智能消防应急照明疏散指示逃生系统
摘要：现代建筑的结构越来越趋向于高层多功能化及地下结构化。单有火灾探测与自动报警系统的设置已经显得越来越不够完善。随着人们对自身安全意识的加强，对安全的关注不再仅仅停留在借助外力的防灾和灭火上，更在于如何更以人为本的在火灾发生后主动而且动态地指引逃生方向的逃生领域，本文中的消防智能应急疏散指示逃生系统正是针对这一问题这一需要而讨论并且研发的，这一系统一经出现便被建筑设计界追捧并已成功投入使用。
关键字：智能监控，应急照明，动态逃生
1.前言
随着时代的进步，经济、科技的迅猛发展，生活质量的日益提高及社会老龄化的趋势；建筑楼宇不断追求人性化、舒适化，大量高层特大型建筑，及地下建筑的涌现导致了建筑物的通道更长、更复杂。对于消防疏散来说，怎样在火灾发生时使逃生更安全、更准确、更迅速，正是时代对建筑防灾提出的新课题。智能消防应急照明疏散指示逃生系统终于攻克了这一难题，消防智能应急照明疏散指示逃生系统的推出和实施受到建筑业的广泛欢迎好评。
2.火灾逃生背景
目前，就现代建筑而言，其结构越来越趋向于高层多功能化及地下结构化。单有火灾探测与自动报警系统的设置还不够完全。我们都意识到了火灾报警系统在现代智能建筑中所起的重要安全保障作用，当前火灾报警系统的发展已经到了相当的水平，可以灵敏的探测到火灾，并且本身具有防灾和灭火的功能。但是，随着人们对自身安全意识的加强，对安全的关注不再仅仅停留在借助外力的防灾和灭火上，除此之外在火灾现场，能进行能动的逃生的恰恰是逃生者本人。然而，火灾现场环境恶劣，烟、雾、火以及逃生者自身的恐慌心理等众多因素都有可能在最后一刻使逃生者错失生命。
但是，如果在火灾现场有一套自成一体的火灾逃生系统，利用应急疏散标志灯指引安全的逃生方向，降低人们的恐慌心理，能动地避开烟、雾、火；那么，在那么多火灾之后，我们扼腕叹息也会少很多。然而，就目前来说，建筑物内的逃生仅仅停留在独立型应急疏散标志灯上。怎样根据现场火警信息，把应急疏散标志灯作为一个整体辅助人们逃生却是一个空白。日前,上海宝星灯饰电器有限公司在新一代LED应急标志灯基础上研制的消防智能应急照明疏散指示逃生系统填补了火灾逃生领域的这一空白。
3.在现代智能建筑中的必要性
3.1.独立型应急标志灯的若干问题
1)城市的人口集中化及老龄化趋势
中国是人口大国，而城市更是人口聚居地。随着人口的集中化，城市会变得越来越庞大。因此，如何高效率地利用地上与地下的空间，已成为一个重大的课题。以地下城市为方向，将商业中心、电影院、交通设备等供人们消遣娱乐行走的设施，集中到地下空间形成地下城市，而在如此功能化的地下城下面，再敷设地铁、电缆、上下水道等基本设施，如此，城市越来越朝着超高层次化、大深度地下化和多重结构化方向发展。
随着城市的高密度化、高层多功能化、以及地下结构化的进展，势必会使逃生通道更为复杂；同时社会人口日趋老龄化，人员密集，必须控制逃生现场的混乱，照顾各种人群，更加大了火灾时的逃生难度，使得怎样安全引导逃生这一课题更为严峻。
2)建筑作为群体的存在形式
现代的建筑已经不再是孤立的个体，错综复杂的建筑结构，即使在日常行走中，也需借助于标志指示灯或是指示牌，毋庸说在火灾发生时的混乱局面。单方面地把逃生希望寄托在众多消防硬件设备和逃生者的主观判断上是难以想象的。利用一切可利用的火警状态信息，做到智能地疏散人员正是基于这一需求产生的。正如火灾报警系统一样，对于逃生系统内的所有设备进行二十四小时不间断巡检工作状态，保证设备时刻处于最佳运行状态，消除逃生盲区；和消防报警系统联动，借助于现场收集到的火警信息，凭借逃生系统的逃生疏散网络，调整所有的标志指示灯或光流灯，使整个系统处在最佳的逃生状态，也正是研发推广该系统的理念。
3)火灾逃生的最大挑战——烟
