軌道交通隧道光纖測溫火災報警算法研究和應用

蘇泰華 馮浩波

（南寧軌道交通集團有限責任公司，廣西南寧 530029）

1 概述

消防安全對于城市軌道交通的運營管理極為重要，對軌道交通區間隧道沿線進行實時的溫度監測，及時預警火災發生，是城市軌道交通安全運營的重要保證[1-2]。感溫式火災探測是一種火災早期探測和預報的方法，這種方法實時監測隧道沿線溫度，在溫度異常變化或溫度到達火警閾值時發出報警[3]。分布式光纖溫度傳感技術具有電絕緣、抗電磁干擾、不受煙霧灰塵干擾、耐腐蝕、靈敏度高、測溫精度高、使用壽命長、易于組網等優點，非常適合用于軌道交通區間隧道的火災監測[4-5]。感溫式火災報警系統目前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某一時段內的溫度上升超過升溫閾值時，發出升溫報警信號；當系統監測到某探測位置的溫度值超過高溫閾值時，發出高溫報警信號。但是此報警方法沒有充分利用分布式光纖傳感技術分布式測量的優勢來分析溫度場的空間信息，由于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，為了充分地利用分布式光纖溫度傳感技術高靈敏度以及分布式探測的優勢，需要設計一種更為精準的溫度火災報警判斷方式。

2 測溫精度測試

2.1 高低溫試驗箱測試

選取一段包含有10 個溫度探測單元的分布式光纖溫度傳感光纜，將此段光纜放置于高低溫試驗箱內，進行升溫和降溫測試，記錄出這10 個溫度探測單元各個時刻的測溫數據，將高低溫箱的實時溫度的讀數作為參考標準，統計分布式光纖溫度傳感光纜的測溫誤差。

如圖1 所示，為高低溫試驗箱升溫測試記錄，高低溫箱從室溫（約17.0℃），升溫至150℃，升溫速率約為1.7℃/分鐘。10 個溫度探測單元均能準確地采集到實時的環境溫度數據，及時有效地探測到環境溫度的變化情況，根據采集到的數據統計，得到測溫誤差≤±1.2℃。

圖1 高低溫試驗箱升溫測試記錄

如圖2 所示，為高低溫試驗箱降溫測試記錄，高低溫箱從室溫（約18.6℃），降溫至-30℃，降溫速率約為0.9℃/分鐘。10 個溫度探測單元均能準確地采集到實時的環境溫度數據，及時有效地探測到環境溫度的變化情況，根據采集到的數據統計，得到測溫誤差≤±0.9℃。

圖2 高低溫試驗箱降溫測試記錄

2.2 室溫測試

將此段包含有10 個溫度探測單元的分布式光纖溫度傳感光纜，放置于室溫下，以1Hz 的采樣率，實時采集環境溫度數據，采集時長為100 分鐘。繪制各個探測單元的溫度探測曲線，如圖3 所示。

圖3 室溫環境溫度探測曲線

從圖3 室溫環境溫度探測曲線中可以看出，此段分布式光纖溫度傳感光纜所包含的10 個溫度探測單元，均能夠準確的描述室內溫度緩變的過程，各個探測單元在同一時刻的測量誤差≤1℃。

綜上所述，分布式光纖溫度傳感系統的測溫靈敏度和測溫精度，均能夠良好地滿足軌道交通區間隧道火災監測的測溫需求。

3 火災報警算法設計

由上一節的實驗測試結果可知，分布式光纖溫度傳感系統，具有靈敏度高、測溫精度高的技術優勢。由于溫度傳感光纜在軌道交通區間隧道內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，為了充分地利用分布式光纖溫度傳感技術高靈敏度以及分布式探測的優勢，相較于傳統的升溫和高溫閾值判斷方式，需設計更為精準的溫度報警判斷方式。

3.1 算法設計

3.1.1 將分布式光纖感溫光纜作為溫度傳感器，敷設于軌道交通區間隧道內，用于采集軌道交通區間隧道沿線的環境溫度數據。

3.1.2 采集各個分布式光纖監測單元的溫度探測信號，采樣率1Hz。

3.1.3 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 秒）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是空間距離，矩陣縱軸方向物理含義是時間。

