■ 何楨 中國(guó)人民警察大學(xué)

一、引言

我國(guó)歷史悠久，文物建筑數(shù)量眾多，但因建筑多為木結(jié)構(gòu)或磚木結(jié)構(gòu)建造，具有極大的火災(zāi)危險(xiǎn)性，火災(zāi)的及時(shí)準(zhǔn)確探測(cè)對(duì)防范文物建筑火災(zāi)的發(fā)展、蔓延具有重要意義。木材燃燒的初始階段首先產(chǎn)生一定量煙霧，此時(shí)明火和熱量累積尚不明顯，因此，光電感煙火災(zāi)探測(cè)是當(dāng)前在文物建筑中采用最為廣泛的技術(shù)。

傳統(tǒng)光電感煙探測(cè)器采用一發(fā)一收的方式進(jìn)行煙霧檢測(cè)，并采用簡(jiǎn)單的閾值判定算法進(jìn)行煙霧類(lèi)別及報(bào)警判斷，因此粉塵、水蒸氣等粒徑與煙霧粒子相差無(wú)幾的干擾源會(huì)使探測(cè)器誤報(bào)。文物建筑作為火災(zāi)危險(xiǎn)性極大的場(chǎng)所，傳統(tǒng)的光電感煙探測(cè)器無(wú)法確保能夠準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)到火災(zāi)的發(fā)生，而雙光電感煙探測(cè)技術(shù)的出現(xiàn)則更符合文物建筑場(chǎng)所的感煙火災(zāi)探測(cè)需要。文章將傳統(tǒng)光電感煙探測(cè)器與雙向雙波段的光電感煙探測(cè)器（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“雙光電”）進(jìn)行對(duì)比，分析雙光電感煙探測(cè)器在文物建筑中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。雙光電感煙探測(cè)器能夠有效降低感煙探測(cè)器誤報(bào)率，提高煙霧報(bào)警響應(yīng)均衡度，有效降低文物建筑的火災(zāi)危險(xiǎn)性，對(duì)保護(hù)文物建筑、防止文物建筑大型火災(zāi)的發(fā)生具有重要意義。

二、文物建筑應(yīng)用分析

（一）文物建筑火災(zāi)案例

根據(jù)應(yīng)急管理部消防救援局給出的數(shù)據(jù)，近十年來(lái)，全國(guó)共接報(bào)文物古建筑火災(zāi)392起，直接財(cái)產(chǎn)損失2808.9萬(wàn)元。

2014年以來(lái)，國(guó)家相關(guān)部門(mén)陸續(xù)制定出臺(tái)了《古城鎮(zhèn)和村寨火災(zāi)防控指導(dǎo)意見(jiàn)》《關(guān)于加強(qiáng)歷史文化名城名鎮(zhèn)名村及文物建筑消防安全工作的指導(dǎo)意見(jiàn)》《文物建筑電氣防火導(dǎo)則（試行）》等來(lái)確保文物建筑的消防安全[1]。

2014年1月3日凌晨2時(shí)49分，云南省大理州巍山縣拱辰樓發(fā)生火災(zāi)，過(guò)火面積約300m2，600多年歷史古跡全被燒毀。拱辰樓位于巍山縣城南詔鎮(zhèn)，原為蒙化衛(wèi)城的北門(mén)城樓，始建于明洪武二十三年，是巍山古城的標(biāo)志性建筑之一，是云南省級(jí)文物保護(hù)單位。

2017年12月10日12時(shí)39分，四川省一座寺廟發(fā)生火災(zāi)，被大火燒毀的木塔已修建8年，共16層高，號(hào)稱(chēng)亞洲第一高木塔?；馂?zāi)造成寺內(nèi)大雄寶殿、上師殿、高塔（在建）全部過(guò)火。起火點(diǎn)位于寺廟大殿，隨后引燃高塔。

