防火墙性能测试研究（精选7篇）
防火墙性能测试研究 篇1
1 引言
防火墙是目前网络安全领域中广泛使用的设备,其主要目的就是保证对合法流量的保护和对非法流量的抵御。从网络的整体结构上看,防火墙处于网络的边界处,对于大型网络的骨干关键节点的攻击又更具破坏性和针对性,显而易见,防火墙的网络性能将对最终的网络用户有决定性的影响,性能的高低直接影响着网络的正常应用。目前防火墙的网络性能指标日益为人们所重视,地位也越来越重要。因此,在防火墙测试工作中性能测试是极其重要的一部分。
近年来,测量不确定度评定逐渐在测量领域内被广泛应用。但是,在信息安全产品性能测评领域中,测量不确定评定的研究和应用都较少。
2 性能测试指标体系
结合网络互联设备基准方法(RFC2544)、防火墙性能基准术语(RFC2647)、防火墙性能基准方法(RFC3511)三种RFC所述,防火墙在实际应用中的性能指标主要有并发TCP连接数、每秒TCP新建连接数、吞吐量、延迟、防火墙对拒绝服务攻击的防范能力和HTTP转发率六大类。
GB/T 20281-2006《信息安全技术防火墙技术要求和测试评价方法》[4]中对防火墙产品应达到的性能指标作出了规定。
1)吞吐量:防火墙在不丢包情况下转发数据的能力,一般所能达到的线速的百分比(或称通过速率)来表示。
2)延迟:数据帧的最后一个位的末尾达到防火墙内部网络输入端口至数据帧的第一个位的首部到达防火墙外部网络输出端口之间的时间间隔。
3)最大并发连接数:防火墙所能保持的最大TCP并发连接数量。它表示防火墙对其业务信息流的处理能力,反映出防火墙对多个连接的访问控制能力和连接状态跟踪能力,这个参数的大小直接影响到防火墙所能支持的最大信息点数。
4)最大连接速率:防火墙在单位时间内所能建立的最大TCP连接数,一般是每秒的连接数。这个指标主要体现了被测防火墙对于连接请求的实时反应能力。
3 性能指标测试
3.1 防火墙性能测试仪
防火墙性能测试中的主要测试仪表有Spirent公司的Smartbits、Avalanche和IXIA公司的Ixload、Breaking Point公司的BPS等工具。性能指标有TCP/IP 2-3层和4-7层测试之分,各公司分别有相应的组件模块与之相对应。
3.2 防火墙性能测试方法
针对每种性能指标会有多个测试用例,下面给出在实际测试过程中的测试方法。
测试环境如图1所示,将专用性能测试仪器与防火墙直接相连,进行测试。性能测试工具主要是专用性能测试设备。
1)吞吐量:测试仪表的发送端口以一定速率发送一定数量的帧,并计算所发送的字节数和分组数,在接收端口也计算所接收的字节数和分组数,如果发送的帧与接收的帧数量相等,那么就将发送速率提高并重新测试;如果接收帧少于发送帧则降低发送速率重新测试,直至得出最终结果。一般测试仪表都采用二分法来找到最大的转发速率。
测试方法:
配置测试防火墙只有一条默认允许规则;
进行UDP双向吞吐量测试;
配置防火墙在200条以上不同访问控制规则;
进行UDP双向吞吐量测试。
2)延迟:在已知防火墙在每种数据帧长下吞吐量大小的前提下,以一定数据帧长在测定的对应发送吞吐量速率下发送数据流穿过防火墙,从数据帧的最后一位进入输入端口开始计时,到数据帧的第一位出现在输出端口结束,这期间的时间间隔即为延迟。
测试方法:
配置测试防火墙只有一条默认允许规则;
取吞吐量测试中测得的最大吞吐量,进行延迟测试;
配置防火墙在200条以上不同访问控制规则;
取吞吐量测试中测得的最大吞吐量,进行延迟测试。
3)最大并发连接数:采用反复搜索的机制,在每次反复过程中,以低于被测设备所能承受的连接速率发送不同数量的并发连接数,直至得出被测设备的最大连接数。
测试方法:
配置防火墙允许某种TCP连接;
通过专用性能测试设备测试防火墙所能维持的TCP最大并发连接数。
4)最大连接速率:采用反复搜索机制,每次重复过程中,以低于被测设备所能承受的最大并发连接数发起的速率不同连接请求,直至得到所有连接被成功建立的最大速率。
测试方法:
配置防火墙允许某种TCP连接;
通过专用性能测试设备测试防火墙的TCP连接速率。
4 性能测量不确定度的评定
测量不确定度是表征被测量之值所处范围的一种评定,是保证检测质量的重要要素。我国于1999年颁布的《测量不确定度评定与表示》(JJF1059-1999)规定,测量不确定度分量可以用A类和B类两种方法来评定。其中,A类用统计分析观测列的方法进行评定;B类用不同于对样品统计分析的其他方法进行评定,B类评定方法需要了解测量仪器、技术资料、测量方法等。得到这些不确定度的分量后,需要将这些分量合成标准不确定度,另外一般还要计算扩展不确定度,以便提供测量结果一个区间。
近年来,测量不确定度评定逐渐在测量领域内被广泛应用。但是,在信息安全产品性能测评领域中,测量不确定评定的研究和应用都较少。本文将重点研究防火墙性能指标“吞吐量”、“延迟”的测量不确定度,从而更为科学的描述测量结果,使得测试结果更具准确性。
防火墙性能测试时“吞吐量”、“延迟”的测量不确定度,其主要来源可总结为两个方面:测试人员在重复性条件下进行重复测量引入的标准不确定度(A类)、用测试仪进行测量引入的标准不确定度(B类)。
4.1“吞吐量”测量不确定度的评定
1)数学模型
建立数学模型:T=x+δLs
T———测量结果
x———测量值
δLs———测试仪影响
2)A类不确定度分量
(1)测试
网络环境:AXIA性能测试仪,其两个千兆电接口分别与防火墙的两个千兆电接口直接连接。测试步骤:
启动被测防火墙,并进行IP、安全策略等基本配置,以确保防火墙内外网全通;
启动AXIA性能测试仪,选择吞吐量测试模板,进行IP、相关参数等配置,如数据帧类型(UDP)、大小(64字节)、测试时长等;
设置Resolution为1%(即前后两次不丢包时吞吐量的差值小于0.01,即结束迭代,吞吐量测试结束),按照配置好的参数启动吞吐量测试选项进行测试,并记录测试结果。
重复上述测试过程20次,得到结果如表2所示。
(2)计算
计算平均值:
这里,N=20;
求得平均值的实验标准偏差、即标准不确定度:
自由度v1=N-1=20-1=19。
(3)B类不确定度分量