在火灾发生时，由于烟雾中由很多二氧化硫、一氧化碳等有毒有害气体，当人吸入这些气体后，会导致人体缺氧、呼吸困难、思维迟钝。在这种情况下能保持清醒的时间大约为50秒。加之现代建筑物通道长而复杂，逃生就更艰难。消防智能应急疏散指示逃生系统结合光流，语音，频闪，借助消防报警的火灾信息，从听觉、视觉等感观上引导人们正确逃生。
4)独立型应急疏散标志灯应用现状
目前的应急标志灯在建筑楼宇内作为单体存在，无法做到响应火灾现场的变化，更不能动态地调整逃生方向指示，对现场逃生带来困难。此外，应急标志灯的日常维护和检修上存在着严重地滞后现象，应急标志灯最主要的作用是能在火灾时启动应急，而启动应急的关键在于其电池充放电工作是否正常。依靠人力的维护和检修，不能及时发现产品问题，其反作用是在发生火灾时往往会给大楼的逃生疏散指示带来许多盲区。这样的应用现状已经无法满足现代建筑的要求。
3.2. 提供智能解决方案
智能消防应急照明疏散指示逃生系统解决了独立型应急标志灯难以维护检修，以及无法和报警系统联动，在火灾发生时实时调整应急指示方向的问题。
智能消防应急照明疏散指示逃生系统是依据国家标准《建筑设计防火规范》(GBJ16-1987)、《 高层民用建筑设计防火规范》(GB50045)、《火灾自动报警系统设计规范》(GB50116)、《火灾自动报警系统施工及验收规范》(GB50166)、《智能建筑设计标准》(GB/T50314-2000)、《消防应急灯具》（GB 17945）的技术要求设计开发的，是具有自主知识产权的新一代疏散指示逃生系统，该系统提出了火灾应急疏散指示逃生的完整方案。其中包括独立监控系统，以及和消防报警设备的联动系统。
智能消防应急照明疏散指示逃生系统采用集中监控方式，通过信息技术、计算机技术和自动控制技术对目标楼宇内的消防安全通道进行实时监控，以达到产品维护、安全疏散智能化的目的，不仅解决了产品日常维护的难题，并在获得消防报警火灾联动信息后，对逃生路径进行自动分析，调整疏散方案。消除火灾发生时楼宇内逃生疏散指示盲区，提高大楼的安全系数。
智能消防应急照明疏散指示逃生系统采用总线式技术为用户节省大量重复投资，并使所有产品集成在一个相对开放的协议下。其次，该系统在设计中，充分考虑了用户系统的容量和扩展性，以满足用户对大容量设备的需要。另外，该疏散指示逃生系统可以灵活拓展，采用系统重组解决火灾现场的各种问题，为使用方提供建议性解决方案。因此，本系统全面地考虑到了消防应急系统及其各个子类的实际情况,上体现逃生全新理念的疏散指示逃生系统。
3.3.两大功能模块——监视控制
为解决传统应急标志灯日常维护检修的难题，提高楼宇安全系数，本系统具备了底层设备的故障巡检功能。通过系统架构的网络，如发生故障，底层设备以主报式上报到主机，显示在软件操作界面上，同时声光报警提醒监控人员。24小时不间断巡检，节省大量人力物力，消除逃生盲区。
为实现在火灾发生时能动的调整应急标志灯指示方向，本系统和消防报警系统联动，借助消防报警系统感烟探测器探测到的火灾信息，对底层设备进行控制、发送指令，实施频闪、语音、光流闪动等动作。这些动作都通过加载在主机中的决策方案由主机控制。
4.系统的组成结构
智能消防应急照明疏散指示逃生系统由以下各部分组成：
感烟火灾探测器，消防火灾报警主机是消防智能应急疏散指示逃生系统进行联动的外部系统，是火警信息的来源。
集中控制应急灯主机
由交互式操作软件支持，负责解析底层设备的工作故障状态信息，接收来自消防报警系统的火警联动信息。对火警信息进行决策，对底层灯具发送各种指令，控制主机打印机已经各种报警操作，可设置消防联动节点。
主要由中心接入器，工控机，逆变器，主机应急电源，液晶显示器，打印机，消防联动节点转换器组成。
主要参数：
一个中心接入器可以控制30或60个区域汇集器，中心接入器和区域汇集器之间采用总线制连接方式。
