1、技术：公路隧道火灾探测 与应急处置平台王锐，陈句，许卫华（浙江数智交院科技股份有限公司，浙江杭州）摘要：公路隧道属于 长 大结构物，发 生在其内部的火灾造成的后果严重程度大于一般开放路段，因此对公路隧道火 灾的探测、预警和及时处置至关重要。本文统计分析了国内二十多年来公路隧道火灾 的 时间、车辆、报警途径、后果损失等特征，在此基础上分析了公路隧道风场、火源温度场等隧道特有 的环境特征；然后，对比了现有不同的公路隧道火灾检測技术的特征和适用性；最后，根据公路隧道的火灾及运行环境特性，基于物联网和人工智能技术，提出了检測 火 灾多个物理量、多阶段的冗余检测系统框架，构建系统联动、信息共享、资源协调
2、、智 能决策信 息化的平台，实现公路隧道火灾的快速发现及有效处置，降低隧道内火灾造成 的人员和财产损失。关键词：公路隧道；火灾检测；环境特征；深度学习；智能检测根据交通运输部 年月发布的交通统计数据显示，截至 年底，全国已通车的公路隧道数量 处，万延米。公路隧道在提升公路技术指标、缩短总体路线距离、提高运输能力、减少交通事故等方面起到重要的作用。公路隧道属于长大结构物，发生在其内部的火灾造成的后果损失严重程度一般大于开放路段，如：年月日晋济高速公路岩后隧道的火灾事故造成人死亡、人受伤和辆车烧毁，直接经济损失万元；年月 日沈海高速猫狸岭隧道火灾造成人死亡、人受伤，其中人重伤，直接经济损失 余万元
3、。上述两起火灾事故均造成了严重的负面社会影响。若公路隧道内的火灾能够在初期、早期阶段得到有效检测和预警，及时釆取处置措施，则可以大大降低火灾事故的损失。本文首先统计分析了国内多年来公路隧道火灾事故特性，在此基础上总结了隧道内运营环境特征，以及这些环境特征对隧道火灾检测的影响，然后分析了现有不同公路隧道火灾检测技术的特点和适用性，最 后基于物联网、人工智能技术提出了基于多物理量的隧道火灾冗余快速检测与应急处置平台体系。一、公路隧道火灾特征为了掌握国内公路隧道内火灾类型、火 灾诱因、火 灾车 辆类型、火灾报警途径、伤亡人数、涉 及车辆数量、持续时间等特征，通过互联网搜索、学术论文检索、运营单位调研
4、等方式收集了自 年期间例国内公路隧道火灾事故案例，由图可知，在诱发隧道火灾的诱因 中，车辆电气系统自燃的案例数量最多，占火灾案例总数量的，该类火灾事故的特征是车辆因为抛锚停止行进，车辆会停在隧道行车道或者紧急停车带内；其次为车辆轮胎自燃，距占案例总数量的，在长下坡情况下，为了控制车速货车频繁制动导致轮毂过热而引燃轮胎，轮胎起火后往往引燃货物，从而引起更大规模的火灾；货物本身自燃案例共起，占案 例 总数量的，该类火 灾事故主要由货物自身升温至燃点，无外部加热源，因此其数量小于轮胎自燃；车辆相碰撞和追尾诱发的火灾占案例总数量，一般情况下是后方车辆追尾前方静止的车辆，导致发动机受较大的冲击力着火，或
5、者油箱泄漏 燃油而起火，属于二次事故灾害；共有起火灾事故时车辆失控撞击隧道衬砌后而起火，占总数量的；危险化学品泄漏燃烧案例起，占案例总数量的。从上面的分析可以 看出，绝大多数的火灾是因车辆 本身 的电气故障、轮毂过热而引起 的，加强车辆本身的状态监测可以提升隧道内火灾的检测率。车辆相碰撞燃烧和撞结构物燃烧是车辆与外界发生机械撞击后而发生，可以通过控制行车速度、提升运营环境质量而降低火灾事故的发生率。隧道火灾类型分布如图所示。图隧道火灾 类型分布隧道火灾涉及的车辆类型有货车、客车、危险品车辆、小轿车、特种车辆等，如图所示，在起火灾案例中，货车火灾有起，占案例总数量；小轿车 火 灾起，占案例 总数
