多类型高速公路隧道火灾自动报警系统的优化与融合

■程 竞

(福建省高速公路集团有限公司福州管理分公司机电维护中心，福州 350001)

1 引言

福建省高速公路经过20 余年的建设发展，目前总里程已超5000km，由于福建地形多属于山岭重丘区，高速公路穿山越岭，隧道众多，一旦发生火灾必须在短时间内采取有效应急措施以避免事故扩大。 目前我省中等长度以上的高速公路隧道均按照国家、 行业规范安装了火灾自动报警系统，及时总结火灾自动报警系统优化、融合方面的经验， 并对未来的发展方向加以探讨， 是十分必要的。

2 高速公路隧道火灾的特点及对自动报警系统的技术要求

高速公路隧道火灾成因和过程存在其自身特点，隧道环境特殊性及来自交通秩序管控的限制也对火灾自动报警系统提出了一些特殊要求，具体分析如下：

2.1 高速公路隧道火灾特点及特殊影响因素

(1)火灾类型及燃烧特性多样化

根据多年来在运营实践的观察以及国内相关研究结果，高速公路隧道火灾成因多样，火灾发展速度，明火、烟雾出现时间及先后顺序因起火原因、 燃烧物质的不同而呈现明显差异性， 例如小型车辆因碰撞事故导致的车辆电路、油路起火，通常在较短时间内出现剧烈明火燃烧，而中重型载货车辆因轮胎过热、货物自燃引发的火灾，因厢式车体和叠压货物的阻隔作用， 出现明显可见的明火和热气团之前可能产生大量烟雾， 对火灾自动报警系统的及时触发，准确定位造成了一定的挑战。

(2)报警可靠性、及时性要求苛刻

图1 公路隧道火灾事故起因分析统计[1]

高速公路隧道车速快，车流量大。隧道属于半封闭空间，人员疏散、排烟通风较为困难，发生拥堵后施救车辆难以接近事故点。短时间内交通管制手段有限，一旦火灾报警延迟、漏报，易引发二次事故和人员、车辆滞留洞内等严重灾情。

(3)隧道风干扰报警及时性、准确性

高速公路隧道内因受自然风、车辆交通风、机械强制通风等因素影响，通常常年存在隧道风，在某些情况下可超过10m/s 的常规限值， 隧道风对火灾的热气团产生稀释、降温作用，分布式光纤感温火灾探测系统报警响应时间常常因此延长， 同时因隧道风将火灾热气团吹离起火位置，传感器的报警位置可能发生显著偏移，影响对火点的准确定位[2]。

(4)粉尘污染干扰报警可靠性

隧道内存在车辆尾气粉尘、尘土沉积，可能对光学型火灾自动报警系统的光学窗口造成污染， 影响报警灵敏度和作用距离，并可能对设备内部造成污染。

(5)环境季节温差影响感温报警

隧道内一年之中最大温差可达40～50℃， 火灾自动报警系统特别是感温型系统需随时适应环境温度的变化。

(6)日常维护作业受到限制

为确保行车和作业安全， 高速公路隧道登高作业需进行安全布控，开展点火试验需封闭单洞，对火灾自动报警系统的后期维护、检测造成一定困难。

2.2 高速公路隧道火灾自动报警系统的特殊要求

(1)报警及时性、可靠性必须得到保证

根据《火灾自动报警系统设计规范》(GB 50116-2013)等要求，公路隧道火灾报警反应时间应在60s 以下，以便隧道交通监控部门及时发现隧道火灾， 为采取有效的交通管控、引导疏散、通知救援等措施争取宝贵时间，避免事故扩大。

(2)应具备抗隧道风干扰能力

火灾自动报警系统应在存在较强隧道风的情况下仍能及时触发报警、较准确地定位火点。

(3)应具备在粉尘环境下稳定运行的能力

火灾自动报警系统应对隧道粉尘沉积的情况具备一定的容许度，双/三波长光学型报警器应可通过自动或人工擦拭的手段清洁光学窗口， 同时暴露在隧道内的设备应具备IP65 以上防护能力，确保在长期运行中不发生内部污染、腐蚀。