3.1.4 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。

OTSU 算法步驟：OTSU 算法的假設是存在閾值TH將圖像所有像素分為兩類C1（小于TH）和C2（大于TH），則這兩類像素各自的均值就為m1、m1，圖像全局均值為mG。同時像素被分為C1和C2類的概率分別為p1、p2。因此就有：

根據方差的概念，類間方差表達式為：

把上式化簡，將式(1)代入式(3)，可得：

統計得到溫度場圖像中的最大值L，而能使(4)式最大化的數值k（k＜∈(0,L)）就是OTSU 閾值，其中，

按照公式(4)，遍歷數值0～L，求出使(4)式最大的k，即為全局閾值。

3.1.5 圖像后景部分，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。

3.1.6 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。

3.1.7 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(Thigh=10℃)作為此時的升溫閾值(Trise＜Thigh)。對于Blob 檢測得到的奇異區域，若存在大小超過200 個像素點，溫度超過升溫閾值的奇異區域，則統計此區域的空間涵蓋范圍，并發出升溫報警。

3.2 模擬熱源測試

在某段軌道交通的隧道內布設分布式光纖溫度傳感系統，監測長度約為2.7km，每個探測單元間隔長度為10m，即：此區間隧道內分布有270 個溫度探測單元。分別在監測區域的首端和尾端隨機選擇測試位置，用人工熱源靠近分布式光纖溫度探測光纜，以模擬火災發生時軌道交通隧道內的環境溫度變化情況，如圖4 所示，為人工熱源模擬火警測試的報警及定位結果。

在圖4 中可見，探測單元8 至探測單元12，先探測到環境溫度的異常上升，達到此段實時計算的升溫閾值（基準溫度16.3℃+10℃），檢測到的溫度上升異常區域大小為625，超過了200 個像素點，系統發出探測單元8-12 升溫報警。之后，探測單元8 至探測單元12 探測到的溫度數據達到此段實時計算的高溫閾值（基準溫度16.3℃+30℃），系統發出探測單元8-12 高溫報警。探測單元256 至探測單元260，探測到環境溫度達到此段實時計算的高溫閾值（基準溫度15.6℃+30℃），系統發出探測單元256-260 高溫報警。

圖4 人工熱源模擬火警測試的報警及定位結果

圖5 所示為進行模擬熱源測試時，系統自動計算的各個探測單元的實時基準溫度，可見此時的環境溫度約為16℃，系統可以實時地描述軌道交通隧道沿線的溫度分布。

圖5 系統實時基準溫度

由模擬熱源的測試結果可以看出，分布式光纖溫度傳感系統可以準確地探測軌道交通區間隧道沿線的溫度分布，及時有效地探測到軌道交通區間隧道內各個區域的溫度異常變化情況，可以實現軌道交通區間隧道內溫度異常情況的實時報警和精準定位，為城市軌道交通的運營提供了重要的消防管理手段，也為城市軌道交通的運營安全提供了可靠保障。

4 結論

經過實驗室測試可得，分布式光纖溫度傳感系統的測溫靈敏度和測溫精度，均能夠良好地滿足軌道交通區間隧道火災監測的測溫需求。本文提出的信號分析方法應用于分布式光纖溫度傳感火災預警，能夠充分利用分布式光纖溫度傳感技術分布式測量的優勢，對軌道交通區間隧道內溫度場的空間信息進行分析，能夠提取基準溫度在空間上的緩變趨勢，抑制由測溫光纜敷設位置環境不同引入的溫度差異干擾；通過檢測溫度場圖像的奇異區域作為升溫報警依據，利用光纖傳感分布式測量優勢將溫度場的空間分布和時間分布進行結合分析，對軌道交通區間隧道沿線的溫度異常變化進行更為精準的監測，能夠及時的預警早期火災。因此，在軌道交通區間隧道使用分布式光纖溫度傳感系統，通過早期火災的及時預警，能將火災造成的損失降到最低，在很大程度上提高了軌道交通火災報警系統的可靠性和安全性，從而可靠地保障了軌道交通隧道運營過程中的消防安全。