一个控制柜中可安装100个消防干节点接收器，如需要的接收器超过数量，可另设接收器安装箱。
主机应急电源在充电17小时后，自动转入俯冲电状态，应急放电状态不小于2小时。
主机控制柜供电概率35W，输入电源AC220V＋－10％/50Hz，控制柜具有充电状态显示，声光报警，模拟断电试验开关以及消音开关。
区域汇集器
负责信息的收集和双向传递，可设置消防联动节点。
主要参数：
一个区域汇集器可接30或60个灯具（母灯）。
区域汇集器应急电源由时钟电路控制充电，充电17小时后自动转入俯冲电状态。应急供电时间不小于2小时。
区域汇集器供电概率5W，输入电源AC220V/50Hz。
可调控消防应急灯具
1)安全出口灯
型号：LED/0702/A/GQ/Z
功能：由主机控制。可带语音、频闪、灭灯，可设置消防联动节点
出口指示灯位于楼道末端出口处。
在安装指示灯的位置需预留八六暗盒。
2)可调向疏散指示标志灯
型号：LED/0702/ZS
功能：由主机控制。可频闪、调整指示方向。
指示灯的出口方向可根据消防联动信息由主机柜发出指令改变方向。
指示灯供电功率3W，输入电源AC220V/50Hz
指示灯应急放电时间不小于2小时。
3)光流子母灯，如图4-2
型号：LED/0702/GL/QQ
功能：由主机控制。以不同方向闪动光流指示逃生方向。
光流母灯装于墙体1米线以下，需预留两个八六暗盒，一个通强电，另一个通弱电。
光流母灯强弱电设计时，离母灯最近的子灯作为弱电进线通道。
子灯的间距为1.5米，为减小电压降，总长为45米的光流灯组的供电线应选用有效截面为2.5平方毫米的电源线。更长或较短距离时，可根据情况选用较粗或较细的电源线。
总数为30个子灯的供电功率为3W，超过数量的子灯，按比例增大功率。输入电源为AC220V/50Hz。光流灯应急放电时间不小于2小时
5.系统现场应用
5.1.系统的应用范围
1-1公共建筑和厂房及一类居住建筑的高层民用建筑应设消防应急照明和疏散指示标志系统
建筑中的公共场所和所有的疏散走道内宜设消防应急照明灯和消防应急疏散指示标志灯
二类居住建筑的高层民用建筑的疏散走道内宜设消防应急照明灯和消防应急疏散指示标志灯系统
下列建筑或场所的疏散通道和主要疏散路线除在顶部安装的消防应急照明灯和疏散指示标志灯外还应在地面或靠近地面的墙面上1m以下安装由消防应急疏散指示标志灯和/或蓄光型消防疏散指示标志牌组成的疏散指示标志系统，且疏散标志指示间距不应大于40cm。
1)超过1500座位的影剧院；
2)单层建筑面积超过3000m2商场（含超市）、展览厅、会议中心等人员密集的大型室内公共场所；
3)建筑面积大于500 m2的地下、半地下商场或歌舞、娱乐、放映、游艺场所。
消防应急照明灯和消防应急疏散指示标志灯应设在醒目位置，不应设置在门、窗或其它可移动的物体上，不应设置在经常被遮挡的位置，其正面或邻近不得有妨碍公众视读的障碍物。
应能用手和自动两种方式控制消防应急照明和疏散指示标志系统的工作状态。
下列建筑或场所宜安装集中控制型或集中电源型消防应急照明和疏散指示标志系统。
1)200床以上的病房楼，每层建筑面积1000 m2及以上的门诊楼；
2)每层建筑面积超过3000 m2的百货楼、商场、展览楼、高级旅馆、财贸金融楼、电信楼、高级办公楼；
3)超过3000座位的体育馆
4)大型以上的影剧院、会馆、礼堂；
5)包括地下铁道、车站、电影院、礼堂等地下民用建筑；
6)使用面积超过1000 m2的地下商场、医院、旅馆、展览厅及其他商业或公共活动场所。
5.2.系统的逃生逻辑
人员密集的主干道上宜设置光流灯。
火灾发生时有可能有大量人员集中的区域宜设置光流灯。
在出口处宜设置带语音的出口标志灯，该标志灯可关闭。
出口靠楼梯内侧宜设置不带语音的安全出口灯，，该标志灯不可关闭。一旦按照外侧带语音的安全出口标志灯进入消防前室或楼层平台，则尽可能让逃生者向前走。
