大容量光柵陣列測(cè)溫技術(shù)在隧道火災(zāi)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

楊玉忠

(福建省三明高速公路有限公司 三明 353000)

感溫型火災(zāi)探測(cè)技術(shù)，是當(dāng)前使用最為普遍的交通公路隧道火災(zāi)探測(cè)技術(shù)[1-3]。其中，大容量光柵陣列測(cè)溫技術(shù)，具有監(jiān)測(cè)長(zhǎng)度長(zhǎng)，探測(cè)器為大容量光柵陣列光纜，現(xiàn)場(chǎng)無(wú)需供電不引入額外風(fēng)險(xiǎn)的優(yōu)勢(shì)，非常適合應(yīng)用于公路隧道火災(zāi)探測(cè)[4-5]。本文以成功應(yīng)用于莆炎高速三明段公路隧道的光纖光柵溫度火災(zāi)監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)為典型應(yīng)用案例，對(duì)利用光纖光柵測(cè)溫技術(shù)優(yōu)勢(shì)進(jìn)行隧道內(nèi)火情監(jiān)測(cè)進(jìn)行探討，并對(duì)光纖傳感類隧道火災(zāi)監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展進(jìn)行分析。

1 系統(tǒng)應(yīng)用

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成

莆炎高速三明段公路隧道已經(jīng)完成大容量光柵陣列測(cè)溫火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的安裝部署，對(duì)莆炎高速三明段公路隧道內(nèi)的溫度進(jìn)行空間連續(xù)、時(shí)間連續(xù)的全時(shí)全域監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)構(gòu)成見(jiàn)圖1。

圖1 系統(tǒng)構(gòu)成

1) 現(xiàn)場(chǎng)火災(zāi)探測(cè)部分。大容量光柵陣列測(cè)溫火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)使用大容量光柵陣列測(cè)溫光纜作為溫度傳感器件，將大容量光柵陣列測(cè)溫光纜安裝于莆炎高速三明段公路隧道頂部，對(duì)莆炎高速三明段公路隧道沿線進(jìn)行空間連續(xù)、時(shí)間連續(xù)的溫度監(jiān)測(cè)。

2) 控制室部分。在控制室中，設(shè)置大容量光纖光柵溫度信號(hào)解調(diào)儀表，并且布設(shè)火災(zāi)報(bào)警控制器。隧道用火災(zāi)報(bào)警軟件，針對(duì)隧道消防設(shè)備，包括大容量光纖光柵溫度信號(hào)解調(diào)儀表，火災(zāi)報(bào)警控制器、手報(bào)、火焰探測(cè)器、煙感等進(jìn)行模型化監(jiān)測(cè)。其中軟件基于組態(tài)模式，可根據(jù)不同場(chǎng)景及應(yīng)用靈活配置，同時(shí)支持對(duì)監(jiān)測(cè)對(duì)象的自動(dòng)生成和裝配。設(shè)計(jì)軟件功能見(jiàn)表1。

表1 軟件功能

1.2 部署運(yùn)行

莆炎高速三明段公路隧道項(xiàng)目，采用雙路鋪設(shè)4條大容量光纖光柵感溫光纜，探頭間距1 m。將各路信號(hào)通過(guò)傳輸光纜引至洞口變電所信號(hào)處理器處。并在莆炎高速三明段公路隧道內(nèi)，每隔40 m設(shè)置1個(gè)火災(zāi)手動(dòng)報(bào)警按鈕。

系統(tǒng)利用溫度傳感光纜將監(jiān)測(cè)區(qū)域的溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字化信息，上傳至監(jiān)控中心進(jìn)行處理和記錄，實(shí)現(xiàn)隧道溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)視。

圖2為某溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)在1 d內(nèi)各時(shí)刻的溫度監(jiān)測(cè)數(shù)值。

圖2 某溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)在1 d內(nèi)各時(shí)刻的數(shù)值

由圖2可見(jiàn)，光柵陣列測(cè)溫系統(tǒng)可以及時(shí)準(zhǔn)確地描述監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度在各時(shí)刻的變化，具有較高的測(cè)溫靈敏度。

