智能城市下的分布式光纖感溫系統(tǒng)

光傳感有限公司 林兆明

智能城市下的分布式光纖感溫系統(tǒng)

光傳感有限公司 林兆明

本人從事電訊業(yè)多年，近年來研發(fā)出“分布式光纖感溫系統(tǒng)”技術(shù)，主要用于監(jiān)測地下管道或纜線的安全。作為嶄新的工業(yè)技術(shù)，在2012年申請(qǐng)了中港兩地專利，目前新技術(shù)已應(yīng)用于香港大型鐵路網(wǎng)絡(luò)及電力網(wǎng)絡(luò)、澳門大型商場和酒店、印尼雅加達(dá)國際機(jī)場新3號(hào)航站樓，并在積極洽談香港和海外的重大項(xiàng)目。

1 基于“智慧城市”概念而創(chuàng)

海外有不少地方都在推崇“智慧城市”(smart city)的發(fā)展概念，即有效地監(jiān)測城市中各種不同的基礎(chǔ)設(shè)施及工業(yè)系統(tǒng)，從而減低碳的排放，并預(yù)防意外發(fā)生，讓日常生活更健康、安全。

分布式光纖感溫系統(tǒng)就是基于這個(gè)概念而研發(fā)出來的，除了監(jiān)測工業(yè)系統(tǒng)安全性能外，還應(yīng)用在節(jié)能減排上。

具體地說，“智慧”的理念就是通過新一代信息技術(shù)的應(yīng)用使人類能以更加精細(xì)和動(dòng)態(tài)的方式管理生產(chǎn)和生活的狀態(tài)，通過把傳感器嵌入和裝備到全球每個(gè)角落的供電系統(tǒng)、供水系統(tǒng)、油氣管道輸配系統(tǒng)、交通系統(tǒng)等生產(chǎn)生活系統(tǒng)的各種物體中，使其形成的物聯(lián)網(wǎng)與英特網(wǎng)相聯(lián)，實(shí)現(xiàn)人類社會(huì)與物理系統(tǒng)的整合，然后通過超級(jí)計(jì)算機(jī)和云計(jì)算將物聯(lián)網(wǎng)整合起來。

關(guān)于“智慧城市”的具體定義則比較廣泛。我認(rèn)為，所謂的“智慧城市”應(yīng)該是人、建筑物、系統(tǒng)、設(shè)施都體現(xiàn)智能型的統(tǒng)一，它們?nèi)〈酥胺侵悄艿墓I(yè)方式。關(guān)注高敏光學(xué)感應(yīng)系統(tǒng)，比如對(duì)分布式感溫系統(tǒng)進(jìn)行專業(yè)的研發(fā)、制造，用作確保能源供應(yīng)，同時(shí)作出安全監(jiān)測和預(yù)警，對(duì)于城市智能化管理來說會(huì)起到非常重大的啟發(fā)和收獲，其影響更是寓意深遠(yuǎn)。

2 分布式光纖感溫系統(tǒng)介紹

分布式光纖感溫系統(tǒng)(以下簡稱FODTS)的原理是應(yīng)用拉曼效應(yīng)(Raman-Effect)來測溫，該理論源于上世紀(jì)20年代，是英國南安普頓大學(xué)的研究成果。FODTS測溫技術(shù)是基于光時(shí)域反射儀(Optical Time Domain Reflectometer(OTDR))，同時(shí)，物理環(huán)境因素例如溫度、壓力及拉力都能夠改變玻璃纖維(二氧化硅)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使該點(diǎn)光纖內(nèi)的激光軸向運(yùn)動(dòng)發(fā)生變化。熱力效應(yīng)引致晶格振動(dòng)，當(dāng)光線接觸振動(dòng)中的分子晶格，便會(huì)造成散射，稱為拉曼散射(Raman Scattering)。在物理過程中，熱力強(qiáng)度與光線的散射幅度成正比例。利用此光學(xué)原理，只要測量光線或散射光線延遲返回的時(shí)間，便可以準(zhǔn)確地計(jì)算測溫點(diǎn)位置，見圖1、圖2。