左右两边都有出口，宜设置可调向双向标志灯，平时该标志灯就近指示，应急时可调向，和两出口距离接近的地方该标志灯同时指双向，该灯不可关闭。
左右两边都有出口，但距离其中一处口较近时宜设置可调向的单方向标志灯，该标志灯不可关闭。
在单出口的通道中宜设置不可调向的单方向标志灯，该标志灯不可关闭。
在楼梯口宜设置楼层标志灯，该灯不可关闭。
联动消防节点可位于三处的任一位置，首选为各楼梯平台，其次为消防前室，再者距离安全出口通道三米之内也可。
火警联动的覆盖范围为：火灾本层，火灾发生层的上一层、下一层，以及所有地下层。
5.3.火警模拟案例分析
现代的建筑各种化学材料的用运，一旦发生火灾，会产生大量的毒烟，这些毒烟是导致人员逃生失败的直接原因。因此，在引导逃生时，除了避火，怎样避烟逃生是本系统的解决的问题。
根据《消防应急灯具》（GB 17945）的技术要求规定，案例中的灯具设置如下：
楼梯口设置了带语音的安全出口灯。功能有灭灯、频闪、语音。
楼道内设置可调向疏散指示标志灯。功能有改变方向、频闪。
楼道的主干道设置地面光流指示灯。功能有改变方向、闪动，平时不工作。
在各楼层的楼梯休息平台，设置感烟探测器的采集点，收集火灾信息。
根据相关规定，消防智能应急疏散指示逃生系统消防联动的覆盖范围为火灾本层，火灾发生层的上一层、下一层，以及所有地下层。
假设三层发生火灾，通过消防联动，本系统的主机收到火灾信息，通过决策系统，启动系统转入应急。细节如下：
1)火灾本层：
各光流灯启动应急。方向朝火警点的反方向闪动。
各出口标志灯启动应急，关闭处于火警点的出口标志灯。其他出口标志灯频闪，并语音广播。
各可调向疏散指示标志灯启动应急，改变指示方向，指向火警点的反向，并且频闪。
2)火灾层的上一层：
视火灾层火势、烟雾的具体走势而定。在案例中，火警发生于楼道内，烟雾走向向右，因此火灾层右边的光流灯和出口灯就近指引，而上一层右边的光流灯反向，出口灯关闭，因为该楼梯下面正是烟雾蔓延区。
3)火灾层的下一层及地下层：
按默认方式启动应急，即启动应急各出口标志灯及其语音，疏散光流灯、可调向疏散指示标志灯就近指引。所有底层设备都受控于中央主机，其工作状态，应急方案显示在操作界面上并记录于数据库中，异常状态有声光报警，同时打印输出。
6.技术优势
这个系统的网络采用新研发的3S总线技术。该技术的技术优势和应用前景详见附录。3S总线是一种基于单片机的多机通讯系统，采用通用单片机作为节点的控制芯片，因此具有成本低、可靠性高的特点。
6.1. 3S网络的特点
1)数据高可靠性。采用完善的CRC校验机制，保证数据的准确；发生错误，数据自动重发；严重错误节点自动关闭；线路故障自动报警等。
2)结构灵活。计算机接入方式灵活，可以选择RS232、以太网、USB等；网络规模可以根据需要无限扩展：路由器可采用级联结构；网络中任何两个节点之间（RTU、终端设备、路由器、计算机接口等）均可跨网段直接访问。
3)3S网络为多主结构，网络中的任何节点都可主动向网络中的其它节点发送数据，节省令牌传递的时间，保证数据能及时到达;网络采用短帧结构和非破坏性的仲裁机制;数据帧包含路由信息，节省通路建立和断开时间、简化路由算法。
4)最高通讯速度可达200Kbps(<100m)；最远通讯距离为5km(<5kbps)(通过中继器可以达到更远)。
5)每个网段可容纳100个节点。
3S网络通讯协议的实现采用软硬件结合的方法，因此具有较高的灵活性，在楼宇自动化系统（BAS）和家庭自动化中可以替代国际标准现场总线，且具有突出的价格优势。采用3S总线的RTU具有监控各种电压信号、开关信号、模拟信号及连接各种传感器和执行器的能力，可以方便的构成BA监控系统。采用3S总线替代传统的RS232或RS485，将使系统具有更高的可靠性和更大的网络规模。