针对于“吞吐量”性能值的测量,存在B类不确定度。我们前面所设置的Resolution即为B类不确定度,测试仪误差为+0.01(只存在正误差,不存在负误差)。在此,我们没有特殊说明,按照均匀分布计算,
(4)合成标准不确定度
两个不确定度分量不是独立分量,两者具有相关性,因此合成不确定度为:
(5)扩展不确定度
计算有效自由度U=k Uc
在此,我们取k=2,因此
(6)测量不确定度报告
经过上述运算得出测量不确定度报告:
4.2“延迟”测量不确定度的评定
(1)数学模型
建立数学模型T=x+δLs:
T———测量结果
x———测量值
δLs———测试仪和网线的影响
(2)A类不确定度分量
1)测试
网络环境:AXIA性能测试仪,其两个千兆电接口分别与防火墙的两个千兆电接口直接连接。测试步骤:
启动被测防火墙,并进行IP、安全策略等基本配置,以确保防火墙内外网全通;
启动AXIA性能测试仪,选择吞吐量测试模板,进行IP、相关参数等配置,如数据帧类型(UDP)、大小(1518字节)、测试时长等;
勾选“计算延迟”,按照配置好的参数启动吞吐量测试选项进行测试,并记录测试结果。
重复上述测试过程20次,得到结果如表3所示。
注:20次测试,防火墙的吞吐量均为100%线速
2)计算
计算平均值:
这里,N=20;
求得平均值的实验标准偏差、即标准不确定度:
自由度v1=N-1=20-1=19。
(3)B类不确定度分量
针对于“延迟”性能值的测量,只存在由于测试仪自身性能和网线所引起的延迟偏差,不存在B类不确定度。
(4)延迟偏差
由于测试仪自身性能和网线所引起的延迟偏差可以采用设备自环测试来获取。
1)测试
自环测试与前面测试不同的是,测试仪的两个千兆电接口直接相连,其它步骤都相同。
2)计算
经过多次测试证明,测试仪自身性能相对稳定,延迟测试值为L1=0.06us。
网线也会带来的延迟偏差。在理想情况下,数据在介质上的传输速率接近光速,设为3×108M/s,则3M长线的延迟为:
(注意:另一根已在计算测量仪自身性能不确定度时计算在内)
(5)合成标准不确定度
“延迟”测量不确定度评定中,只存在A类不确定度分量,不存在B类不确定度分量,但是存在延迟偏差,因此
(6)扩展不确定度
计算有效自由度U=k Uc
在此,我们取k=2,因此
(7)测量不确定度报告
将延迟偏差考虑在内,经过上述运算得出测量不确定度报告:
5 结束语
在世界范围内网络带宽总的趋势是不断地提速升级,然而从网络的整体结构上看,防火墙恰处于网络的末端,防火墙的网络性能将对最终网络用户得到的实际带宽有决定性的影响。因此,在防火墙测试工作中性能测试是极其重要的一部分。本文结合防火墙性能指标探讨了性能测试指标、常用测试工具,并重点研究了防火墙性能指标“吞吐量”、“延迟”的测量不确定度,从而更为科学的描述测量结果,使得测试结果更具准确性。
参考文献
[1]RFC2544,Benchmarking碃Methodology碃for碃Network碃Interconnect碃Devices.
[2]RFC2647,Benchmarking Terminology for Firewall Performance.
[3]RFC3511,Benchmarking Methodology for Firewall Performance.
[4]GB/T20281-2006信息安全技术防火墙技术要求和测试评价方法.
[5]JJF1059-1999测量不确定度评定与表示.
[6]岳妍妍.DDOS防火墙性能测试的研究.网络与通信,2010年第26卷第3-3期,109-111.
网络性能测试仿真方法研究 篇2
摘要：网络测试有利于提高网络的运行效率和安全性，要对网络性能进行定量的研究，必须指定适当的性能标准。信息流平台要描述这样的应用系统，就必须能够确切、完整地描述它的网络环境和网络信息流，信息流生成工具能够自动生成应用系统的网络信息流，并使信息流在网络上流动起来。
关键词：网络测试；信息流；仿真软件平台
1引言
网络测试是进行网络管理的有效辅助手段，有利于提高网络的运行效率和安全性。网络测试与网络协议的分层有关，网络协议的分层监护了网络协议内部与外部的关系，也为网络测试提供了方便。
TCP/IP模型不包括其基础的硬件，分为4层：链路接口层、网络层、传输层和应用层，而应用层传递的数据依赖于应用层对网络的使用方式。应用层测试分为功能测试和性能测试，本文重点就是应用层的性能测试方法研究。
2通信网络性能分析
要对网络性能进行定量的研究，必须指定适当的性能标准。对于管理者和用户来说，评价信息网络性能好坏的技术指标包括网络吞吐量、信道容量、链路利用率、节点利用率、系统的平均响应时间、包延迟时间、丢包率和可靠性等。对于特定的网络来说，各项性能指标都折衷的方案并不一定能为用户提供最好的服务。因此在网络性能研究中，是否选取了合理的性能指标参数，是评价与实际相符的一个关键因素。本文模拟的网络信息流是基于系统的应用层。
3设计概述
3．1设计理论
网络系统的计算机仿真是利用计算机对所研究的系统结构、系统功能和系统行为进行动态模仿，即通过计算机程序的运行来模拟网络的动态工作过程。在与真实系统相同或相似的物理设备上，模拟与真实系统相同的网络信息流，并使信息流在网络上流动，再配合专用的设备，监控和测试网络的性能以达到评估网络设计的目的。这样简化的应用系统完全可以体现真实应用系统的网络特性，它是由一个与真实系统相同的网络结构和简化了的信息流组成的应用系统。信息流平台要描述这样的应用系统，就必须能够确切、完整地描述它的网络环境和网络信息流，做到这一点的前提是：找出网络构成和网络信息流的特征要素，把他们抽象化、规范化，最终设计相应的数据结构保存。仿真运行时，读取这些数据，做运行参数的设置，即可以使信息流在网络上流动起来。这就是信息流模型的概念。使用“通用软件生成法”进行信息流仿真，就必须具有一个科学的信息流模型。
3．2网络信息流仿真软件生成工具
信息流生成工具是一个基于以太网的专门用于应用系统网络级信息流的仿真软件平台，配合半物理环境使用的工具。能够自动生成应用系统的网络信息流，并使信息流在网络上流动起来，具有专用的测试接口和强大的数据分析系统，能够监视网络传输技术，并能进行各种有效的分析，给出量化的结果，如图1所示。无论应用系统有几个节点都运行本程序，由本程序读取数据库中用户设计的参数，生成本节点特有的信息流，完成仿真目的。
