基于数字化技术的动态反馈式隧道火灾智能疏散救援系统

摘要

本发明公开了一种基于数字化技术的动态反馈式隧道火灾智能疏散救援系统，包括火情信息获取子系统，对火灾探测仪器采集的温度数据进行分析处理并获取火情信息；三维温度烟气场重构子系统，根据所述温度数据和火情信息建立三维温度烟气场信息；应急疏散救援决策子系统，根据所述火情信息获取子系统和三维温度烟气场重构子系统提供的实时信息对火灾发展态势进行分析和评估，并动态调整疏散救援预案；数字化虚拟现实显示子系统，基于数字化虚拟现实技术，将隧道内火情信息及温度烟气场进行虚拟动态显示，并支持对火灾隧道的实时漫游。本发明有助于隧道火灾救援的科学决策，克服了现有隧道火灾预案固定化、框架化、实时性和适应性差等众多不足。

说明书

技术领域

本发明属于公共交通的火灾报警技术领域，具体说涉及一种用于公路隧道的基于数字化技术的动态反馈式火灾智能疏散救援系统。

背景技术

近年来我国高速公路建设取得了举世瞩目的成就，2008年新修成高速公路6433公里，高速公路通车总里程达到6.03万公里，继续居世界第二位。到2020年，国家高速公里网将基本建成，届时中国高速公路通车里程将达10万公里。在已建成通车和在建及规划中的高速公路中，隧道所占的比例越来越大，长大隧道和特长隧道也越来越多。公路隧道作为公路交通的重要组成部分，其安全运行越来越受到人们的高度重视，而影响隧道安全运行的主要因素之一就是火灾。

隧道由于环境密闭，疏散逃生通道少，一旦发生火灾，往往会造成惨重的人员伤亡和重大的经济损失。为了提高隧道内的火灾安全性，目前国内外在隧道内均设置了火灾自动、手动报警系统、CCTV监视系统、自动喷水灭火系统等消防设备。同时，从管理角度，均针对隧道火灾制定了相应的应急管理措施及预案。

但是，目前的隧道火灾报警救援系统存在如下几方面的不足：

(1)隧道内的设置的火灾报警系统功能单一，仅仅实现对火灾事故的报警，无法获得火灾随后的发展态势和隧道内实时的火情信息，难以支撑隧道火灾的救援。

(2)在隧道火灾人员逃生救援工作中建立疏散救援预案已成为隧道建设的一个重要组成部分，但是目前的应急疏散预案多为固定性、文字性的预案。而实际上隧道内火灾的发生地点、火灾的规模等均具有随机性，预先制定的固定预案难以满足千变万化的隧道火灾现场状态。

(3)发生火灾后，由于隧道内高温烟气弥漫，隧道内的实际状况难以实时直观的显示，严重影响现场消防和救援工作的效率和可靠性。

为了克服上述隧道火灾报警救援技术的不足，亟需研发基于火灾现场信息的动态反馈式智能疏散救援系统。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于数字化技术的动态反馈式隧道火灾智能疏散救援系统，以克服现有技术中存在的不足。

