光纖光柵感溫隧道火災(zāi)探測技術(shù)的應(yīng)用研究

謝 敏 范 典

（1.湖北滬蓉西高速公路建設(shè)指揮部 恩施 445000； 2.武漢理工大學光纖傳感技術(shù)國家工程實驗室 武漢 430070）

光纖光柵傳感是一種基于波長調(diào)制的新一代光纖傳感技術(shù)［1－2］，傳感信號可以直接在光纖中傳輸，不受電磁干擾，也無需電力供應(yīng)；波長信號衰減小，適合遠程監(jiān)測；屬非電檢測，本質(zhì)安全，不受電磁干擾，已在石化、電力等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。

1 工程實例

滬蓉高速公路湖北西段（滬蓉西）全長約320 km，隧道45座，全線隧道單洞總長約155km，包括4個隧道群由多個單體隧道前后毗鄰，長達數(shù)10km。全線共設(shè)8處隧道監(jiān)控所，平均管理半徑約20km。滬蓉西高速公路建設(shè)之初，設(shè)計者們就針對工程的特點和難點對火災(zāi)探測報警系統(tǒng)提出了特殊的技術(shù)要求，經(jīng)過對現(xiàn)有技術(shù)的調(diào)研和比較，最終將目光聚焦在光纖光柵傳感技術(shù)。但現(xiàn)有的光纖光柵傳感系統(tǒng)多點波分技術(shù)復用容量有限，單根光纜復用總數(shù)有限（少于20點）。根據(jù)隧道防火標準每100m布設(shè)15～20個探測點的要求，每公里隧道需要布設(shè)10根光纜，不但布線復雜，而且成本極高，其工程單位難以承受。另外，由于光纖光柵傳感技術(shù)在隧道火災(zāi)報警領(lǐng)域的應(yīng)用，在國內(nèi)外尚屬首次，在各方面都沒有可以參考的技術(shù)標準，從產(chǎn)品標準到系統(tǒng)的設(shè)計、施工、驗收等工程技術(shù)都無規(guī)范，影響了該技術(shù)的大面積推廣應(yīng)用。針對上述狀況，筆者進行了以下系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)與實驗。

1.1 系統(tǒng)設(shè)計

一般的光纖光柵復用系統(tǒng)采用波分復用（wavelength division multiplexing，WDM）技術(shù)，這種多點波分復用技術(shù)，單根光纖的光柵復用數(shù)目在15～20個之間，不能滿足隧道火災(zāi)探測報警系統(tǒng)的應(yīng)用特點和技術(shù)需求。本文提出一種新型的光纖光柵多區(qū)波分復用系統(tǒng)的設(shè)計，見圖1。

圖1 多區(qū)波分復用技術(shù)示意圖

根據(jù)現(xiàn)有隧道火災(zāi)報警技術(shù)標準對防火分區(qū)的規(guī)定，該技術(shù)在同一個防火分區(qū)采用布喇格中心反射波長相同的光纖光柵傳感器，而在不同的防火分區(qū)采用布喇格中心反射波長不同的光纖光柵傳感器，稱為光纖光柵多區(qū)波分復用技術(shù)。該技術(shù)將系統(tǒng)的復用能力成倍提高，單根光纖的光柵復用數(shù)目達到在100個以上，在降低成本的同時，又能及時準確地完成火災(zāi)探測與報警。

在隧道監(jiān)控技術(shù)標準中，一般100m為一個防火分區(qū)。如果采用多區(qū)波分復用技術(shù)，在系統(tǒng)設(shè)計中，單條光纖光柵火災(zāi)探測器的探測范圍跨越4個防火分區(qū)，每個光通路復用的容量可達到上百個探測單元。見圖2，每個光通道的探測信號通過光纜接續(xù)盒接入傳輸光纜，探測信號傳輸?shù)剿淼劳猓M入監(jiān)控室內(nèi)的火災(zāi)探測信號處理器。由于光纖光柵的傳感信息為光柵的中心波長變化量，和光強度無關(guān)，可以實現(xiàn)遠傳。所以，在滬蓉西隧道群的火災(zāi)探測系統(tǒng)中，實現(xiàn)了±15km無中繼的火災(zāi)探測。