2020年5月4日，溫州永嘉縣巖頭鎮(zhèn)芙蓉古村內(nèi)的司馬第大屋突發(fā)火災(zāi)，芙蓉古村始建于唐末，是楠溪江流域歷史最悠久的村落，按照“七星八斗”布局設(shè)計(jì)，寓意人才輩出如同星斗繁密無(wú)數(shù)。村寨布局呈蓮花瓣形，村內(nèi)道路、水渠迂回曲折， 至今仍世襲珍藏著南宋“十八金帶”的容圖、象牙笏板、祭器和“黃金印”等古物。 此次過(guò)火建筑面積約1246m2?；馂?zāi)未造成人員傷亡。

從上述三個(gè)案例中可以看出，文物建筑一旦發(fā)生火災(zāi)，會(huì)對(duì)國(guó)家和社會(huì)財(cái)產(chǎn)造成極大的損失。文物建筑火災(zāi)的發(fā)生有多種因素的作用，在消防設(shè)備方面，許多文物建筑內(nèi)未安裝光電感煙探測(cè)器或是感煙探測(cè)器無(wú)法正常作用。在國(guó)家文物局2020年1月份的一次排查中，許多文物建筑內(nèi)的光電感煙探測(cè)器無(wú)法對(duì)火災(zāi)煙霧進(jìn)行有效報(bào)警，將雙光電感煙探測(cè)器替代傳統(tǒng)光電感煙探測(cè)器應(yīng)用在文物建筑內(nèi)會(huì)成為有效降低建筑火災(zāi)危險(xiǎn)性的一種手段。

（二）雙光電探測(cè)器應(yīng)用分析

我國(guó)最為普遍的（磚）木結(jié)構(gòu)文物建筑是雙光電智能火災(zāi)探測(cè)器及其報(bào)警系統(tǒng)的主要應(yīng)用場(chǎng)合之一。在各地政府都大力整治文物古建筑火災(zāi)的形勢(shì)下，尋找替代傳統(tǒng)光電感煙探測(cè)器，具備更靈敏、更準(zhǔn)確的火災(zāi)探測(cè)器將成為必然的趨勢(shì)，而雙光電感煙探測(cè)器的工作原理及適用場(chǎng)景更符合文物建筑的建筑特點(diǎn)，具有非常重要的應(yīng)用意義：

（1）文物建筑具有無(wú)法復(fù)刻的珍貴價(jià)值，因此火災(zāi)探測(cè)應(yīng)做到“探早報(bào)小”，即在無(wú)明火的陰燃階段就可對(duì)煙霧進(jìn)行有效的探測(cè)識(shí)別；

（2）文物建筑為防止電氣火災(zāi)事故發(fā)生，絕大部分房間夜間關(guān)燈斷電，甚至室內(nèi)完全沒(méi)有引入照明，因此，一些基于探測(cè)火焰光原理的圖像型火災(zāi)探測(cè)器因?qū)Νh(huán)境亮度有所要求，難以實(shí)現(xiàn)煙霧探測(cè)功能；

（3）文物建筑普遍較封閉，灰塵經(jīng)年累積，火災(zāi)探測(cè)器的工作環(huán)境較為惡劣，誤報(bào)率偏高。而且文物保護(hù)單位人員編制較少，技術(shù)力量較薄弱，要求探測(cè)器穩(wěn)定可靠，易于維護(hù)，因此亟待開(kāi)發(fā)具有優(yōu)良抗干擾性能的感煙火災(zāi)探測(cè)器；

（4）文物建筑大部分房間面積較小、層高較低，要求探測(cè)器盡可能隱蔽安裝，減少對(duì)其原始風(fēng)貌的破壞。

三、基本原理

（一）光電感煙探測(cè)器

目前的光電感煙火災(zāi)探測(cè)器均基于煙霧顆粒對(duì)光的散射原理，其基本實(shí)現(xiàn)方式是：發(fā)射器發(fā)出紅外光束，經(jīng)過(guò)氣體室中的顆粒區(qū)域后發(fā)生散射，由接收器探測(cè)散射光強(qiáng)并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。通常顆粒濃度越高，散射光強(qiáng)越大，當(dāng)達(dá)到報(bào)警閾值后發(fā)出報(bào)警。典型散射光型感煙火災(zāi)探測(cè)器結(jié)構(gòu)如圖1所示，主體由發(fā)光二極管（LED）發(fā)射器、光電二極管（PD）接收器、腔體迷宮等組成，具有成本低、可靠性高、易于組裝等優(yōu)點(diǎn)。

