光纖光柵測溫結(jié)合紅外火焰探測器在公路隧道火災(zāi)監(jiān)測中的應(yīng)用

常 程

(重慶市城投路橋管理有限公司 重慶 400015)

公路隧道具有結(jié)構(gòu)封閉狹長、救援空間有限等特點(diǎn)，如果在公路隧道中發(fā)生火災(zāi)，若不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理，將造成極嚴(yán)重的后果。因此，公路隧道內(nèi)的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具有更高的靈敏性，以對(duì)火災(zāi)的發(fā)生進(jìn)行及時(shí)的預(yù)警。目前，公路隧道內(nèi)常用的火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)，主要有光纖感溫、紅外探測、圖像分析等類型[1]。這些火災(zāi)探測技術(shù)具有各自不同的應(yīng)用特點(diǎn)。

1 原理

1.1 光纖光柵測溫原理

光纖光柵傳感的基本原理是利用光纖光柵的有效折射率和光柵周期對(duì)外界參量的敏感特性，將外界參量的變化轉(zhuǎn)化為其布拉格波長的移動(dòng)，通過檢測光柵反射的中心波長移動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)外界參量的測量。

光纖光柵測溫技術(shù)利用了溫度對(duì)光柵中心波長的偏移影響，其測溫原理示意見圖1。如圖1所示，當(dāng)一束寬帶光注入光纖光柵，在一定波長范圍內(nèi)的光會(huì)被光柵反射回來，而其余不在此波長范圍的光則會(huì)透射過去繼續(xù)向前傳播[2]。當(dāng)光柵所在的環(huán)境溫度發(fā)生變化，光柵的中心波長會(huì)發(fā)生偏移，通過檢測這個(gè)偏移量，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度變化的探測。在光纖光柵感溫光纜中，串接了多個(gè)具有不同中心波長的光柵，能夠分別探測各自位置的環(huán)境溫度變化，利用波分復(fù)用技術(shù)，則可避免信號(hào)串?dāng)_。

圖1 光纖光柵測溫原理示意圖

1.2 紅外火焰探測原理

紅外火焰探測技術(shù)是通過分析烴類物質(zhì)燃燒生成物的光譜吸收峰，實(shí)現(xiàn)火災(zāi)監(jiān)測[3]。一般消防系統(tǒng)采用的是三波段紅外火焰探測器，3個(gè)不同波段的熱釋電紅外傳感器，其波段分別為：3.8，4.3，5.2 μm，根據(jù)傳感器的光學(xué)特性，假設(shè)3個(gè)傳感器采集到的信號(hào)都包含了真實(shí)火焰紅外輻射信號(hào)、高溫?zé)嵩醇t外輻射信號(hào)和背景紅外輻射信號(hào)，并且可以表示為三者的線性疊加，通過解耦運(yùn)算，將3種信號(hào)各自分離出來[4]。系統(tǒng)再對(duì)這3種信號(hào)進(jìn)行綜合分析，判斷在探測范圍內(nèi)是否存在火焰或者其他干擾源。

1.3 圖像火災(zāi)探測

圖像火災(zāi)探測技術(shù)通過對(duì)視頻圖像進(jìn)行處理和分析，提取和判斷火焰圖像的物理特征，具有可視化、信息量豐富的特點(diǎn)。然而，通過視頻圖像來檢測火焰，會(huì)面臨如：白天和夜間的光線變化；車燈干擾；攝像機(jī)鏡頭污損干擾；對(duì)不存在明火的煙氣檢測和汽車尾氣干擾；圖像數(shù)據(jù)的處理速度和存儲(chǔ)容量等諸多問題。而且當(dāng)隧道中發(fā)生火災(zāi)時(shí)，隧道內(nèi)局部的環(huán)境溫度會(huì)急劇升高，從而導(dǎo)致攝像機(jī)損壞，監(jiān)測失效。由于以上因素，視頻火災(zāi)分析系統(tǒng)在公路隧道市場的使用案例較少[5]。

