大容量光柵陣列測溫技術在隧道火災監測中的應用

楊玉忠

(福建省三明高速公路有限公司 三明 353000)

感溫型火災探測技術，是當前使用最為普遍的交通公路隧道火災探測技術[1-3]。其中，大容量光柵陣列測溫技術，具有監測長度長，探測器為大容量光柵陣列光纜，現場無需供電不引入額外風險的優勢，非常適合應用于公路隧道火災探測[4-5]。本文以成功應用于莆炎高速三明段公路隧道的光纖光柵溫度火災監測報警系統為典型應用案例，對利用光纖光柵測溫技術優勢進行隧道內火情監測進行探討，并對光纖傳感類隧道火災監測預警技術的應用發展進行分析。

1 系統應用

1.1 系統構成

莆炎高速三明段公路隧道已經完成大容量光柵陣列測溫火災報警系統的安裝部署，對莆炎高速三明段公路隧道內的溫度進行空間連續、時間連續的全時全域監測。系統構成見圖1。

圖1 系統構成

1) 現場火災探測部分。大容量光柵陣列測溫火災報警系統使用大容量光柵陣列測溫光纜作為溫度傳感器件，將大容量光柵陣列測溫光纜安裝于莆炎高速三明段公路隧道頂部，對莆炎高速三明段公路隧道沿線進行空間連續、時間連續的溫度監測。

2) 控制室部分。在控制室中，設置大容量光纖光柵溫度信號解調儀表，并且布設火災報警控制器。隧道用火災報警軟件，針對隧道消防設備，包括大容量光纖光柵溫度信號解調儀表，火災報警控制器、手報、火焰探測器、煙感等進行模型化監測。其中軟件基于組態模式，可根據不同場景及應用靈活配置，同時支持對監測對象的自動生成和裝配。設計軟件功能見表1。

表1 軟件功能

1.2 部署運行

莆炎高速三明段公路隧道項目，采用雙路鋪設4條大容量光纖光柵感溫光纜，探頭間距1 m。將各路信號通過傳輸光纜引至洞口變電所信號處理器處。并在莆炎高速三明段公路隧道內，每隔40 m設置1個火災手動報警按鈕。

系統利用溫度傳感光纜將監測區域的溫度轉換為數字化信息，上傳至監控中心進行處理和記錄，實現隧道溫度的實時監視。

圖2為某溫度監測點在1 d內各時刻的溫度監測數值。

圖2 某溫度監測點在1 d內各時刻的數值

由圖2可見，光柵陣列測溫系統可以及時準確地描述監測點溫度在各時刻的變化，具有較高的測溫靈敏度。

將大容量光纖光柵溫度信號解調儀表和火災報警控制器安裝于在莆炎高速三明段公路隧道中控室，進行火災報警信息的整合，并上傳到莆炎高速監控中心。

1.3 報警算法

感溫火災報警系統，通常采用的報警方法是升溫報警和高溫報警，當系統監測到某探測位置在前一時段內的溫度上升超過升溫閾值時，發出升溫報警信號；某探測位置的溫度值超過高溫閾值時，發出高溫報警信號。

為充分利用陣列光柵傳感技術分布式測量的優勢來分析溫度場的空間信息，避免交通隧道的溫度受太陽輻射、季節變化等因素影響，出現升溫報警的誤判，并且考慮溫度傳感光纜敷設位置環境的不同，其基準溫度也會在空間上呈緩變的趨勢，因此高溫報警也不宜采用統一的閾值。

在本系統中，火災監測報警算法的計算步驟設計如下。

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

2) 采集各個光柵監測單元的溫度探測信號，采樣率1 Hz。

3) 將各個時刻得到的數據進行拼接，得到一段時間(可設置，如：600 s)內的全段溫度信號矩陣，再根據全段溫度信號矩陣繪制溫度場圖像，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間。

4) 對溫度場圖像做頂帽變換，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，可以看作此段時間的基準溫度，計算每列的均值，得到基準溫度序列。

6) 將基準溫度序列加thigh(thigh=30 ℃)作為此時的高溫閾值，查找空間-時間溫度場是否存在達到高溫閾值的區域。

查找方式：記探測單元數量為n，則高溫閾值是一個1行n列的序列，記空間-時間溫度場矩陣的行數為t(即時間長度)，將高溫閾值序列復制堆疊成一個t行n列的矩陣(使其矩陣大小與空間-時間溫度場矩陣相同)，再計算高溫閾值矩陣減去空間-時間溫度場矩陣的差值矩陣，查找此差值矩陣中是否存在>0的區域。若存在，統計此區域的空間涵蓋范圍，并發出高溫報警。