圖2 光纖光柵隧道火災(zāi)探測報警系統(tǒng)

1.2 系統(tǒng)開發(fā)

為保證火災(zāi)報警信號的及時性，本文采用多路并行同步掃描波長分析技術(shù)，并將之前的4路并行掃描擴展為16路并行掃描。對于火災(zāi)探測信號處理器中波長解調(diào)部分來說，宜采用可調(diào)諧法布里－珀羅濾波器，波長掃描的方法解調(diào)波長信息。由于系統(tǒng)信息量成倍增加，對于信號處理部分，采用了運算速度更高的CPU和更大的系統(tǒng)存儲空間，針對硬件的改變優(yōu)化了信號處理軟件。

分布式感溫火災(zāi)探測系統(tǒng)通過對隧道內(nèi)溫度場的測量和分析，判斷是否有火災(zāi)發(fā)生。但是溫度的變化規(guī)律和許多因素都密切相關(guān)，如火災(zāi)發(fā)生的原因和類型，隧道的尺寸和工況，所以，火災(zāi)判定軟件必須建立完備的數(shù)據(jù)庫和實時修正參數(shù)。隧道內(nèi)風速大小，機電設(shè)備的開啟／關(guān)閉，甚至汽車通過等因素都會對隧道內(nèi)的溫度場產(chǎn)生擾動，火災(zāi)判定軟件必須能分辨出這些擾動，避免產(chǎn)生誤報。本文綜合各方面的因素和數(shù)據(jù)，建立了完善的火災(zāi)分析報警軟件，以保障系統(tǒng)對火災(zāi)產(chǎn)生時作出快速準確地反應(yīng)。

火災(zāi)報警控制器會根據(jù)報警信號，控制隧道內(nèi)的機電設(shè)備或自動滅火裝置產(chǎn)生聯(lián)動，關(guān)系到火災(zāi)是否能被及時有效地撲滅?，F(xiàn)有火災(zāi)報警控制器有標準的接口，本成果開發(fā)了專用的接口，保證火災(zāi)探測信號處理器產(chǎn)生的報警信號能可靠地輸入到火災(zāi)報警控制器。另外，火災(zāi)探測信號處理器還開發(fā)了完備的RS485／232接口、VGA接口和LAN接口，方便總線通信，界面顯示和遠程登陸。

1.3 系統(tǒng)安裝

本文對系統(tǒng)還進行了火災(zāi)探測器的研究，即光纖光柵傳感器的分布間距、火災(zāi)探測器在隧道內(nèi)的安裝位置和方式等。光纖光柵感溫探測單元分布太密會增加信號處理量和系統(tǒng)成本，分布太疏則降低火災(zāi)探測的靈敏度和準確度。經(jīng)過系列的火災(zāi)模型理論分析和實體隧道點火試驗研究，最后確定當500m＜隧道長度＜10 000m時，探測單元的縱向間距不能大于7m；當隧道長度＞10 000m時，探測單元的縱向間距不能大于8m。光纖光柵火災(zāi)探測器的安裝方式沿隧道呈縱向布置在隧道頂部，離隧道頂部約0.2m左右，成直線排列。先在頂部呈縱向固定1條鋼絞線，然后將探測器用掛鉤的形式與鋼絞線連接，見圖3，圖4。這樣既不影響隧道內(nèi)其他設(shè)備的運行，又能有效地探測火災(zāi)。另外，當隧道為單車道或雙車道時，探測器應(yīng)單排布設(shè)，置于隧道中間，當隧道行車道多于雙車道時，探測器應(yīng)雙排布設(shè)。雙排布設(shè)時，行間距為5m，2排探測單元應(yīng)交錯布置。