数据存储服务器：保存模型数据和仿真结果数据；设计模拟数据，将其存放入数据存储服务器中。
Linux用户仿真终端：模拟Linux类型操作系统的用户节点的网络信息流；与数据服务器建立接口，在用户终端有效读取数据库内容，从数据库中读入所有与本节点有关的报文，加以分析，做相应的初始化设定，完成本节点信息流的网上流动。
监测系统：监测网络信息流，形成统计数据。
3．3测试系统实现技术
测试系统采用Client/Server结构。网络通讯的发起方为Client，接受方为Server。接受方在测试系统启动后常驻内存，监视网上变化，一旦发现有报文到达，即进行处理，需要时返回结果。发起方在需要通信时向网络中的指定端口发送报文并接收处理结果。
该工具对系统中各方位的软件运行情况及网络状态、网络流量、网络延迟情况进行测试，并完成局域网报文的发送与接收的监测和模拟。其具体功能有：
报文监测：监测网络中传递的应用层报文，显示检测结果。
统计：统计计算在指定时间内的网络流量、网络吞吐量和网络利用率。
报文接收：接收网络上发送的报文，进行一定的数据分析，存盘处理。
网络延迟测试：向指定地址发送测试报文，并接收应答，计算其时间并显示。
4结束语
信息流生成工具完成后，将形成一个独立平台，能够支持具有各种真实应用背景的网络系统、综合电子信息系统和其他使用网络的应用系统进行网络仿真，并在该平台上测试得出网络传输的定量数据。
英国电热毯防火性能测试 篇3
英国消防部门呼吁人们在冬天使用电热毯前先进行测试。一般的测试可以保证处于良好的工作状态以及其内置安全装置能够正常工作状态和其内置安全装置能够正常工作, 以避免电流冲击、烧伤及过热引起的火灾。
牛津郡的消防和救援部门提供免费的电热毯测试, 他们提出2010年测试的40%的电热毯都不合格。发起呼吁的同时, 防火工业协会也发布了一项新的电热毯检查和维修实践指导, 为消防部门和其他相关服务提供商检查和维护提供指导。
外墙外保温系统防火性能研究 篇4
央视火灾，外保温是幕墙的;上海火灾，外保温是施工过程中的聚氨酯;沈阳火灾，外保温是幕墙的。三次火灾的保温材料包括了现在常用的几种，XPS、PU、EPS。沈阳火灾时，中间的B座没有蔓延到C座，不是因为使用了EPS，而是因为消防队员拼死把火顶住了。
从火灾的发生看，幕墙火灾风险比较大，施工过程中的火灾风险也比较大。同时，使用了不达标的保温材料。
现在，保温材料常用的有三种类型。第一类是无机的、不燃的;第二类是有机无机复合的，主要是胶粉聚苯颗粒;第三类是有机高分子保温材料。现在常用的三种材料，按照相应的产品标准或者国家的标准规范要求，应该不低于B2级，而工程实际应用中很多是不达标的，是B3级。因为对防火的要求，外保温材料的防火等级提到了B1级，也是刚从B2级过渡到B1级。每一级都包含一个很宽的范围，如B2级，即使同为B2级，也不一样;同为B1级，即使常用的三种材料都达到B1级，差距也很大。
同世界其他国家一样，中国大部分的保温材料主要是采用有机的高分子保温材料。由于央视、上海、沈阳这三把大火，引发了上至中央领导、下至群众百姓对外墙保温防火安全性的广泛关注和置疑。现在问题提出来了：可燃类的有机保护材料还能用吗?
我的回答是，当然能用。但要提高它的阻燃性能。提高到什么程度?要科学分析、适度提高。
假如说所有的外墙保温都用A级保温材料，从品种、产量、质量是不是能满足需求?假如A级的不够，退一步，采用B1级的能不能满足需求?B2级的不让用了。在现有的保温材料中，能有三分之一的B1级的保温材料用于工程吗?至于什么级别的保温材料能够用于什么类型的建筑，用于多高的建筑，需要进行科学的评估后才能作出判断，在一定程度上和管理水平是密切相关的。
火灾风险与实验方法全世界对于外墙保温的大尺寸模型火实验有两类，一个是美国的UL1040，一个是英国的BS8414。我们这几年实验当中，对较典型的模型火试验进行了比对，认为英国的窗口火比较适合中国，因为它的实验模型、尺度都比较大，实验条件比较苛刻。依照英国的标准，我们在2008年做了一些窗口火的实验。当时就想，做外墙外保温首先要确定方法。在这个背景下，我们申报了建筑工业行业的产品标准、建筑外墙外保温系统防火实验的方法。我们想有了方法，再做实验，让大家都能做。
这个标准，从2008年立项，去年我们完成了报批，目前处于报批阶段。今天给大家介绍一下BS8414的实验方法，为了适应这两年我们国家突出的外墙保温防火的判定问题，加了一个判定条件。这个判定条件参照英国的做法，即任何一个可燃层温度不能超过500度，或者是超过500度但不能超过20s，这可以参照我们对A级的实验方法。对于它的垂直的蔓延高度也进行了限定。这是关于实验方法。
我们的实验研究与实验结果国外有幕墙的外墙外保温，幕墙和我们说的外墙外保温是分开的，也就是说BS8414这个标准所含的是外墙外保温。而有幕墙的像央视大楼、像沈阳着火的大楼，都归到幕墙类。我建议应该规范一下我国的外墙外保温所涵盖的范围，要不然一着火就说是外墙外保温着火了。
JGJ144所涵盖的七大类，没有外墙式的空腔。我们做了几十次的实验，认为JGJ144所涵盖的七大类当中，除了保温装饰一体化，其他的大部分是相对安全的，同时，抹灰的加了防火隔离带以后，也是相对安全的。
第二个就是彩钢板夹芯保温。不管里面是B1级还是B2级，火灾发生时，如果没有这层钢板，可能烧还要狠一些，因为钢板本身传输速度非常慢，目前看来，彩钢板夹芯保温的火灾风险还是比较大的。
最后是幕墙的保温。不管是有机层墙体的幕墙，还是单一的幕墙，有空腔，里面的保护板一般没有防护构造，同时里面的防潮层和防水层没有防火要求，都是易燃的，这从实际火灾的发生和我们研究的结果来看，火灾风险是非常大的。因此从构造上看，至少我个人认为央视大火和沈阳大火，足以证明应该特别加强幕墙外保温防火性能的实验研究。
说到这几年的实验，我们总结了三条影响保温系统的三种构造形式，保护层的厚与不厚是有影响的，防火分割，这实际是防火分区的概念。比如说隔离带，三明治体系都有防火分割，这个构造形式下是安全的。再一个空腔构造，比如幕墙的空腔有火传播的途径，这一种构造形式也是影响它重要的因素。
外墙保温的防火实验，从2006年3月到现在有十几个单位参加，截至目前，一共做了44次的大火实验，其中墙角火10次，窗口火34次。