圖1 分布式光纖感溫系統(tǒng)原理示意

圖2 應(yīng)用拉曼效應(yīng)測量光纜的沿線溫度示意

FODTS系統(tǒng)可以自動(dòng)探測沿光纜所有測溫點(diǎn)的實(shí)時(shí)溫度，若測溫點(diǎn)溫度超過某個(gè)水平線，系統(tǒng)會(huì)實(shí)時(shí)發(fā)出警報(bào)及報(bào)告。FODTS系統(tǒng)的溫度數(shù)據(jù)庫附有位置及時(shí)間信息，發(fā)出的分析報(bào)告包含了這些內(nèi)容，有助于用戶實(shí)時(shí)找出發(fā)生問題的地點(diǎn)，并協(xié)助用戶迅速作出決策和防范措施。FODTS系統(tǒng)在應(yīng)用上具有靈活性，用戶可以根據(jù)特別需要而設(shè)定數(shù)個(gè)分區(qū)為監(jiān)察區(qū)域，每個(gè)區(qū)域可以根據(jù)特別的運(yùn)行環(huán)境設(shè)定不同的報(bào)警水平線，每一個(gè)監(jiān)察區(qū)域會(huì)因測溫點(diǎn)的實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)來顯示不同顏色。FODTS系統(tǒng)的用戶接口簡單易用，能夠?qū)崟r(shí)顯示系統(tǒng)測溫點(diǎn)的概況，用戶也可以選擇將接口上的光纖路線置于監(jiān)測區(qū)域的AutoCAD圖上，便于實(shí)時(shí)得知問題發(fā)生的位置。此外，F(xiàn)ODTS系統(tǒng)的圖表都可以按照用戶的要求進(jìn)行定制，提高用戶的決策效率。

綜上信息簡單來說，光纖可以有效傳送管道溫度的變化數(shù)據(jù)，作準(zhǔn)確及時(shí)的監(jiān)察。它可以通過溫度的不同，有效判斷出地下管道或纜線是否老化，在損壞前發(fā)出警報(bào)。它最為突出的特點(diǎn)便是監(jiān)測地下管道或纜線的安全。老式的傳感測溫技術(shù)僅在被測管道上放置單個(gè)的傳感器，全新的“分布式感溫技術(shù)”是指傳感機(jī)制沿著光纜全程被分布，而不是在一定數(shù)量的位置上被分布。

3 分布式光纖感溫系統(tǒng)的特點(diǎn)

分布式光纖感溫系統(tǒng)的特點(diǎn)很多，重點(diǎn)可以概括為三大部分：安全預(yù)防、應(yīng)用廣泛、性價(jià)比高。

3.1 安全預(yù)防

在我們生活的城市中，地下管道及電纜系統(tǒng)隨處必備，一旦出現(xiàn)問題，情況可大可小。如果情況較大，后果則不堪設(shè)想。實(shí)時(shí)監(jiān)測地下管道的老化及泄漏，意外將可避免。2014年7月，臺(tái)灣高雄發(fā)生的嚴(yán)重天然氣管道爆裂，造成32人死亡，321人受傷的重大事故。這個(gè)事例告訴我們，城市地下埋藏的管道會(huì)隨時(shí)成為致命炸。具備連續(xù)測溫功能的FODTS系統(tǒng)是監(jiān)測燃?xì)夤艿兰坝凸苄孤┑淖罴逊桨?。FODTS系統(tǒng)負(fù)責(zé)監(jiān)測整條管道的溫度曲線數(shù)據(jù)，24小時(shí)不斷監(jiān)測，如管道中某一點(diǎn)出現(xiàn)裂縫或者破損，溫度將發(fā)生變化，我們便可及時(shí)捕捉，并準(zhǔn)確探測出問題管道的所在位置并及時(shí)搶修。以燃?xì)夤艿佬孤槔?，燃?xì)夤艿罎B出壓縮氣體，根據(jù)焦耳湯姆遜效應(yīng)(Joule-Thompson Effect)，壓縮氣體會(huì)于管道裂口附近形成低溫區(qū)。FODTS系統(tǒng)會(huì)立即監(jiān)測到管道溫度數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常變化，并可準(zhǔn)確地計(jì)算發(fā)生氣體泄漏的位置。從高雄事故分析，當(dāng)管道開始漏氣之初，該處的壓力就會(huì)下降，管道裂口溫度也會(huì)相應(yīng)下跌6~7℃。我們?nèi)绻跍囟乳_始下跌時(shí)及時(shí)搶修和補(bǔ)救，就可避免事故的發(fā)生。應(yīng)用于監(jiān)測燃?xì)夤艿佬孤┑腇ODTS系統(tǒng)見圖3。

圖3 應(yīng)用于監(jiān)測燃?xì)夤艿佬孤┑腇ODTS系統(tǒng)

與燃?xì)夤艿佬孤┫喾矗凸苄孤?huì)于管道裂口造成溫升效果。FODTS系統(tǒng)對(duì)以上應(yīng)用例子均能夠準(zhǔn)確迅速地確認(rèn)泄漏位置，大幅度降低泄漏事故的發(fā)生和成本損失。

FODTS系統(tǒng)還可以檢測早期的電纜故障，防止電力系統(tǒng)的故障造成火災(zāi)的發(fā)生。電力上的輸電電纜長期使用后，絕緣體會(huì)老化，散熱會(huì)減慢，最終絕緣體損壞導(dǎo)致電纜產(chǎn)生故障。通過監(jiān)控電纜溫度曲線可以適度使用電纜及延長使用壽命，避免絕緣體損壞。FODTS系統(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)測整條電纜上的熱點(diǎn)，而內(nèi)置的歷史溫度數(shù)據(jù)分析功能，可以顯示電纜不同部位的溫度實(shí)時(shí)變化情況，發(fā)現(xiàn)潛在的問題。同時(shí)，監(jiān)測系統(tǒng)還可以輔助提高電纜載流容量至最佳水平，達(dá)到增加運(yùn)營能效的目的。

