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摘要：針對礦用鉸接式卡車火災，提出選用熱釋離子探測器、紅紫外復合探測和光纖探測器3種方式探測火災。對3種探測器的選用原因進行詳細闡述，對傳感器的觀測數據進行融合處理，將紅紫外、熱釋離子和光纖的特征向量抽取融合，形成探測系統的算法。參照瑞典SP5320《重型車輛機艙火災探測系統試驗方法》搭建試驗平臺，經過現場測試，設計的礦用鉸接式卡車火災探測系統在不同工況下，15s內均能發出警報，遠超規范2min的要求，效果良好。

關鍵詞：鉸接式卡車；火災探測；熱釋離子探測器；紅紫外復合火焰探測器；光纖探測器

中圖分類號：U463.68   文獻標識碼：B     文章編號：1671-2064(2023)19-0046-04

0引言

礦用鉸接式卡車為重型大型車輛，大多長度超過11m，重量多在40t以上，價格昂貴。鉸接式卡車為燃油動力設備，發動機運行時發熱量較大，加之內部電器故障、漏油、雜物積累等火災因素，一旦發生火災，存在燃燒速度快、火災載荷大、難撲救等特點^[1]。同時，國內專用的礦用重型車輛火災探測與滅火標準缺失，研究該類火災探測的專業機構和企業較少。因此，在礦山惡劣環境中，開展礦用鉸接式卡車火災早期有效探測研究工作需求較為迫切。

1鉸接式卡車火災探測系統設計

通過前期對礦用鉸接式卡車火災發生機理、特點及過程的了解和分析，在此基礎上確定重型鉸卡發動機艙火災探測和起火點空間分布特征量，結合模擬仿真驗證平臺和現場測試，提出重型鉸卡發動機艙火災探測系統整體設計方案，對系統擬采用關鍵技術開展論證，以完成新型專用鉸卡火災探測系統設計。

1.1 系統設計

根據礦用鉸接式卡車火災探測的需求，在對圖像火災、危險氣體、多波段光學、離子等探測技術研究的基礎上，從穩定性、有效性、通用性、耐用性等角度出發，結合礦用鉸接式卡車火災發展過程和探測機理，分別開展了紫外線、紅外線、熱釋離子、熱敏管、光柵及光纖感溫等技術的仿真實驗和現場測試。針對礦用鉸接式卡車惡劣工況環境，系統探測設計選用熱釋離子、紅紫外復合和光纖探測器的多傳感器融合方案，形成模糊邏輯判決算法，最終采用危險等級的方式進行呈現。在系統結構中充分體現了分布式處理思想，采用嵌入式雙核DSP設計，具有鉸卡火災自動探測、多火識別、溫度分析等功能^[2]。

1.2 重型鉸卡熱釋離子探測器

通常，火災在早期階段會產生大量煙霧，煙霧是由熾熱微小顆粒和微粒群組成的氣態高溫產物。礦用鉸接式卡車機艙內部構件較多，對于圖像型火災探測障礙物較多，無法消除的探測盲區較多。整套探測系統為加裝式，不能影響鉸卡的正常運行，且需考慮鉸卡定期維護的便捷性。因此，煙霧探測技術可在受限空間內較好地消除探測盲區，被廣泛應用于礦用鉸接式卡車機艙火災探測。

礦用鉸接式卡車機艙處于高粉塵環境，吸氣式感煙火災探測器維護清潔周期較短，需定期進行吹掃處理，系統運營維護成本較高。易受車輛行駛、礦區灰塵等外部環境的氣流影響，發生誤報。同時，受礦用鉸接式卡車運動氣流和室外氣流影響，煙霧粒子會被氣流稀釋，造成漏報，雖然可以通過提高靈敏度進行有效解決，但增大了系統誤報的風險。

為了在“氣流擾動大且高粉塵的受限空間環境”下，較好地利用火災煙霧特征進行探測，采用“熱釋離子”火災煙霧特征技術。熱釋離子是物質受熱受損時大量產生的，早于煙霧產生時間，在火災征兆時出現。通過熱釋離子的探測，能在燃燒出現征兆時發現火災隱患，實現早期火災的探測。

