光纖光柵在高速公路隧道火災報警系統中的應用研究

常國偉

（山西省交通科學研究院，山西 太原 030006）

0 引言

光纖光柵感溫火災檢測報警系統是一種新型的溫度探測報警系統。它采用當今世界上最先進的光纖光柵傳感技術，具有安全防爆、抗電磁干擾、防雷擊、監測精度高的特點，適應于各種惡劣環境下的溫度傳感，廣泛應用于高速公路長隧道等場所的火災報警。雙波長火焰探測器主要是利用火災中輻射光的特定波長及火焰閃爍頻率判定火災，不受隧道內風速影響，響應速度快且不受隧道距離長短的影響，主要適用于高速公路特長隧道等場所。

以某高速公路為例，路段內隧道多，尤其是長隧道多、距離長，而隧道火災由于其建筑結構復雜，環境相對密閉，火災時溫度較高，擴展速度快，火災報警和防護成為隧道安全的重中之重。同時考慮到點型感溫、感煙火災探測器、線型感溫電纜、火焰探測器、光纖拉曼感溫火災探測器等火災報警系統的局限性，或由于不適合長距離傳輸，或由于隧道環境的影響，易產生誤報，或由于產品成本太高、維護困難等原因，該路段內長隧道火災報警系統設計中，采用了光纖光柵感溫火災檢測報警系統。

1 光纖光柵傳感技術

1.1 光纖光柵傳感技術原理

光纖由里向外分為纖芯、包層、涂覆層3部分，利用特殊的紫外光照射工藝加工方法，對特定部位的光纖纖芯進行紫外照射，使得該區域光纖纖芯的折射率沿纖軸方向發生周期性的永久變化，從而制成特定中心波長的光纖光柵，這種光柵如一道道柵門，一個波長的光通過這排柵門，就會分解成很多波長較短的光，不能通過柵門的光就被反射回來，由火災探測主機所接受。當光柵溫度發生變化時光柵的條文周期會發生變化，所反射的布拉格波長也會發生相應的變化，經處理器解調后就可測得相應的溫度。光纖光柵作用相當于一個有選擇的光譜反射鏡，其最主要的功能是能將入射光中滿足布拉格條件的某一特定波長的光部分或全部反射。

1.2 光纖光柵傳感技術特點

光纖光柵傳感技術不僅具有普通光纖傳感技術的防爆、防腐蝕、抗干擾的優點，而且還具有以下特點：

a)從系統安裝來看 探測光纜懸掛于隧道頂部，與下方傳輸光纜連接，安裝工作比較簡單，主機放在洞外設備間，不易被污染和干擾。在隧道中，光纖光柵感溫火災探測器體積小、重量輕、易于安裝，一般安裝在隧道頂端中部的支架鋼絞線上，距頂部120 mm。

b)從報警位置來看 光纖光柵感溫火災報警系統的探測光纜從頭到尾連續布設在隧道頂部，可檢測到隧道內所有位置的溫度變化情況，沒有報警死角。

c)從對隧道溫度變化監測來看 光纖光柵系統屬感溫型設備，可對火災前期的高溫煙霧及隧道內溫度的異常變化做出預警，提示監控人員對溫度變化位置進行巡查。是一種高精度、高靈敏度的傳感器，可以快速精確地探測傳感器周圍溫度和溫度場的變化情況。

d)從使用維護費用來看 系統成本遠低于雙波長類。探測光纜的壽命在30年以上，且主機檢測的信號是光柵反射光，不需要很強的光，因此使用的是低功率LED光源，壽命在20年以上。后期維護費用很低。

e)從報警速度來看 光纖光柵感溫系統直接接收火災報警點反射回來的報警波長，各個通道每個報警點都是同時工作，不論遠端近端，反射回來的波長經過火災報警主機的接收馬上可以顯示數據。在實際應用中報警時間較快，可迅速捕捉火災初期信息，并在小于20 s的時間內及時報警。

f)從定位精度來看 光纖光柵感溫火災報警系統在隧道內的探測器，每隔幾米就會內置一個光柵感溫探頭，外部用金屬管包飾，因此在每個點的位置，主機只要解析到每個點的反射波長編碼，可以迅速準確判斷火災發生的具體位置和距離，那么探測點的位置可以說是不差分毫，定位準確，同時為精確啟動消防聯動設備提供準確信息。

g)從誤報情況來看 光纖光柵感溫火災報警系統探測點波長直接對應主機編碼，形成物理上的一一對應關系，主機接收信號只需要解析，不需要復雜的運算，工作機理簡單，不易出現誤報。