一个是EPS薄抹灰的，有防火隔离带的。这里想说一个20公分的EPS, 20公分的岩棉的防火隔离带，EPS薄抹灰系统加20公分的岩棉防火隔离带是安全的。
另外一个是其他形式的，比如说厚抹灰的，还有硬泡聚氨酯的。一个铝单板的幕墙实验表明，幕墙里面没有防火的话，即使用了A级材料，火还是能够烧到实验模型的顶部。
这几年实验所得出的结论：
第一条、B2级的EPS薄抹灰外保温系统，通过有效的防火措施，在系统中设置防火隔离带或者是挡火梁系统，安全性能是可以得到保证的;
第二条、20cm的岩棉防火隔离带完全可以满足防火隔离的需要，具有足够的阻火能力;
第三条、B2级的硬泡聚氨酯系统不具有火焰传播性;
第四条、采用厚保护层的外墙外保温系统不具有火焰传播性。1)外保温系统当中，保温层外部如果存在空腔，必须进行有效地封堵以减少火灾蔓延的风险，2)再好的施工质量，再好的系统，如果说施工质量存在差异的话，也是有火灾风险的。这句话是什么意思?就是指系统的构造，对构造用窗口火的实验方法进行了一次性的认定或是最初期的构造认定以后，以后如果不认真做防火试验，也没有用。因此说，认认真真按照144所规定去做，才是安全的。
第五条、就是对保温材料得基本要求。EPS仍然维持现状B2级氧指数大于等于30%，XPS的B2级氧指数大于等于26%，硬泡聚氨酯B2级氧指数大于等于26%，我觉得维持这个指标也是可行的。
软件性能测试研究 篇5
根据测试的目的和内容的不同, 性能测试主要包括以下方面:
(1) 负载测试:确定在各种工作负载下系统的性能, 目标是测试当负载逐渐增加时, 系统各项性能指标的变化情况。
(2) 强度测试:确定在系统资源特别低的条件下软件系统运行情况。
(3) 容量测试:在用户可接受的响应范围内, 确定系统可处理同时在线的最大用户数。
(4) 压力测试:通过确定一个系统的瓶颈或者最大使用极限的测试。
(5) 疲劳强度测试:以系统稳定运行情况下能够支持的最大并发用户数或者日常运行用户数, 持续执行一段时间业务, 通过综合分析交易执行指标和资源监控指标来确定系统处理最大工作强度性能的过程。
(6) 大数据量测试:大数据量测试侧重点在于数据的量上, 包括独立的数据量测试和综合数据量测试。独立的数据量测试针对某些系统存储、传输、统计、查询等业务进行大数据量测试, 而综合数据量测试一般和压力性能测试、负载性能测试、疲劳性能测试相结合。
2 软件性能测试流程
2.1 测试方案设计
在软件性能测试的初始阶段, 首先应对业务模型和系统架构进行调研, 收集测试需求, 然后生成性能测试计划。业务调研和系统调研, 需要性能测试团队提前了解被测试项目的业务功能和系统架构。其间, 开发部门应协助提供被测系统相关的文档和说明, 如系统总体介绍、系统规格书、用户使用手册、网络拓扑结构图和系统配置说明、关键服务器及应用部署与配置等文档。通过和业务部门协商明确本次测试针对哪些业务行为, 制定此次测试的目标, 细化测试的关注点和性能指标要求。通过以上内容制定详细的测试方案, 并制定详细测试计划和各阶段目标。
2.2 测试环境的搭建
测试环境的搭建分为软硬测试系统的环境搭建和测试相关的数据准备工作。环境搭建包括被测试系统的硬件环境建立和软件应用系统建立及基础数据环境建立。保障被测试系统的业务可用性和功能的正确性, 包括测试系统 (如被测试项目的操作系统、中间件、数据库、压力测试控制台、压力测试发起工具等) 的环境搭建、软件的安装;测试环境的网络环境建立 (如开放防火墙和网关等) ;最后进行测试环境可用性验证。测试数据准备包括测试应用系统基础数据准备, 即需要按性能测试规模要求, 准备足够的、一定规模的基础数据, 通常采用全量恢复生产数据的方式以达到和生产环境数据一致性的要求。
2.3 测试场景开发
测试场景开发指测试程序 (脚本) 的开发。测试程序 (脚本) 的开发是对被测系统的用户业务行为进行模拟、录制、编程、参数化、脚本定制和调式等一系列工作, 以使测试程序 (脚本) 可以真实模拟实际生产中的业务交易行为, 并通过对程序中参数的配置实现对并发数、思考时间等属性的准确控制。
2.4 测试执行
测试执行是在测试方案的制定、测试环境准备、测试场景开发工作正确完成的基础上进行的。
2.5 测试报告和分析
性能测试报告和结果分析是在测试执行完成以后, 对性能数据进行采集结果收集工作和针对性能测试过程中暴露的问题进行分析的阶段。性能测试报告是对性能测试过程中的监控结果以及报表进行汇总, 按照一定的模板整理出的一份结论性文档。开发团队和性能测试团队应依据对性能测试实施过程中监控和记录的数据和表格, 分析系统中存在的性能问题和程序缺陷。并有针对性的在报告中阐述问题、分析原因、提出解决或优化方案。
2.6 回归测试
回归测试是开发部门在性能测试报告的基础上针对软件的性能或者效率缺陷进行优化或者修复, 为了验证优化的效果而进行的再测试。
3 软件性能测试工具LoadRunner
作为软件质量控制中的重要一环, 性能测试已经越来越受到软件开发商和用户的重视, 成为软件测试的重中之重。性能测试通常在系统测试阶段执行, 常常与强度测试结合起来, 一般需要使用测试工具。一个优秀的软件测试工具, 不仅可以辅助测试工作, 满足科学测试的基本要求;而且可以自动化测试过程, 节约大量的时间、成本、人员和资源, 提高软件产品的质量。目前市场上主要使用的测试工具有微软公司的WAS (Web Application Stress Tool) 、Compuware公司的QALoad、RadView公司的WebRunner、HP (Mercury) 公司的LoadRunner。下面以LoadRunner为例, 介绍软件测试工具的工作流程。
LoadRunner是一种预测系统行为和性能的负载测试工具。通过模拟上千万用户实施并发负载及实时性能检测来确认和查找问题, 能够对整个企业架构进行测试。通过使用LoadRunner, 企业能够最大限度的缩短测试时间, 优化性能和加速应用系统的发布周期。LoadRunner能支持广泛的协议和技术, 功能比较强大, 可以为特殊环境提供特殊的解决方案。LoadRunner由下面三部分组成:Virtual User Generator用来录制脚本、编辑脚本;Controller用来布置测试场景、执行测试场景;Analysis用来对测试结果进行分析。