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

1.4 模擬測試

使用高溫熱風槍作為人工熱源，模擬環境溫度的異常升溫情況，對莆炎高速三明段公路隧道內部署的大容量光柵陣列測溫系統的報警靈敏度和定位精度進行測試。

測試方法：隨機選取一段光柵陣列感溫光纜作為測試段，每次模擬升溫測試，在距離光柵陣列感溫光纜空間距離30 cm的位置，開啟高溫熱風槍，高溫熱風槍每次的開啟時長為10 s。記錄系統的報警輸出信息。圖3所示為其中2次模擬升溫實驗結果，在空間-時間溫度場圖像中，標記橙色方框的區域，為系統檢測到的異常升溫報警區域。

圖3 模擬升溫實驗結果示例

分別在莆炎高速三明段公路隧道的首端、中端、尾端選取3個測試段，在每個選取的測試段內，使用高溫熱風槍作為人工熱源，進行隧道內部環境的模擬升溫測試，測試結果統計見表2。

表2 模擬升溫測試統計

根據以上模擬升溫測試統計結果，大容量光柵陣列測溫火災報警系統對隧道內環境異常升溫情況的報警率為100%，定位精度≤5 m，具有較高的測溫和定位精度。

大容量光柵陣列測溫火災報警系統在莆炎高速三明段公路隧道的現場長期應用檢驗效果證明：大容量光柵陣列測溫火災報警系統能對交通公路隧道內的溫度異常變化進行及時有效地探測和定位，對交通公路隧道內的溫度進行空間連續、時間連續地全時全域監測，其空間分辨率、探測靈敏度，以及探測距離等指標均能很好滿足實際工程應用的需求。

2 技術比較

光柵測溫技術主要分為：逐點光柵、全同光柵、大容量光柵陣列傳感技術。逐點光柵技術為使用不同波長的光纖光柵串聯形成傳感陣列作為傳感器；全同光柵技術是選取一系列同一溫度下中心波長相同的多個光纖光柵串聯，一個監測區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采用密集型光柵陣列傳感光纜，單根傳感光纜可刻寫上萬個光柵。

從技術原理上來講，全同光柵技術與逐點光柵技術相同，都是通過光纖光柵探測點的差溫和定溫傳感來進行火災報警。不同之處詳述如下。

1) 逐點光柵技術由于受信號處理器光源帶寬限制，單根探測光纜最多只能容納30個光柵探測點，若測點間距為10 m，則單根探測光纜長度只能達到300 m，在工程中每隔300 m就需要在隧道壁開槽下纖以便與電纜溝中的傳輸光纜連接來將傳感信號引回控制室，這樣導致工程現場熔接點太多、工程隱患增多、傳輸光纜用量翻番增加、隧道壁開槽走線工程量成倍加大。

2) 全同光柵技術通過更嚴格的制作工藝，有效保證了多個光纖光柵測點具有相同的感溫探測性能；通過采用全同光柵技術(典型為5點全同)，單根探測光纜可以做到60個光柵探測點甚至更多，從而大幅度減少熔接點數量，提高了系統的可靠性與穩定性；傳輸光纜資源得到有效利用；隧道壁開槽走線工程量成倍減少，后期的維護工作量也相應得到有效控制。

3) 大容量光柵陣列傳感技術，采用拉絲塔在線光纖光柵刻寫技術制作密集型光柵陣列傳感光纜，單根傳感光纜可工業自動化不間斷刻寫上萬個光柵測點，一致性好，機械強度高；利用時分+波分混合復用技術實現對每個傳感光柵火災信號的獨立解調(每個光柵都有1個地址編碼)。綜合了全同光柵技術、逐點光柵技術，以及分布式光纖傳感技術的優點于一身，可達到厘米級的溫度感知，米級的空間定位以及數十千米級的監測范圍。從技術、施工、維護等方面對比3種技術，結果見表3。

表3 光纖光柵傳感技術對比

續表3

通過對以上光纖光柵傳感技術的比較分析可得到結論：大容量光纖光柵傳感技術，具有明顯技術優勢，將成為隧道火災溫度監測技術的主要發展方向。

3 結語

莆炎高速三明段公路隧道溫度火災監測系統以大容量光柵陣列光纜作為分布式溫度探測傳感器，對公路隧道沿線的環境溫度進行空間、時間連續的全時全域監測。本文提出的基于陣列光柵的交通隧道溫度場圖像火災監測方法可有效抑制由測溫光纜敷設位置、環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輻射、季節變化等因素影響造成升溫報警的誤判，使得對交通隧道的溫度異常變化的監測更加精準。通過現場測試結果表明：大容量光柵陣列測溫火災報警系統對隧道內環境異常升溫情況的報警率為100%，定位精度≤5 m。莆炎高速三明段公路隧道的現場長期應用檢驗效果表明：大容量光柵陣列測溫火災報警系統能夠對交通公路隧道內的溫度異常變化進行及時有效地探測和定位，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相對于逐點光柵技術和全同光柵技術的應用優勢，對公路隧道火災溫度監測技術進行了展望。