2 光纖光柵在高速公路隧道火災報警系統中的方案實施

2.1 系統方案設計

光纖光柵感溫火災檢測報警系統由檢測探頭、自檢探頭、信號處理器、光纖接續盒、傳輸光纜、鋼絞線及掛鉤、其他連接及安裝附件等構成。光纖光柵探測單元獲取物理變化量，以光波長為載體，通過光纖傳輸系統傳至信號處理部件，由信號處理部件對光信號進行解調分析，獲取被測物理量的數據。

以高速公路中的某長隧道火災報警系統設計為例，光纖光柵火災檢測報警系統構成如圖1所示。

圖1 隧道光纖光柵火災檢測報警系統構成圖

該長隧道為雙洞單向雙車道高速公路隧道，左線2 876 m，右線2 853 m，共配置14條400 m光纖光柵感溫火災探測器、2條100 m光纖光柵感溫火災探測器、2臺八通道信號處理器。系統于2013年11月完成安裝，12月完成火災報警系統的調試，獲得監理和業主的一致好評，目前處于正常運行狀態。

在隧道左右洞頂部敷設了光纖光柵感溫光纖，報警信號通過通信系統傳到隧道監控室和監控中心，同時還在隧道內以總線的方式每50 m設置了1個手動報警按鈕，并連接到火災報警控制器上。當隧道內某處發生火災時，由火災報警系統檢測到火災發生的位置并將此位置信息由光端機及通信光纜上傳至隧道管理站內的交通監控軟件系統進行報警，當交通監控軟件接收到由火災報警系統發送的火災報警信息后，會立即提示監控管理人員人工確認此報警信息，并通過隧道管理站內的監控軟件對隧道內的報警主機進行操作。隧道內的火災報警控制器還與就近的本地控制器相連，將本地控制器與隧道管理站通信的通道做為火災信息上傳的備用通道。火災報警信息得到人工確認后，系統將自動進入火災報警監控聯運控制狀態，已滿足隧道火災報警需要。隧道內人員發現火警后通過手動報警按鈕向火災報警控制器發送報警信號，火災控制器接收到報警信號后，顯示出報警按鈕的編號或位置并發出警報。

2.2 安裝方式

a)探測器部分 探測器通常安裝在隧道頂部中間，據拱頂的距離保持10～15 cm。首先用固定支架將鋼索固定，采用膨脹螺栓將支架按在隧道頂部中間處，并將鋼索固定；然后將探測器線纜用線夾固定在鋼索上，每根探測器線纜安裝完畢后，將探測器尾纖沿隧道壁通過預留預埋的保護管穿至隧道側面底部光纖接續盒，與傳輸光纜進行熔接。

b)信號處理器 光纖光柵感溫火災探測信號處理器通常安裝在隧道變電所內儀表控制柜上。

c)火災報警控制器部分 火災報警控制器設置在隧道洞口變電所內，主要接收來自信號處理器的溫度、報警及故障信號，并提交報警及故障的位置等信息，將這些信號通過光端機及通信光纜傳送至隧道管理站內的火災報警計算機并接受其控制。

d)手動報警按鈕部分 手動報警按鈕安裝在隧道側面，每間隔50 m設置1處，距電纜溝高1.2 m，通過阻燃雙絞銅線串接起來，并連接至隧道洞口變電所內的火災報警控制器，采用明裝和暗裝的方式均可。

3 結論

光纖光柵感溫火災檢測報警系統采用一種新型的無電傳感技術，具有靈敏度和精度高、性能穩定可靠、耐腐蝕、便于組網等特點，廣泛應用于高速公路隧道中，易于實現隧道內火災報警自動化和網絡化。同時由于信號可以長距離傳輸，因此可以實現對公路長距離隧道等場所的溫度進行監測，通過探測單元對其絕對溫度值或溫度變化量的實時監測，及時進行報警或者預警，減少火災帶來的損失。