凌霄 张嘉琪 周艳

摘要：针对实验室火灾事故频发的现状，基于LabVIEW虚拟仪器，对某高校安全技术研究中心综合实验室进行火灾报警及应急疏散系统设计。采用感温感烟混合探测器、声光报警器、消防应急灯具等硬件，对其安装是否符合国家标准进行验算;利用ZigBee通信技术与部分自建二总线协议实现数据传输、远程调控等功能;根据A-Star算法制定各个区域的发生火灾时最佳疏散路径。达到火情监测、集中控制、保障实验室人员安全等目的。

关键词：实验室;火灾报警系统;LabVIEW虚拟仪器;ZigBee通信技术;应急疏散

中图分类号：TP277          文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2022）05-0120-05

1 引言

实验室是创新、科研的重要基地，是高校综合教育的重要组成部分，但也是事故频发场所[1]。据报道：2013年南京理工大学一实验室发生火灾事故造成1死3伤;2015年清华大学一实验室发生火灾燃爆事故，一名博士当场死亡;2021年3月，中科院化学所发生实验室火灾事故，造成一名研究生当场死亡。除实验人员误操作、安全意识淡薄和对消防安全管理不重视等因素外，现有消防设施不满足国家规范要求、消防系统老化失灵、安全疏散设置不合理等也是造成实验室火灾事故的重要原因[2]。

随着物联网科学技术的高速发展，智能化消防系统逐渐进入大家的视野。桓宗圣[3]提出了一种应用在“智慧消防”中的多设备联动报警系统， 由该系统将传感器联动现场网络摄像头及视频等对现场火灾情况进行分析，快速做出相应决策;侯欣明等[4]设计了一种应用于高校实验室的新型火灾自动报警及消防联动控制装置;周永明[5]提出了基于意法半导体公司推出的STM32系列ARM控制器、TI公司的CC2420无线射频芯片以及Zigbee无线通信技术为技术核心的无线智能型校园火灾监控系统硬件节点设计方案。据此本文结合国家标准规范要求和某高校实验室环境实际情况，基于虚拟仪器LabVIEW设计一款火灾报警与疏散指示系统。

2 实验室概况

2.1 平面结构

某高校安全技术研究中心位于某学院三楼，分为六个实验室，相邻实验室之间用0.2m厚石膏板隔离，高3m，实验室距顶部5m且无吊顶相通。对研究中心布局进行简化并实地测量后，平面图如图1所示：

2.2 存在的安全隐患

六个实验室分别为职业卫生实验室、电气安全实验室、消防工程实验室、实验准备室、无损检测实验室、安全人机工程实验室。六个实验室均不进行易燃易爆气体实验，且不存在使用明火或高温热源的情况，环境较为单一，属于低危场所。但各实验室均有多种实验用电器，功率较大，存在电气火灾隐患，燃烧物多为电气试验装置的塑料外壳;其他可燃性物体多为纸质文件、装修材料。

其中电气安全实验室所用仪器会产生高压，具有外放电现象;无损检测实验室进行实验时会使用低熔点溶剂清洁金属表面，且着色探伤实验中探伤剂为易燃物质，六个实验室均未吊顶且顶部相通，研究中心并未安装通风装置，因此具有电气安全技术实验室外放高压电火花点燃从无损检测实验室逸散过来的可燃气体、液体的风险。

3 火灾报警及应急疏散系统

如图2所示，该系统主要由数据采集处理模块、报警及应急疏散模块、传输网络和基于LabVIEW系统控制机组成。通过对实验中心各区域火灾信息的获取与处理，能够达到及时发现火情，判断火灾地点，快速合理疏散人群等目的，保护人员生命健康并减少火灾损失。

3.1 数据采集处理模块

数据采集处理模块由安装在各实验室中以及走廊区域的感温感烟混合探测器组成，主要功能是对各实验室不同区域进行环境信息实时监测与记录，并对数据进行预处理。

3.1.1 火灾探测器规范性验证

在所有实验室中，职业卫生实验室占地面积最大，预对每个实验室设置8个点型感烟感温混合探测器，走廊设置9个点型感烟感温混合探测器，布线采用两根径宽为1mm的耐火双绞软线。现在对探测器数量和覆盖范围是否满足国家标准进行验证：

据实际情况，该实验室最多容纳80人进行试验，故K取0.9。

由GB50116-2013《火灾自动报警系统设计规范》表6.2.2中火灾探测器的保护面积和保护半径数据进行计算[6]，由于感烟探测器保护面积大于感温探测器，所以A取表中感温探测器最小保护面积20m?。