用LoadRunner进行负载测试的流程通常由五个阶段组成:计划、脚本创建、场景定义、场景执行、监视执行和结果分析。
(1) 计划负载测试:定义性能测试要求, 例如并发用户的数量、典型业务流程和所响应时间;根据软件项目相关需求, 定义相关测试的细节, 撰写性能测试报告。
(2) 创建Vuser脚本:将最终用户活动捕获到自动脚本中;LoadRunner的脚本是C语言代码, LoadRunner有自己的一整套函数接口, 可以供外部调用。脚本可分INIT、ACTION、END三部分, 其中:INIT部分可以理解为初始部分, ACTION可以理解为事务部分, 也是测试的主体, END是退出结束。
当录制完一个基本的用户脚本后, 在正式使用前我们还需要完善测试脚本, 增强脚本的灵活性。一般情况下, 我们通过以下几种方法来完善测试脚本。插入事务、插入结合点、插入注解、参数化输入。
(3) 定义场景:使用LoadRunner Controller设置测试环境;录制好脚本之后, 就可以把脚本加入到场景里面去了, 这里首先介绍一下LR的场景类型, LR有2种大的场景类型。
①Manual Scenario:该项要完全手动的设置场景, 这项下面还可以设置为每一个脚本分配要运行的虚拟用户的百分比, 可在Controller的Scenario菜单下设置。
②Goal—Oriented Scenario:如果你的测试计划是要达到某个性能指标, 比如:每秒多少点击, 每秒多少transactions, 能到达多少VU, 某个Transaction在某个范围VU (500-1000) 内的反应时间等等, 那么就可以使用面向目标的场景。
(4) 设置场景:
Design:设计测试场景的静态部分, 设置模拟用户生成器、模拟用户数量、 模拟用户组等。
Run:设计测试的动态部分, 主要指添加性能计数器, 在脚本运行的过程中可以通过这些计数器反馈的数据。
建立了测试场景后, 我们可以对Edit_Schedule进行设置, 设置测试开始执行的时间, 对于手动设计的测试还可以设定它的持续时间, 以及何时起用或禁止调用模拟用户。
(5) 运行场景:通过LoadRunner Controller驱动、管理和监控负载测试。
设置完毕后, 点击“开始方案”运行场景。在运行过程中, 可以监视各个服务器的运行情况 (DataBase Server、Web Server等) 。监视场景通过添加性能计数器来实现, 下列数据需要特别关注:
①Memory:Available Mbytes物理内存的可用数 (单位 Mbytes) 至少要有10% 的物理内存值。
②Processor:Processor Time CPU 使用率。这是查看处理器饱和状况的最佳计数器。显示所有 CPU 的线程处理时间。如果一个或多个处理器的该数值持续超过 90%, 则表示此测试的负载对于目前的硬件过于沉重。为多处理器服务器添加该计数器的 0 到 x 个实例。
③Processor Queue Length:是指处理列队中的线程数, 小于2。处理器瓶颈时会导致该值持续大于 2。
④Context Switches/sec:如果切换次数到5000*CPU个数和10000*CPU个数中, 说明它忙于切换线程。
⑤Network Interface:Bytes Total/sec 为发送和接收字节的速率, 包括帧字符在内。判断网络连接速度是否是瓶颈, 可以用该计数器的值和目前网络的带宽比较。
(6) 分析结果:使用LoadRunner Analysis创建图和报告并评估性能。
LR的报表分析功能也异常强大, 有各种各样的报表, 甚至可以将单个报表组合, 也可以导出到Excel文件和Html文件。
摘要：随着当今软件开发技术的发展与成熟, 越来越多复杂的软件系统应用于人们生活的各个领域, 软件系统运行时的性能表现已经成为衡量软件产品质量的一个重要标准。研究了软件系统性能测试的整体的流程, 并结合自动化测试工具LoadRunner, 对软件性能测试的相关信息进行了探讨和分析。
关键词：软件测试,性能测试,LoadRunner
参考文献
[1]朱少民.全程软件测试[M].北京:电子工业出版社, 2007.
[2]古乐, 史九林.软件测试技术概论[M].北京:清华大学出版社, 2003.
[3]LydiaAsh.The Web Testing Companion[M].北京:机械工业出版社, 2003.
[4]柳纯录, 黄子河, 陈渌萍.软件评测师教程[M].北京:清华大学出版社, 2006.
飞机客舱性能化防火设计方法研究 篇6
20世纪70年代, 一些发达国家就已经开展了性能化防火设计 (PFPD) 的相关研究[1];而目前性能化防火设计 (PFPD) 已在建筑领域得到广泛应用。吴启鸿[2,3]等明确提出在我国发展消防安全工程学和以性能为基础的建筑防火设计规范。汪箭[4]等系统分析了国际上火灾安全工程性能化设计的研究情况, 提出了发展我国火灾安全工程性能设计的设想和软件体系框架。
然而在航空领域, 性能化防火设计的概念却少有应用和研究。目前包括我国在内的世界各国大多采用90 s的客舱应急疏散标准[5,6], 但在真实火灾事故中, 由于受到不同机型、客舱布置及火灾环境的影响, 很多超过90 s的疏散也取得了成功, 而一些在90 s内的疏散却产生了人员伤亡。因此, 科学合理地对飞机客舱进行性能化防火设计和评估十分必要。Z.Wang等[7]基于FAA的C-133机身全尺度模拟数据, 利用SMARTFIRE对飞机客舱火灾进行数值模拟, 并预测了轰燃发生的时间。E.R.Galea等[8]利用air EXODUS仿真软件, 研究应急疏散时飞机的安全标准要求。L.C.Speitel等[9]基于广泛的文献回顾, 建立了飞机撞地火灾的生存模型。李杰等[10]在在元胞自动机模型和行人流模型基础上, 建立了基于大型飞机环境特点约束的网格吸引力概率模型。王燕青等[11]通过对影响民机客舱安全疏散的各种指标进行定性分析, 建立多级模糊综合评价模型及安全评价等级模型。张青松等[12]利用提出的拟合算法设计了飞机客舱火灾仿真环境, 研究了网格划分精细程度对温度和能见度仿真结果的影响。