將大容量光纖光柵溫度信號(hào)解調(diào)儀表和火災(zāi)報(bào)警控制器安裝于在莆炎高速三明段公路隧道中控室，進(jìn)行火災(zāi)報(bào)警信息的整合，并上傳到莆炎高速監(jiān)控中心。

1.3 報(bào)警算法

感溫火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)，通常采用的報(bào)警方法是升溫報(bào)警和高溫報(bào)警，當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到某探測(cè)位置在前一時(shí)段內(nèi)的溫度上升超過(guò)升溫閾值時(shí)，發(fā)出升溫報(bào)警信號(hào)；某探測(cè)位置的溫度值超過(guò)高溫閾值時(shí)，發(fā)出高溫報(bào)警信號(hào)。

為充分利用陣列光柵傳感技術(shù)分布式測(cè)量的優(yōu)勢(shì)來(lái)分析溫度場(chǎng)的空間信息，避免交通隧道的溫度受太陽(yáng)輻射、季節(jié)變化等因素影響，出現(xiàn)升溫報(bào)警的誤判，并且考慮溫度傳感光纜敷設(shè)位置環(huán)境的不同，其基準(zhǔn)溫度也會(huì)在空間上呈緩變的趨勢(shì)，因此高溫報(bào)警也不宜采用統(tǒng)一的閾值。

在本系統(tǒng)中，火災(zāi)監(jiān)測(cè)報(bào)警算法的計(jì)算步驟設(shè)計(jì)如下。

1) 將陣列光柵感溫光纜作為溫度傳感器，敷設(shè)于莆炎高速三明段公路隧道內(nèi)，采集莆炎高速三明段公路隧道沿線的環(huán)境溫度數(shù)據(jù)。

2) 采集各個(gè)光柵監(jiān)測(cè)單元的溫度探測(cè)信號(hào)，采樣率1 Hz。

3) 將各個(gè)時(shí)刻得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接，得到一段時(shí)間(可設(shè)置，如：600 s)內(nèi)的全段溫度信號(hào)矩陣，再根據(jù)全段溫度信號(hào)矩陣?yán)L制溫度場(chǎng)圖像，矩陣橫軸方向物理含義為空間距離，矩陣縱軸方向物理含義為時(shí)間。

4) 對(duì)溫度場(chǎng)圖像做頂帽變換，所得圖像再用OTSU算法提取全局閾值，將溫度場(chǎng)圖像分為前景和背景部分。

5) 圖像的后景部分，可以看作此段時(shí)間的基準(zhǔn)溫度，計(jì)算每列的均值，得到基準(zhǔn)溫度序列。

6) 將基準(zhǔn)溫度序列加thigh(thigh=30 ℃)作為此時(shí)的高溫閾值，查找空間-時(shí)間溫度場(chǎng)是否存在達(dá)到高溫閾值的區(qū)域。

查找方式：記探測(cè)單元數(shù)量為n，則高溫閾值是一個(gè)1行n列的序列，記空間-時(shí)間溫度場(chǎng)矩陣的行數(shù)為t(即時(shí)間長(zhǎng)度)，將高溫閾值序列復(fù)制堆疊成一個(gè)t行n列的矩陣(使其矩陣大小與空間-時(shí)間溫度場(chǎng)矩陣相同)，再計(jì)算高溫閾值矩陣減去空間-時(shí)間溫度場(chǎng)矩陣的差值矩陣，查找此差值矩陣中是否存在>0的區(qū)域。若存在，統(tǒng)計(jì)此區(qū)域的空間涵蓋范圍，并發(fā)出高溫報(bào)警。

7) 使用Laplacian of Gaussian算法對(duì)圖像前景部分做Blob檢測(cè)。將基準(zhǔn)溫度序列加trise(trise=10 ℃)作為此時(shí)的升溫閾值(trie