职业卫生实验室长10.2m，宽9.3m，高4m，面积S=94.86m?。

根据GB50116-2013《火灾自动报警系统设计规范》，一个探测区域内所需设置的探测器数量，不应小于以下公式（1）的计算值[6]：

[N=SK·A=94.860.9×20=5.27]                     （1）

故每个房间至少设置六个探测器，预设探测器数量符合国家标准要求。职业卫生实验室为其中面积最大的实验室，满足要求且有富余，故其他五个实验室均符合要求。

同理，走廊面积S=73.87m?，A取20m?，K取0.9。走廊设置探测器的数量不应小于下式（2）的计算值。

[N=SK·A=73.870.9×20=4.1]                     （2）

故走廊至少設置五个探测器，预设探测器数量符合国家标准要求。

根据GB50116-2013《火灾自动报警系统设计规范》附录E 探测器安装间距的极限曲线以及距离要求[6]，以职业卫生实验室为例，结合实验室具体环境，探测器安装间距如下图3所示，走廊探测器布局如下图4所示，均符合规范要求。

3.1.2 火灾探测器覆盖范围验证

同样以职业卫生实验室为例，已知实验室面积为 94.86m?，距离屋顶5m，屋顶坡度小于 15°。根据GB50116-2013《火灾自动报警系统设计规范》[6]，可知此状态下单个感温探测器覆盖半径为 3.6m，单个感烟探测器的覆盖半径为5.8m。由于使用的是感烟感温复合探测器，当感温探测功能覆盖整个实验室时，感烟探测功能亦能覆盖。

使用AutoCAD建模，得出感温探测器覆盖范围如图5所示，可知实验室中未被覆盖的范围仅仅不到0.22m?，占总面积的0.2%左右，可认为在正常情况下，基本满足本实验室探测需求。同理，感烟探测器探测范围可完全覆盖实验室，且有较大冗余量。

同理对走廊进行覆盖范围验证，可认为在正常情况满足走廊探测需求，感温探测器覆盖范围如图6所示，由于感烟探测器覆盖半径大于感温探测器，所以这种安装方式的探测范围基本能对走廊进行全覆盖，且有较大冗余量。

3.2 报警与应急疏散模块

报警与应急疏散模块由各实验室门内外安装的火灾声光报警器、手动报警器以及消防应急照明和疏散指示等装置组合而成，基于LabVIEW系统平台集中控制。

3.2.1 声光报警器

系统中火灾声光报警器采用壁挂方式，安装在不同实验室进出口各一个，底边均距离地面2.5m，符合GB50116-2013《火灾自动报警系统设计规范》[6]底边距地面高度应大于 2.2m的要求;采用声压级为80dB的HJ9030B型声光报警器，高于规范中要求的75dB，符合要求。通过对控制机程序的编程，可根据火灾发生位置，播放不同语音警报，以声音和闪光提醒人群有序疏散，避開火源。

3.2.2 手动报警器

手动报警器安装在各个实验室进出口，安装高度距离地面1.5m，且有明显标志，安全技术研究中心内任一点距离最近手动报警器最大步行距离为17m，符合《GB50116-2013火灾自动报警系统设计规范》[6]的明显和便于操作要求，也符合任何位置到最邻近手动报警器的距离不超过30m的要求。

3.2.3 应急疏散

控制机确认火情后，根据实验室中火灾发生位置、手报信号等信息迅速选定合理疏散路线，并利用指示性灯具和广播动态引导人员疏散。

根据GB50116-2013《火灾自动报警系统设计规范》[6]和GB51309-2018《消防应急照明和疏散指示系统技术标准》[7]，采用集中控制型系统，选取双向可调A型指示跑马灯安装在各实验室门外左侧。应急照明灯最低照度达到5lx，分别安装在走廊西出口上方0.5m处、走廊东向尽头拐角处。灯具设置最远距离为6.3m，符合规范规定的间距不大于10m的要求。

A-Star（A*）算法作为Dijkstra算法的扩展，它也是对于静态路网中找寻最短、最优路径的一种直接搜索方法，在寻路和图的遍历过程中具有一定的高效性[8]。利用在理论上是时间最优的A-Star算法，与逃生避险原则和就近原则相结合，规划不同位置发生火情时的最优疏散路径。如图7所示，对实验室建立模型，利用A-Sta算法计算每个实验室的最优逃生路径，此路径为安全人机实验室西楼梯逃生路径。

3.3 传输线路及供电

利用ZigBee技术将火灾信息探测器监测和记录的信息、火灾报警及应急疏散模块等工作状态信息传输到控制机平台中，并且将控制机中的控制指令反馈到各装置。芯片选用顺舟科技SZ05-ADV系列，各个元件接线如图8所示，其中P1为ZigBee接口，P5为传感器接口。