6、量；危险品车辆起，占案例总数量；客车火灾起，占 年增刊（总第 期）中国交通信息化 案例总数量的；特种车辆起，占案例总数量。从统计数据可以看出，因货车引起的火灾 的数量多、占比高，同时货车火灾具有规模大、发展速度快、持续时间长、对隧道内人员、车辆和隧道结构 危害大的特点，应加强通行隧道的货车及危险品车辆的动态监测，以及时进行预警。隧道火灾涉及车辆类型分布如图所示。货车客车特种车辆危险品车辆小轿车图隧道火灾涉 及车辆类型隧道内发生火 灾 的发现途径有人工报警、人工巡视发现、视频监控发现等 方式，具体如图所示，人工报警为主要的发现方式，起隧道火灾案例有例是人工报警获得的，占案例总数量的；视频监控发现
7、的案例有起，占案例总数量的；人工巡逻起，占案例总数量的。由于收集案例的途径原因，因隧道火灾检测系统报警的案例数量不详。从统计数据可以看出，隧道内火灾事故主要发现途径是人工报警，部分是通过视频监控和人工巡逻发现。人工报警是被动式接收信息 的方式，具有一定的滞后性，从接警 到釆取应对措施需要一定的时间，从而错过最佳的灭火时机。人工巡 逻是发现隧道火 灾的有效手段，但由于隧道内火灾的发生在时间和空间上具有很大的随机性，通过人工巡逻的方式需要耗费大量的人力和物力。视频监控能够在第一时间了解 现场的情况，当隧道 的视频图像路数较多时，釆用轮巡显 示的 方式对隧道进行火灾检测具有很大的局限性。通 过物联网
8、、大数据、人工智能技术实现火 灾报警的自动化、智 能化、信息化水平是隧道机电 系统发展的主要方向之一，改变现有的以人工报警的被动模式，当隧道内发生火灾时，由监控系统主动将火灾信息推送给监控人员。隧道事故发现途径分布如图所示。报窖人工巡逻视频监控图隧道事 故发现途径分布公路隧道火灾伤亡人数分布如图所示。统计的隧道火灾案例中，因火灾造成的死亡 人，受伤人，死亡和受伤人数主要分布在个别案例中，大多数的火灾事故因得到有效处置或者火灾规模较小，没有造成人员伤亡。在统计的起火灾 案例中，没有发生人员死亡的案例有起，占案例总数量的，没有发生人员受伤的案例有 起，占案例总数量的。可以看出，公路隧道火灾事故处置
9、得当的情况下，发生人员伤亡的概率较小，但当隧道火灾检测不及时、隧道内受困人员较多、交通组织不当、逃生意识差、救援不力等多种情况耦合的情况下，单个火灾事故会造成大量的人员伤亡和财产损失。）死亡受伤图公路隧道火 灾伤亡人数二、隧道内运营环境特性区别于房屋建筑等封闭空间环境，公路隧道内存在着不稳定的纵向气流运动。按通风方式，隧道通风分 为纵向通风、横向通风及半横向通风。由于开挖断面小、设备前期资金投人低，公路隧道一般采用纵向通风方式，该通风方式通过气流沿隧道纵向流动实现火灾烟气和污染物的排出。公路險道内风的来源主要有风机机械风、车辆活塞风以及自然风。在正常交通状态下，公路隧道内的风流主要为车辆活塞风
10、，风速一般在之间，当隧道内发生交通阻滞，隧道活塞风速仍能维持一定的时间，因此当发生火灾时，受纵向气流影响，着 火 点难以在局部空间形成稳定的高温温度场，局部空气的温升速率较小。火灾的起火过程一般情况下伴有烟、热、光三种燃烧产物，公路隧道内的火灾燃烧过程可以根据热释放率大小划分为四个阶段，即起始阶段、阴燃阶段、起火放热阶段、衰减熄灭阶段。在火灾 初 始阶段和阴燃阶段由于燃烧物温度较低，不会出现产生火焰和可见光，烟雾是这两个阶段的重要特征之一。在起火放热阶段和衰 减熄灭阶段火灾释放大量的热能，并以火焰的方式发出可见光，在这个阶段，烟、热、光三种产物同时产生。由于车辆火 灾从起始阶段到起火放 热阶段
