基于光纖溫度傳感的高速公路隧道機電設備監測

張君杰

(廣東省路橋建設發展有限公司汕湛分公司 廣州 510660)

實時監測高速公路隧道中眾多機電設備的溫度異常狀態,對于高速公路隧道的消防安全和穩定運營極為重要[1-2]。光纖溫度傳感系統利用光纖作為溫度探測器,傳感部分無需供電不會引入額外的消防風險,非常適合用于高速公路隧道機電設備的溫度狀態監測[3-4]。但現有的隧道測溫系統主要關注隧道內的異常升溫或高溫情形[5],而在隧道內存在著眾多的機電設備,其運轉時產生的散熱和氣流,會對隧道測溫系統的判斷造成干擾,容易引起誤報和漏報,影響系統監測效果,因此針對隧道內環境的特殊情況,需要對隧道內溫度場異常監測設計更加合理的判斷方法[6]。

利用光纖溫度傳感技術的實時長距離分布式探測的優勢,可以實時采集高速公路隧道中的溫度場數據,并結合時間維度形成隧道內的溫度場圖像,通過對光纖溫度場圖像數據分析,判斷溫度異常波動的區域,再對相應區域發出預警信息,以有效提升感溫火災探測系統的運行水平,在過濾掉隧道內機電設備正常運行散熱引入的干擾的同時,及時監測到隧道內機電設備的溫度異常情況。

本文主要探究針對高速公路隧道內存在特定熱源干擾的情況下,如何對真正具有危險性的異常升溫情況進行及時識別和預警,以提高溫度火災監測系統的報警準確率,確保系統的監測效果。

1 系統架構

選擇一段高速公路隧道作為試點應用工程,在隧道內安裝布設光纖溫度傳感系統。將溫度探測光纜按4 m的長度間隔,通過固定件安裝于隧道上方內壁,將溫度探測光纜布設于高速公路隧道全段沿線,溫度探測光纜的布設方向與隧道走向一致。在溫度探測光纜安裝布設完成后,將溫度探測光纜與傳輸光纜進行熔接,光纖溫度探測儀表放置于高速公路隧道的中控室內,將傳輸光纜接入光纖溫度探測儀表。基于分布式光纖溫度傳感系統的探測空間連續的技術優勢,系統在獲得高速公路隧道監測區域各個位置溫度時序信號的同時,通過將各個探測位置的溫度時序信號按照實際的空間順序進行拼接,可以獲得溫度信號的空間-時間二維數據矩陣,即形成探測區域的溫度場瀑布圖,瀑布圖的橫軸指示溫度信號的空間位置信息,縱軸指示溫度信號的時刻信息。通過探測區域的溫度場瀑布圖,可進一步獲得高速公路隧道沿線溫度的空間分布特征。

2 常規數據采集

在常規狀態下采集一段200 min的隧道溫度監測數據,采集時間為2023年4月,隧道溫度場圖像見圖1。在此溫度場監測圖像片段中,圖像橫軸代表空間距離,單位為m,縱軸代表時間,單位為min,即:光纖溫度傳感系統每隔1 min,采集1次監測區域的全段溫度探測數據,并按照探測點的實際空間順序將溫度-時間數據序列進行排列整合,所整合而成的空間-時間溫度數據矩陣,即監測區域的溫度場監測圖像,可以從中直觀地看到監測區域內溫度異常情況出現的時間范圍和空間范圍。由圖1可見,在離探測起點約300 m的位置,有1個較為恒定的發熱源,為隧道內某機電設備運行散熱所致。探測起點區域的溫度相對于隧道內其他位置,溫度較低。在距探測起點約150,500 m的位置,溫度數據出現小幅度降低和波動,為隧道內的風機運行所致。分析隧道內受恒定熱源影響的區域,其溫度場圖像雖然相較于其鄰近區域,溫度數據有較為明顯的升高,但其溫度升高區域的圖像邊緣,較為整齊和一致,在溫度場圖像中,呈現為1個類似矩形的形態。

圖1 常規狀態隧道溫度場

統計各個探測點的溫度數據序列,將各序列數值從大到小進行排序,分別計算最前5個數值之和與最后5個數值之和,再計算其比值,作為溫度數據序列的波動比計算方式,則該高速公路隧道內的溫度數據波動比分布見圖2。

圖2 常規狀態波動比

隧道內溫度場的平均波動比為2.2 dB,可見2處受風機影響的位置具有相對較高的波動比,分別可達4.3,7.1 dB,而受機電設備散熱影響的區域,其波動比沒有出現升高的情況,最低值為1.6 dB。

3 模擬異常數據

在隧道內進行模擬升溫實驗,在離探測起點約600 m的位置,使用電烙鐵多次點觸測溫光纜,模擬機電設備異常升溫情況,在離探測起點約3 000 m的位置,點燃汽油火盆,模擬隧道內火焰升溫情況,模擬升溫實驗期間采集的200 min溫度場圖像數據見圖3。

由圖3可見,電烙鐵多次點觸測溫光纜的溫度信號,其圖像所呈現的規律性較明顯,升溫影響范圍相對較小;點燃汽油火盆的溫度信號,其圖像則呈現出較大的波動性,尤其在圖塊邊緣部位的波動性更為明顯,并且升溫影響范圍相對較大。

計算模擬升溫實驗期間采集的各探測點的溫度數據序列的波動比結果見圖4。

圖4 模擬升溫實驗波動比

由圖4可見,在電烙鐵多次點觸測溫光纜測試位置和點燃汽油火盆測試位置,其溫度信號波動比均有明顯提升,其波動比數值最大分別可達41.6,36.6 dB。而受機電設備散熱影響的區域,其波動比仍然較低,均值為1.7 dB。