(4)要能够自动适应季节温差变化

感温式火灾自动报警应能根据自然温度变化实时调整定温报警基准温度，以差/定温报警复合的形式实现及时准确报警， 避免环境温度变化导致系统发生虚警或漏报。

(5)需为运营维护提供模拟试验手段

在日常运营中， 火灾自动报警系统应尽可能为测试提供可不封闭车道的模拟试验手段， 以确保系统始终保持在稳定可靠状态。

3 当前主流隧道火灾自动报警系统设备原理及特点

根据《火灾自动报警系统设计规范》(GB 50116-2013)12.1 的规定，公路隧道应采用线型光纤感温火灾探测器、点型红外火焰探测器或图像型火灾探测器， 过去曾在公路隧道使用的热敏合金线型火灾探测器、 空气管式火灾探测器等产品已被淘汰，不再进行讨论。本文重点对分布式光纤感温探测系统、光栅光纤感温火灾探测系统、点型双/三波长光学火焰探测器以及图像型火灾探测器进行原理分析和对比。

3.1 主流公路隧道火灾探测系统工作原理简要分析

(1)光栅光纤感温火灾探测系统

布拉格(Bragg)光栅是纤芯中具有折射率周期性变化的结构，只反射入射光中波长满足布拉格衍射条件的光，环境温度变化引起光栅布拉格波长的漂移， 通过检测波长移动量可测得光栅处环境温度[3]。 光栅光纤火灾探测系统通过将布拉格光栅封装成感温探测单元，用单模光纤、套管等元件熔接串连起来， 形成多探测单元的感温火灾探测系统。

(2)分布式光纤感温探测系统

采用感温光纤作为感温部件， 利用光纤的背向拉曼散射(RAMAN SCATFORING)的温度效应进行测温，通过光时域反射(OTDR)技术对温度在线型空间上的分布进行定位，探测出光纤线型空间分布上不同位置温度的变化。

(3)双/三波长光学火焰探测系统

通过检测火焰辐射出的典型波长光(如火焰中的CO2发出的波长为4.4μm 特征辐射峰),同时检测背景辐射波段滤除环境干扰，配合对火焰特征闪烁频率(1～15Hz)的检测来探测火焰[4]。 近年来也有一些产品使用220～280nm中紫外波段传感器以滤除太阳造成的复杂背景干扰，进一步提高抗干扰性能。

(4)图像型火灾探测系统

图像型火灾探测器采用特种摄像机拍摄火焰、 烟雾的红外与可见光的视频图像， 由处理单元通过智能算法对视频图像中火焰、烟雾的位置移动、面积变化、边缘尖角、色彩特性以及频闪脉动等特征进行分析，滤除灯光、阳光等干扰，实现对火灾的报警。

3.2 主流火灾自动报警设备的技术指标对比

(1)主要技术指标对比

上述4 类火灾自动报警系统，根据其检测原理、安装方式的不同，在报警反应速度、空间检测精度、误报率、漏报率等方面各有优缺点， 以表格形式进行简要的定性分析对比：

(2)综合性能评价

①光栅光纤感温火灾探测系统：安装工作量较大，报警反应速度与起火点定位精度受隧道风速影响较大。 漏报率、误报率需通过现场调试进行控制，进入运营期后运行较稳定，漏报率、误报率低。日常维护工作量小，但光栅光纤受损后维修较为复杂， 难以采取对感温元件实际加温的方法进行模拟测试。

②分布式光纤感温探测系统：安装工作量较大，报警反应速度与起火点定位精度受隧道风速影响较大。 漏报率、误报率需通过现场调试进行控制，进入运营期行后运行较稳定，漏报率、误报率低。日常维护工作量小，但光栅光纤受损后维修较为复杂。 由于感温光纤为分布式连续结构，可在光缆引下位置预留测试段光缆，易于采用人为实际加温的方法对感温光纤进行模拟测试。

表1 各类火灾自动报警系统主要技术指标对比[5]

③双/三波长光学火焰探测系统： 安装工作量小，不受隧道风速影响，报警速度高，起火点定位精度高。 但在火源阴燃、烟雾、障碍物阻隔火源等情况下存在一定的漏报可能。 运营期需要视隧道粉尘沉积速度定期人工擦拭光学窗口，受简单培训的技术人员即可完成故障维修。可使用光学检测信号发生器或小型火源开展模拟测试。 目前在福建省高速公路隧道得到广泛使用。

④图像型火灾探测器：安装工作量小，在火源阴燃、烟雾、障碍物阻隔火源等情况下存在一定的漏报可能，需定期人工擦拭光学窗口。故障维修简单。目前在福建省尚未有工程应用实例，故其报警反应速度、误报、漏报率以及运营期测试手段尚不明确。

