误差范围为（0.3±0.5）V。CO气体浓度采用NAD-507型电化学CO气体监测器探测，其检测CO气体范围为0～1000×10-10，分辨率为1×10-10，响应时间小于30s，可在最短的时间预警，防止人体吸入过量CO中毒而物理逃生，监测器可工作环境温度为-20℃～50℃，可工作环境湿度为15%RH～90%RH，重复再现性在±2%以内。温度则由HN37型温度传感器获得环境中由于物质燃烧产生的热量，其外形结构为φ3mm×10mm金属壳封装，延长线为φ0.5mm×15mm高温线，可测量范围为-50℃～200℃，线性度为±0.5%，电压温度系数为-2mV/℃。

表1 基于模糊神经网络的仿真计算训练样本

从图中可以看出，工业建筑群发生无火、阴燃和明火的期望曲线均呈现不同程度的波动，但是波动的幅度均在较小的区间范围内，在平均值中上下浮动。工业建筑发生无火的期望平均值最大，其数值为0.83，而工业建筑发生阴燃的期望平均值和发生明火的期望平均值均较小，前者为0.27，后者为0.10。由此表明，采用环形结构设计的工业建筑群火灾自动报警系统能够有地预防火灾的发生，达到了火灾报警的目的。

4 结论

该文以陕西省西安市某工业园区建筑群的自动火灾报警系统设计为例，在分析建筑群环形火灾自动报警系统的结构特性基础上，将建筑物群进行环形结构设计，并通过模糊神经网络理论和MATLAB仿真软件验证应用效果，得到以下3个结论：1）工业园区建筑群由多栋工业厂房组成，各个建筑之间的功能不同、管线复杂、生产环境和生产工艺流程多变、火灾自动报警系统分散且回路距离长，运用环形结构自动火灾报警系统设计具有明显优势。2）环形网路具有高效率和高可信度的信息交互能力、信号中断的自动隔离与两端通信能力，环形结构具有信号中断的自动隔离与两端通信能力、高强度的系统自我保护能力和强大的环路接分支能力。3）基于模糊神经网络理论和MATLAB仿真软件，对采用环形结构设计的工业建筑群火灾自动报警系统发生无火、阴燃和明火的期望进行计算，结果表明，工业建筑发生无火的期望为0.83，发生阴燃的期望平均值为0.27和发生明火的期望平均值为0.10，采用环形结构设计的工业建筑群火灾自动报警系统能够有地预防火灾的发生，达到了火灾报警的目的。