隧道点型火灾传感器监测盲区的测试及消除方法研究

0引言

公路隧道火灾事件的监测技术通常分为两大类:一类是以线型感温光纤为代表的连续型监测技术,在隧道内拱顶位置连续布设感温光纤,感知火灾发生时的高温烟气实现火灾报警[1],由于监测响应时间较长及灵敏度较差,工程中应用越来越少;另一类是以双波长或三波长火焰探测器为代表的点型火灾监测技术,在隧道单侧侧墙上按50 m等间距布设点型火灾传感器,探测火灾发生时火焰发出的特定微米波长光波进行火灾报警[2],具有响应灵敏度高、维护方便快捷(无须占道)等优点,逐渐成为公路隧道火灾监测的主流技术。

值得注意的是,双波长或三波长火焰探测器这类点型火灾传感器的监测范围容易受初始安装角度不当或运行中外力作用(如清洁维护、车辆擦挂等)影响[3]形成监测盲区,或某些位置的火灾事件无法被传感器探测到,从而给隧道安全运营带来长期隐患。因此,无论是新建隧道安装施工还是运营隧道定期检修,都应当测试点型火灾传感器是否存在监测盲区并及时消除盲区。

目前,学者围绕隧道火灾点型监测技术开展了大量研究,张美俊深入剖析了双波长火灾报警系统在实际隧道工程应用中的不足,进而提出考虑多种可探测波长来进一步提升系统稳定性以及增加传输模式的建议[4]。周璟军从工作原理、报警响应时间、误报漏报率等角度对城市道路隧道使用的双波长火焰探测器和图像型火灾探测器进行了分析[5]。马庆禄等人针对传统点型火灾探测算法存在的及时性与准确性难以兼顾问题,研究隧道火焰初期图像的静态和动态特征,提出了基于红外热成像的公路隧道火灾初期火焰检测方法[6]。关于隧道点型火灾监测的盲区研究较为少见,代表性成果为徐玉龙在某河底隧道主洞消防设计中采用双波长火焰探测器和光纤光栅火灾探测器同时布设的方式,避免单一点型火灾探测传感器可能存在探测盲区的问题并提高可靠性[7]。由于双波长或三波长火焰探测器的探测范围很难以图像形式直观展现,其在隧道内安装后是否存在监测盲区的判断就显得尤为困难,开展盲区测试技术研究并提出盲区消除方法具有重要的现实意义。

1 监测盲区测试装置

隧道点型火灾传感器的监测盲区测试装置主要由角度投射器、火源模拟器、可视化单元等三部分组成。

1.1角度投射器

角度投射器由圆形套筒、柔性垫筒、支架、红光瞄准器、斜撑、滑动套环、投射角度标尺、圆环状滑槽等部件构成,如图1所示。

其中,圆形套筒用于将角度投射器安装固定在点型火灾传感器外表面,安装后圆形套筒中心轴线与点型火灾传感器中心光轴重合;圆形套筒前端设有圆环状滑槽。柔性垫筒由多个厚度不同的管状物组成,用于填充圆形套筒与点型火灾传感器之间的空隙。红光瞄准器采用可视点光源,其出射光轴与支架完全重合。若干个等长支架设置在圆形套筒外围,前部安装有红光瞄准器,中部通过斜撑与滑动套环等间距连接,后部与圆形套筒后端等间距连接。同时,支架与圆形套筒的夹角至少在0~60°范围内连续可调。滑动套环与斜撑、斜撑与支架、支架与圆形套筒后端均采用活动铆钉连接;滑动套环可沿圆形套筒平滑移动,移动过程中各支架与圆形套筒的夹角始终保持相等,当前夹角由投射角度标尺进行指示。

1.2 火源模拟器

火源模拟器由发光箱体、卷筒、支撑件、遮光幕布、锁紧件和滑槽等部件构成,如图2所示。发光箱体只有一个发光面,可发出火焰波长范围内的光来模拟火源。卷筒设置在发光箱体的四周,可沿与支撑件垂直连接的中心轴旋转,将遮光幕布卷起。遮光幕布可进行收卷和拉放,通过四块遮光幕布的遮挡改变发光箱体的发光面尺寸。锁紧件位于遮光幕布两侧,可沿着滑槽移动带动遮光幕布运动,在达到预定位置后可与滑槽锁定。

1.3 可视化单元

可视化单元由广角摄像机、无线路由器和手持式终端构成,如图3所示。广角摄像机的视场角至少为120°,采集的图像分辨率不低于2592 ×1944像素,具有无线图传功能,通过安装支架与圆形套筒前端的圆环状滑槽连接固定,安装后其中心光轴与圆形套筒中心轴线完全重合,用于实时采集前方空间图像。手持式终端具有多路图像无线接收、处理和存储功能,并支持人机交互。

