分布式光纤测温系统在地铁隧道火灾探测中应用

摘要：针对目前地铁安全中突出的火灾探测问题，提出了一种分布式光纤测温系统，该系统采用光时域反射技术和拉曼散射测温技术，将光纤传感与现代安防结合起来，具有极高的灵敏度和定位精度。通过设置隧道内不同的风速，在模拟地铁区域隧道内进行全尺寸火灾试验，研究分布式光纤测温系统在隧道内发生火灾的响应时间及响应位置。研究表明，在隧道内风速越大，火焰及烟气发生倾斜，会导致分布式光纤测温系统的报警位置会稍微偏离起火点，并且分布式光纤测温系统是通过对火场温度的响应来探测报警的，因此具备一定的火势蔓延趋势判读能力。

关键字：分布式光纤测温系统；地铁隧道；火灾；温度

中图分类号： U45 文献标识码： A

地铁隧道空间狭小，且处于相对密闭状态，自然排烟困难，一旦发生火灾，燃烧时产生的热量不易散发，极易导致火灾的迅速蔓延，隧道横截面小，地面不便行走，人员疏散困难，消防人员也很难接近火源扑救，一旦发生火灾不仅将造成巨大的经济损失，还会造成重大的人员伤亡，引起交通秩序混乱。因此，及时、准确地对隧道火灾进行报警，实时掌握火灾现场情况，为救灾人员提供决策信息，对于尽早组织人员疏散、控制火情、组织实时灭火、降低损失尤为重要。

国内外很多人已经通过数值模拟和全尺寸的火灾试验对隧道内火灾的发展以及温度场的分布进行可研究。如1992年，Luchian等人在美国弗吉尼亚某高速公路上的一个废弃的双车道隧道中进行了一次大规模的试验来测定火灾功率；2006年，中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室的胡隆华等人与云南省公安消防总队合作，在昆明一石林高速攻速的阳宗隧道开展了具有针对性火灾现场模拟试验。本文介绍了一种分布式光纤测温系统在地铁隧道火灾监测报警中的应用。经实测，该系统完全能满足地铁隧道火灾监测报警的要求。

1系统原理及特点

1.1系统原理

分布式光纤测温系统是基于光纤内部的拉曼散射现象的温度特性，利用光时域反射测量技术（OTDR），将较高功率带电光脉冲送入光纤，然后将返回的散射光强随时间的变化探测下来，其中拉曼散射具有温度测量的实际意义，若能测量出拉曼散射光的强度，就可以计算出反射点的温度[1-2]。

在光纤中，激光传输到任意一点都会在此处产生拉曼散射光，并且产生的拉曼散射光是均匀分布在整个空间角内的，其中一部分被光纤重新捕获，沿光纤原路返回，称作背向拉曼散射光，被光探测单元接收并分别滤出Anti-Stokes光和Stokes光，通过获得它们两者的强度之比，我们就可以得到对应光纤中某点的温度值。因为光纤具有一定的长度，且拉曼散射是产生在光纤中的每一个微观点的，所以如何确定我们探测到的拉曼散射在光纤中发生的位置就需要用到光时域反射技术[3-5]。

光时域反射技术（OTDR）最初用于评价光学通信系统中光纤、光连接器等的性能，是用于检验光纤损耗特性、光纤故障的有效手段，同时也是分布式光纤传感器的基础[6]。光源发射出一系列的激光脉冲进入光纤中，它们会在光纤中产生背向散射。在时域中，入射光经后向散射返回到光纤入射端所需的时间为，激光脉冲在光纤中所走过的路程为，，，其中为光在光纤中的传播速度、为真空中的光速、为光纤折射率。在测得时刻时，就可求的距离光源处的距离。

图1 OTDR原理框图

图1中的主时钟产生标准时钟信号，脉冲发生器根据这个时钟产生符合要求的窄脉冲，并且它来调制光源；光定向耦合器将光源发出的光耦合到被测光纤，同时将散射和反射信号耦合进行光检测器，经放大及信号处理后送入示波器，显示输出波形及在数据输出系统输出的有关数据。要进行信号处理的原因是后向散射光非常微弱，淹没在噪声中，只有采用取样积分器对微弱散射光进行取样求和，随机噪声抵消，才能将散射信号取出。

1.2系统特征

1）全面、连续、实时地监测地铁隧道的实时在线温度，图形界面显示温度，形成实时数据库。

2）定位功能，对火灾、异常温度进行精确定位，并对灾害区域大小进行定量监测[7]。

3）多级报警功能，如一级预报警、二级预报警、三级预报警、温度变化率报警等功能。

4）具有对火情的大小（温度高低和灾难区域），火势的蔓延方向和速度，烟雾漂流的方向和速度进行实时监测和快速分析，及时准确地给救灾指挥部门提高灾害现场依据，以便救灾工作的快速、正确进行。