對(duì)以上幾種火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)產(chǎn)品進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見表1。

表1 常用高速公路隧道火災(zāi)報(bào)警技術(shù)比較表

參考GB 50116-2019 《火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》[6]，在2 km內(nèi)，且雙車道隧道推薦使用光纖光柵型感溫火災(zāi)探測器產(chǎn)品；在2 km以上，或三車道隧道及重點(diǎn)交通隧道工程(城市道路隧道、水底隧道)推薦使用光纖光柵和其他火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)進(jìn)行組合使用。

2 系統(tǒng)安裝及檢測流程

2.1 光纖光柵感溫火災(zāi)探測系統(tǒng)

從工程安裝方式中，可以了解到該產(chǎn)品安裝簡單方便，現(xiàn)場不需通電，產(chǎn)品本質(zhì)安全防爆。隧道現(xiàn)場溫度信號(hào)通過傳輸光纜傳輸?shù)剿淼雷冸姺康男盘?hào)處理器上，信號(hào)處理器將報(bào)警和故障信號(hào)輸入到火災(zāi)報(bào)警控制器，溫度信號(hào)通過網(wǎng)口上傳到監(jiān)控中心的計(jì)算機(jī)上。工程設(shè)備布設(shè)安排見圖2。

圖2 光纖光柵感溫火災(zāi)探測系統(tǒng)工程設(shè)備布設(shè)示意圖

如圖2所示，沿隧道中軸線采用膨脹螺栓將多個(gè)專用支架固定在隧道頂部，支架間距視鋼絞線重量而定，以保證鋼絞線垂度(小于10 cm)為原則，一般說來支架間距為20 m。將鋼絞線沿隧道中軸線通過線夾安裝在支架上，張緊并逐段固定。將探測器光纜用電纜掛鉤固定在鋼索上。

光纖光柵火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)依據(jù)光纖光柵布拉格波長變化來測量溫度，當(dāng)隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，高溫的煙霧會(huì)快速到達(dá)到隧道頂部，引起環(huán)境溫度的急劇上升，觸發(fā)光纖光柵感溫系統(tǒng)做出響應(yīng)。

系統(tǒng)的報(bào)警依據(jù)包括差溫報(bào)警和定溫報(bào)警，當(dāng)某區(qū)域在一定時(shí)長內(nèi)的升溫速率超過差溫閾值，發(fā)出差溫報(bào)警信息；當(dāng)某區(qū)域的溫度超過定溫閾值，發(fā)出定溫報(bào)警信息。由于系統(tǒng)所監(jiān)測的物理量是實(shí)時(shí)的環(huán)境溫度，隨著晝夜和季節(jié)的周期性變化，環(huán)境溫度在長時(shí)間內(nèi)并不是恒定不變的，因此，系統(tǒng)應(yīng)該通過對(duì)長時(shí)間溫度變化規(guī)律的分析而對(duì)溫度報(bào)警閾值進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。本系統(tǒng)利用自回歸模型(autoregressive model，AR模型)，對(duì)隧道內(nèi)各區(qū)域的溫度變化規(guī)律進(jìn)行分析預(yù)測，據(jù)此對(duì)各區(qū)域的報(bào)警閾值參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)實(shí)時(shí)更新，將溫度預(yù)測值與差溫預(yù)設(shè)值之和，作為下一時(shí)段的溫度報(bào)警閾值，使得測溫系統(tǒng)能夠更好地適應(yīng)晝夜和季節(jié)變化的規(guī)律，提升系統(tǒng)的預(yù)警效果。

AR模型利用變量往期的變化規(guī)律得到其自身的預(yù)測值，主要以前期多個(gè)時(shí)段的溫度探測值作為參考依據(jù)，記為：Xt-1，Xt-2，…，Xt-p。序列值Xt，可以根據(jù)前p個(gè)時(shí)刻的序列值及當(dāng)前的噪聲值推得，即

