赵云翾

（中铁第五勘察设计院集团有限公司）

1 引言

火灾是最经常、最普遍的威胁铁路安全和社会发展的主要灾害之一，火灾报警、定位与扑灭系统是关系到人民生命和财产安全的重要装备。高铁存车场处于室外大空间环境，是动车存放整备的场所，由于动车价格昂贵，且国内动车组存车场存放的列车较多，一旦发生火灾其损失将十分巨大。因此，在存车场内设置火灾探测报警装置是十分必要的。

2 目前市场上存在的技术分析

目前主流的大空间火灾探测技术主要分为图像智能分析算法和红紫外复合探测两大类。但是，对室外高大空间内的火灾探测，这两种技术又都有其局限性。高大室外空间光线条件极为复杂，干扰因素众多，图像型火灾探测器有效探测距离一般不超过60m，且在使用中存在着大量的误报漏报现象；而现有的红紫外复合探测技术其探测距离最远在80m以内，同样不能满足铁路存车场的火灾报警需求，更无法满足火源定位及火情显示等方面的需求。

2.1 视频图像智能算法技术

视频图像智能算法技术已经发展了数年时间，目前除森林火灾这种大范围火灾能够有效报警外，在其它场景的应用效果不尽人意[1]，主要技术硬伤在如下几方面。

①火灾场景繁杂多变，燃烧物种数百上千种，根据火焰燃烧特征形态以及色温的帧变化来判断普适的智能算法现阶段几乎不可能实现；

②对于人工智能技术来讲，目前用于比对的样本数量严重不足，三五年内不足以通过机器的自学习达到人脑对火焰的判别水平；

③前端视频采集设备智能处理芯片运算能力不足，目前主流厂家前端处理芯片只能处理诸如数人头、越界、逆向行驶、遗留物、简单抠图等功能，达不到分布式复杂智能应用计算的能力，这样致使中央服务器要处理上百甚至上千路传回的视频图像，负荷超出现有芯片发展水平或者给业主带来高昂的成本负担。最严重的问题是计算结果严重滞后，达不到迅速处理灾情的应用 要求；

④受限于监控距离和视角的约束关系同时又要达到可用于计算的视频信号辨识度，完整覆盖被监控空间需要用到云台+自动变焦镜头（PTZ），一个摄像头要设置十多个甚至更多预置位进行定速巡航，以10秒为一个巡航周期，四个月传动机构就要运转100万次以上，这样带来的问题是可靠性差，同时维护也困难。严格意义上来讲，这种方式实现的监控区域的全覆盖是时分系统，并不是实时监控；

⑤复杂多变的环境带来更多不确定性，雾霾、风沙会严重劣化图像质量，使得后台获取的像素不可用。虽然市面有号称透雾功能的摄像机，但都只是基于算法强化图像视觉效果，骗一下人眼没问题，用于智能算法的原始像素劣化程度并没有改变；

⑥智能算法分不清烟和雾，对于无明火烟燃的情况无法处理；

⑦车厢内燃烧无法监控。光线走直线，视频采集设备无法获取车厢体内的任何信息，对火灾防控无从谈起。

2.2 红外热成像技术

红外线火焰探测器技术发展也有很多年，主要通过被监控区域红外线2.7μm波峰变化来判断火情，做得比较好的产品会多加几个探测器兼顾4.3μm的波峰变化来综合判断。但这类产品普遍存在以下几个短板：

①不能有效规避红外发射体的各种干扰，仅适用于密闭空间[2]；

②用于高大室外空间时，调低灵敏度，牺牲有效监控距离，通常为35m～50m。在安装位置受限的情况下，不能实现被监测空间全覆盖；

③产品形态一般的单一红外探测器。没有视频辅助，在诸多误报的情况下，需要人工现场查看干预，不胜其扰。很多场景下，为减少误报，不适当地人为进一步调低灵敏度，最后已安装的设备成了纯摆设。