1.4 模擬測(cè)試

使用高溫?zé)犸L(fēng)槍作為人工熱源，模擬環(huán)境溫度的異常升溫情況，對(duì)莆炎高速三明段公路隧道內(nèi)部署的大容量光柵陣列測(cè)溫系統(tǒng)的報(bào)警靈敏度和定位精度進(jìn)行測(cè)試。

測(cè)試方法：隨機(jī)選取一段光柵陣列感溫光纜作為測(cè)試段，每次模擬升溫測(cè)試，在距離光柵陣列感溫光纜空間距離30 cm的位置，開(kāi)啟高溫?zé)犸L(fēng)槍，高溫?zé)犸L(fēng)槍每次的開(kāi)啟時(shí)長(zhǎng)為10 s。記錄系統(tǒng)的報(bào)警輸出信息。圖3所示為其中2次模擬升溫實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在空間-時(shí)間溫度場(chǎng)圖像中，標(biāo)記橙色方框的區(qū)域，為系統(tǒng)檢測(cè)到的異常升溫報(bào)警區(qū)域。

圖3 模擬升溫實(shí)驗(yàn)結(jié)果示例

分別在莆炎高速三明段公路隧道的首端、中端、尾端選取3個(gè)測(cè)試段，在每個(gè)選取的測(cè)試段內(nèi)，使用高溫?zé)犸L(fēng)槍作為人工熱源，進(jìn)行隧道內(nèi)部環(huán)境的模擬升溫測(cè)試，測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2。

表2 模擬升溫測(cè)試統(tǒng)計(jì)

根據(jù)以上模擬升溫測(cè)試統(tǒng)計(jì)結(jié)果，大容量光柵陣列測(cè)溫火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)對(duì)隧道內(nèi)環(huán)境異常升溫情況的報(bào)警率為100%，定位精度≤5 m，具有較高的測(cè)溫和定位精度。

大容量光柵陣列測(cè)溫火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)在莆炎高速三明段公路隧道的現(xiàn)場(chǎng)長(zhǎng)期應(yīng)用檢驗(yàn)效果證明：大容量光柵陣列測(cè)溫火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)能對(duì)交通公路隧道內(nèi)的溫度異常變化進(jìn)行及時(shí)有效地探測(cè)和定位，對(duì)交通公路隧道內(nèi)的溫度進(jìn)行空間連續(xù)、時(shí)間連續(xù)地全時(shí)全域監(jiān)測(cè)，其空間分辨率、探測(cè)靈敏度，以及探測(cè)距離等指標(biāo)均能很好滿足實(shí)際工程應(yīng)用的需求。

2 技術(shù)比較

光柵測(cè)溫技術(shù)主要分為：逐點(diǎn)光柵、全同光柵、大容量光柵陣列傳感技術(shù)。逐點(diǎn)光柵技術(shù)為使用不同波長(zhǎng)的光纖光柵串聯(lián)形成傳感陣列作為傳感器；全同光柵技術(shù)是選取一系列同一溫度下中心波長(zhǎng)相同的多個(gè)光纖光柵串聯(lián)，一個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域采用同一波段的光纖光柵溫度傳感器，使傳感距離有了成倍增加；大容量光柵陣列傳感技術(shù)采用密集型光柵陣列傳感光纜，單根傳感光纜可刻寫(xiě)上萬(wàn)個(gè)光柵。

從技術(shù)原理上來(lái)講，全同光柵技術(shù)與逐點(diǎn)光柵技術(shù)相同，都是通過(guò)光纖光柵探測(cè)點(diǎn)的差溫和定溫傳感來(lái)進(jìn)行火災(zāi)報(bào)警。不同之處詳述如下。

1) 逐點(diǎn)光柵技術(shù)由于受信號(hào)處理器光源帶寬限制，單根探測(cè)光纜最多只能容納30個(gè)光柵探測(cè)點(diǎn)，若測(cè)點(diǎn)間距為10 m，則單根探測(cè)光纜長(zhǎng)度只能達(dá)到300 m，在工程中每隔300 m就需要在隧道壁開(kāi)槽下纖以便與電纜溝中的傳輸光纜連接來(lái)將傳感信號(hào)引回控制室，這樣導(dǎo)致工程現(xiàn)場(chǎng)熔接點(diǎn)太多、工程隱患增多、傳輸光纜用量翻番增加、隧道壁開(kāi)槽走線工程量成倍加大。

