光纖光柵公路隧道測溫系統(tǒng)報警參數(shù)動態(tài)調(diào)整方法

彭 敏，趙 晨，朱 晶

(1.中國公路工程咨詢集團有限公司，北京 100089； 2.中國路橋工程有限責(zé)任公司，北京 100011)

0 引 言

公路隧道因狹長且封閉的管狀空間結(jié)構(gòu)，成為消防救援的難點。對隧道進行實時的溫度監(jiān)測，及時預(yù)警火災(zāi)發(fā)生，是對隧道安全運營的重要保證[1-3]。目前應(yīng)用于公路隧道的火災(zāi)報警技術(shù)主要有雙波長火焰探測技術(shù)、視頻分析技術(shù)及光纖傳感技術(shù)[4-5]。由于隧道內(nèi)環(huán)境特殊且復(fù)雜，存在車流量大及霧氣、揚塵、燈照等干擾，而且洞口處受日光影響，維護限制因素多，因此將火焰探測器和視頻分析運用在公路隧道火災(zāi)監(jiān)測的難度很大[6-9]。基于光纖光柵測溫技術(shù)的火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)通過監(jiān)測溫度的變化進行火災(zāi)預(yù)警，不受煙霧灰塵等因素干擾，且現(xiàn)場布設(shè)的探測光纜無需供電，傳感信號直接通過光纖遠傳，不引入額外風(fēng)險，非常適用于隧道環(huán)境的溫度和火災(zāi)監(jiān)測[10-14]。

測溫系統(tǒng)的準確性和穩(wěn)定性是對火災(zāi)進行有效預(yù)警的重要保證，因此除了監(jiān)測短時間的溫度變化異常，測溫系統(tǒng)還應(yīng)對各個監(jiān)測位置長時間的溫度變化規(guī)律進行統(tǒng)計分析。本文提出利用時間序列預(yù)測技術(shù)，對各監(jiān)測點的溫度變化規(guī)律進行分析，并根據(jù)分析結(jié)果，對各監(jiān)測點的報警參數(shù)進行相應(yīng)調(diào)整，提升系統(tǒng)的預(yù)警效果。

1 測溫系統(tǒng)工作原理

光纖光柵測溫系統(tǒng)通過監(jiān)測隧道沿線各位置的溫度異常來實現(xiàn)對火災(zāi)的預(yù)警。系統(tǒng)測量連續(xù)的溫度信號，可設(shè)置多級的定溫報警和差溫報警，根據(jù)溫度上升的快慢程度給出不同的報警信號。

對于某長隧道，分別計算其在春、夏、秋、冬四季沿線各探測位置的溫度均值，如圖1所示。

由圖1可以看出：在夏季和冬季，靠近隧道入口和出口的位置由于受到外界氣溫影響，其溫度與隧道中部的溫度存在一定差異，溫差可達3 ℃左右；并且夏季越接近外界的位置溫度越高，冬季越接近外界的位置溫度越低，隧道中部的溫度則變化不大；一年中各季節(jié)溫度變化趨勢較為接近，夏季平均溫度約為25 ℃，冬季平均溫度約為17.5 ℃，春、秋兩季平均溫度約在22 ℃～23 ℃。

圖1 某隧道四季沿線溫度均值分布

根據(jù)以上結(jié)果可知，系統(tǒng)可以對隧道中各探測位置的溫度變化趨勢進行預(yù)測，基于這些數(shù)據(jù)自動調(diào)整報警閾值，并分析隧道內(nèi)各位置的溫度緩變是否出現(xiàn)異常，以此作為判斷隧道所處環(huán)境是否發(fā)生變化的依據(jù)。

2 算法描述

本系統(tǒng)利用時間序列預(yù)測技術(shù)，對隧道沿線各探測位置的溫度變化趨勢進行預(yù)測，對各個監(jiān)測位置長時間的溫度變化規(guī)律進行統(tǒng)計分析，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的自查和調(diào)整。

根據(jù)對公路隧道內(nèi)各位置溫度分布和變化特點的分析，本文采用時間序列預(yù)測算法中的加權(quán)移動平均法對公路隧道各個位置的溫度變化趨勢進行預(yù)測[15-16]。

加權(quán)移動平均法根據(jù)同一個移動段內(nèi)不同時間的數(shù)據(jù)對預(yù)測值的影響程度，分別給予不同的權(quán)數(shù)，然后再進行平均移動以預(yù)測未來值。對時間序列進行逐項推移，依次計算一定周期內(nèi)時序的平均數(shù)以反映長期趨勢。在簡單移動平均公式中，每期數(shù)據(jù)在平均中的作用是等同的，但是考慮到近期數(shù)據(jù)應(yīng)包含著更多的關(guān)于未來情況的信息，因此不能同等看待各期數(shù)據(jù)，而是給于近期數(shù)據(jù)賦予更大的權(quán)重，這就是加權(quán)平均法的基本思想。