對(duì)光電感煙探測(cè)器來(lái)說(shuō)，影響其探測(cè)精準(zhǔn)度的因素主要有粒子的粒徑、散射角、煙霧類(lèi)別等。

1.粒徑

根據(jù)粒子粒徑的不同，大體上可分為小粒徑、中等粒徑、大粒徑三類(lèi)，根據(jù)粒徑的不同，其符合的光學(xué)散射原理也不同。小粒徑粒子符合瑞利散射理論，中等粒徑粒子符合一般光學(xué)散射理論、大粒徑粒子符合米散射理論，而火災(zāi)煙氣的絕大部分粒子直徑分布在0.01～10μm。表1為部分煙霧粒子粒徑[2]：

表1 部分煙霧粒子粒徑分布

2.散射角

散射角是指探測(cè)器內(nèi)發(fā)射管與接收管形成的角度θ，θ＜90°即散射光與入射光同一方向的為前向散射，θ＞90°即散射光與入射光方向相反的為后向散射。傳統(tǒng)單發(fā)射光電感煙探測(cè)器采用的多為前向散射，其散射角度θ有120°、135°等。把入射光方向和散射光方向組成的平面作為觀(guān)察面，如圖2所示。

3.煙霧類(lèi)別

火災(zāi)煙霧可分為兩大類(lèi)，即黑煙和白煙。黑煙基本是石油化工產(chǎn)品燃燒后產(chǎn)生的顆粒凝聚后的產(chǎn)物，白煙基本是植物纖維產(chǎn)品燃燒后產(chǎn)生的顆?！，F(xiàn)有的光電感煙探測(cè)器對(duì)黑煙和白煙的響應(yīng)靈敏度不同，導(dǎo)致兩種煙霧情況下報(bào)警時(shí)間相差較多。

現(xiàn)有的光電感煙火災(zāi)探測(cè)器由于通過(guò)直接探測(cè)煙霧濃度進(jìn)行報(bào)警，所以容易受非火災(zāi)煙霧顆粒如水汽、油煙、粉塵、香燭等干擾而發(fā)生誤報(bào)[3]。以上海市為例，上海市內(nèi)一天煙霧探測(cè)器的報(bào)警總數(shù)可達(dá)到幾十萬(wàn)次，其中出現(xiàn)明火導(dǎo)致探測(cè)器報(bào)警的只有二百多次，可見(jiàn)誤報(bào)的比例相當(dāng)之大。

在文物建筑中，因其建筑時(shí)間長(zhǎng)、建筑材料老化等因素，建筑內(nèi)有非常多非火災(zāi)煙霧粒子，傳統(tǒng)火災(zāi)煙霧探測(cè)器的作用受到極大的限制。因此需要深入研究火災(zāi)煙霧顆粒與非火災(zāi)干擾顆粒的光散射特征、改善光電感煙探測(cè)機(jī)理，而雙光電感煙探測(cè)器則能夠更加準(zhǔn)確地進(jìn)行火災(zāi)煙霧的識(shí)別。

（二）雙光電感煙探測(cè)器

根據(jù)Mie散射原理，不同性質(zhì)的顆粒對(duì)光的散射存在方向差異，同時(shí)對(duì)不同波長(zhǎng)的光的散射能力也存在區(qū)別。因此，雙光電感煙火災(zāi)探測(cè)器能夠?qū)η跋蚝秃笙虻纳⑸涔鈴?qiáng)進(jìn)行精確檢測(cè)，結(jié)合不同波長(zhǎng)的發(fā)射光源，識(shí)別出煙霧顆粒并得到其濃度，顯著提高煙霧探測(cè)的可靠性。如圖3所示，為雙光電感煙探測(cè)器原理圖。