然而这些研究大多割裂了火灾与人员疏散之间的联系, 很少考虑到火灾产生的高温、有毒气体等因素对客舱人员的作用, 进而会对整个疏散过程的安全性造成影响。因此, 本文基于性能化防火设计的概念, 对飞机客舱防火进行研究, 可对现有飞机的防火性能进行评估, 为优化客舱布局及人员疏散方案提供支持, 同时还可为国产大型飞机客舱防火设计提供参考。
1 飞机客舱性能化防火设计方法的建立
飞机客舱性能化防火设计方法采用计算机仿真, 确定飞机客舱各出口的可用安全疏散时间 (ASET) 与必需安全疏散时间 (RSET) , 分析人员疏散时的安全性。其中, ASET可根据火灾仿真及安全线模型确定;RSET则可根据疏散仿真及出飞机客舱的出口时间模型确定。若ASET<RSET, 即疏散过程是危险的, 则需对疏散方案进行优化, 直至ASET≥RSET为止。本方法的流程如图1所示。
1.1 可用安全疏散时间
在客舱火灾疏散中, 人员在客舱环境达到足以对其产生影响前有充分的时间到达出口处, 并停留在出口附近等待依次通过, 因此研究火灾对人员安全的影响仅需考虑各出口处的环境。由于飞机客舱火灾对人员疏散的主要危险有害因素为火灾产生高温和CO, 因此ASET主要考虑这两方面的因素, 选取两者最小值加以确定, 如式 (1) 所示。
式 (1) 中, ASET (CCO) 为基于CO浓度的ASET, s;ASET (TE) 为基于温度的ASET, s。
而客舱各出口处基于温度和CO浓度的ASET可以通过火灾及疏散仿真结果与安全线模型对比确定。
1.1.1 温度安全线模型
根据人员耐高温环境的能力差异, 对克拉尼公式进行修正, 可得到基于温度的安全线, 如式 (2) 所示[13]。
式 (2) 中, T为环境温度, ℃;t为最大忍耐时间, s。
但该安全线模型仅考虑到恒定温度下的人员忍耐时间, 无法直接与火灾中客舱各出口实时变化的温度进行对比分析, 因此应将火灾仿真得到的各出口实时温度进行加权, 将加权后的温度与基于温度的安全线模型进行对比, 得到最大忍耐时间t, 即ASET (TE) 。加权处理如式 (3) 中所示。
式 (3) 中, 为t时刻的平均加权温度, ℃;TE为通过火灾仿真得到的客舱某出口处的实时温度, ℃。
1.1.2 CO浓度安全线模型
基于结合剂量-反应曲线, 并考虑到恐慌情况下忍受伤害的能力为静止状态下的1/3, 得到基于CO浓度的安全线[13]。
式 (4) 中, C为CO浓度, ×10-6 (ppm) ;t为最大忍耐时间, s。
同样, 上述安全线模型仅考虑到恒定CO浓度下的人员忍耐时间, 为能与各出口的实时CO浓度变化进行对比分析, 也应对火灾仿真得到的各出口实时CO浓度进行加权, 将加权后的CO浓度与基于CO浓度的安全线模型进行对比, 得到最大忍耐时间t, 即ASET (CCO) 。加权处理如式 (4) 所示。
式 (5) 中, 为t时刻的平均加权CO浓度, ×10-6 (ppm) ;CCO为通过火灾仿真得到的客舱某出口处的实时CO浓度, ×10-6 (ppm) 。
1.2 必需安全疏散时间
出口时间模型中的RSET包含三个主要组成部分:发现起火时间 (tdet) , 准备疏散时间 (tpre) 和客舱疏散时间 (tevac) [14];而客舱疏散时间又包含了开舱门及放置应急梯的时间 (tod) 和运动时间 (tmove) 。应用疏散仿真结果及出口时间模型, 可确定火灾场景下各出口的RSET。其中, 出口时间模型如图2所示。
1.3 优化疏散方案
通过ASET与RSET的对比, 分析整个人员火灾疏散过程是否安全。若某些出口的ASET<RSET, 则应将使用该出口的人数减少, 分配给安全冗余较大的出口, 同时尽量使每一段客舱通道的人流方向仅为一个方向, 避免疏散时造成混乱。随后继续重新进行疏散仿真, 确定优化疏散方案后的RSET, 直至所有出口的ASET≥RSET为止, 即表示火灾疏散过程是安全的。
2 实例分析
空中客车A380客机是目前世界上搭载旅客最多、客舱舱门数量最多的飞机, 其火灾疏散过程较其他机型更为复杂, 为此本文以A380为例, 其运用所建立的飞机客舱性能化防火设计方法进行防火性能分析, 并优化疏散方案。A380客机长73 m, 高24.1m, 为双层宽体飞机。采用3级客舱布置时有506个旅客座位。
使用基于FDS的可视化火灾仿真软件Pyro Sim作为火灾仿真软件, 采用旋转矩形方块拟合圆弧方法建立客舱模型。根据燃油泄漏的池火模型, 设定火源位置为主舱左侧中部, 火源为t2-稳定火源, 其热释放速率 (HRR) 为10 MW, 在40 s时达到最大HRR。模拟时间设置为90 s。而我国的运输类飞机适航标准要求在疏散验证中只允许使用一半的出口, 因此设定在本模型中仅开放右侧的8个出口, 其中主舱5个, 上舱3个。通过火灾仿真结果及基于温度、CO浓度的安全线模型, 确定各出口的ASET (TE) 和ASET (CCO) 。
基于各出口的ASET (TE) 和ASET (CCO) 及式 (1) , 确定各出口的ASET, 见表1。
使用Pathfinder作为疏散仿真工具, 建立客舱疏散模型, 设置客舱内人员自动选择距离最近的出口, 使仿真更接近实际[15]。疏散时人员的步速设置为正态分布, 标准差为0.3, 平均速度为1.1 m/s, 最大步速为1.2 m/s, 最小步速为0.96 m/s;肩宽为0.363~0.469 m之间的随机值;tdet和tpre均为2 s, tod为10 s。通过疏散仿真及出口时间模型, 确定每个出口的RSET, 见表2。
通过对比各出口的ASET与RSET, 发现3号、5号和7号出口ASET<RSET, 表示这三个出口的疏散过程存在危险, 应对疏散方案进行优化。将使用2号、3号和4号出口的人数减少, 分配给安全冗余较大的出口, 同时使客舱中每一段通道的人流方向仅为一个方向, 避免疏散时人员由于运动方向的不一致, 造成疏散过程的冲突和混乱。具体疏散方案如图3所示。
结合优化后的疏散方案重新进行仿真, 得到优化后各出口的RSET, 并与ASET进行对比, 使所有出口ASET≥RSET, 表示该火灾疏散过程是安全的, ASET与疏散方案优化前后RSET的对比如图4所示。
3 结论
防火墙性能测试研究 篇7
