光纖光柵火災監測系統在地鐵區間應用的可行性研究

魏海洋

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司,300251,天津∥工程師)

光纖光柵火災監測系統在地鐵區間應用的可行性研究

魏海洋

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司,300251,天津∥工程師)

地鐵區間隧道安裝火災監測系統對于監測地鐵火災、消滅地鐵的安全死角至關重要。結合沈陽地鐵1號線一期及延伸線工程區間分布式感溫光纖火災監測系統情況,通過技術經濟分析、比較,探討了地鐵區間隧道另一種光纖火災監測系統——光纖光柵火災監測系統設置的可行性,以期在保證功能的前提下,達到節約投資的目的。

地鐵隧道;光纖光柵火災監測系統;可行性研究

Author's addressThe Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation,300251,Tianjian,China

地鐵設施是投資巨大、設備系統復雜、人員密集的公共場所。地鐵發生火災不僅將造成巨大的經濟損失,還會造成重大的人員傷亡,引起交通秩序和社會秩序的混亂,甚至產生不利的政治影響。GB 50116-98《火災自動報警系統設計規范》及 GB 50157-2003《地鐵設計規范》將地鐵隧道定為一級保護對象,顯示了對地鐵火災安全的高度重視。以前,由于防災報警系統設備存在總線長度有限、回路容量不夠、其他線性感溫元件保護范圍小、不能定位報警點等技術困難,很多運營地鐵隧道都沒有安裝感溫元件,成為地鐵的一個安全死角。鑒于地鐵嚴峻的安全形勢,國內外的火災報警設備廠商研究生產出了分布式光纖感溫監測系統,并已在深圳、上海、天津、北京、沈陽等地的地鐵中應用,實現了地鐵火災監測的全覆蓋,消滅了地鐵的安全死角。但是,由于分布式光纖感溫監測系統的市場基本被國外廠商所壟斷,致使此部分投資一直居高不下,動輒就需要上千萬元甚至幾千萬元的資金投入。市場亟需價格合理、功能完備的此類產品。國內火災報警設備廠商現已開發生產出光纖光柵感溫監測系統。本文結合沈陽地鐵1號線一期及延伸線實際工程項目,嘗試從地鐵區間火災探測原理、系統方案、經濟性等方面,對光纖感溫和光纖光柵監測系統兩種火災監測方案進行比較分析,研究光纖光柵火災探測系統在地鐵區間應用的可行性,以期能為今后的工程應用提供參考。

1 監測系統探測原理及特點

1.1 分布式光纖感溫監測系統

分布式光纖感溫監測系統綜合了激光技術、光纖傳輸傳感技術、光電技術、微弱信號檢測技術、高瞬態數據采集及計算機技術,是光、機、電、計算機一體化的高新技術集成系統。系統應用激光光纖拉曼散射效應和光時域反射(OTDR)原理,實現連續空間溫度場的溫度測量與位置確定;控制器向光纖注入高能窄激光脈沖;激光脈沖在光纖中傳輸時的背向散射回波(其強度與反射處的溫度有關)返回控制器,經過光電轉換和放大、數據采集,由系統軟件進行現場溫度信號的解調、報警定位及其他火災信息的處理。

感溫光纖系統為分布式測溫系統,提供連續的動態監測信號,任意溫度點報警:最大可顯示0～4 km范圍內每隔1 m各點的溫度及其變化率;感溫光纖系統的最高溫度精度為±1℃;感溫光纖監測系統提供連續的動態監測信號,可設置多級溫度點報警,如30℃初報警、40℃預報警、50℃采取措施等,并且可根據不同環境特點進行修正;為避免誤報發生,在讀取溫度數據的同時,對高溫點的溫度變化率進行監測,并提供相應的信號輸出;可根據現場要求對取樣間隔進行調整,最短可相隔0.5 m取樣;報警控制區理論上可編程,并可按照用戶的要求進行設計,每一系統可針對環境變化設置0～200個不同報警控制區域;能夠快速響應、精確定位,可對長距離探測光纜各點溫度進行有效監測。

1.2 光纖光柵監測系統

光纖光柵感溫火災報警系統將傳統波分復用技術和全同光纖光柵復用技術相結合,使用波分復用與全同光纖光柵混合復用方法,解決了隧道火災報警的難題。此系統采用光纖光柵作為溫度敏感元件,對波長信號進行數字式測量,具有極高的靈敏度。光纖光柵傳感器是系統的核心部件之一,它利用光纖芯層材料的光敏特性,通過紫外準分子激光器采用掩模曝光的方法,使一段約8 mm的光纖纖芯的折射率發生永久性改變,形成布喇格光柵結構。探頭對環境溫度非常敏感,微小的溫度變化都會導致探頭反射光波長的漂移。反射光波長的漂移量通過信號處理器來檢測。信號處理器是系統的另外一個核心部件,它采用先進的可調法布里-珀羅腔技術進行波長檢測,能檢測出1℃的溫度變化。當信號處理器檢測到光纖光柵的反射波長出現異常,會發送報警信號給火災報警控制器。