Xt=a1Xt-1+a2Xt-2+…+apXt-p+εt

式中：ap為參數(shù)；εt為白噪聲。

利用系統(tǒng)采集的歷史測溫?cái)?shù)據(jù)，根據(jù)最小二乘原則計(jì)算模型參數(shù)，對(duì)AR模型進(jìn)行檢驗(yàn)。本文根據(jù)最終預(yù)報(bào)誤差準(zhǔn)則對(duì)系統(tǒng)采用的AR模型進(jìn)行定階。確定系統(tǒng)采用五階AR模型，模型參數(shù)確定見表2。

表2 系統(tǒng)采用模型參數(shù)

2.2 紅外火焰探測系統(tǒng)

三波段紅外火焰探測器，使用4.4，3.8，5.0 μm 3個(gè)波段，可同時(shí)排除高溫物體(例如，電烙鐵、太陽等)和低溫物體(例如，車燈、路燈等)的干擾。

每個(gè)紅外火焰探測器使用了左、右2個(gè)三波長紅外傳感窗口進(jìn)行探測，其探測范圍示意見圖3。探測區(qū)域?yàn)橐晥鼋?80°的雙扇形圓錐區(qū)域，水平方向的探測距離可以達(dá)到左、右各25 m。系統(tǒng)先對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行解耦預(yù)處理，再對(duì)3個(gè)波段數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和判別，判斷是否發(fā)出報(bào)警信息。

圖3 紅外火焰探測器探測范圍示意圖

2.3 監(jiān)測流程及結(jié)果

監(jiān)測流程見圖4。

圖4 隧道火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)監(jiān)測流程

系統(tǒng)軟件同時(shí)支持光纖光柵和火焰探測器，當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)達(dá)到溫度報(bào)警條件，系統(tǒng)界面輸出溫度報(bào)警信息；當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)達(dá)到火焰探測報(bào)警條件，系統(tǒng)界面輸出火焰探測報(bào)警信息，同時(shí)讀取此位置的溫度信息并顯示，監(jiān)測系統(tǒng)軟件界面見圖5。

圖5 監(jiān)測系統(tǒng)軟件界面

在西南地區(qū)的某條公路隧道中，同時(shí)安裝有光纖光柵火災(zāi)測溫系統(tǒng)和紅外火焰探測系統(tǒng)，軟件平臺(tái)將2個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行整合分析，經(jīng)過長期觀察，具有良好的運(yùn)行效果。光纖光柵感溫火災(zāi)探測器具有穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，但是受隧道內(nèi)自然風(fēng)影響會(huì)使監(jiān)測結(jié)果產(chǎn)生漂移和偏差；三波長紅外火焰探測器則能夠快速響應(yīng)明火，不受自然風(fēng)的影響，但如果火災(zāi)現(xiàn)場有障礙物遮擋時(shí)，會(huì)影響對(duì)火焰的判斷。將光纖光柵火災(zāi)測溫系統(tǒng)與紅外火焰探測器系統(tǒng)的結(jié)果結(jié)合起來，進(jìn)行綜合分析判斷，使2種技術(shù)互為補(bǔ)充，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)公路隧道火災(zāi)的靈敏可靠監(jiān)測。

3 結(jié)語

公路隧道火災(zāi)的早期預(yù)防，對(duì)公路隧道的運(yùn)營安全具有極為重要的意義。在公路隧道中同時(shí)安裝光纖光柵火災(zāi)測溫系統(tǒng)和紅外火焰探測器系統(tǒng)，將2種系統(tǒng)所得監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合分析判斷，線型和點(diǎn)型相結(jié)合的方式更適合于高速公路隧道火災(zāi)監(jiān)測，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)高速公路隧道火災(zāi)的快速、準(zhǔn)確探測。