6.2. 3S网络的原理概要
3S网络的出发点是：制定一套应用于现场总线系统的局部总线标准，包括局部总线的物理层接口，数据链路层、网络层协议，并且设计与国际标准现场总线的接口，使得整个局部总线能够作为一个子网嵌入到现场总线系统中。局部总线内部节点间能够通讯，并且具有互操作特性。局部总线满足低速、低成本、易于实现的特点。与标准现场总线不同，3S网络局部总线中数据链路层以上均采用软件实现，研究内容包括：物理层设计、硬件接口定义、数据链路层、网络层设计、与现场总线网络的接口设计、低功耗设计、总线供电等特性的实现。其中的关键技术为：
1)软件实现全部协议，并保证实时性的要求。
2)局部总线能够与不同的现场总线通讯。
6.3. 3S总线产品
1)3S总线计算机接口。
可用多种接口接入计算机：RS232、USB、EtherNet。
3S网络侧可连接99个路由器、RTU或其他终端设备。
2)3S总线路由器
兼有路由和汇集器功能，路由器两边均可连接99个节点；路由器可执行广播功能、节点通讯故障诊断功能、自动重发功能等。
3)通用RTU
通用的3S总线RTU具有可监控各种电瓶信号、开关信号、模拟量、频率信号等功能，并能将信号自动远传给需要数据的节点或计算机，也可根据接收到的数据及命令执行相应的控制任务，例如启动电动机、打开阀门等。
4)其它终端设备
将3S网络嵌入到各终端设备中，利用终端设备的MCU实现3S网络通讯。例如3S门禁读卡机、3S温度传感器、3S液位仪等。利用这些3S终端设备均可以实现各种专用系统如：门禁系统、温度监控系统、液位监控系统等。
6.4. 3S总线与现场总线、RS485的对比
局部总线采用普通单片机通过软件实现协议，虽然在最高通讯速度上不如采用硬件实现的现场总线技术的通讯速度高，但在大多数场合，设备距离较远的应用领域，如，楼宇自动化、小区自动化等领域，通讯速度不可能过高，此时局部总线和普通现场总线处在同一个水平线上。而局部总线的价格具有非常突出的优势，特别是在量大面广的底层设备，具有突出的优势。
6.5. 3S局部总线在协议上的优点
局部总线在协议的设计上，继承了多种现场总线的优点：
1)采用非破坏式的总线竞争方式，其突出的优点是，在总线负载较重（信息通量大）时，网络不会阻塞；
2)多主结构：不需要专门的主机或令牌，任何节点可主动访问总线内其他节点；
3)组态特性：一经组态，网络中任何两点可以跨越多个网段实现信息的交换，不需主机的干预。
4)采用带有路由信息的变长地址结构：网络可扩展性极强，规模近乎无限。
5)采用CRC校验方式，极低的出错概率
6)自动通讯故障检出功能
7)硬件的报文滤波，不会因网络信息量大而影响设备正常运行。
由于成本低，使得局部总线可以广泛应用到量大、面广的各种需要在线通讯的设备上，嵌入到设备中，或者应用于大型机器内部通讯网络。例如：BA系统、报警系统、抄表系统、门禁系统等各种监控系统中，也可用于家庭智能化网络及各种工业控制系统中。由于局部总线的实现方案成本远低于现场总线，因此产品的价格将具有突出的竞争力。
由于采用具有自主知识产权的局部总线技术，对开发人员的要求较低，只要有普通单片机的开发经验就可，因此特别适合我国传统机电行业的技术改造，将带动我国一批国有、民营企业提升产品技术含量和市场竞争力，对于产品的用户来说有助于提升生产自动化水平和管理水平，因此具有广泛的社会意义和巨大的经济效益。
7.结束语
我们相信上述系统在具体应用中会不断地推陈出新，顺应市场和迎合客户的需要，凭借其自身的高端品质和开放的技术平台，实施针对每个工程的个性化设计，依据系统自身突出的网络优势和无限拓扑的特点，使用于各种各样大大小小的建筑工程项目。当然，随着科技的进步，建筑的新要求，在这一逃生领域中，还需在智能消防应急照明疏散指示逃生系统上做不断的完善，使其在火灾时发挥更大的作用。