熱釋離子探測技術利用詹姆斯“凝結核”理論，探索極小空間中云霧形成的條件，解決熱釋離子顆粒的準確檢測問題，有效避免空氣中非熱釋離子顆粒對云霧中熱釋離子顆粒檢測的干擾。云霧式檢測技術涉及云霧形成、凝結核和采樣空氣熱釋離子濃度確定。火災發生時，氣溶膠質粒可形成水汽凝結，從而會產生大量的熱釋離子顆粒或帶電離子。這些物質就是凝結核的物質，通過改變空氣中的能量，這些凝結物質吸收空氣中的水分，形成云霧中的凝結核。

在實際環境中，熱釋離子的粒徑大約在0.1～10nm，而現有的技術幾乎無法直接探測，將熱釋離子在探測器分析室中進行“霧化”，形成粒徑相同、間距相等的“水滴”，再通過激光技術以可見光斑消散速度和強度算法確定燃燒級別發出預警。通過主動采集鉸卡發動機艙區域內的空氣中的熱釋離子，送到分析室中進行分析、處理，實現火災早期預警的功能。該探測器是基于無耗材云室原理實現熱釋離子的探測，預警系統僅分析粒徑為0.1～10nm左右的熱釋離子，可遠遠避開粒徑為400～1200nm左右的粉塵、霧霾、水霧等的干擾。做到真正的靈敏、不誤報，通過測試能較好地適應鉸卡發動機艙所處的高粉塵、高溫環境，且不需要進行定期清理掃吹維護工作。

針對鉸卡發動機艙應用，采樣管路最長為120m，所有樣品空氣均勻、平衡地送到探測分析單元，判斷是否有火災隱患發生。通過空氣動力仿真軟件進行仿真，確定120m范圍空氣采樣的開孔大小，確保采樣空氣平衡。

圖1 管路及吸氣孔設計簡圖

1臺鉸卡采用1條采樣管路，管路上有25個孔，開孔位置同時考慮需要保護的機艙重點部位，并可進行4分區設計，方便火災探測分區管理（如圖1所示）。探測器平均無故障工作時間（MTBF）不低于20萬小時，能較好地適應露天礦區惡劣工作環境。

通過管路和吸氣孔，利用激光通過“凝結核”的散射現象，利用光強度檢測技術和凝結核數量對應的算法，準確算出采樣空氣中的熱釋離子含量。用激光光源照射云室中的云霧，在激光光源穿過云霧后，部分光源會被小水滴反射、折射或散射，通過激光檢測云霧的寬度和厚度，計算云霧中水滴的數量，根據水滴的數量換算成云霧的濃度，分析是否存在火災隱患。

通過現場實驗發現，熱釋離子探測器對帶電熱釋離子顆粒監測極其準確，對非熱釋離子產生的微粒不誤報，尤其是普通的粉塵，因此能適應鉸卡運行的礦山作業環境；減少加水和高成本的過濾器，鉸卡熱釋離子探測器采用自清潔功能，通過兩級過濾器就能滿足系統過濾要求。鉸卡熱釋離子探測器與主流產品對比分析見表1。

表1 鉸卡熱釋離子探測器與主流產品對比分析

項目	國外某品牌吸氣式1	國外某品牌吸氣式2	技術	總結
探測原理	空氣樣本經增濕器加水處理成接近100%濕度，導入云室中，在真空膨脹下形成“云霧”，通過計算云霧遮光率的方法判斷熱釋離子濃度的情況	利用激光束對經過的顆粒是否發生散射原理，發生了散射遮光率就產生了，通過光接收器接收光的強弱信號來判斷熱釋離子濃度	樣品空氣通過云前室處理，再將空氣樣本主動的二次采樣送到云室中，采用溫度和壓力的配合使空氣中的水凝結在被分析空氣中的離子上，形成“云霧”狀，通過可見光斑消散的速度能計算出恒定的云室中的“水滴”的數量，從而計算出粒子的數量，最后得出燃燒的情況	無需加水，誤報率可忽略，準確度和可靠性較高
靈敏度	普通型	高靈敏型	高靈敏型
誤報	可區分真實的燃燒， 技術做到不誤報	對粉塵（如PM2.5） 誤報	可區分真實的燃燒，技術做到不誤報， 同時做到應用防誤報	適用于城門礦區粉塵環境
最大覆蓋面積	2000m2	2000m2	2000m2
自動清潔	無	清洗和探測同時進行依靠風扇吹風進行，還存在很多灰塵殘留角落	定期自動清理核心部件，通過主動 抽高壓氣進行清理，無需更換過濾器	無需定期人工維護， 探測器壽命更長
分區方式	四分區	四分區	四分區	類似
其他	須加離子水， 時長發生堵孔現象	需要定期更換過濾網	/	維護簡單，不需加蒸餾水，不需要定期更換過濾網