本发明采用以下技术方案：

一种动态反馈式隧道火灾智能疏散救援系统，其特征是包括：

火情信息获取子系统，对火灾探测仪器采集的温度数据进行分析处理和数据挖掘，实现从采集信息到实用的火情信息的转换，获得火情信息包括火源点位置、火灾规模和火灾类型；

三维温度烟气场重构子系统，根据所述温度数据和火情信息建立三维动态温度烟气场信息；

应急疏散救援决策子系统，根据所述火情信息获取子系统和三维温度烟气场重构子系统提供的实时信息对火灾发展态势进行分析和评估，对疏散、逃生措施进行实时动态调整和更新；

及数字化虚拟现实显示子系统，基于数字化虚拟现实技术，将隧道内火情信息及温度烟气场进行虚拟动态显示。

进一步地，所述火情信息还包括火源点数量、最高温度、温升速率、温度场分布、烟气运动方向、扩散范围以及流动速度。

进一步地，所述三维温度烟气场信息包括沿隧道纵向和横向的温度分布曲线，还包括烟气移动速度、烟区大小及边界。

进一步地，所述数字化虚拟现实显示子系统还支持对火灾隧道的实时漫游。

进一步地，所述火灾探测仪器为光栅光纤传感器，该传感器沿隧道纵向设于隧道拱顶下方。

本发明可提供隧道内火源点数量，位置，火灾规模和类型，烟气运动方向、扩散范围及流动速度；能够实时重构火灾时隧道内的三维温度场和烟气场，并将隧道内火情信息及温度烟气场进行虚拟动态显示；同时，可根据隧道内实际的火势发展状况来实时地调整相应的应急疏散救援预案，从而做到决策的合理化，克服了现有隧道火灾预案固定化、框架化、实时性和适应性差等众多不足。

附图说明

图1为本发明涉及地基于数字化技术的动态反馈式隧道火灾智能疏散救援系统的构成原理图。

图2为光栅光纤传感器在隧道横断面上的布设位置示意图。

图3隧道火源点位置修正原理示意图。

具体实施方式

由图1所示，其中图中的实线框为各子系统，虚线框为各子系统的功能。本发明涉及的动态反馈式隧道火灾智能疏散救援系统由火情信息获取子系统，三维温度烟气场重构子系统，应急疏散救援决策子系统以及数字化虚拟现实显示子系统四部分组成。

各子系统的作用及子系统之间的关系如下所述：

1)火情信息获取子系统

通过在隧道拱顶现场安装光栅光纤等火灾探测仪器并且对仪器所采集的温度数据进行分析处理，为三维温度烟气场重构子系统提供来自现场的各种火情信息，包括火源点位置、火灾规模和火灾类型、火源点数量、最高温度、温升速率、温度场分布、烟气运动方向、扩散范围以及流动速度等。这些火情信息同时为决策提供有力的反馈信息。

2)三维温度烟气场重构子系统

利用火灾探测仪器实测得到的温度数据来建立沿隧道纵向及横向的温度分布曲线，通过从一维到二维再到三维的构筑过程来仿真重现三维温度场。同时，建立烟气在隧道内的移动速度，有烟区大小及边界等烟气场信息。这样，指挥人员就能全面了解到隧道内火灾的发展状况，避免由火灾探测仪器提供的火情信息的单一性、间断性以及摄像头因烟雾蔓延阻挡而造成的不可视性，从而为正确的决策提供可靠的信息。

3)应急疏散救援决策子系统

可以实时地根据隧道内火势的发展态势来调整应急疏散救援预案。当隧道内火灾发生时，由于隧道火灾实际情况千变万化，不可能完全按照应急预案的条条框框来执行，因此采用基于数字化技术的应急预案。当接到火灾报告后，本系统将启动数字化应急疏散救援预案，计算机将自动提示各部门相关人员做出应急措施，确保救灾小组各尽其职，顺利抢险救灾。

4)数字化虚拟现实显示子系统

基于数字化技术，实现对重构出的温度烟气场进行虚拟三维动态显示，并支持消防救援人员通过本系统对火灾隧道现场进行实时漫游，使得火灾现场救援指挥人员可直观地掌握火灾现场信息和了解人员疏散的情况。