为提高钢结构的耐火性能,人们采用在其外围浇铸混凝土、包裹不燃材料等方法提高其耐火极限,但都起不到很好的效果。钢结构防火涂料由于其防火隔热性能好,施工不受结构几何形体限制、易于施工等优点,得到了广泛的应用,北京奥体中心、首都机场航站楼、上海东方明珠电视塔、广州新白云机场等大型建筑都采用了涂刷钢结构防火涂料来提高建筑物耐火极限的做法[2],下面就钢结构防火涂料的现状、应用、发展方向及防火性能检测方法的研究做简单的介绍。
1 钢结构防火涂料的分类及防火机理
钢结构防火涂料按基料的不同可分为有机类和无机类两大类;按使用场地不同可分为室外型和室内型两大类;根据其涂层的厚度和性能特点可分为厚型钢结构防火涂料(H类),薄涂型钢结构防火涂料(B类),超薄型钢结构防火涂料(CB类),其涂层厚度与耐火极限要求如表1所示。
厚型钢结构防火涂料又称非膨胀型防火涂料,主要成分为无机绝热材料,呈现粒状面,密度较小,涂层受热不膨胀,由于其自身具有良好的隔热性,因而也叫隔热性防火涂料。其防火机理是利用涂层固有的良好绝热性,阻止火灾热量向钢材传递,并且在高温下形成一种结构致密的釉状物,能有效隔绝氧气并具有反射热量作用,延缓钢结构温升,起到防火保护作用。
薄型和超薄型钢结构防火涂料又称膨胀型防火涂料,主要由基料、脱水剂、成碳剂和发泡剂等组成,当温度升高到一定程度的时候,脱水剂促使多羟基化合物脱水碳化,在发泡剂分解释放出的大量气体作用下,涂层发生膨胀,膨胀倍数可达十几倍甚至几十倍,形成致密的泡沫状炭化隔热层,从而阻止热量向钢结构传递,起到防火保护作用[1]。
2 国内外的发展现状
国外钢结构防火涂料研究较早,上世纪60年代,先后涌现出英国Nullifire公司S605钢结构防火涂料、加拿大AD防火有限责任公司 AD Firefilm Ⅱ型等一系列性能优异的钢结构防火涂料[3]。 我国从80年代初开始研制钢结构防火涂料,由公安部四川消防研究所研制出第一种钢结构防火涂料—LG钢结构防火涂料。90 年代以来,我国钢结构防火涂料发展迅速,产品类型由最初的厚涂型发展到薄涂型、超薄型,比较典型的是大连福嘉集团为国家体育场提供的钢结构防火涂料,以及适用于室外钢结构的薄层SWB膨胀型防火涂料,到目前为止,已有许多性能优良的产品应用于工程建设中,钢结构防火涂料体系已发展到跨行业研究。
国内钢结构防火涂料的市场需求每年2万t以上,目前已累计应用钢结构防火涂料20多万t,保护面积数百万平方米;其生产和施工体系涉及到的单位2000多家[4],在科研、院校、企业中专门从事钢结构防火涂料的研发和应用的工程技术人员达1万人以上,生产企业分布于全国20多个省市自治区,较多集中在北京、江苏、四川、山东、上海及广东等地。
3 材料存在的主要问题及解决办法
钢结构防火涂料由于其自身的局限性,存在着部分问题,如企业规模较小、产品更新慢、售后服务不及时、施工质量不高等,这些都属于材料以外的问题,下面就材料本身可能存在的问题提出几点看法并试图提出解决问题的办法。
3.1 材料自身存在的问题
3.1.1 涂料燃烧时产生过多有毒有害气体
目前,多数膨胀型防火涂料阻燃剂采用的的C-N-P或C-N-P-CL体系[5],用到大量的三聚氰胺、聚磷酸铵、硼酸铵、氯化石蜡等化学物质,在受热后分解出有毒有害气体,如NH3、HCL、NOX、CO等,这些气体均可产生窒息作用[6]。因此,在选材时,应当选用生成有毒有害气体较少的防火涂料,在减少火灾对建筑物和人危害的同时,又可减少材料自身生成烟气对人的危害。
3.1.2 涂料使用寿命低于钢结构设计年限
钢结构防火涂料同其它涂料一样,在使用过程中都要经受日光、紫外线照射、振动、雨雪等因素的考验,但由于防火涂料加入了很多有机或无机材料,如多元醇、有机胺等化学物质,其粘结性能和耐老化性能都有着不同程度的降低。GB 14907-2002《钢结构防火涂料》中对防火涂料的耐暴热性、耐湿热性、耐酸性、耐碱性及耐盐雾腐蚀性都有了明确的规定并在这些项目合格的基础上进一步考察其耐火性能,规定上述项目合格的产品其附加耐火性能的衰减值不应大于35%。钢结构的主体设计使用年限一般是50年,而钢结构防火涂料的使用寿命远低于50年,这样就很可能造成在钢结构使用后期,涂覆在其上的防火涂料起不到防火作用[7,8]。
3.1.3 耐火性能测试方法落后
目前测试钢结构防火涂料防火性能的方法是采用GB 14907-2002《钢结构防火涂料》规定的方法,即按照GBJ 17规定的设计载荷在136b或140b工字钢梁上加载,在水平燃烧炉上进行燃烧试验,所要求的计算跨度不小于4200mm。这种模拟试验方法成本高,浪费了大量的钢材、燃气和检验费用,国内仅有少数检验机构拥有此检验能力,实际使用过程中难以对涂料的使用质量进行检测,具有较大的局限性,工程验收现场检测也只是检测防火层厚度等物理指标,而防火性能往往用当年的型式检验报告代替,这种做法不利于提高产品质量,同时也留下了火灾隐患[9]。
3.2 解决问题的办法
3.2.1 在涂料制备过程中,应选择适当的阻燃体系,既可以达到阻止热传递的效果,又可以最大程度上延迟比消光面积峰值出现的时间,降低比消光面积的平均值,从而少产生甚至不产生有毒有害气体。
3.2.2 使用高效协同体系,延长钢结构防火涂料使用寿命,如在保证防火效果的前提下,尽量少量使用阻燃剂、填料及助剂等辅助性材料,以增强涂料与钢结构的粘结强度和耐久性,延缓涂料物理性能和防火性能的下降,延长防火涂料的使用周期;研制出一种快速检测钢结构防火涂料耐久性的检测方法,能够真正预测出实际的使用寿命,这样可根据环境的不同要求及其基材或主体结构的使用寿命来决定是否需要更换或及时维修[10]。
3.2.3 现在所用的防火性能检测方法并不能代表火灾发生时钢结构防火涂料的实际耐火情况,因此,应加快对标准的修订,研发出一种可代替现有防火测试方法的新方法,如采用热分析手段来模拟火灾实际情况,通过对比试验找出相关联的部分,这种方法的可能性将在下面详细探讨。
4 今后发展方向
纵观防火涂料的发展史,经历了一个从无机到有机又到无机的循环过程。在21世纪到来之际,我国的防火涂料研究将进入一个更高的发展阶段,在此提出关于防火涂料的发展方向的初步设想:
4.1 绿色、环保仍是永恒不变的主题
