光纤光栅感温隧道火灾探测技术的应用研究

谢 敏 范 典

（1.湖北沪蓉西高速公路建设指挥部 恩施 445000； 2.武汉理工大学光纤传感技术国家工程实验室 武汉 430070）

光纤光栅传感是一种基于波长调制的新一代光纤传感技术［1－2］，传感信号可以直接在光纤中传输，不受电磁干扰，也无需电力供应；波长信号衰减小，适合远程监测；属非电检测，本质安全，不受电磁干扰，已在石化、电力等行业得到广泛应用。

1 工程实例

沪蓉高速公路湖北西段（沪蓉西）全长约320 km，隧道45座，全线隧道单洞总长约155km，包括4个隧道群由多个单体隧道前后毗邻，长达数10km。全线共设8处隧道监控所，平均管理半径约20km。沪蓉西高速公路建设之初，设计者们就针对工程的特点和难点对火灾探测报警系统提出了特殊的技术要求，经过对现有技术的调研和比较，最终将目光聚焦在光纤光栅传感技术。但现有的光纤光栅传感系统多点波分技术复用容量有限，单根光缆复用总数有限（少于20点）。根据隧道防火标准每100m布设15～20个探测点的要求，每公里隧道需要布设10根光缆，不但布线复杂，而且成本极高，其工程单位难以承受。另外，由于光纤光栅传感技术在隧道火灾报警领域的应用，在国内外尚属首次，在各方面都没有可以参考的技术标准，从产品标准到系统的设计、施工、验收等工程技术都无规范，影响了该技术的大面积推广应用。针对上述状况，笔者进行了以下系统设计开发与实验。

1.1 系统设计

一般的光纤光栅复用系统采用波分复用（wavelength division multiplexing，WDM）技术，这种多点波分复用技术，单根光纤的光栅复用数目在15～20个之间，不能满足隧道火灾探测报警系统的应用特点和技术需求。本文提出一种新型的光纤光栅多区波分复用系统的设计，见图1。

图1 多区波分复用技术示意图

根据现有隧道火灾报警技术标准对防火分区的规定，该技术在同一个防火分区采用布喇格中心反射波长相同的光纤光栅传感器，而在不同的防火分区采用布喇格中心反射波长不同的光纤光栅传感器，称为光纤光栅多区波分复用技术。该技术将系统的复用能力成倍提高，单根光纤的光栅复用数目达到在100个以上，在降低成本的同时，又能及时准确地完成火灾探测与报警。

在隧道监控技术标准中，一般100m为一个防火分区。如果采用多区波分复用技术，在系统设计中，单条光纤光栅火灾探测器的探测范围跨越4个防火分区，每个光通路复用的容量可达到上百个探测单元。见图2，每个光通道的探测信号通过光缆接续盒接入传输光缆，探测信号传输到隧道外，进入监控室内的火灾探测信号处理器。由于光纤光栅的传感信息为光栅的中心波长变化量，和光强度无关，可以实现远传。所以，在沪蓉西隧道群的火灾探测系统中，实现了±15km无中继的火灾探测。

图2 光纤光栅隧道火灾探测报警系统

1.2 系统开发

为保证火灾报警信号的及时性，本文采用多路并行同步扫描波长分析技术，并将之前的4路并行扫描扩展为16路并行扫描。对于火灾探测信号处理器中波长解调部分来说，宜采用可调谐法布里－珀罗滤波器，波长扫描的方法解调波长信息。由于系统信息量成倍增加，对于信号处理部分，采用了运算速度更高的CPU和更大的系统存储空间，针对硬件的改变优化了信号处理软件。

分布式感温火灾探测系统通过对隧道内温度场的测量和分析，判断是否有火灾发生。但是温度的变化规律和许多因素都密切相关，如火灾发生的原因和类型，隧道的尺寸和工况，所以，火灾判定软件必须建立完备的数据库和实时修正参数。隧道内风速大小，机电设备的开启／关闭，甚至汽车通过等因素都会对隧道内的温度场产生扰动，火灾判定软件必须能分辨出这些扰动，避免产生误报。本文综合各方面的因素和数据，建立了完善的火灾分析报警软件，以保障系统对火灾产生时作出快速准确地反应。