结合图1，接下来介绍本系统的工作原理。

首先，在隧道内安装火灾探测仪器，从而可以获取现场的温度数据。由光栅光纤感温探头通过光缆连接组成感温火灾探测器，在宽带光源和波长解调器的协同作用下组成一个完整的感温火灾探测系统。光栅光纤解调器的作用是将携带温度信号的光栅光纤反射光波长，转化为能被计算机系统识别的信号。多个光栅光纤感温探头S₁、S₂、…、S_n连接在一起。为了区分监测位置，在初始状态下每个探头分别对应不同的反射波长λ₁、λ₂、…、λ_n。光栅光纤波长解调器实时监测每个探头的波长及其变化情况，当探头S₂所在位置因某种原因温度发生异常时，其对应波长λ₂随即发生变化，如移动到λ₂’。光栅光纤波长解调器探测到这种变化，表明探头S₂所监测的防火区的温度发生了变化，通过这个波长的移动量，获得温度异常大小，并将此温度值发送到上位机，进行温度运算、显示等处理，若温度变化超过了设定值，系统就会发出报警信号。以光栅光纤传感器为例，将光栅光纤传感器1沿隧道纵向布置在隧道横断面2拱顶的下方，如附图2所示。具体的布线条数按不同隧道的实际规模和经济使用要求来决定。这样就可以得到沿着隧道纵向拱顶处的温度值。

接着，根据隧道火灾数值模拟所得的数据以及收集过往隧道现场火灾和实验室火灾所得的数据来拟合建立隧道纵向和横向的温度分布曲线。通过收集拟合大量试验数据得到隧道内温度的纵向(轴向)分布可以用下式(1)描述：

$\frac{T-T_0}{T_{\max }-T_0}={0.573e}^{-9.846\frac{x}{L_{\mathrm{tot}}}}+0.518e^{-1.762\frac{x}{L_{\mathrm{tot}}}}-0.089---\left(1\right)$

式中，T-距离火源x处的温度，℃；

T_max-火源处的温度，℃；

T₀-常温，20℃；

x-距火源的距离，m；

L_tot-温度降到常温时，距离火源的距离，m。

分析拟合数值模拟所得数据，发现隧道内横断面竖直方向的温度分布曲线形式受纵向通风速度以及距火源点距离的影响较大，因而建立隧道内横断面竖直方向的温度分布如下式(2)-(7)所示：

①纵向风速为0m/s时

距离火源点30m范围以内处$\frac{T-T_0}{T_{\max ,t}-T_0}=1.166e^{-4.025\frac{h}{H}}-0.061---\left(2\right)$

距离火源点30m范围以外处$\frac{T-T_0}{T_{\max ,t}-T_0}=\frac{1}{0.992+272.916{\left(\frac{h}{H}\right)}^{4.753}}---\left(3\right)$

②纵向风速为1.5m/s时

距离火源点30m范围以内处$\frac{T-T_0}{T_{\max ,t}-T_0}=0.640{\left(\frac{h}{H}\right)}^2-1.434\frac{h}{H}+1---\left(4\right)$

距离火源点30m范围以外处$\frac{T-T_0}{T_{\max ,t}-T_0}=4.502{\left(\frac{h}{H}\right)}^3-6.370{\left(\frac{h}{H}\right)}^2+1.124\frac{h}{H}+0.941---\left(5\right)$

③纵向风速为3.0m/s时

距离火源点30m范围以内处$\frac{T-T_0}{T_{\max ,t}-T_0}=0.563{\left(\frac{h}{H}\right)}^2-1.408\frac{h}{H}+1---\left(6\right)$

距离火源点30m范围以外处$\frac{T-T_0}{T_{\max ,t}-T_0}=2.860{\left(\frac{h}{H}\right)}^3-4.922{\left(\frac{h}{H}\right)}^2+1.297\frac{h}{H}+0.916---\left(7\right)$

式中，T-隧道内任一时刻任一点出的温度值，℃

T₀-常温，20℃

T_max，t-隧道内离火源任一距离处拱顶的温度值，℃

h-该点离路面的距离，m

H-隧道的高度，m

在纵向温度分布曲线公式中，火源处的温度值T_max以及温度降到常温时距火源的距离L_tot可由隧道拱顶布设的光栅光纤传感器测得。在竖直方向温度分布曲线公式中所包含的未知数有隧道从路面到拱顶的高度H，隧道轴向任一点处的拱顶温度值T_max，t。其中，前者可根据实体隧道的建筑界限直接得知，后者可由隧道拱顶布设的光栅光纤传感器测得。这样，便能建立起火灾情况下隧道纵向和横向的温度(T)分布曲线，从而隧道内任一点处的温度值便可得知，即重构出了三维的温度场，然后借助图形显示平台将重构得到的三维温度场进行图形化重现。