2) 全同光柵技術(shù)通過(guò)更嚴(yán)格的制作工藝，有效保證了多個(gè)光纖光柵測(cè)點(diǎn)具有相同的感溫探測(cè)性能；通過(guò)采用全同光柵技術(shù)(典型為5點(diǎn)全同)，單根探測(cè)光纜可以做到60個(gè)光柵探測(cè)點(diǎn)甚至更多，從而大幅度減少熔接點(diǎn)數(shù)量，提高了系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性；傳輸光纜資源得到有效利用；隧道壁開(kāi)槽走線工程量成倍減少，后期的維護(hù)工作量也相應(yīng)得到有效控制。

3) 大容量光柵陣列傳感技術(shù)，采用拉絲塔在線光纖光柵刻寫(xiě)技術(shù)制作密集型光柵陣列傳感光纜，單根傳感光纜可工業(yè)自動(dòng)化不間斷刻寫(xiě)上萬(wàn)個(gè)光柵測(cè)點(diǎn)，一致性好，機(jī)械強(qiáng)度高；利用時(shí)分+波分混合復(fù)用技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)傳感光柵火災(zāi)信號(hào)的獨(dú)立解調(diào)(每個(gè)光柵都有1個(gè)地址編碼)。綜合了全同光柵技術(shù)、逐點(diǎn)光柵技術(shù)，以及分布式光纖傳感技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)于一身，可達(dá)到厘米級(jí)的溫度感知，米級(jí)的空間定位以及數(shù)十千米級(jí)的監(jiān)測(cè)范圍。從技術(shù)、施工、維護(hù)等方面對(duì)比3種技術(shù)，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 光纖光柵傳感技術(shù)對(duì)比

續(xù)表3

通過(guò)對(duì)以上光纖光柵傳感技術(shù)的比較分析可得到結(jié)論：大容量光纖光柵傳感技術(shù)，具有明顯技術(shù)優(yōu)勢(shì)，將成為隧道火災(zāi)溫度監(jiān)測(cè)技術(shù)的主要發(fā)展方向。

3 結(jié)語(yǔ)

莆炎高速三明段公路隧道溫度火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以大容量光柵陣列光纜作為分布式溫度探測(cè)傳感器，對(duì)公路隧道沿線的環(huán)境溫度進(jìn)行空間、時(shí)間連續(xù)的全時(shí)全域監(jiān)測(cè)。本文提出的基于陣列光柵的交通隧道溫度場(chǎng)圖像火災(zāi)監(jiān)測(cè)方法可有效抑制由測(cè)溫光纜敷設(shè)位置、環(huán)境不同引起的溫度差異造成的干擾，避免交通隧道溫度受太陽(yáng)輻射、季節(jié)變化等因素影響造成升溫報(bào)警的誤判，使得對(duì)交通隧道的溫度異常變化的監(jiān)測(cè)更加精準(zhǔn)。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果表明：大容量光柵陣列測(cè)溫火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)對(duì)隧道內(nèi)環(huán)境異常升溫情況的報(bào)警率為100%，定位精度≤5 m。莆炎高速三明段公路隧道的現(xiàn)場(chǎng)長(zhǎng)期應(yīng)用檢驗(yàn)效果表明：大容量光柵陣列測(cè)溫火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)能夠?qū)煌ü匪淼纼?nèi)的溫度異常變化進(jìn)行及時(shí)有效地探測(cè)和定位，有效地保證了莆炎高速三明段公路隧道的消防安全。并分析比較了大容量光柵陣列傳感技術(shù)相對(duì)于逐點(diǎn)光柵技術(shù)和全同光柵技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，對(duì)公路隧道火災(zāi)溫度監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行了展望。