11、有一定的时间间隔，在此期间只要车辆能 够正常行进，驾驶者难以觉察到火灾的发生，在起始阶段和阴燃阶段只有通过探测 烟 雾、红外线等 火灾产生物才能实现对移动车辆火灾的检测。三、现有火灾探测技术特征结合公路隧道的环境特征以及以往隧道火灾案例，对现有的火灾探测技术进行了分析对比。隧道内火 灾探测器技术参数如图所示，隧道内火灾探测器技术参数对比见表。从表和图可以看出，感温光纤、光栅探测器感知物理量为空气温度，一般在火源技术隧道内火灾探測器技术参数对比表序号名称物理量响应速度报窖阶段抗干扰能力移动火源有效性定位精度空间要求可见性感温光纤、光栅探测器温度缓慢静态中期极弱差差封闭否双波长 火焰探测器红外频谱
12、、闪烁特性快速静态中期较强差一般无否光电烟雾探测器烟雾缓慢静态中期弱差差封闭否可见光视频探测 器烟雾、火焰快速动态早期般好好无是红外热成像探测 器烟雾、火焰、高温气流快速动态早期较强好好无是出现明 火、火灾达到一定的规模、光纤光栅周围空气流动性较小红外热成像探测器是通过识别火焰、烟雾、高温气团发出的时才能达到报警阈值，其适用于空气流动较小的封闭空间，且要红外线图像特征来实现火灾 的探测与报警红外热成像探测器求火源与光纤光栅的直线距离较小或者直接与探测物接触，否则报警会具有一定的滞后性，且对火源的定位存在误差感应阶段物理争期中期红外 热 成像探可览光视频探双波长火焰益感涅光纤、光光电烟雾探测测器
13、测器任探 测器器图隧道内火灾探测器技术参数火焰烟 雾红外光空气温度绝对温升温度速率跳动頻 率形态颗粒物波长频谱双波长火焰探测器通过探测火焰辐射出的红外线频谱及火焰闪烁频率 来实现火灾报警，探测过程不受隧道内流动气流的影响，只要火焰与探头之间没有遮挡物即可，属于快速探测 类型。双波长火焰探测器难以对移动的火源进行有效探测。光电烟雾探测器通过探测空气中的颗粒物浓度来判断是否发生火灾般安装 在封闭建筑空间的顶部。在隧道内由于受到纵向气流的影响，烟雾会产生纵向流动，火灾初期烟雾难以在顶部聚积，需要火灾发生到一定的规模后才能有效探测，且对火源的定位存在较大的误差。隧道内灰尘较大，聚积在探测器表面后会影响
14、探测 的灵敏度，适用于隧道配电房、地下风机房、水泵房等灰尘较小的场所。隧道内发生火灾时，火焰和烟雾会导致隧道可见光光场发生变化，可见光视频探测器通过识别场景中火焰和及烟雾特征而实现火灾的报警。由于可以同时识别烟雾和火焰特征，可见光视频探测器可以探测 到早期的烟雾及较小的火苗，也可以对移动的火源进行识别。可 见光视频探测器抗干扰能力一般，主要受车辆灯光的影响，会产生一定的误报率。在烟雾扩散至整个摄像机视野空间之前，火灾场景是可见的。可见光视频探测器可以共享隧道内视频监控摄像机的视频图像，不需要重复安装摄像机。可以对移动火焰进行动态跟踪，在火灾早期甚至燃烧物发热升温阶段即可对火灾进行预警，如高温轮
15、毂、高温货车箱体等。由于探测 的物理量为红外线，其工作过程不受隧道纵向气流及可见光场（隧道灯光、车辆照 明灯）干扰，抗环境干扰的能力较强，且检测 的空间范围较大。与可见光视频探测器相比，即使有大量烟雾的情况下仍可以观察火灾现场的情况，并能识别火灾现场受困人员。红外热成像探测技术已经在森林、变电站、输电线路等场景得到了成功应用。综上可以看出，由于隧 道特殊的运营环境，目前现有的探测技术多采用单个传感器对单一物理量进行检测，存在各自的优点和不足，在隧道火灾的报警率、漏报率、误报率 等性能存在较大的差异。从总体来看，探测物理量为光波的探测系统优于探测物理量为温度和烟雾的探测系统，物理量为多个的探测系
