光纖光柵測溫結合紅外火焰探測器在公路隧道火災監測中的應用

常 程

(重慶市城投路橋管理有限公司 重慶 400015)

公路隧道具有結構封閉狹長、救援空間有限等特點，如果在公路隧道中發生火災，若不能及時發現和處理，將造成極嚴重的后果。因此，公路隧道內的火災報警系統應當具有更高的靈敏性，以對火災的發生進行及時的預警。目前，公路隧道內常用的火災預警系統，主要有光纖感溫、紅外探測、圖像分析等類型[1]。這些火災探測技術具有各自不同的應用特點。

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外界參量的敏感特性，將外界參量的變化轉化為其布拉格波長的移動，通過檢測光柵反射的中心波長移動實現對外界參量的測量。

光纖光柵測溫技術利用了溫度對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，當一束寬帶光注入光纖光柵，在一定波長范圍內的光會被光柵反射回來，而其余不在此波長范圍的光則會透射過去繼續向前傳播[2]。當光柵所在的環境溫度發生變化，光柵的中心波長會發生偏移，通過檢測這個偏移量，可以實現對溫度變化的探測。在光纖光柵感溫光纜中，串接了多個具有不同中心波長的光柵，能夠分別探測各自位置的環境溫度變化，利用波分復用技術，則可避免信號串擾。

圖1 光纖光柵測溫原理示意圖

1.2 紅外火焰探測原理

紅外火焰探測技術是通過分析烴類物質燃燒生成物的光譜吸收峰，實現火災監測[3]。一般消防系統采用的是三波段紅外火焰探測器，3個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，根據傳感器的光學特性，假設3個傳感器采集到的信號都包含了真實火焰紅外輻射信號、高溫熱源紅外輻射信號和背景紅外輻射信號，并且可以表示為三者的線性疊加，通過解耦運算，將3種信號各自分離出來[4]。系統再對這3種信號進行綜合分析，判斷在探測范圍內是否存在火焰或者其他干擾源。

1.3 圖像火災探測

圖像火災探測技術通過對視頻圖像進行處理和分析，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。然而，通過視頻圖像來檢測火焰，會面臨如：白天和夜間的光線變化；車燈干擾；攝像機鏡頭污損干擾；對不存在明火的煙氣檢測和汽車尾氣干擾；圖像數據的處理速度和存儲容量等諸多問題。而且當隧道中發生火災時，隧道內局部的環境溫度會急劇升高，從而導致攝像機損壞，監測失效。由于以上因素，視頻火災分析系統在公路隧道市場的使用案例較少[5]。

對以上幾種火災報警系統產品進行對比，結果見表1。

表1 常用高速公路隧道火災報警技術比較表

參考GB 50116-2019 《火災自動報警系統設計規范》[6]，在2 km內，且雙車道隧道推薦使用光纖光柵型感溫火災探測器產品；在2 km以上，或三車道隧道及重點交通隧道工程(城市道路隧道、水底隧道)推薦使用光纖光柵和其他火災報警系統進行組合使用。

2 系統安裝及檢測流程

2.1 光纖光柵感溫火災探測系統

從工程安裝方式中，可以了解到該產品安裝簡單方便，現場不需通電，產品本質安全防爆。隧道現場溫度信號通過傳輸光纜傳輸到隧道變電房的信號處理器上，信號處理器將報警和故障信號輸入到火災報警控制器，溫度信號通過網口上傳到監控中心的計算機上。工程設備布設安排見圖2。

圖2 光纖光柵感溫火災探測系統工程設備布設示意圖

如圖2所示，沿隧道中軸線采用膨脹螺栓將多個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。

光纖光柵火災監測系統依據光纖光柵布拉格波長變化來測量溫度，當隧道內發生火災時，高溫的煙霧會快速到達到隧道頂部，引起環境溫度的急劇上升，觸發光纖光柵感溫系統做出響應。

系統的報警依據包括差溫報警和定溫報警，當某區域在一定時長內的升溫速率超過差溫閾值，發出差溫報警信息；當某區域的溫度超過定溫閾值，發出定溫報警信息。由于系統所監測的物理量是實時的環境溫度，隨著晝夜和季節的周期性變化，環境溫度在長時間內并不是恒定不變的，因此，系統應該通過對長時間溫度變化規律的分析而對溫度報警閾值進行相應調整。本系統利用自回歸模型(autoregressive model，AR模型)，對隧道內各區域的溫度變化規律進行分析預測，據此對各區域的報警閾值參數進行自動實時更新，將溫度預測值與差溫預設值之和，作為下一時段的溫度報警閾值，使得測溫系統能夠更好地適應晝夜和季節變化的規律，提升系統的預警效果。

AR模型利用變量往期的變化規律得到其自身的預測值，主要以前期多個時段的溫度探測值作為參考依據，記為：Xt-1，Xt-2，…，Xt-p。序列值Xt，可以根據前p個時刻的序列值及當前的噪聲值推得，即

Xt=a1Xt-1+a2Xt-2+…+apXt-p+εt

式中：ap為參數；εt為白噪聲。

利用系統采集的歷史測溫數據，根據最小二乘原則計算模型參數，對AR模型進行檢驗。本文根據最終預報誤差準則對系統采用的AR模型進行定階。確定系統采用五階AR模型，模型參數確定見表2。

表2 系統采用模型參數

2.2 紅外火焰探測系統

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

每個紅外火焰探測器使用了左、右2個三波長紅外傳感窗口進行探測，其探測范圍示意見圖3。探測區域為視場角180°的雙扇形圓錐區域，水平方向的探測距離可以達到左、右各25 m。系統先對采集數據進行解耦預處理，再對3個波段數據進行分析和判別，判斷是否發出報警信息。

圖3 紅外火焰探測器探測范圍示意圖

2.3 監測流程及結果

監測流程見圖4。

圖4 隧道火災報警系統監測流程

系統軟件同時支持光纖光柵和火焰探測器，當監測數據達到溫度報警條件，系統界面輸出溫度報警信息；當監測數據達到火焰探測報警條件，系統界面輸出火焰探測報警信息，同時讀取此位置的溫度信息并顯示，監測系統軟件界面見圖5。

圖5 監測系統軟件界面

在西南地區的某條公路隧道中，同時安裝有光纖光柵火災測溫系統和紅外火焰探測系統，軟件平臺將2個系統的監測結果進行整合分析，經過長期觀察，具有良好的運行效果。光纖光柵感溫火災探測器具有穩定性好、抗干擾能力強等特點，但是受隧道內自然風影響會使監測結果產生漂移和偏差；三波長紅外火焰探測器則能夠快速響應明火，不受自然風的影響，但如果火災現場有障礙物遮擋時，會影響對火焰的判斷。將光纖光柵火災測溫系統與紅外火焰探測器系統的結果結合起來，進行綜合分析判斷，使2種技術互為補充，可以實現對公路隧道火災的靈敏可靠監測。

3 結語

公路隧道火災的早期預防，對公路隧道的運營安全具有極為重要的意義。在公路隧道中同時安裝光纖光柵火災測溫系統和紅外火焰探測器系統，將2種系統所得監測數據進行聯合分析判斷，線型和點型相結合的方式更適合于高速公路隧道火災監測，能夠實現對高速公路隧道火災的快速、準確探測。