1.3 紅紫外復合火焰探測器

火災的發生伴隨著火焰的產生，火焰會輻射含有可見光與不可見光的電磁波。火災探測中一般對不可見光(紅外線、紫外線等)進行探測，與陽光和燈光等輻射區分開。紅紫外復合火焰探測器為具有紫外線和紅外線感應功能的復合器件。

紫外線感應元件工作波段在200nm附近，紅外線感應元件工作波段在4.48um附近^[3]。露天礦區用照明光源大多不產生紫外波段，但考慮雷電、電焊電弧、高壓放電、工藝用紫外燈等情況，為提升系統抗干擾能力，需結合紅外火焰探測進行復合探測，從而減少誤報，提高系統的可靠性。

紅紫外復合火焰探測器的監測特征選取主要包括紅外波段、紫外波段、火焰閃爍頻率、太陽光波段、人工輻射光源、人工輻射熱源進行綜合分析以確定監測參量，如圖2所示。

 

圖2 輻射光譜工作范圍選擇

首先在紅紫外火焰探測器設計與優化中，需開展抗震設計。為解決火焰探測器在礦用鉸接式卡車運行環境應力篩選和加裝車輛發動機艙時出現的核心元器件損壞的問題，需通過結構分析，找出結構中存在的薄弱部位。不可能在紅外管和紫外管結構上進行更改以增強剛度，分別通過結構形式的改進，增加結構的安裝剛度和增加減震緩沖處理的結構，使其在鉸卡運行振動環境中不產生共振和外部力量的沖擊，同時，對固定盤安裝固定方式進行改進。火焰探測器結構綜合考慮選用阻尼法，阻尼材料首選橡膠材料，橡膠材料具有較高內阻，對突然沖擊和振動的吸收具有良好的效果，并且橡膠變形后的恢復力對紅外管和紫外管還有固定作用，增加結構安裝剛度。最后，對于高頻器件，在模具設計中進行屏蔽隔離，避免引入高頻噪聲干擾。

1.4 光纖探測器

鉸卡發動機艙火災發生過程中，溫度變化是至關重要的判斷變量。除人為放火和交運事故等瞬間產生高溫的情況外，大部分的鉸卡發動機艙火災是從早期的陰燃慢慢發展起來的。一般在鉸卡發動機艙火災早期，紅紫外分量、熱釋離子濃度的變化比較明顯，而溫度的變化比較緩慢，往往到了火災的中后期才會出現大規模的放熱現象。在汽車火災前期，溫度數據得出的基本概率賦值與紅紫外分量、熱釋離子濃度的基本概率賦值進行融合時，沖突較大，嚴重影響了融合效果和系統的反應速度。光纖溫度探測和線性測溫電纜是溫度傳感器的兩個突出成就，光纖在電力行業的電纜火災監測中有重要的作用^[4]。光纖可以部分或全部地反射入射光中波長滿足布拉格條件的光，溫度變化使光纖光柵的周期和有效折射率發生改變，而從改變光纖光柵的反射波長，利用波長變化和溫度之間的線性關系，光纖光柵可以作為穩定、抗干擾強、靈敏度高的感溫傳感器^[5]。通過多次仿真驗證實驗發現，使用光柵差溫探測方式能較好彌補上述缺點，能較好地提升溫度參數可融合的意義，大幅提升了系統探測的可靠性。

1.5 鉸接式卡車火災探測系統算法設計

紅紫外火焰探測器受復合采集節點在礦用鉸接式卡車內安裝位置、監測角度、環境情況和車體結構影響較大，易產生較大的波動。因此，如果直接對該數據進行融合，可能會導致系統可靠性差。比如，光線較弱或者被遮擋，火焰基本概率賦值很低，對其他傳感器證據產生持續性沖突；出現意外的火焰（礦區火炬、車外火焰光投入）時，又容易導致證據誤判。因此，采用紅紫外傳感器、熱釋離子前期融合方案，同時加入其他紫外和紅外光敏管參數特征進行分析，提升系統抗干擾能力。比如，紫外計數脈沖下限值是紫外光敏管參數之一，用于判定紫外光敏管是否故障；紫外標準方差報警閾值和紫外自激脈沖平均值響應閾值為查詢值，是真實值的10倍；紅外探測模擬量越限次數閾值用于設置模擬信號電壓超高的樣本數，判定火焰強度參數。

