地铁隧道光纤感温火灾监测系统应用研究

摘要：随着城市轨道交通的高速建设，有越来越多的新型设备和技术引进。光纤感温火灾探测技术在国内城市轨道中的应用与发展，为我国地铁隧道的火灾自动监测、报警、控制技术研究和产品研制等提供了新方向、新思路、新趋势。本文分析地铁隧道火灾形成原因及特点结合隧道光纤感温监测系统的方案，对隧道光纤感温火灾监测系统在城市轨道交通中的应用进行简要分析。

关键词：城市轨道交通 隧道光纤感温火灾监测系统 火灾

中图分类号：U213 文献标识码： A

1.引言

地铁设施是投资巨大、设备系统复杂、人员密集的公共场所。地铁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、引起交通秩序和社会秩序的混乱甚至产生不利的政治影响。我国国家标准GB50116-2013《火灾自动报警系统设计规范》已将地铁隧道定为一级保护对象，显示了国家对地铁安全的高度重视。国内外地铁都曾经发生重大火灾事故，造成重大人员伤亡和财产损失，令业界感到震惊。

由于目前常规的火灾报警系统设备已不能满足现行国家标准规范，更不能完全解决火灾的预测和火灾情况下的消防救灾工作，给运营和相关部门带来许多困扰。

鉴于光纤感温火灾监测系统的长距离、精准分布测量特性、实时温度探测、差定温报警方式、抗电磁干扰、先进的激光处理技术，完全满足国家现行标准规范，同时减少了安全死角和空白盲区。目前在国内已经运营的地铁中有27条线路使用了感温光纤，在建的地铁中有19条线路使用了感温光纤。

2.目标

在地铁隧道内设置感温探测光纤，对地铁隧道火灾进行预警监测，消除了地铁火灾的安全隐患和探测盲区。

实现地铁隧道光纤感温火灾预警监测系统全线计算机联网，实现系统监控、管理的信息化。

深入研究、消化吸收国内外光纤感温监测技术，结合地铁隧道的具体特点和相关系统的构成情况，通过研究光纤测温技术应用于地铁隧道火灾预警监测领域，并应用于工程实践中，以取得良好的社会效益和经济效益。

3.系统方案研究

3.1地铁隧道火灾形成原因及特点分析

地铁隧道火灾主要是车辆火灾和电力电缆火灾。车辆火灾的着火点位于地铁隧道断面的中部，电力电缆火灾的着火点位于地铁隧道侧壁的下部。

有文献显示，发生在隧道中的火灾多数是开放性火灾，它带有浓烟，其热辐射功率可达数兆瓦级，在几分钟内便可形成火灾。文献进一步揭示，隧道中的火灾大约5分钟后火灾点上方的温度可升至大约200℃，在最初几分钟内，火灾点上方热空气层可探测到每分钟上升大于50℃。

地铁隧道的风速对温度场的影响较大，在大于2m/s的纵向风时，火焰向上飘动，顶部的温度仅达到60℃，在着火点20m远的地方，顶部温度将不超过50℃。地铁隧道空间狭小，顶部温度相对较高，但其热传导仍以热辐射为主，以热对流为辅，且温升梯度是很有效的报警参数。

3.2地铁隧道火灾自动监测报警的特殊需求分析

3.2.1地铁隧道特殊防排烟模式分析

地铁隧道内的防排烟控制，根据光纤感温火灾监测系统探测到的着火点的相对位置关系（车头及前方、或车尾及后方），及火势蔓延方向信息通过信号线上传给车站综合监控系统或BAS（环境与设备监控）系统，信号经确认后由综合监控系统或BAS（环境与设备监控）系统启动隧道相邻两车站的TVF风机、U/O风机及其相连的组合风阀进行一系列的正反转、开闭控制后在隧道内形成一个与疏散方向相反的迎面风速，以便乘客向迎风方向（避开烟雾和着火点）迅速有效地疏散。

由此可以看出隧道火灾的防排烟需要由火灾探测设备和人工确认及两个车站的排风系统共同完成，由行车调度指挥中心（OCC）统一下达指令，由着火区间相临的两个车站共同完成隧道的防排烟控制，隧道防排烟控制模式中OCC是最高控制级。

3.2.2地铁隧道消防报警分析

由于绝大部分国内的地铁都是正常通风和事故排烟共用一套系统，结合联动控制方式及《地铁设计规范》（GB 50157-2013）可以看出在地铁FAS（火灾自动报警）系统区别于常规FAS系统，地铁FAS系统更侧重于火灾自动报警，而防排烟设备联动控制则主要由BAS（环境与设备监控）系统完成。

在未设置光纤感温火灾监测系统的隧道中其火灾的发现均依赖人为观察（列车司机或其他人员），发现后采用的报警手段为列车车载电话、隧道内的手动报警按钮或插孔电话，均不能实现火灾自动报警控制，最重要的是不能做到早期预警。在火灾情况下，乘客和工作人员容易惊慌失措，未必能够及时准确报警，而到报警时已经形成了火灾。