火灾报警控制器会根据报警信号，控制隧道内的机电设备或自动灭火装置产生联动，关系到火灾是否能被及时有效地扑灭。现有火灾报警控制器有标准的接口，本成果开发了专用的接口，保证火灾探测信号处理器产生的报警信号能可靠地输入到火灾报警控制器。另外，火灾探测信号处理器还开发了完备的RS485／232接口、VGA接口和LAN接口，方便总线通信，界面显示和远程登陆。

1.3 系统安装

本文对系统还进行了火灾探测器的研究，即光纤光栅传感器的分布间距、火灾探测器在隧道内的安装位置和方式等。光纤光栅感温探测单元分布太密会增加信号处理量和系统成本，分布太疏则降低火灾探测的灵敏度和准确度。经过系列的火灾模型理论分析和实体隧道点火试验研究，最后确定当500m＜隧道长度＜10 000m时，探测单元的纵向间距不能大于7m；当隧道长度＞10 000m时，探测单元的纵向间距不能大于8m。光纤光栅火灾探测器的安装方式沿隧道呈纵向布置在隧道顶部，离隧道顶部约0.2m左右，成直线排列。先在顶部呈纵向固定1条钢绞线，然后将探测器用挂钩的形式与钢绞线连接，见图3，图4。这样既不影响隧道内其他设备的运行，又能有效地探测火灾。另外，当隧道为单车道或双车道时，探测器应单排布设，置于隧道中间，当隧道行车道多于双车道时，探测器应双排布设。双排布设时，行间距为5m，2排探测单元应交错布置。

图3 隧道内火灾自动报警系统设备安装横断面图 （单位：cm）

图4 隧道内光纤光栅火灾自动探测器安装示意图 （单位：cm）

2 系统实验

（1）实验隧道点火试验。2005年12月和2007年4月，在交通部重庆公路工程检测中心分别进行了光纤光栅感温火灾报警系统实验隧道点火实验。隧道尺寸：长×宽×高＝200m×9.8m×7.14m。实验完成了不同工况条件下报警响应时间的检测，见表1，火灾报警响应时间小于交通部技术标准60s的要求，且优于在同时同地完成实验的国内外其他技术产品。由于改进了光纤光栅火灾探测器中探测单元的制备和封装技术，并采用了更为先进的温度分析和火灾判断方法，第二次实验的报警响应时间要明显优于第一次。

表1 重庆公路工程检测中心实体隧道点火试验

（2）已运营实体隧道点火试验。湖北省消防总队2006年8月25日在沪蓉西高速公路女娘山隧道（已通车）中进行了点火试验检测，分别在2个报警分区进行了2次点火试验，见表2，系统报警响应时间小于60s，验证了光纤光栅感温隧道火灾报警系统实际运行的有效性和可靠性。以上的点火试验积累了大量的数据和经验，为此后产品和技术标准的制定提供了依据。

表2 沪蓉西高速公路宜长段已运营实体隧道点火试验

3 结语

本文依托沪蓉西高速公路建设项目，首创了光纤光栅感温火灾报警技术，首次提出光纤光栅多区波分复用技术代替传统的多点波分复用方法，使复用总数提高了数倍，解决了隧道、地下设施等长距离、大规模工程火灾监控报警问题，在国内外首次实现了20km长隧道（群）无中继的火灾探测。该技术已应用于沪蓉西高速公路全线的隧道火灾自动报警系统中，包括宜昌－恩施和宜昌－长阳的28条隧道，全长100多km。进过多年推广，现已应用到全国40余条隧道的火灾报警系统中，累计长度近300km。在实施过程中，研发了大量工程应用技术与方法，并紧密与相关技术标准的制订工作相结合，参与起草了地方标准《光纤光栅感温火灾报警系统设计、施工及验收规范》和国家标准《线型光纤感温火灾探测器》，现已颁布实施，为该技术的推广应用奠定了基础。在应用过程中，通过多次及时的火灾报警案例，提升了公路隧道安全运营的技术保障，具有十分重要的社会效益和经济效益。

［1］ 陈 飚，范 典，王立新，等.基于光纤光栅传感器的隧道火灾报警监测系统［J］.公路交通科技.2006（7）：122－123，126.

［2］ 朱 军，范 典.光纤光栅隧道火灾探测器的设计研究［J］.武汉理工大学学报，2007，29（4）：107－109.