2.3 烟感探测技术

通过烟感探测器来判别是否有灾情。除酒店客房，室外火灾监控几乎没有应用。一个是判别依据不靠谱，很多明火没有烟，二来室外空间烟浓度达不到报警阈值，没有任何使用价值。

3 全频段光谱基线分析技术的创新应用

中铁第五勘察设计院在施工图设计时结合了国内其他存车场的应用效果，设计应用了一套较为先进的火灾探测技术，并且开通运营几年来，应用效果较为理想。

3.1 徐州东动车所存车场的设计要求

通常情况下，火灾由初期火焰遇到可燃物迅速发展到火焰而来。火焰产生初期会产生大量的紫外线，随着火焰的发展，红外辐射不断增强，而紫外辐射相对较弱。探测器测量能量辐射，这种能量辐射因燃烧而产生，并以光速传播。设置探测仪需同时检测0.2μm紫外和2.7/4.3μm红外辐射，第一时间检测到由火焰产生的紫外辐射。同时，随着火焰红外辐射的不断增强，再由红外传感器检测到的红外辐射进行进一步的确认，从而保证的检测火灾的准确性和及时性。如果简单检测红外波段甚至只检测4.3μm红外波段而没有全频段数据综合分析，会导致误报率极高。

探测器的阳光免疫功能，即对阳光或灯光所产生的紫外红外光线具有滤除功能，有效的防止了阳光对火焰探测器所产生的影响。探测器安装了5只阳光全波段光谱传感器，实时采集周围光线变化，对照程序内置阳光光谱基线，滤除阳光光线干扰，保证了对细微火焰探测的精度。

探测器的红外热源免疫功能，即对热源体，例如人体所产生的红外光线具有滤除功能，有效的防止了热源体对火焰探测器所产生的影响。探测器安装了1只红外热源传感器，实时采集周围红外热源变化，对照程序内置光谱基线，滤除热源体干扰，保证了对细微火焰探测的精度。

对于无明火烟燃的情况，肉眼火光不可见的烟雾会释放大量的紫外线，紫外传感器能够迅速捕捉不正常的大量紫外线能量，从而输出报警信号，解决图像算法无法逾越的判断障碍。

针对铁路而言，当车厢内发生火情，车厢厢体会辐射出大量红外线能量，多波段红外传感器能够迅速采集不正常的红外能量变化，从而判断灾情是否发生。

因火焰探测器覆盖范围垂直达110°、水平90°，能够实现真正意义上无死角、实时全覆盖，不再受制于视频采集解决方案的光学镜头视角限制。

视频采集设备的可视角度和可监测距离相互制约，可视角度越大可监控距离越短。

3.2 全频段光谱基线探测器的应用

前端信息采集设备的火灾预警信息采集来源于更加科学可靠的光学频谱能量分析，而不是依赖图像智能算法，所以对视频成像像素要求相对较低，体貌辨识即可满足基本应用需求，这样在系统设计时又可以适当延长摄像机监控距离。

以光学12mm镜头为例，在感光芯片为9.1mm（1/2.8英寸）时，可视角度大约为26°。

采用高端感光芯片，实际分辨率达到500万像素和800万像素，有效像素的大幅提升可以在可视角度不变的情况下延伸监控距离。

根据现场需求，中铁第五勘察设计院首次在徐州东动车所存车场应用了全频段光谱基线探测器。以全频段光谱基线分析技术为核心进行火灾探测报警的技术方案设计，在传统的图像型火灾探测器结构上增加全频段光谱感应单元，在探测器中内置处理器和算法，实现了前端火灾报警功能；并开发视频图像智能处理技术来实现远距离火源定位及火情显示功能。由于全频段光谱基线分析技术在原理上优于红紫外复合探测技术，结合高灵敏度红紫外与可见光传感器的应用。新型火灾探测器在性能上取得很大的突破，火灾探测距离较以往产品提升近一倍，且漏误报率极低。

图1 系统结构图

3 结语

新型火灾探测器整合了全频谱火焰能量探测单元，使其较传统的图像型火灾探测器在探测距离、探测视角及漏误报率等关键性能指标上都有了很大的提升，非常适合应用于室外大空间且防火要求高的环境，如炼油厂罐区、动车存车场等。随着技术的不断创新和突破，相信在不久的将来，全频段光谱基线探测器将在更多的室外大空间环境下起到更为重要的作用。