5）感温光纤具有抗电磁干扰、抗腐蚀、抗辐射、抗震动、阻燃、防爆、绝缘强度高，能在高温、高湿、严重、活塞风流动大等各种有毒有害的恶劣环境中长期正常工作。

6）系统具有开放式、网络化、单元化以及组网方便等优点，极易实现信息化管理

7）历史数据显示：用户可以通过历史数据查询得到隧道某时刻温度、某日某点的温度、某时刻某点的温度、某日最高温度及某时刻某点的最高温度。

8）远程监控：通过Internet可对现场设备实施远程监控、诊断和维修等。

2 系统设计

如图2 所示，该系统主要由测温主机、测温光纤等组成，主机放置放置在各车站控制室和主变电所消防控制室，每个车站和主变电所均设置一台隧道火灾探测主机；隧道内设置感温光纤报警系统，感温光纤沿区间隧道设置，设置在隧道供电电缆支架上方。感温光纤敷设时，经车站站台板下电缆夹层后进入隧道，作为站台板下及电缆夹层的火灾探测器。

采用测温主机对区间隧道进行监测，并按照每站一机的方式，每座车站各负责相邻上行下行各半个区间、站台板下及变电所电缆夹层的火灾探测工作。测温主机设置在车控室机房内，光纤测温主机通过继电器接口把地铁隧道温度状态实时接入至车站及FAS系统（Fire Automation System 火灾自动报警系统）

图2车站级火灾自动报警系统示意图

3 试验结果分析

本系统在某试验基地进行了试验，该试验采用的1：1全尺度模拟隧道主体长100米，宽12.75米，高6.7米。隧道主体与循环风道相连。隧道顶部设置排烟风道，开设2个间距60m，面积4m2的排烟口。本试验中排烟口与排烟风道均处于封闭状态。在风道内安装有4台轴流风机，单机额定风量125m3/s，风压900Pa。试验中隧道主体一端与循环风道相连，另一端直接连通大气环境进行排烟。隧道内共设4个探测报警分区，如图3所示，每个探测报警分区为25米。

试验隧道中安装了分布式光纤测温系统，测温光纤通过Z型支架安装于隧道，距离隧道顶部烟道板约150mm。探测系统在烟道板的排烟口位置处绕开安装。光纤测温主机都放置在控制室内.隧道被分为四个区域，每个分区25米。测温光纤通过光纤引到控制室的主机上，光纤测温主机是通过模块将报警信号传给FAS系统，最终由FAS系统实现联动控制。光纤测温主机通过连接工控机与图形显示器来显示温度曲线。

试验结果如表1所示，并且分布式光纤测温系统获得不同位置温度曲线在隧道纵向上的分布如图4所示。该系统得出下列试验数据：

1）隧道内平均风速为0m/s时，分布式光纤测温系统响应时间为3s，报警区内的定位偏离起火点0m；隧道内平均风速为2.0m/s时，分布式光纤测温系统响应时间为3s，报警区间内的定位偏离起火点3m；隧道平均风速为3.0m/s时，分布式光纤测温系统响应时间为3s，报警区间内的定位偏离起火点为5m。

2）分布式光纤测温系统是依赖对火场温度的响应来探测报警的，因此具备一定的火势蔓延趋势判读能力。

图3 探测系统在隧道内布置平面示意图

表1分布式光纤测温系统火灾探测与报警试验结果汇总图

点火前

点火后

图4分布式光纤测温系统获得不同位置温度曲线在隧道纵向上的分布

4 结论

通过开展全尺寸模拟地铁区间隧道火灾试验，测试了分布式光纤测温系统在地铁区间隧道内发生火灾时的响应性能。得出分布式光纤测温系统在地铁防灾方面有如下优势：

1）分布式光纤测温系统可以对运行区间的温度进行实时监测，通过现场的模拟软件，可以很直观的检查地铁运行区间位置的温度变化。

2）可以根据用户需求对报警方式进行自定义设置，并且可以根据季节不同调整报警温度的设置。

但分布式光纤测温系统的响应阈值受到隧道内风速的影响，所以应该根据所应用隧道的实际环境条件来设置响应的定温报警阈值；隧道内的火灾规模和火源位置也对探测系统的报警产生较大的影响。

参考文献

[1]. 刘媛, 张勇, 雷涛等. 分布式光纤测温技术在电缆温度监测中的应用[J]. 山东科学, 2008, 21(6):50-54.

[2]. 张在宣, 王剑锋, 刘红林等. 30km远程分布式光纤拉曼温度传感器系统的实验研究[J]. 中国激光, 2004,31(5):613-616.

[3]. 张在宣, 张步新, 陈阳. 光纤背向激光自发啦曼散射的温度效应研究[J]. 光子学报, 1996, 25(3):273-278.

[4]. 陈军, 李永丽. 应用于高压电缆的光纤分布式温度传感技术[J]. 电力系统及自动化学报, 2005,17(3):47-49.

[5]. 何明科, 张佩宗, 李永丽. 分布式光纤测温技术在电力设备过热监测中的应用[J]. 电力设备, 2007,8(10):30-32.