在有了温度场之后，就可以根据温度场来确定烟气的扩散范围和移动速度。隧道内的温度传递主要靠辐射和对流，其中辐射的影响范围相对较小，在隧道内离火源较远处，温度的传递主要靠对流，由烟气带着高温在隧道内运动。那么就可以根据温度的变化来推测烟气的运动范围，认为温度大于隧道内初始环境温度的地方就有烟气存在。烟气的移动速度根据某一温度值在某一高度处的运动来确定，如下式(8)所示

$V_{\mathrm{Smoke}}=\frac{\mathrm{\Delta L}}{\mathrm{\Delta t}}---\left(8\right)$

式中，Vsmoke-烟气移动速度，m/s；

ΔL-某一温度值在某一高度上的移动距离，m；

Δt-时间间隔，s。

然后借助图形显示平台将烟气场三维显示出来。

火源点的位置可借助光栅光纤实测得到的拱顶温度值来确定，拱顶的最高温度应该位于火源点的附近。但是由于隧道内存在纵向通风速度，所以火羽流会发生一定的倾斜，从而造成拱顶的最高温度值并不在火源点的正上方，而是会存在一定的水平偏移量，如图3所示。通过对隧道火灾数值模拟所得的数据进行分析整理，发现火羽流的倾斜角度主要由纵向通风速度的大小决定，它们之间的关系可由下式(9)描述：

θ＝arctan(0.376v)        (9)

式中，θ-火羽流倾角，°；

v-隧道内纵向通风速度，m/s。

从而可得到火源点位置修正公式如下所示：

L＝0.376vH                (10)

式中，L-拱顶最高温度点与火源点之间的水平距离，m；

v-隧道内纵向通风速度，m/s；

H-隧道高度，m。

不同的材料燃烧具有不同的热释放速率。从而可根据热释放速率曲线的斜率大小来判定燃烧物的种类，确定火灾类型。至于火灾规模的大小可根据火源点附近温升速率的大小来进行推断，一般规模较大的火灾往往具有较快的温升速率。

根据以上所得的火情信息，给出隧道火灾的综合性态势评估，从而定性的给出当前隧道火灾的规模、形状及危害性大小，同时根据火灾态势评估给出不同的警报，危害程度从低到高分别为黄色警报、橙色警报和红色警报。并且该火灾态势评估会随着隧道火灾的实际发展不断实时更新变动。

然后，应急疏散救援决策子系统根据火情信息获取子系统以及三维温度烟气场重构子系统所提供的信息来决策实施并不断调整相应的疏散救援预案。如提供多大的纵向风速，应该开启或关闭哪些联络通道，广播系统应引导人员向哪里逃生，电子疏散标识设备做何种显示，消防队员应从何处进入隧道实施灭火救援工作等。

最后，建立数字化平台及人员疏散模型，将温度数据、火情、及烟气等信息导入数字化平台后，可实现隧道内火情信息及温度烟气场的虚拟动态显示，并实现对火灾隧道的实时漫游，提高救援效率和可靠性。

本系统的优点体现在：

(1)能提供隧道内火灾时大量的关键信息，包括火源点数量，位置，强度，烟气扩散方向，烟气在隧道内的实际移动速度，有烟区大小及边界等，从而更好地指导救援疏散工作。

(2)实时性：根据独立光栅光纤传感器测得的信息实时地重构隧道内的三维温度烟气场，从而实时地调整所执行的应急疏散救援预案。

(3)有效性：根据隧道内实际的火势发展情况来选择相应的疏散救援预案，从而能够保证预案实施的有效性。

(4)全面性：体现在系统功能的全面上，即集火灾测温报警、温度烟气场重构、应急疏散救援预案实施以及数字化虚拟现实显示等功能于一体。