16、统优于单一物理量的探测系统；快速响应探测系统优于缓慢响应探测系统、早期报警阶段优于中后期报警阶段的探测 系统；适用于开敞大空间探测系统优于适用于封闭小空间的探测 系统；在对火灾动态掌握方面，火灾场景可见性的探测系统优于火灾场景不可见性的探测系统。四、基于物联网、人工智能的隧道火灾应急处置体系针对隧道内特殊的运营环境及火灾 的特征，需要 构建一个准确、快速、可视化的火灾探测系统，并与交通、视频、环境等其他系统联动，实现隧道火灾事件的快速报警、精准定位，通过信息化平台使参与方全方位掌握火灾的动态，打破“信息孤岛”，多方资源整合与处置决策协调统一，火灾应急处置体系框架如图所示。隧道内纵向不大于布设一
17、台可见光摄像机用于隧道视频监控。在视频监控系统的基础上，通过训 练的智能模型对隧道内场景进行动态检测，识别隧道内烟雾、火焰等 火灾产生物，同时（下 转 第页）年增刊（总第期）中国交通信息化 表专家评分隶属矩阵健康预警待修外部因素气象因素临近设施影响设备自身因素有效寿命指数品牌相同 系数故障指数养护因素养护频率换新频率性对系统稳定的权重指标。最后用模糊综合评价方 法对上海某新建智慧高速公路运行两年后机电系统健康进行预测评价，从而得到系统的评价指标。本 文建立了一套智慧高速公路机电健康评价系统，可对髙速公路机电设施运行进行反应，支撑养护与运营。但是智慧高速机电设备的真实运行状况缺乏，有待后续进一步
18、实证探究。参考文 献丨】马 亚栋高速公路机电设备管理系统设 计与开发长安大学，】丨智 慧高速公路 建设指南（暂行）】丨一江苏省智慧高速公路建设技术指南】丨丨，智 慧高速公路建设 指 南】上 海市智 慧高速公路技术导 则征求意见 稿中华人民共和国交通运输部关于征求公路工程适 应自动 驾驶附属设施总体技术 规范（征求意见镐）意见的函】：】韩 利梅强，陆 玉梅，等模栩综合评价 方法的分析与研究中国安全科学学报（）：匀责任编辑张 华彬（上接 第 页）图基于深 度学习网络与物 联网的火灾处置体系外热成像探测系统可实现隧道火灾场景的可视化，对火灾的发展动态能够直观地掌握。采用物联网技术将火灾监测 系统与其
19、他机电系统实现设备层面的互联互通及联动。以信息技术为支撑建 立信息化平台，实现多方火灾信息的动态发布、信息共享、资源协调、决策与指挥。基于上述技术框架的隧道火灾检测系统及信息化平台已经在金丽温高速公路大梁山隧道进行了试点和应用，大大提升了隧道内火灾检测的可靠性及应急处置能力。参 考文献】中华人民共 和国交通运输部 丨年交通运输 行业发 展统计公报】张悦？基于拉曼散射的分布式 光纤火灾预 警 方法、技术研究及实现中北大学，孙东旭？特大 断面公路隧道火灾探测系统适用性研究中国科学技术大学，可对单车的状态进行动态跟踪。基于人工智能的红外热成像探测系统、可见光视频探测以及双波长火焰探测器构成了冗余可靠的隧道火灾早期监测系统，其中红外热成像探测系统与双波长火焰探测器是最佳的系统组合。由于红外线在空气中的传播基本不受隧道内烟雾的影响，通过红何永 勃，张文 杰，杨伟，等？飞机货舱复合烟雾探测方法研究中国安全科学 学报，丨，（丨）：袁琳左超红外热成像技术在大空间 区域防火监控中的应用】电子技 术与软件工程丨（）：？责任编辑户 利华
