大容量光栅阵列测温技术在隧道火灾监测中的应用

杨玉忠

(福建省三明高速公路有限公司 三明 353000)

感温型火灾探测技术，是当前使用最为普遍的交通公路隧道火灾探测技术[1-3]。其中，大容量光栅阵列测温技术，具有监测长度长，探测器为大容量光栅阵列光缆，现场无需供电不引入额外风险的优势，非常适合应用于公路隧道火灾探测[4-5]。本文以成功应用于莆炎高速三明段公路隧道的光纤光栅温度火灾监测报警系统为典型应用案例，对利用光纤光栅测温技术优势进行隧道内火情监测进行探讨，并对光纤传感类隧道火灾监测预警技术的应用发展进行分析。

1 系统应用

1.1 系统构成

莆炎高速三明段公路隧道已经完成大容量光栅阵列测温火灾报警系统的安装部署，对莆炎高速三明段公路隧道内的温度进行空间连续、时间连续的全时全域监测。系统构成见图1。

图1 系统构成

1) 现场火灾探测部分。大容量光栅阵列测温火灾报警系统使用大容量光栅阵列测温光缆作为温度传感器件，将大容量光栅阵列测温光缆安装于莆炎高速三明段公路隧道顶部，对莆炎高速三明段公路隧道沿线进行空间连续、时间连续的温度监测。

2) 控制室部分。在控制室中，设置大容量光纤光栅温度信号解调仪表，并且布设火灾报警控制器。隧道用火灾报警软件，针对隧道消防设备，包括大容量光纤光栅温度信号解调仪表，火灾报警控制器、手报、火焰探测器、烟感等进行模型化监测。其中软件基于组态模式，可根据不同场景及应用灵活配置，同时支持对监测对象的自动生成和装配。设计软件功能见表1。

表1 软件功能

1.2 部署运行

莆炎高速三明段公路隧道项目，采用双路铺设4条大容量光纤光栅感温光缆，探头间距1 m。将各路信号通过传输光缆引至洞口变电所信号处理器处。并在莆炎高速三明段公路隧道内，每隔40 m设置1个火灾手动报警按钮。

系统利用温度传感光缆将监测区域的温度转换为数字化信息，上传至监控中心进行处理和记录，实现隧道温度的实时监视。

图2为某温度监测点在1 d内各时刻的温度监测数值。

图2 某温度监测点在1 d内各时刻的数值

由图2可见，光栅阵列测温系统可以及时准确地描述监测点温度在各时刻的变化，具有较高的测温灵敏度。

将大容量光纤光栅温度信号解调仪表和火灾报警控制器安装于在莆炎高速三明段公路隧道中控室，进行火灾报警信息的整合，并上传到莆炎高速监控中心。

1.3 报警算法

感温火灾报警系统，通常采用的报警方法是升温报警和高温报警，当系统监测到某探测位置在前一时段内的温度上升超过升温阈值时，发出升温报警信号；某探测位置的温度值超过高温阈值时，发出高温报警信号。

为充分利用阵列光栅传感技术分布式测量的优势来分析温度场的空间信息，避免交通隧道的温度受太阳辐射、季节变化等因素影响，出现升温报警的误判，并且考虑温度传感光缆敷设位置环境的不同，其基准温度也会在空间上呈缓变的趋势，因此高温报警也不宜采用统一的阈值。

在本系统中，火灾监测报警算法的计算步骤设计如下。

1) 将阵列光栅感温光缆作为温度传感器，敷设于莆炎高速三明段公路隧道内，采集莆炎高速三明段公路隧道沿线的环境温度数据。

2) 采集各个光栅监测单元的温度探测信号，采样率1 Hz。

3) 将各个时刻得到的数据进行拼接，得到一段时间(可设置，如：600 s)内的全段温度信号矩阵，再根据全段温度信号矩阵绘制温度场图像，矩阵横轴方向物理含义为空间距离，矩阵纵轴方向物理含义为时间。

4) 对温度场图像做顶帽变换，所得图像再用OTSU算法提取全局阈值，将温度场图像分为前景和背景部分。

5) 图像的后景部分，可以看作此段时间的基准温度，计算每列的均值，得到基准温度序列。

6) 将基准温度序列加thigh(thigh=30 ℃)作为此时的高温阈值，查找空间-时间温度场是否存在达到高温阈值的区域。

查找方式：记探测单元数量为n，则高温阈值是一个1行n列的序列，记空间-时间温度场矩阵的行数为t(即时间长度)，将高温阈值序列复制堆叠成一个t行n列的矩阵(使其矩阵大小与空间-时间温度场矩阵相同)，再计算高温阈值矩阵减去空间-时间温度场矩阵的差值矩阵，查找此差值矩阵中是否存在>0的区域。若存在，统计此区域的空间涵盖范围，并发出高温报警。

7) 使用Laplacian of Gaussian算法对图像前景部分做Blob检测。将基准温度序列加trise(trise=10 ℃)作为此时的升温阈值(trie