供电方面，将供电线路直接接在UPS无间断24V电源上，再将UPS无间断24V电源接在市电上，系统供电直接由电源驱动，在发生紧急情况断电时，UPS电源可供给系统正常运行24小时的电量。

3.4  LabVIEW系统控制机

基于LabVIEW程序的控制机能够实时读取环境信息，以及对系统状态和各装置进行全局控制，使用BP神经网络算法提高数据处理的准确性。能针对区域内发生的火情及时采取反应，除此之外还具有仿真模拟多种火灾情况、短路检测、故障处理等功能。其中感温感烟探测器数据采集处理以及相应报警参数设置程序框图如图9所示，系统主界面如图10所示：

该程序的实时监测功能可对实验室温度、烟度进行实时监测并自动存档，形成趋势图如图11所示：

当采集的环境值大于设定的温度或烟度阈值时，程序通过传感器数据判断异常情况发生的地点，相应位置报警器报警。根据预设程序选择最安全的疏散路线，以绿色路线标识在程序主界面上，同时联动输出信号至实验室及走廊的指示灯中[9]，系统报警界面如图12所示。

系统检测出发生火灾的同时，将联动输出信号至安装在实验室的硬件，经多次调试与实验，所有软、硬件均能有效运作。

在程序的教学模拟功能下，可以对每个传感器的状态进行模拟设置，如图13所示，模拟探测器的温度、烟度报警或者是正常状态。在界面左侧，能选择对多个或者单个安装在不同实验室不同位置的报警器进行声道设置，此功能可用来模拟火情进行消防演练，增强人员的安全意识，并能对软件、硬件的运行状况进行检测和调试。

4 工作原理

通过火灾探测器对区域内环境状态信息（如温度、烟度）的实时监测与记录，再通过传输网络将信息数据传送至终端LabVIEW系统平台中，根据信号参数判断区域内是否有火灾发生。当检测到有火灾发生时，根据火灾探测器及手动报警器的信号位置激活系统中预设对应位置的火灾声光报警器，并且系统根据火灾发生位置选择A-Star算出的优化疏散路径，将其反馈到应急疏散灯具，指引人员逃生。手动报警器与探测器信号互相辅助确认火情，防止人员逃生至非火灾点或紧急出口时误按下手报从而使系统产生错误逻辑。工作原理如图14所示：

5 总结

本文通过分析某高校安全技术研究中心综合实验室的环境现状，设计了一款基于LabVIEW平台的火灾报警及应急疏散系统，结合ZigBee无线通信技术和A-Star算法，实现对实验室火情监测、自动报警、远程控制以及应急疏散等功能，提高该实验中心的安全水平。并通过消防演习实验，系统能够准确选择安全合理的疏散路径，提高发生火灾时人员的生存率和疏散效率，满足及时发现火情、集中控制、高效管理的安全需求。该系统还存在可以改进的地方，例如改良交互界面，提高人员操作精准度和便捷程度;增强无线通信的可靠性，提高传输信号的灵敏度。

参考文献：

[1] 谢珍连，谢珍丽，罗擎，等.高校实验室安全管理现状与改进方案的探讨[J].科技视界，2021（4）：136-139.

[2] 丁京.高校实验室消防安全管理存在的问题与对策[J].今日消防，2021，6（6）：67-68.

[3] 桓宗圣.智慧消防应用中多设备联动火灾报警系统[J].电脑知识与技术，2017，13（3）：77-78.

[4] 侯欣明，祝尚臻，年佳琪，等.一种应用于高校实验室的火灾自动报警及消防联动控制装置[实用新型专利]：CN205486619U[P].2016-08-17.

[5] 丁凡，周永明.基于Zigbee的无线校园火灾监控系统硬件节点设计[J].电脑知识与技术，2012，8（13）：3011-3013.

[6] 中华人民共和国住房和城乡建设部.火灾自动报警系统设计规范：GB 50116—2013[S].北京：中国计划出版社，2014.

[7] 中華人民共和国住房和城乡建设部.消防应急照明和疏散指示系统技术标准：GB 51309—2018[S].北京：中国计划出版社，2018.

[8] 陶杰，林德旸，吴保茂，等.基于A-Star算法是森林火灾指示逃生路径方法及系统[发明专利]：CN111639825A[P].20200908.

[9] 孙绍国，乌聪敏.一种智能型火灾报警及应急照明疏散指示系统[J].现代建筑电气，2013，4（S1）：202-205.

【通联编辑：梁书】

收稿日期：2021-08-25

作者简介：凌霄（1997—），男，湖南湘潭人，硕士研究生，主要研究方向为安全监测和自动化仪器研究;张嘉琪，教授，从事安全检验检测、自动化仪器与探究;周艳，通信作者，副教授，从事安全管理研究。