经过研究，应用光纤感温火灾预警监测系统后，地铁隧道的消防控制模式如下图所示：

光纤感温火灾预警监测系统在隧道内的应用则完全打破了依赖人工发现火灾的传统报警模式，真正实现了火灾的发现（由光纤火灾监测系统完成）防排烟模式指令的下达（由FAS系统完成）相关防排烟设备的联动（由BAS系统完成）执行结果的反馈全过程自动化（反馈给BAS及FAS系统）。更重要的是该系统把"火灾预防"放在了首位，具备了火灾早期探测报警和火灾趋势预报功能，可以尽早地把火灾消灭在萌芽阶段。

3.2.3地铁隧道消防产品防误报分析

作为消防报警类电子产品，对产品质量、性能有着较高要求，对于火灾不能漏报，因此对灵敏度的要求会很高，高灵敏度所带来的负面影响就是有可能出现误报警。对于运营人员，每个火灾报警都不能忽视，必须现场排查，甚至会调动相邻车站进行救灾，误报会带来人员浪费、精神上的麻痹。如何更有效的防止误报警而又不漏真正的报警，也是一门需要不断实践研究的难题。

首选：要选择具有多条应用业绩的成熟产品，能够提供防误报的解决方案。

其次：感温光纤敷设时尽量减少损耗，安装部位一般在强电侧电缆架上方，在限界安全范围内。

再则：为避免过多的外部连接线，造成接口故障。可采用高集成一体式（嵌入式工控机）测温主机，这种小体积主机可挂墙或安装在标准机柜内，大大节约控制室空间和接口复杂问题。

最后：外部问题解决后，我们再对内部原因进行优化，比如软件的算法和元器件的控制；根据经验，大多数火灾误报是由局部温度瞬间飙升而造成的，然而电源的稳定性、抗干扰尤为重要；火灾的形成通常会有温升的过程，以及周边环境温度的上升，可通过软件自动筛选、比对这种瞬间飙升的报警信息，比如在3米的范围内A点的温度瞬间飙升到90度，而B点的温度还保持在环境温度（25度）左右。经2～4S的测量周期后B点温度无上升，则可认为误报警。系统可进行提示有误报警，不作报警联动。

3.3线型火灾探测系统分析

对于线型火灾探测系统，目前国内主要有三种产品，分别是光纤感温火灾探测系统、光纤光栅感温火灾探测系统、缆式线型感温火灾探测器（感温电缆）。以下是对三种产品的原理特点和应用作出比较：

根据上述比较，不难看出光纤感温火灾预警系统更适合在地铁隧道内使用。突出特点主要有差定温报警、适应抗干扰能力强、可恢复、使用寿命长、安装简单、免维护等。

3.4光纤感温火灾预警监测系统针对地铁组网方案的分析

3.4.1 FAS系统对光纤感温火灾预警监测系统组网方案的影响

对于较早期地铁项目，FAS系统采用的是火灾报警控制盘通过光纤单独组建全线信息网络。

如果FAS系统独立组网，光纤感温火灾预警监测系统还应该向所在车站的火灾报警控制器输出报警信号，以到达警示作用。考虑到由于国内外火灾报警控制盘通信协议难以开放特殊性，光纤感温火灾预警监测系统与火灾报警控制盘尚不能实现通信互连，那么只能做继电器接口。

由于火灾报警控制器在软件编程和数据处理方面的局限性，光纤测温主机与火灾报警控制器通信，利用其令牌环网与控制中心互传信息是困难的。另外对于改造项目，由于地铁不能停止运营，也不便和BAS系统共网，在上述情况下，光纤感温火灾预警监测系统可该考虑独立组网。

3.4.2综合监控系统对光纤火灾监测系统组网方案的影响

随着国内轨道交通建设水平的提升，为了达到资源共享进一步提高地铁自动化程度，在新建地铁项目中设置综合监控系统已成为一种发展趋势，在这种情况下光纤感温火灾监测系统可通过以下方式满足系统组网要求。

通过光纤感温火灾监测系统控制器的通信口直接和车站级综合监控系统进行通讯，作为子系统通过综合监控系统的全线网络达到系统组网及集成的目的。

3.5系统构成原理

地铁隧道光纤感温火灾预警监测系统是基于ROTDR、ROFDR原理，即利用激光在光纤中传输能够产生背向散射，这些背向散射光波的状态受到所在光纤散射点的温度影响而有所改变，将散射回来的光波经波分复用、检测解调后，送入信号处理系统便可将温度信号实时显示出来，并由光纤中光波的传输速度和背向光回波的时间对这些信息定位；并运用卫星地面拍照数据滤波技术、专家算法、网络通信技术、高速数据处理器技术、计算机控制等众多学科的高新技术来实现和完成系统的各项功能和技术指标。

4.小结

通过隧道光纤感温火灾监测系统在城市轨道交通中合理的运用，改变了地铁隧道早期无自动火灾报警装置的现状，不仅为在地铁设置无盲点的火灾自动报警系统提供了先进的探测手段，而且真正实现了地铁隧道的火灾报警信息化，能够全面、连续、动态、实时在线监测地铁隧道的火灾和温度状况，从而实现火灾的预警。

参考文献

[1]《地铁设计规范》GB 50157-2013 中国建筑工业出版社 2013年

[2]《火灾自动报警系统设计规范》 GB 50116-2013 中国计划出版社 2013年

[3]《城市轨道交通技术规范》 GB50490-2009 中国建筑工业出版社 2009年

[4]《线型感温火灾探测器》GB16280-2014 中国标准出版社 2014年

作者简介：郝勇（1982-），男，工程师