4 福建省高速公路工程应用情况与优化、 融合实践

福建省高速公路自2001 年开始大面积安装使用隧道火灾自动报警系统， 早期主要使用双波长红外火焰探测系统与热敏合金线型火灾探测系统，2010 年左右逐步淘汰热敏合金线型火灾探测系统， 推广光栅光纤感温火灾探测系统与分布式光纤感温探测系统， 目前福建省高速公路普遍采用双波长红外火焰探测系统、 光栅光纤感温火灾探测系统与分布式光纤感温探测系统三种类型的设备。在长期建设与运营中，三种隧道火灾自动报警系统总体运行稳定可靠，同时在设计、建设、运营实践过程中，福建省高速公路运营管理部门在优化融合隧道火灾自动报警系统方面也开展了一些卓有成效的工作， 明确了进一步提升的方向，具体有：

4.1 融合、优化人机界面，完善火灾报警集中显控功能

近年来福建省高速公路道路监控业务普遍实施了一地(市)一中心的整合，监控里程大为提高。 高速公路福州管理分公司于2017～2018 年开展了火灾自动与手动报警系统的优化整合工作， 整合了福州地区180 余千米监控隧道的双波长红外型、光栅光纤感温型、分布式光纤感温型三种火灾自动报警设备以及手动报警设备， 实现了全市高速公路隧道火灾报警系统在一套软件界面上进行显示、控制。通过采取优化人机界面，增设声光报警器、对一般故障与火灾报警的声、 光信号进行差异化设置等优化改进措施， 改变了以往多种报警终端并行， 各类信息混杂，监控人员忙于查看处置的局面，进一步提高了值班监控人员对火警信号的反应敏感度和反应速度。 目前该系统投入运行已6 个多月，系统运行稳定，监控人员工作效率得到提高，对地(市)道路监控业务集中化改革后的火灾报警系统建设具有示范意义。

图2 整合后的综合火灾报警管理系统软件界面

4.2 优化传输架构，实现火灾报警信号传输、显示冗余互备

针对整合后道路监控集中程度提高的情况， 高速公路福州管理分公司把提高火灾报警系统可靠性， 优化数据传输架构作为重中之重， 充分利用目前各类火灾自动报警设备主机具备双上传接口的特性，统一规划，将以太网通道作为火灾报警系统向统一道路监控软件上传报警信号的通道，将RS232 串口通道作为火灾报警系统向集中火灾报警软件上传报警信号的通道， 两套信号传输系统并行、两套显控软件同时工作，实现冗余互备，最大限度地避免因传输系统故障导致火警信号无法上报的情况，优化了火灾报警系统在的可靠性。

图3 整合改造后的隧道火灾报警系统架构

4.3 复合使用不同类型的火灾自动探测系统， 实现性能优势互补

双/三波长光学火焰探测系统具有安装维护简便，报警反应速度高、定位精度高、测试简便等优点，光栅光纤感温火灾探测系统与分布式光纤感温探测系统具有误报、漏报率低，日常维护工作量小的优点，在今后的建设和改造中， 可在有条件的隧道尝试复合部署两种类型的火灾自动探测系统，发挥两类系统优点，弥补各自缺陷，进一步提高火灾自动探测系统的整体可靠性。

4.4 深入挖掘现有火灾自动探测系统潜力，提高实际应用效能

现有火灾自动探测系统虽然在单点信号采集、 数据分析方面已较为成熟，但在应用综合智能数据分析、多传感器补偿等手段方面尚有较大提升空间， 针对线型光纤感温火灾探测系统在隧道风速较大的情况下报警反应时间偏长、起火点定位精度下降的问题，可采取以下改进措施在抑制虚警的同时提高系统能力：

(1)将单纯采集分析温度数据扩展为多种物理量综合采集分析，例如在隧道内设置风速传感器采集风速信号，根据风速大小适当降低差/定温信号报警门限，提升报警反应速度。

(2)将单点感温探测扩展为多点探测矩阵，结合人工智能数据分析，使系统具备对火点的动态感知能力，结合风速等传感器提供的多种物理量数据， 提高起火点定位精度。

(3)加强对温升速率数据的重视与利用，将温升速率参数加入分析算法， 充分利用传感器温度分辨率， 弥补差/定温数据触发数值较大，敏感度不足的问题，提高火灾发生初期尚未形成较大温升阶段的报警速度。

5 结束语

高速公路隧道火灾自动报警系统是高速公路运营管理部门赖以及时发现、处置隧道火灾事故，减少驾乘人员生命财产损失的重要技术装备，把握技术发展方向，因地制宜优选方案，建好、维护好这一系统，通过建设复合管理平台，促进其更加灵敏、可靠，将是高速公路技术部门长期的重点工作方向。