直接對傳感器的觀測數據進行融合處理，紅紫外、熱釋離子和光柵/光纖處理節點抽象出特征向量，每個傳感器獨立具有決策局部，統一經由上位機MCU處理單位完成特征向量的融合^[6-7]。采用多傳感器融合火災探測算法設計，主要結合熱釋離子單位濃度及變化率、紫外傳感器自激脈沖平均響應閾值、紅外標準方差響應閾值、紅紫外強度、溫度等參數進行融合算法設計。這種處理方法數據損失量大、精度最低，但是具有抗干擾能力強的優點。

2鉸接式卡車火災探測系統驗證

瑞典SP技術研究所發布的瑞典SP5320《重型車輛機艙火災探測系統試驗方法》是目前與重型車輛發動機艙場景最為接近的標準，被世界各國廣泛用于重型車輛發動機艙探測測試，如Kiddle、ANSUL等公司的礦用卡車滅火產品均采用該標準進行效果驗證。根據該標準規定的測試場景開展火災探測和滅火有效性驗證試驗，針對探測系統設計了13種火災場景。試驗裝置參照發動機艙進行設計，采用不同厚度的鋼板制成，如圖4所示。

圖4 試驗裝置示意圖

火災探測系統可能由幾個不同的傳感器組成，包括不同類型的熱傳感器、火焰傳感器和煙霧/氣體傳感器的組合。探測器系統的傳感器應放置在距離油盤高度方向至少15cm、水平方向至少5cm外的位置。在不同試驗中傳感器元件的位置、方向和長度以及探測系統的靈敏度設置不能改變，對于吸氣系統和取樣孔的位置、數量、大小以及流量設置在所有測試中必須相同。

探測覆蓋范圍的13次測試火災，必須在點火后2min內探測到。13次測試火災中至少有8次必須同時滿足標準所有要求，作為補充傳感器/探測器可有最多5次測試不符合響應時間測試的要求。在響應時間測試中，快速增長火（見圖5）必須在20s內產生警報或預警，緩慢增長火必須在測試結束前產生警報，不滿足要求的探測器只能作為補充探測器使用。探測系統中熱釋離子探測器、光纖探測器、點型紅紫外探測器的報警時間均在20s內，測試結果見表2，滿足標準關于探測時間的要求，可以應用在整體的探測系統中。

 

圖5 左側緩慢增長火、右側快速增長火

表2 礦用鉸接式卡車火災探測系統探測時間測試結果

編號	火源種類	探測時間 /s
		熱釋離子探測器	光纖	點型紅紫外探測器
				1#	2#
1	快速增長火	14.96	3	4.73	9.99
2	緩慢增長火	9.02	4	瞬時報警	瞬時報警

3結論

在調研礦山工況和國內外消防領域主流探測產品的標準、性能及實施方法的基礎上，構建了多傳感器融合的探測系統，參照瑞典標準SP 5320《重型車輛機艙火災探測系統試驗方法》開展火災探測試驗及驗證，構建鉸卡發動機艙火災探測系統，在模擬仿真平臺上開展探測系統的測試，通過對不同火災位置、通風情況等工況試驗結果的對比發現，該系統能夠滿足大通風量的高強度火災和隱藏火災應用需求，報警響應時間不超過15s，遠超規范要求的2min，效果良好。

參考文獻

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[7] 許鵬.高可靠性火災探測系統設計[J].電子制作,2018(23):11-13.

Design and Verification of a Mine Articulated Truck Fire Detection System

GENG Mengyuan

(Shanghai Beian Industrial Co., Ltd., Shanghai  200032)

Abstract:In this paper, aiming at fires in mine articulated trucks, three methods are proposed to detect fires: pyron detectors, red-ultraviolet composite detectors and optical fiber detectors. The reasons for the selection of the three detectors are explained in detail, by fusing the observation data of the sensors, integrating the feature vector extraction of red-ultraviolet, pyron and optical fiber, the algorithm of the detection system is formed. Refer to Sweden SP5320 "Test Method for Engine Room Fire Detection System of Heavy Vehicles" build a test platform, through field testing, the designed mine articulated truck fire detection system under different working conditions, an alarm can be issued within 15s, far exceeding the standard requirement of 2 minutes, the effect is good.

Key words:articulated truck;fire detection;pyrolysis ion detector;red and ultraviolet composite flame detector;optical fiber detector