1.4 模拟测试

使用高温热风枪作为人工热源，模拟环境温度的异常升温情况，对莆炎高速三明段公路隧道内部署的大容量光栅阵列测温系统的报警灵敏度和定位精度进行测试。

测试方法：随机选取一段光栅阵列感温光缆作为测试段，每次模拟升温测试，在距离光栅阵列感温光缆空间距离30 cm的位置，开启高温热风枪，高温热风枪每次的开启时长为10 s。记录系统的报警输出信息。图3所示为其中2次模拟升温实验结果，在空间-时间温度场图像中，标记橙色方框的区域，为系统检测到的异常升温报警区域。

图3 模拟升温实验结果示例

分别在莆炎高速三明段公路隧道的首端、中端、尾端选取3个测试段，在每个选取的测试段内，使用高温热风枪作为人工热源，进行隧道内部环境的模拟升温测试，测试结果统计见表2。

表2 模拟升温测试统计

根据以上模拟升温测试统计结果，大容量光栅阵列测温火灾报警系统对隧道内环境异常升温情况的报警率为100%，定位精度≤5 m，具有较高的测温和定位精度。

大容量光栅阵列测温火灾报警系统在莆炎高速三明段公路隧道的现场长期应用检验效果证明：大容量光栅阵列测温火灾报警系统能对交通公路隧道内的温度异常变化进行及时有效地探测和定位，对交通公路隧道内的温度进行空间连续、时间连续地全时全域监测，其空间分辨率、探测灵敏度，以及探测距离等指标均能很好满足实际工程应用的需求。

2 技术比较

光栅测温技术主要分为：逐点光栅、全同光栅、大容量光栅阵列传感技术。逐点光栅技术为使用不同波长的光纤光栅串联形成传感阵列作为传感器；全同光栅技术是选取一系列同一温度下中心波长相同的多个光纤光栅串联，一个监测区域采用同一波段的光纤光栅温度传感器，使传感距离有了成倍增加；大容量光栅阵列传感技术采用密集型光栅阵列传感光缆，单根传感光缆可刻写上万个光栅。

从技术原理上来讲，全同光栅技术与逐点光栅技术相同，都是通过光纤光栅探测点的差温和定温传感来进行火灾报警。不同之处详述如下。

1) 逐点光栅技术由于受信号处理器光源带宽限制，单根探测光缆最多只能容纳30个光栅探测点，若测点间距为10 m，则单根探测光缆长度只能达到300 m，在工程中每隔300 m就需要在隧道壁开槽下纤以便与电缆沟中的传输光缆连接来将传感信号引回控制室，这样导致工程现场熔接点太多、工程隐患增多、传输光缆用量翻番增加、隧道壁开槽走线工程量成倍加大。

2) 全同光栅技术通过更严格的制作工艺，有效保证了多个光纤光栅测点具有相同的感温探测性能；通过采用全同光栅技术(典型为5点全同)，单根探测光缆可以做到60个光栅探测点甚至更多，从而大幅度减少熔接点数量，提高了系统的可靠性与稳定性；传输光缆资源得到有效利用；隧道壁开槽走线工程量成倍减少，后期的维护工作量也相应得到有效控制。

3) 大容量光栅阵列传感技术，采用拉丝塔在线光纤光栅刻写技术制作密集型光栅阵列传感光缆，单根传感光缆可工业自动化不间断刻写上万个光栅测点，一致性好，机械强度高；利用时分+波分混合复用技术实现对每个传感光栅火灾信号的独立解调(每个光栅都有1个地址编码)。综合了全同光栅技术、逐点光栅技术，以及分布式光纤传感技术的优点于一身，可达到厘米级的温度感知，米级的空间定位以及数十千米级的监测范围。从技术、施工、维护等方面对比3种技术，结果见表3。

表3 光纤光栅传感技术对比

续表3

通过对以上光纤光栅传感技术的比较分析可得到结论：大容量光纤光栅传感技术，具有明显技术优势，将成为隧道火灾温度监测技术的主要发展方向。

3 结语

莆炎高速三明段公路隧道温度火灾监测系统以大容量光栅阵列光缆作为分布式温度探测传感器，对公路隧道沿线的环境温度进行空间、时间连续的全时全域监测。本文提出的基于阵列光栅的交通隧道温度场图像火灾监测方法可有效抑制由测温光缆敷设位置、环境不同引起的温度差异造成的干扰，避免交通隧道温度受太阳辐射、季节变化等因素影响造成升温报警的误判，使得对交通隧道的温度异常变化的监测更加精准。通过现场测试结果表明：大容量光栅阵列测温火灾报警系统对隧道内环境异常升温情况的报警率为100%，定位精度≤5 m。莆炎高速三明段公路隧道的现场长期应用检验效果表明：大容量光栅阵列测温火灾报警系统能够对交通公路隧道内的温度异常变化进行及时有效地探测和定位，有效地保证了莆炎高速三明段公路隧道的消防安全。并分析比较了大容量光栅阵列传感技术相对于逐点光栅技术和全同光栅技术的应用优势，对公路隧道火灾温度监测技术进行了展望。