圖3 隧道內(nèi)火災(zāi)自動報警系統(tǒng)設(shè)備安裝橫斷面圖 （單位：cm）

圖4 隧道內(nèi)光纖光柵火災(zāi)自動探測器安裝示意圖 （單位：cm）

2 系統(tǒng)實驗

（1）實驗隧道點火試驗。2005年12月和2007年4月，在交通部重慶公路工程檢測中心分別進行了光纖光柵感溫火災(zāi)報警系統(tǒng)實驗隧道點火實驗。隧道尺寸：長×寬×高＝200m×9.8m×7.14m。實驗完成了不同工況條件下報警響應(yīng)時間的檢測，見表1，火災(zāi)報警響應(yīng)時間小于交通部技術(shù)標準60s的要求，且優(yōu)于在同時同地完成實驗的國內(nèi)外其他技術(shù)產(chǎn)品。由于改進了光纖光柵火災(zāi)探測器中探測單元的制備和封裝技術(shù)，并采用了更為先進的溫度分析和火災(zāi)判斷方法，第二次實驗的報警響應(yīng)時間要明顯優(yōu)于第一次。

表1 重慶公路工程檢測中心實體隧道點火試驗

（2）已運營實體隧道點火試驗。湖北省消防總隊2006年8月25日在滬蓉西高速公路女娘山隧道（已通車）中進行了點火試驗檢測，分別在2個報警分區(qū)進行了2次點火試驗，見表2，系統(tǒng)報警響應(yīng)時間小于60s，驗證了光纖光柵感溫隧道火災(zāi)報警系統(tǒng)實際運行的有效性和可靠性。以上的點火試驗積累了大量的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗，為此后產(chǎn)品和技術(shù)標準的制定提供了依據(jù)。

表2 滬蓉西高速公路宜長段已運營實體隧道點火試驗

3 結(jié)語

本文依托滬蓉西高速公路建設(shè)項目，首創(chuàng)了光纖光柵感溫火災(zāi)報警技術(shù)，首次提出光纖光柵多區(qū)波分復用技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的多點波分復用方法，使復用總數(shù)提高了數(shù)倍，解決了隧道、地下設(shè)施等長距離、大規(guī)模工程火災(zāi)監(jiān)控報警問題，在國內(nèi)外首次實現(xiàn)了20km長隧道（群）無中繼的火災(zāi)探測。該技術(shù)已應(yīng)用于滬蓉西高速公路全線的隧道火災(zāi)自動報警系統(tǒng)中，包括宜昌－恩施和宜昌－長陽的28條隧道，全長100多km。進過多年推廣，現(xiàn)已應(yīng)用到全國40余條隧道的火災(zāi)報警系統(tǒng)中，累計長度近300km。在實施過程中，研發(fā)了大量工程應(yīng)用技術(shù)與方法，并緊密與相關(guān)技術(shù)標準的制訂工作相結(jié)合，參與起草了地方標準《光纖光柵感溫火災(zāi)報警系統(tǒng)設(shè)計、施工及驗收規(guī)范》和國家標準《線型光纖感溫火災(zāi)探測器》，現(xiàn)已頒布實施，為該技術(shù)的推廣應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。在應(yīng)用過程中，通過多次及時的火災(zāi)報警案例，提升了公路隧道安全運營的技術(shù)保障，具有十分重要的社會效益和經(jīng)濟效益。

［1］ 陳 飚，范 典，王立新，等.基于光纖光柵傳感器的隧道火災(zāi)報警監(jiān)測系統(tǒng)［J］.公路交通科技.2006（7）：122－123，126.

［2］ 朱 軍，范 典.光纖光柵隧道火災(zāi)探測器的設(shè)計研究［J］.武漢理工大學學報，2007，29（4）：107－109.