独立式光电智能火灾探测技术在藏区古建筑中的应用

王 涛，万跃敏

（1.西藏自治区消防救援总队，西藏 拉萨；2.秦皇岛泰和安科技有限公司，河北 秦皇岛）

引言

古建筑作为重要的文化遗产，承载着丰富的历史和文化价值。而我国西藏地区古建筑以寺庙为主，多为土、石木结构，采用椽子木、白玛草等可燃材料，建筑耐火等级较低，并大量存放唐卡、经书等珍贵文物，火灾风险极大。目前在西藏寺庙中常用火灾报警系统为对点型火灾探测器，该系统的探测灵敏度不高，且属于被动探测，易导致火灾误报。本文提出了一种独立式光电智能火灾探测系统，解决传统火灾探测器误报问题，同时均衡黑白烟响应一致性，高灵敏性，满足在藏区古建筑中应用要求。

1 古建筑火灾探测技术需求分析

古建筑作为文化遗产的重要组成部分，具有独特的构造，并使用了传统材料。首先，古建筑的构造通常考虑了气候、地理和文化因素。此外，古建筑的维修和保养过程往往比较复杂，传统的火灾探测技术在安装和维护时面临困难。因此，对于古建筑火灾探测技术，由于其特殊性和保护需求，需要从兼容性、灵敏度和调整性、耐受性和稳定性、维护和可替换性等特殊需求方面进行分析。

2 光电智能火灾探测系统设计

2.1 光电智能火灾探测系统架构

通过对古建筑火灾探测需求进行分析，以及传统火灾探测技术所面临的局限性，如传统技术通常依赖于烟雾、热量或火焰等传感器的单一信号，容易受到误报和干扰[1]。导致传统技术对古建筑特殊环境的适应性有限，往往无法满足古建筑火灾探测技术的特殊需求。因此，通过提出一种独立式的光电智能火灾探测系统，解决传统火灾探测技术在古建筑的局限性。

光电智能火灾探测系统作为一种创新的火灾探测技术，具备快速、准确和可靠的特点[2]。随着科技的发展和进步，光电智能火灾探测技术在古建筑保护领域的应用前景也日益广阔。该技术可以通过感烟、热敏、光学和智能分析等多重手段实现对火灾的及时检测，并提供精确的报警信号，为火灾的防范和扑灭提供重要支持。

光电智能火灾探测系统是一种基于光电原理和智能算法的火灾探测解决方案。主要系统架构由光电感烟探测器、控制器、数据传输和通信模块、报警和应急响应设备、智能算法和分析功能等组成，系统架构如图1 所示。

图1 系统架构

其中，光电感烟探测器是光电智能火灾探测系统的核心组件，它采用光电原理，通过检测烟雾、可见光和红外辐射等参数来判断火灾的发生。光电探测器能够及早检测到火灾产生的烟雾和燃烧物，并发出相应的火警信号。光电感烟探测器是根据火灾时烟雾对光传播的特性进行设计的，一般分为遮光型和散射型两种类型。

其次，控制器是光电智能火灾探测系统的中枢。它接收光电探测器传来的火警信号，并进行处理和分析。控制器可以对火警信号进行验证，排除误报情况，并触发相应的报警响应措施。

另外，数据传输和通信模块可以将火警信号和其他信息传输给指定的监控中心、消防部门或其他管理人员。通信模块可以使用有线或无线方式与外部系统进行数据交换和远程控制。

以及，报警和应急响应设备，一旦探测器检测到火警信号，并经由控制器验证，系统将触发声光报警设备进行警报和提醒，同时可自动启动相关的应急设备，如喷淋系统、紧急疏散指示灯和通风设备等。

最后，智能算法和分析功能，可以对火警信号进行实时分析和处理，提高探测器的灵敏度和准确性，同时可以识别火灾类型、火势等级，并根据情况采取相应的措施。

2.2 系统原理设计

光电智能探测系统是一种利用火灾烟雾对光产生吸收和散射作用来探测火灾的装置。根据烟粒子与光的相互作用，产生两种不同的过程分别是，烟粒子可以发生散射，即以同样波长再辐射已接收的能量，并在不同方向上产生不同强度的辐射；同时，光也可以被吸收，并转变成其他形式的能量。为了探测烟雾的存在，可以使用减光型探测法或散射型探测法。其工作原理如图2 所示。

光电智能探测系统的光电感烟器主要由发光元件和受光元件组成。在点型光电感烟探测器中，收发元件被安装在一个小的暗室内，烟雾可以进入暗室但光线却不能进入。而在光束对射感烟探测器中，收发元件被安装在开放空间中，用于检测光路上的烟雾。在可见光和近红外光谱范围内，对于黑烟，光主要以吸收为主，而对于灰、白烟，则主要是散射起作用。