2 盲区测试及消除关键技术

2.1 总体思路

采用本文监测盲区测试装置,实现隧道点型火灾传感器监测盲区测试及消除的总体思路如图4所示,主要步骤包括:

step1:现场测试点型火灾传感器的探测角θ₀。

step 2:将隧道内点型火灾传感器沿行车方向依次编号为1,2,…,Num,并初始化变量k=1。

step 3:在第k、k+1个点型火灾传感器上分别安装角度投射器和广角摄像机,将实时图像通过无线路由器同时接入手持式终端。

step 4:根据探测角θ0在手持式终端上划定广角摄像机的关键视场区域并显示。

step 5:根据工程实际需求,在隧道两侧侧墙上标记监测区域边界线及关键点。

step 6:查看两广角摄像机的关键视场区域是否连续覆盖隧道两侧标记的上下边界线和关键点;若是,则判定火灾监测范围无盲区,执行step 7;若否,则判定火灾监测范围存在盲区,如图5所示,须适当调整点型火灾传感器安装间距和角度,直至消除火灾监测盲区。

Step 7:判断k≤Num—1是否成立;若是,则k 自增1后转Step 3;若否,则拆除点型火灾传感器上的角度投射器和广角摄像机后结束调试过程。

2.2 点型火灾传感器探测角测试

对Step1中火灾传感器探测角θ0测试这一关键技术,由以下详细步骤实现:

S1:将角度投射器安装在隧道内某个点型火灾传感器上,设定支架与圆形套筒的夹角即投射角T为一非零值,在隧道路面及侧墙上形成由各红光瞄准器射出光点围成的投射区;同时,将标记Flag置0。

S2:将火源模拟器置于投射区边界处,根据点型火灾传感器对火焰最小尺寸要求调节其发光面大小。

S3:观察点型火灾传感器是否报警;若是,则将当前投射角记录为Tnow,Flag置1,复位报警器,增大投射角T得到新的投射区后,执行S2;若否,则执行S4。

S4:判断Flag是否等于1;若是,则按θ0=2Tnow计算点型火灾传感器探测角实测值θ0;若否,则减小投射器角T得到新的投射区后,执行S2。

需要注意的是,步骤S1中,应选择外观良好且功能正常的点型火灾传感器,必要时可采用火把测试点型火灾传感器的报警功能是否正常。步骤S2中,在移动火源模拟器至投射区边界过程中,火源模拟器应处于断电及不发光状态,待火源模拟器在投射区边界稳定放置后,再打开火源模拟器电源使其正常发光。

2.3 广角摄像机核心视场区域划定

对于step 4中核心视场区域的划定,需事先建立以广角摄像机图像中心为圆心的圆形区域像素半径与显示视场角之间的映射关系。然后根据映射关系和输入的探测角θ₀求解实时图像的圆形区域像素半径r0,进而将以图像中心为圆心、像素半径为r0的圆形区域划定为广角摄像机的核心视场区域。手持式终端上显示实时图像的核心视场区域,图像其余区域全部显示为单一纯色,如图6所示。

2.4 监测区域边界线及关键点标记

对step 5中边界线及关键点的标记,按照工程实际明确点型火灾传感器探测空间在高度方向的要求为:上边界距离路面高hup、下边界距离路面高hdown。据此在隧道两侧侧墙上高hup和hdown处分别水平连续粘贴具有一定宽度且含长度信息的彩色胶带。

在点型火灾传感器安装侧的侧墙上,标记高度为hup且距点型火灾传感器水平距离为lup的位置,以及高度为hdown且距点型火灾传感器水平距离为ldown 的位置为关键点,lup和ldown的计算式为:

式中:l0为点型火灾传感器的有效探测距离;h0为点型火灾传感器距离路面的高度。

在点型火灾传感器安装对侧的侧墙上,标记高度为hup且距点型火灾传感器水平距离为lup'的位置,以及高度为hdown且距点型火灾传感器水平距离为ldown'的位置为关键点,lup'和ldown'的计算式为:

式中:wup为点型火灾传感器到对侧侧墙hup高处的水平最短距离;wdown为点型火灾传感器到对侧侧墙hdown高处的水平最短距离。

3 结束语

本文提出了一种隧道点型火灾传感器监测盲区可视化分析与消除的新思路,为隧道点型火灾传感器的施工安装调试与运营管理维护提供了新的方案。未来研究可进一步结合人工智能技术,实现盲区识别的 自动化与智能化,并在实际隧道工程中开展示范应用,以验证其普适性和稳定性。此外,探索多传感器协同监测与数据融合技术,有望进一步提升隧道火灾监测系统的综合性能,为智慧交通与消防安全领域的发展提供新的技术支撑。

[参考文献]

[1]卢毅,田芳,陈建忠,等.公路隧道火灾灾情监测技术现状及展望[J].公路交通技术,2021,37(增刊1):83—86.

[2]王昕,陈靖.高速公路长隧道火灾探测装置优化设计[J].中国科技信息,2023(6):89—91.

[3]祖耕余.高速公路隧道火灾报警系统解决方案探讨及提升[J].中国交通信息化,2024(6):129—131.

[4]张美俊.双波长火灾报警系统在高速公路中的应用[J].中国交通信息化,2022(增刊1):418—420.

[5]周璟军.城市道路隧道点型红外火焰与图像型火灾探测比较分析[J].交通科技,2020(6):128—129.

[6]马庆禄,马恋,孔国英,等.基于红外热成像的隧道火焰检测技术研究[J].火灾科学,2022,31(4):244—251.

[7]徐玉龙.临沂市三河口隧道火灾报警系统设计与安装[J].中国高新科技,2022(3):115—116.

《机电信息》2025年第19期第11篇