1.3 兩種測溫系統的比較

分布式光纖感溫監測系統和光纖光柵監測系統的特點比較如表1所示。從表1中可以看出,光柵光纖測溫系統的優勢比較明顯。

表1 感溫光纖與光柵光纖測溫技術比較表

2 案例分析

以沈陽地鐵1號線一期及延伸線工程為例,比較分析上述兩個系統方案。沈陽地鐵1號線一期及延伸線工程線路全長28.925 km,全部為地下線,共設車站22座;區間平均長1215 m,最長為1900 m,最短為900 m。

2.1 分布式光纖感溫監測系統方案

為了節約投資,沈陽地鐵1號線一期及延伸線工程分布式光纖感溫監測系統采用“兩站一機”方案。即兩個相鄰車站設置一個控制主機,無控制主機的車站設置一個工作站;控制主機和工作站都連接于通信專業提供的光纖傳輸網絡上;各主機可將探測數據上傳于中央控制中心系統的感溫光纖監測系統監控工作站。分布式光纖感溫監測系統的實施方案如圖1所示。

感溫光纖測溫主機為4通路模式,取樣間隔為10 m;每個區間劃分為8個報警分區,與防災報警系統(FAS)報警控制器通過模塊連接。

分布式光纖感溫監測系統只監測區間隧道內的溫度及火災情況。

2.2 光纖光柵監測系統方案

如果應用光纖光柵監測系統方案,沈陽地鐵1號線一期及延伸線工程可采用“一站一機”方案。光纖光柵監測系統由光纖光柵火災信號處理主機、傳輸光纜、光纖接續盒、光纖光柵探測光纜等設備及系統軟件組成。光纖光柵火災信號處理主機設在每個車站控制室,光纖光柵探測光纜安裝在區間,圖形軟件集成在車站及工作站上。光纖光柵監測系統的實施方案如圖2所示。

車站根據監測區域的長度,分別配置一套滿足探測距離的信號處理主機。信號處理主機的每個光道帶400 m的光纖光柵探測光纜。信號處理主機通過光柵協議模塊通信接口將隧道火災報警信號傳送給FAS主機,同時通過以太網接口直接把車站火警信號、系統故障報警信號和各消防分區的溫度信號接入運營控制中心(OCC)光纖測溫監控系統。

根據每個車站FAS的具體運營監控模式,光纖光柵監測系統在監測、分區、報警上可直接與車站管理范圍相對應,實現各車站消防火警信息與運營監控模式的一致。

圖1 光纖感溫方案示意圖

圖2 光纖光柵方案示意圖

2.3 經濟性比較

表2、3是光纖感溫方案和光纖光柵方案的投資表,其中總投資為廠家報價。從表中數據可以看出,光纖光柵方案的投資比光纖感溫方案節約了22.7%;工程招標后最終費用還會下降,其經濟效益比較明顯。

表2 光纖感溫方案投資費用表

表3 光纖光柵方案投資費用表

3 結 語

城市軌道交通建設在我國方興未艾。國家批復了很多城市的軌道交通項目,其節能減排工作大有可為。在設計過程中,應在不影響功能的前提下,盡量節約投資,提高工程經濟性。目前國內開發生產的光纖光柵感溫監測系統,能滿足地鐵隧道區間火災及溫度監測功能要求,降低了工程投資,在一些實際工程中的表現令人滿意,值得推廣實施。

[1]劉永謙,吳大鵬,王大軍,等.新型地鐵火災監測系統設計技術研究報告[R].天津:天津市科學技術委員會,2005.

[2]GB 50116-1998火災自動報警系統設計規范[S].

[3]GB 50157-2003地鐵設計規范[S].

[4]TGW光纖光柵感溫火災探測系統產品簡介[EB/O L].(2009-08-05)[2009-10-20].http:∥www.sz.gov.cn/gaxfj/szsgajxfj/xfcp/200908/t20090805_1157760.htm

[5]隧道光纖光柵感溫火災報警系統[EB/O L].http:∥www.wutos.com/product.asp?classname=2

[6]光柵技術在安全監測領域的應用[EB/O L].http:∥www.iqcn.com.cn/product/jsyy.html

Feasibility of Fiber Bragg Grating Fire Monitoring System in Subway Tunnel

Wei Haiyang

It is very important to install a fire monitoring system in subway tunnel to monitor the fire and eliminate the security blind corner.Based on the Raman Fiber Fire Monitoring System used in Shenyang metro Line 1 and its extended sections,an in-depth feasibility study of another subway tunnel fire monitoring system—the Fiber Bragg Grating Fire Monitoring System—is introduced,its technique and costs are analyzed and compared.To guarantee the fire monitoring functions,and to achieve the goal of reducing costs,this paper suggests to adopt the Fiber Bragg Grating Fire Monitoring System.

subway tunnel;fiber bragg grating fire monitoring system;feasibility study

U 231+.96

2009-10-23)