根据烟雾粒子对光的吸收和散射作用，光电感烟式火灾探测器可分为减光式和散射光式两种类型。减光式探测器通过检测光通量的减少来判断烟雾浓度，并进一步进行阈值放大比较、类比判断处理或火灾参数运算，最终产生相应的火灾信号。散射式探测器则是通过散射光产生的光电流变化来判断烟雾的存在，并用于激励遮光暗室外部的信号处理电路，发出火灾信号。不同的处理方式和数据处理方式，可以构成不同类型的火灾探测器，如阈值报警开关量火灾探测器、类比判断模拟量火灾探测器和参数运算智能化火灾探测器。

根据接收管接收到的光强弱，光电智能探测系统就可以判定是否存在烟雾或其他干扰项。主要根据光散射理论，颗粒的光散射特性受其形貌、大小和折射率的影响，并结合多种颗粒光散射模型，如光散射理论颗粒球形模型、烟颗粒分型结构模型、体积随机填充粉尘颗粒模型等，实现光电智能探测系统的感烟判断功能。形成如图3（a）、（b）和（c）所展示的油滴悬浮颗粒、火灾烟雾颗粒和粉尘悬浮颗粒的模型示意图。油滴悬浮颗粒是由挥发的油脂、烟焦油等组成的近似球形颗粒，在大气中存在。相关实验表明该油滴粒径分布在0.5～10 μm 之间，计算中选取了油滴典型分布的中位径为b=1 μm。同样，通过实验表明水汽颗粒的典型分布中位径也为b=1 μm。

图3 颗粒模型示意

其中，火灾烟雾颗粒是具有近似分形结构、基本粒子数近似服从对数正态分布、空间随机取向的烟颗粒群，其结构尺寸参数满足公式（1）所示。

式中：N 为烟颗粒中的基本粒子数；kf为分形前置因子；Rg为烟颗粒的质量回转半径；a 为基本粒子半径；Df为分形维数。

通过公式（1）可知，当其他参数确定时， 烟颗粒的尺度大小由凝团的基本粒子数决定。

根据查阅相关文献，公式中采用分形前因子kf=3.77，分形维数Df=1.85，基本粒子半径a=30.8 nm，折射率为1.54+0.46i。

粉尘悬浮颗粒由于产生的机理和环境不同，是各种有机物和无机物等复杂成分构成的一种随机结构颗粒，根据相关文献，计算中取d=2 μm。

香烛与酥油灯产生的烟雾颗粒实际上与火灾烟雾颗粒相同，都属于物质燃烧后产生的烟雾，但其显著的特点是与实际火灾烟雾的浓度增量不同，一般室内香烛量小，且环境半开放，产生的烟雾浓度小，增量低。对于古建筑中常见的酥油灯、香烛火，这些烟雾不属于火灾报警范围。

光电感烟探测器采用探测烟雾粒径的方法区分非火灾颗粒。该方法通过检测光散射矩阵， 区分火灾烟雾颗粒和非火灾烟雾颗粒，可减少非火灾烟雾颗粒引起的误报。同时采用烟雾浓度变化方式区分香烛燃烧产生的非火灾烟雾。

2.3 光电智能火灾探测系统设计

针对于当前古建筑火灾探测技术的特殊需求问题，结合系统原理设计，提出了一种独立式双光电智能火灾探测系统，该系统采用基于一体化注塑迷宫方式进行了扬尘颗粒极强拒入机构设计，通过使用双向双波段颗粒识别技术可区分出黑烟、白烟以及水汽、灰尘、香烛火、酥油灯、焚香等干扰，以及基于粒径特征和烟雾浓度的智能火灾探测算法实现高效智能感烟探测功能。

2.3.1 扬尘颗粒极强拒入机构设计

传统的烟雾迷宫设计只设计了防虫网、遮光齿和迷宫体部分。防虫网的作用是阻止小型的飞虫或爬虫进入迷宫干扰烟雾探测。遮光齿的作用是阻止外界光线进入迷宫干扰烟雾探测，并且起到一定的混烟作用。但是这些部件无法有效阻止扬尘或灰尘颗粒进入迷宫干扰烟雾探测。因为如果直接阻止灰尘，也同样会阻止火灾烟雾的进入迷宫，影响探测器的灵敏度，这也是传统光电感烟探测器无法排除扬尘误报警问题的重要原因[3]。

独立式光电智能火灾探测系统设计了扬尘颗粒极强拒入机构，如图4 所示，采用不同于传统方案的平面角，采用空间角度设计，通过上盖限位，迷宫腔体与PCB 紧密扣合，形成封闭腔体，相对于传统迷宫、防虫网组装为一体的设计，将防虫网和迷宫上盖一体化，解决传统组装方式可能带来的缝隙隐患，从而提升产品扬尘颗粒拒入能力。