商場及酒店的各種設(shè)施如空調(diào)系統(tǒng)、供水、照明、電梯電器及樓宇管理系統(tǒng)均需要電力系統(tǒng)的支持。電力系統(tǒng)的故障可能會(huì)引至火災(zāi)的發(fā)生，危及商場或酒店顧客的生命安全。FODTS系統(tǒng)可以為用戶預(yù)先設(shè)定啟動(dòng)報(bào)警的溫度水平線，當(dāng)電力系統(tǒng)溫度超過預(yù)設(shè)水平線，報(bào)警實(shí)時(shí)啟動(dòng)，提醒相關(guān)人員及時(shí)檢查維修，盡快落實(shí)應(yīng)急措施。

3.2 用途廣泛

FODTS系統(tǒng)用途十分廣泛。它不僅可用于上述提到的監(jiān)測地下油氣管道的泄漏和電纜運(yùn)行的故障及商場大廈內(nèi)的電力系統(tǒng)，還可廣泛應(yīng)用于以下領(lǐng)域：

(1)在通風(fēng)冷溫(HVAC)系統(tǒng)方面，監(jiān)測隧道溫度及通風(fēng)管理。

(2)在供水及污水排放系統(tǒng)方面，通過水溫異常變化監(jiān)測非法排污。

(3)在地質(zhì)及水利學(xué)方面，測量水溫對(duì)研究生態(tài)有很高的重要性。

3.2.1 通風(fēng)冷溫系統(tǒng)(HVAC)

隧道內(nèi)的通風(fēng)系統(tǒng)是為車站及車廂內(nèi)的乘客提供新鮮的空氣，通過監(jiān)控隧道的溫度，操作人員可以提升隧道內(nèi)的空氣流量，達(dá)到最佳水平。FODTS系統(tǒng)性價(jià)比高、不受隧道環(huán)境干擾，而且沒有維修成本。系統(tǒng)提供24 h×7的全天候溫度監(jiān)測，數(shù)據(jù)庫可儲(chǔ)存長達(dá)兩年的數(shù)據(jù)供日后備用。并且FODTS系統(tǒng)可以和隧道的通風(fēng)管理系統(tǒng)相結(jié)合，支持實(shí)時(shí)環(huán)境數(shù)據(jù)和按時(shí)間排序的溫度趨勢(shì)分析。

隧道通風(fēng)系統(tǒng)的示意見圖4，通風(fēng)系統(tǒng)由多個(gè)通風(fēng)井(地面結(jié)構(gòu))組成，是氣流的出入口。

圖4 應(yīng)用于隧道溫度監(jiān)測的FODTS系統(tǒng)

3.2.2 供水及污水排放系統(tǒng)

FODTS系統(tǒng)可應(yīng)用于監(jiān)測非法的污水排放。大量的污水未經(jīng)處理流入下水道可以引起相當(dāng)嚴(yán)重的環(huán)境及健康問題。FODTS系統(tǒng)的光纜置于下水道內(nèi)科收集連續(xù)性的溫度數(shù)據(jù)(見圖5)，詳細(xì)顯示由非法排污引發(fā)的水溫異常變化。

圖5 應(yīng)用FODTS系統(tǒng)監(jiān)測非法污水排放

3.2.3 地質(zhì)及水力學(xué)系統(tǒng)

研究地質(zhì)及水利作用過程中，測量溫度占據(jù)重要一環(huán)。而大部分應(yīng)用例子更是需要取得隨時(shí)間及距離連續(xù)變化的溫度數(shù)據(jù)。FODTS系統(tǒng)可以取得地質(zhì)及水利地點(diǎn)，比如湖泊、地面及地下水流的溫度數(shù)據(jù)。測量水溫對(duì)研究生態(tài)作用有很高的重要性，沿河道鋪設(shè)光纜測量水溫(見圖6)，可取得精確及高分辨率的河道溫度數(shù)據(jù)。應(yīng)用舉例：監(jiān)測含水層和水生環(huán)境、計(jì)算蒸發(fā)損耗的能量平衡、記錄對(duì)流過程等等。

圖6 沿河道鋪設(shè)的FODTS光纜

3.3 性價(jià)比高

目前，光纖感溫系統(tǒng)的準(zhǔn)確度可±1℃，耐用20年以上。造價(jià)方面，要視具體覆蓋光纖的物料以及整個(gè)系統(tǒng)復(fù)雜程度而定，一般來說鋪設(shè)一條1 km長管道的光纜價(jià)格大約為22萬元，5 km長的管道則為26萬元。1臺(tái)主機(jī)的成本為20萬元，最多可以同時(shí)控制12條管道，每條長10 km。維護(hù)成本每年每百米只需10元，性價(jià)比顯而易見了。