4 算法設計

根據上節分析,對于高速公路隧道中的機電設備溫度異常狀態監測,主要干擾源為設備自身散熱、通風處環境溫度波動等,而對于機電設備異常升溫和火焰導致的環境溫度上升,均是系統必須報警的情況。根據對機電設備異常升溫和火焰升溫數據的分析,可知此時溫度信號的波動比均會明顯上升,而機電設備異常升溫信號在溫度場圖像中所呈現的規律性較明顯,升溫影響范圍相對較小,火焰升溫信號在溫度場圖像中則呈現出較大的波動性,升溫影響范圍相對較大。對于高速公路隧道機電設備溫度異常狀態監測,信號分析流程設計如下。

1) 實時采集監測區域沿線溫度信號數據,形成監測區域溫度場。

2) 分別計算各個監測單元溫度數據序列的波動比,溫度信號波動比計算方式:分別計算最前5個數值之和與最后5個數值之和,再計算其比值。

3) 設置波動比異常閾值,查找超過波動比異常閾值的監測單元,將空間連續的探測單元,合并到同一區域中,再查找此區域中波動比最大的探測單元,作為此區域的事件中心。

4) 對于判斷為事件中心的監測單元,將其原始溫度信號數據做尋峰計算,查找峰值位置。將這些峰值位置(位于時間軸)與此區域的事件中心進行組合,得到用于溫度場異常升溫區域圖像分割的種子點位置。

5) 對于每個自動選取的種子點,在種子點位置進行8鄰域擴展,種子區域生長規則:若某數據點與種子點的數值之差的絕對值小于預先設定閾值,則該數據點被包括進這個種子點所在的區域。當不再有數據點滿足加入這個區域的規則時,此區域生長停止。圖5為本次模擬異常升溫測試溫度場圖像,通過區域生長方法得到的溫度異常圖塊判斷結果。

圖5 溫度異常區域判斷結果

6) 對于每個分割出的溫度異常圖塊,統計其空間覆蓋區域,以及左右邊沿的方差。當空間覆蓋區域小于預先設定的空間閾值,且左右邊沿方差小于預先設定的方差閾值,則判斷此異常升溫事件類型為機電設備異常升溫;當空間覆蓋區域大于預先設定的空間閾值,且左右邊沿方差大于預先設定的方差閾值,則判斷此異常升溫事件類型為火焰升溫;若不滿足上述閾值條件,則判斷為未知升溫事件。

系統中設置空間閾值為50 m,方差閾值為3,在本組模擬升溫測試數據中,600 m位置測試信號的空間范圍30 m(小于空間閾值),方差0.36(小于方差閾值),判斷為機電設備異常升溫報警事件,模式識別結果正確;而3 000 m位置測試信號的空間范圍120 m(大于空間閾值),方差5.39(大于空間閾值),判斷為火焰升溫報警事件,模式識別結果均正確。

5 應用效果

光纖溫度傳感系統實時采集和監測高速公路隧道內各處機電設備的溫度狀態,在不同季節、不同時間段,分別經過多次模擬測試和長期運行統計。其中,模擬測試方式仍采用電烙鐵多次點觸測溫光纜模擬機電設備異常升溫情況,以及點燃汽油火盆模擬隧道內火災升溫情況。同時隧道內的各項機電設備均保持正常工作散熱狀態。從2022年1月安裝至今,選擇不同的時間點,共進行了200組電烙鐵點觸測溫光纜模擬機電設備異常升溫測試和100組點燃汽油火盆模擬火焰升溫測試。其中,模擬機電設備異常升溫測試報警次數為194次,識別正確率為97%,模擬火焰升溫測試報警次數為95次,識別正確率為95%。在未進行測試的正常運行期間,光纖溫度傳感系統未出現誤報,機電設備運行過程中的正常散熱,未觸發光纖溫度傳感系統的虛警。光纖溫度傳感系統的報警率、模式識別正確率和誤報警率統計見表1。

表1 測試運行統計 %

光纖溫度傳感系統經過1年多的穩定運行和檢驗,多次現場模擬異常升溫測試及長期運行核實檢驗效果表明:光纖溫度傳感系統能夠對高速公路隧道內機電設備的異常升溫和突發火災等情況進行及時監測和定位,報警正確率高,誤報率低。在高速公路隧道內存在特定熱源干擾的情況下,能夠對真正具有危險性的異常升溫情況進行及時識別和預警,具有良好的工程應用效果,能夠及時有效地監測高速公路隧道內機電設備的消防安全狀態,提升高速公路隧道的運營管理水平,為高速公路隧道的消防安全提供可靠保障。

6 結語

將光纖溫度傳感技術應用于高速公路隧道內機電設備的溫度狀態監測,具有安全實時的技術優勢。為優化光纖溫度傳感系統針對隧道內機電設備監測的運行效果,本文分析了高速公路隧道內的溫度場特點,設計了針對高速公路隧道中的機電設備溫度異常狀態監測的信號分析和識別判斷方法。經過現場模擬實驗和長期運行觀察,本文提出的監測方法具有報警正確率高、誤報率低的運行效果,具有良好的工程可行性。

光纖溫度傳感系統在高速公路隧道的應用,有效地降低了隧道內機電設備的日常監控和維保的復雜度,為高速公路隧道內機電設備在運營過程中的消防安全提供了可靠保障。