图4 扬尘颗粒极强拒入机构

2.3.2 基于光电二极管（LED）的典型颗粒特征提取及区分技术

当前通过激光探测颗粒粒径并进行分析的烟雾或粉尘探测器技术已较为成熟，但由于成本过于高昂，不适用于文物建筑消防场合。利用成本较低的LED 光源取代激光进行粒径分析更为可行。然而，相比于激光，LED 聚光性较差，造成光信号的采集和分析存在一定困难，降低了粒径识别的准确性，需要从光源选择、光路设置、感光元件及其转换电路等多方面进行改进优化，其中受限空间典型火灾颗粒生成与运输过程如图5 所示。同时，现有文物建筑内典型火灾烟雾及干扰源颗粒的特征差异并不显著，相关数据存在缺失，成为制约粒径识别准确率提高的关键因素。

图5 受限空间典型火灾颗粒生成与运输过程

根据发射光与散射光的夹角，即散射角，可将产品探测类型分为前向散射和后向散射，如图6 所示。散射角θ 的定义为：入射光光轴与粒子散射光光轴的夹角。根掘散射光与入射光的相对方向可分为前向散射与后向散射，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。

图6 散射强度和散射角度关系示意

烟雾粒子散射特性：

（1） 散射不对称：前向散射明显强于后向散射；（2） 粒子颜色对散射强度的影响：白烟散射光强度强于黑烟。

基于光波的散射原理，不同发射角度的双波段光电二极管烟雾传感器，可放大悬浮颗粒特征，并结合不同应用下的数据模型，可以有效地区分出黑烟、白烟以及水汽、灰尘、香烛火、酥油灯、焚香等干扰。

2.3.3 基于粒径特征和烟雾浓度的智能火灾探测算法

火灾烟雾主要分为两个大类，即白烟和黑烟，如图7 所示。

图7 火灾的黑烟与白烟

白烟定义：民用场所，所使用的日用品、装饰材料多为棉毛制品，在发生火灾时产生的烟以灰白色为主，所以定义棉织品或木材制品火灾时产生的烟雾统称为白烟。既GB4715 中火灾灵敏度火灾中的SH1 和SH2 实验火。

黑烟定义：建筑室内装修及用品中大量使用化纤、塑料制品，在燃烧时会产生大量黑烟，所以石化产品火灾时产生的烟雾统称为黑烟。既GB4715 中火灾灵敏度火灾中的SH3 和SH4 实验火。

前向光电感烟探测器对白烟响应灵敏度较高，对黑烟响应灵敏度较低。即使设计合理的前向散射光电火灾探测器，为了通过SH3 和SH4 黑烟试验，不得不把探测器的响应阈值调得很小，对应的m 值往往小于0.15 db/m（白烟情况下m 值）。过小的m 值给产品一致性和标定带来了不少的困难。但即使是通过了黑烟试验，也是响应很慢的情况下，黑烟接近最高点时才报警。

后向光电感烟探测器对黑烟响应灵敏度较高，对白烟响应灵敏度较低。比较容易解决黑烟灵敏响应的问题。后向散射光电感烟探测器最高可以在m 值设置为0.5 db/m（白烟情况下m 值）时，还能很好地通过SH3 和SH4 黑烟试验。

为此根据前向感烟探测器和后向感烟探测器对于黑白烟的不同灵敏度，设计一款双向感烟探测器，从而提高白烟报警阈值的同时可以保证黑烟的灵敏度。

具体为根据双向探测器在黑白烟情况下对于烟雾的不同灵敏度，即前向探测区域对于白烟敏感、黑烟不敏感以及后向探测区域对于黑烟敏感、白烟不敏感的特性，通过对黑白烟的烟雾测试验证，建立对应的模型，通过前后向的数据值判断出当前的具体烟雾种类，并根据烟雾种类进行烟雾浓度的判断，当烟雾浓度超出阈值时，产品进行报警。

3 结论

本文设计的独立式双光电感烟火灾探测系统，主要是通过扬尘颗粒极强拒入机构的设计、典型颗粒特征的提取和区分、前后向黑白烟探测的设计和算法应用，可以较好地区分火灾烟雾和一定量的水汽、香烛火、酥油灯、焚香和油烟等功能。该探测系统可以保证火灾探测的灵敏度，并适用于建筑物内部的各个场所。尤其是解决了藏区文物建筑采用传统光电感烟探测器时在面对粉尘、香烛、焚香和煨桑等烟雾时出现误报警问题的情况，同时也解决了传统光电感烟探测器对标准火灾烟雾响应不均衡的问题。因此，该探测器基本可以满足藏区古建筑火灾探测和报警需求。