設(shè)時間序列為y1,y2,…,yt，加權(quán)移動平均公式如下。

式中：M為t期加權(quán)移動平均數(shù)，即所得的預(yù)測值；wi為yt-i+1的權(quán)重，表征了相應(yīng)的y在加權(quán)平均數(shù)中的重要性。

在未出現(xiàn)短時間溫度異常的情況下，本系統(tǒng)每小時計算1次溫度均值，每次利用前12 h的數(shù)據(jù)來對下1 h的平均溫度進行預(yù)測，12個權(quán)重值依次為[12,11,10,9,8,7,6,5,4,3,2,1]。

根據(jù)前12 h的預(yù)測溫度，各探測點對報警閾值進行相應(yīng)的調(diào)整。計算步驟描述如下。

(1)儀表采樣率為1 Hz，即每秒采集1次全段溫度數(shù)據(jù)。

(2)對于每個監(jiān)測點，分析從此刻至前90 s的數(shù)據(jù)，比較是否有超過定溫閾值的數(shù)據(jù)點，若存在，則發(fā)出定溫報警；比較是否存在連續(xù)升溫的時間段，若存在，比較升溫范圍是否超過差溫閾值，若超過則發(fā)出差溫報警。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)出差溫報警或定溫報警時，系統(tǒng)狀態(tài)標記為短期異常，并將對應(yīng)的位置信息發(fā)送給管理人員進行現(xiàn)場核實。

(3)當(dāng)系統(tǒng)未出現(xiàn)短期異常標記，每隔1 h，各監(jiān)測點計算上1 h的溫度均值及溫差最大值。

(4)對于每個監(jiān)測點，根據(jù)前12 h的溫度均值和溫差最大值，由加權(quán)移動平均公式，得到此時間段的溫度預(yù)測值和溫差預(yù)測值。溫度預(yù)測值加[10,20,30]，更新為此段時間的多級定溫閾值；溫差預(yù)測值加[2,5,10]，更新為此段時間的多級差溫閾值。

(5)對于每個監(jiān)測點，將每小時的實際計算溫度均值和前12 h的預(yù)測值進行比較，若超過一定閾值，系統(tǒng)狀態(tài)標記為長期異常，將對應(yīng)的位置信息發(fā)送給管理人員進行現(xiàn)場核實。經(jīng)過核實后，人工處理或取消長期異常標記，繼續(xù)監(jiān)測。

3 應(yīng)用效果

某公路隧道長約3 km，在隧道沿線布設(shè)光纖光柵感溫光纜，進行隧道環(huán)境溫度監(jiān)測。

選取位于隧道入口位置的監(jiān)測點A和位于隧道中部的監(jiān)測點B進行觀察。

圖2 點A和點B的監(jiān)測數(shù)據(jù)記錄

圖2為6月份某一天監(jiān)測點A和B的測溫數(shù)據(jù)記錄，包含各個時刻的實際溫度和預(yù)測溫度。

由于監(jiān)測點A位于隧道入口位置，溫度變化范圍相較于位于隧道中部的監(jiān)測點B偏大，符合實際。監(jiān)測點A預(yù)測溫度和實際溫度的最大差值為1.93 ℃，監(jiān)測點B預(yù)測溫度和實際溫度的最大差值為0.87 ℃。故本系統(tǒng)所使用的預(yù)測模型能夠較為準確地描述隧道內(nèi)不同區(qū)段的溫度變化趨勢，可以作為溫度報警閾值動態(tài)調(diào)整的可靠依據(jù)。

4 結(jié) 語

采用根據(jù)歷史溫度數(shù)據(jù)動態(tài)調(diào)整報警參數(shù)的方法，一方面能夠更好地描述隧道空間內(nèi)的溫度隨季節(jié)和時間的變化，為公路隧道的運營管理提供參考依據(jù)；另一方面，能夠?qū)崿F(xiàn)報警系統(tǒng)的自我檢查和自我調(diào)整，使報警參數(shù)更加合理，及時適應(yīng)環(huán)境的緩慢變化。在下一步的研究中，還需要設(shè)計更為精細合理的溫度預(yù)測模型，進一步提升測溫預(yù)警系統(tǒng)的監(jiān)測效果。