随着人们对环境污染及人身健康的日益重视,挥发性有机化合物含量高的溶剂型涂料的使用受到越来越严格的限制。因此,必须加快开发少用或不用有机溶剂的涂料,也就是开发所谓“环境友好型涂料”。环境友好型涂料主要有:水性涂料、粉末涂料、光固化涂料等。针对防火涂料而言,仅水性防火涂料和无溶剂防火涂料具有可观的发展前景。由此可见,发展环保型防火涂料,特别是坚持发展水性防火涂料,尽量减少或避免因生产、施工或燃烧造成环境污染和人身危害,将成为今后的主要研究方向。
4.2 高效的基料和阻燃协同体系
基料直接决定着防火涂料的耐水、耐侯、耐酸、耐碱、粘结强度等性能的好坏,而阻燃体系直接决定着耐火极限的长短,如何既能保持优异的物理性能,又能保持持久的耐火性能是研究的重点之一;并且,在选择阻燃体系的同时,还应注意不应过多或不产生有毒有害气体;对整个涂料体系进行研究,确定具体的使用寿命,只有对上述问题进行统筹考虑,才是钢结构防火涂料今后重点的发展方向之一。
4.3 同时具备防火和防腐性能涂料的开发
就目前情况而言,钢结构防火涂料通常不同时具备防火和防腐两项性能,而对同一钢结构,往往既要有防腐涂料的保护,又要有防火涂料的保护,造成了人力、物力和财力的浪费,如果开发一种防火涂料,同时具备上述功能,将是今后发展方向之一。同济大学顾国强[11,12]等采用高氯化聚乙烯和有机硅丙烯酸酯树脂为基料,同时实现了防腐和防火功能。
5标准外规定的其他方法在防火性能检测中的应用
前面已经提到,目前GB 14907-2002《钢结构防火涂料》中仅要求对防火涂料的一种厚度进行测试,所用材料也仅仅局限于136b或140b工字钢梁,与实际应用情况不符,不完全符合火灾现场情况。鉴于此种情况,笔者详细地介绍了锥形量热仪法、光电子能谱、扫描电镜、红外光谱、发泡厚度等标准规定外的检测方法在钢结构防火涂料检测方面的应用,期望能与耐火极限关系间建立联系,探讨其在钢结构防火涂料热降解研究中联合应用的可能性。
5.1 锥形量热仪法
5.1.1 用于研究涂料的阻燃性能
徐晓楠等[13]利用锥形量热仪,采用20kw/m2热辐射条件,评价膨胀型防火涂料和膨胀型石墨防火涂料阻燃性能。研究表明,用该方法可快速得到点燃时间、热释放速率峰值、有效燃烧热等数据,可有效评价防火涂料防火性能;有人将TTI和pkHRR结合起来,用它们的比值(TTI/ pkHRR)来评价聚合物材料潜在的轰然性,较好地说明了聚合物材料潜在的危害性。
5.1.2 烟气及有毒有害气体的释放
目前,多数膨胀型防火涂料阻燃剂采用的C-N-P或C-N-P-CL体系[13],在受热后分解出有毒有害气体,如NH3、HCL、NOX、CO等,这些气体均可产生窒息作用[6]。锥形量热仪采用氦-氖激光束测定消光系数,给出烟释放的动态过程,其参数比消光面积(SEA)是一个表征在燃烧过程中每时每刻发烟量的动态参数,能体现单位质量挥发物转换成烟的比率,从烟气释放的角度对涂料的阻燃性能进行评价。
5.1.3 降解过程的研究
利用锥形量热仪得到防火涂料的失重率与时间的关系,从而可以得到降解的过程,徐晓楠等人对APE涂料和EG涂料进行研究,发现首先脱水剂出现分解,随后涂料中的铵盐、胺产生酸,在催化剂的存在下,酸进一步与含碳物质的羟基反应形成热性能不稳定的酯,继续升温导致酯分解成炭、酸、水和二氧化碳,释放出的酸再与羟基反映,在酯的分解过程中产生大量的不燃气体,使含碳物质发泡,形成厚的隔热层[8]。
5.2 热分析法
薄型和超薄型钢结构防火涂料用到的多数是膨胀型阻燃体系,其阻燃机理大多是脱水剂脱水成酸等物质,炭化剂脱水成炭和发泡剂分解产生气体,这几个步骤应基本上协调一致,有序进行,才能达到最好的阻燃效果。杜建科[14]、肖新颜[15]等用DSC、TGA和DTA方法对聚磷酸铵为脱水催化剂、三聚氰胺为发泡剂、季戊四醇为成炭剂的膨胀阻燃体系的各组分及其作用过程进行了研究,根据图谱分析了各组分受热分解过程,并且对膨胀阻燃体系匹配过程、基材树脂与膨胀阻燃体系匹配过程、防火涂料降解及阻火过程进行研究,阐明了含气泡的多孔质体的形成过程,为研究防火涂料的阻火、隔热过程提供了科学的依据。
5.3 光电子能谱法
膨胀阻燃体系阻燃效果的好坏与炭层的绝热效果有关,炭层的绝热效果则与其组成和结构有关,因此,可用光电子能谱法确定炭层的成分对阻燃效果的影响。Serge Bourbigot[16]等人将XPS用于研究APP/PER/LRAM3.5中,分析不同配比和不同温度下残余物中P、C、O、N等各元素的比例关系,并由各元素的结合能推断出残炭物中各元素存在的形式。从试验结果可以看出,阻燃效果的好坏并不完全取决于成炭量的多少,同时取决于炭层的组成,只有C/P比较高时,防火隔热性能才较好,根据测定的不同结合能基团的比例,将不同温度下与氧结合的C和与脂肪烃或芳香烃结合的C的比例进行计算,得出残炭中C/P比高、P/N比低可能更有利于形成稠环结构,提高炭层的稳定性,具有好的阻燃效果的结论。
5.4 扫描电镜法
王国建等[17]采用SEM的方法观察了添加可膨胀石墨、聚乙二醇改性可膨胀石墨和未添加可膨胀石墨的防火涂料经燃烧后形成的孔泡结构、尺寸和分布,研究表明,防火涂料在添加了聚乙二醇改性可膨胀石墨后,炭化发泡层的泡孔尺寸变大,分布变窄,并且钻出表面的蠕虫状可膨胀石墨量大大减小,说明可膨胀石墨经聚乙二醇改性后,与聚合物界面的粘结性增加,改善了炭化发泡层的孔泡和表面形态,最终有利于防火性能的提高。
5.5 红外光谱法
狄志刚[18]等以羟基有机硅单体和羟基丙烯酸树脂为主要基料,用自制的阻燃抑烟剂制备防火涂料,用红外光谱的方法对体系改性前后进行研究,表明改性体系后的羟基含量明显降低,-Si-O-键的吸收峰变强,证明了缩聚反应的发生;并用气相色谱分析了从反应中蒸出的低沸物,其中存在着大量的乙醇,也可证明缩聚反应的发生。
5.6 其它方法
除上述几种方法外,其它方法如涂层膨胀倍数法、X射线衍射分析法也经常被用于防火涂料的分析。发泡层倍数也是确定防火涂料防火性能的一个重要指标,只有进行了充分的发泡才能起到较好的物理隔热作用,DBJ 01-616-2004《建筑防火涂料(板)工程设计、施工与验收规程》中就明确规定了涂层的膨胀倍数;X射线衍射分析法可用于原材料和成炭层的物相分析,确定微观物质组成等方面。此外,由于防火涂料起到隔热的作用,因此,炭层的导热能力对防火涂料的保护性能起到决定性的作用,测量膨胀后涂料的导热系数可反映实际火场中涂料的隔热能力。