孫悟[4]等人通過(guò)使用T矩陣法，選擇兩種不同波長(zhǎng)的光得到了不同光條件下火災(zāi)煙霧粒子與非火災(zāi)煙霧粒子的矩陣，通過(guò)數(shù)值運(yùn)算成功區(qū)分了火災(zāi)煙霧粒子、液滴粒子與粉塵粒子；鄧田[5]等人采用雙波長(zhǎng)光線(xiàn)采集煙霧粒子的粒徑分布圖，通過(guò)多通道的多參數(shù)火災(zāi)探測(cè)方法，成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)白煙和黑煙的區(qū)分。

對(duì)于特定波長(zhǎng)的散射效率計(jì)算如圖4所示。傳統(tǒng)的光電感煙探測(cè)器廣泛采用的是近紅外LED，波長(zhǎng)在880～940nm。近年來(lái)，具有更短波長(zhǎng)的藍(lán)光LED（波長(zhǎng)470nm）被證明可以用來(lái)檢測(cè)更小的氣溶膠粒子，藍(lán)光散射效率的增加相對(duì)于近紅外來(lái)說(shuō)非常明顯，因此雙光電感煙探測(cè)器多采用紅藍(lán)光作為發(fā)射光來(lái)探測(cè)煙霧，對(duì)于各種粒徑的粒子都能夠有效進(jìn)行分辨。

圖5展示了光如何在與粒子發(fā)生光散射后進(jìn)行向前和向后散射，對(duì)小粒子來(lái)說(shuō)，前向和后向散射光強(qiáng)度基本均等，對(duì)于大粒子來(lái)說(shuō)，前向散射光強(qiáng)度顯著大于后向散射。

（三）文物建筑應(yīng)用分析

根據(jù)傳統(tǒng)感煙探測(cè)器與雙光電感煙探測(cè)器的原理分析，經(jīng)對(duì)比可說(shuō)明后者比前者更加適用于文物建筑的感煙探測(cè)：

1.準(zhǔn)確性高

雙光電感煙探測(cè)器采用兩發(fā)一收設(shè)計(jì)，可精準(zhǔn)判別煙霧粒子種類(lèi)，降低文物建筑內(nèi)非煙霧粒子的干擾率，提高感煙探測(cè)準(zhǔn)確性。

2.抗干擾性強(qiáng)

環(huán)境對(duì)傳統(tǒng)光電感煙探測(cè)器的影響較大，夏季氣溫高、濕度大，嚴(yán)重影響到探測(cè)器內(nèi)部的電子器件；冬季探測(cè)器的溫差效應(yīng)易形成水霧，導(dǎo)致發(fā)生光散射[6]。雙光電感煙探測(cè)器為雙波長(zhǎng)光，受環(huán)境影響更小，抗干擾性強(qiáng)。

3.低成本

在電子領(lǐng)域科技更加進(jìn)步的今天，雙光電感煙探測(cè)器的設(shè)計(jì)更加優(yōu)化，元器件搭配更加精簡(jiǎn)有效，例如，國(guó)內(nèi)的依愛(ài)消防等開(kāi)發(fā)的雙光電感煙探測(cè)器成本更低，具有更多的經(jīng)濟(jì)效益。

四、結(jié)語(yǔ)

具體而言，此類(lèi)探測(cè)器是專(zhuān)門(mén)針對(duì)文物建筑的室內(nèi)火災(zāi)?？紤]到我國(guó)文物建筑自身及其火災(zāi)具有以上特征，更加凸顯了此類(lèi)探測(cè)器在文物建筑中應(yīng)用的重要意義。雙光電智能火災(zāi)探測(cè)器及其報(bào)警系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)探測(cè)原理的升級(jí)改進(jìn)和探測(cè)算法的開(kāi)發(fā)優(yōu)化，在保證及早報(bào)警的同時(shí)能顯著降低誤報(bào)率，無(wú)疑是我國(guó)文物建筑火災(zāi)探測(cè)領(lǐng)域更具前景的技術(shù)及應(yīng)用方向。