光纤光栅火灾探测技术在上海长江隧桥中的应用.docx

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光纤光栅火灾探测技术在上海长江隧桥中的应用

光纤光栅火灾探测技术在上海长江隧桥中的应用

2010年5月

摘要

隧道火灾报警对监测系统的可靠性、实时性、长期稳定性等性能参数有很高的要求，一些传统的监测技术已经不能满足工程的需要，尤其是在长距离、连续监测的情况下没有好的解决方案。

本文分析了上海隧道火灾监测工程的特点和要求，并结合以往类似工程的设计、施工经验，提出了基于光纤光栅感温探测器的隧道火灾报警监测方案，通过对探测器、系统软件和控制系统等几个方面的设计，来实现在无人干预的情况下，对隧道火情进行长期、实时、在线的自动监测。

2010年2月12日下午6时，光纤光栅感温火灾探测报警系统成功探测到下行隧道电缆通道内敷设的22万伏超高压电缆突发短路引发的局部火警，并向火灾报警主机发出了火警信号，火灾报警主机立即正确的联动了相应的控制模块和消防设备。

此次突发火情，证明该系统工作正常、可靠，也证明光纤光栅感温火灾探测报警系统是这种长距离、多车道的隧道火灾监测中的一个优秀的解决方案。

关键字：

隧道火灾报警；光纤布喇格光栅传感器；光纤光栅感温监测系统;光纤光栅火灾探测技术

一隧道火灾监测技术概况

隧道是公路、铁路、城市地铁等交通工程项目建设的关键部分，在隧道中进行实时、准确的火情监测对保障公共财产安全和人身安全有着十分重要的意义。

隧道火灾起火原因通常有：

汽车相撞、车辆装载物品燃烧或爆炸、电力电气线路短路等事故引发等[1-3]。

隧道火灾的特点是：

起火速度快、明火事故多于阴燃火、烟雾大不容易排出且升温快。

由于隧道环境密闭、交通量大、人员密集，逃生和救援工作相当困难，一旦发生火灾后不能迅速报警和技术处理，将导致重大人员伤亡和财产损失。

其中长江隧道作为一种特殊的建筑物，在其道路运营过程中，如遇火灾发生或其他因素造成隧道主体工程损坏，损失更为巨大[4-10]。

目前，常用的隧道火灾自动探测器按检测原理通常可分为两种类型：

线型感温探测器、点型感光探测器。

线型感温探测器主要产品包括线型感温电缆、空气管差温探测器、热敏合金线差温探测器、光纤感温探测器。

感温电缆和空气管温差探测器是较早期的产品，由于可靠性不稳定，现基本已被公路隧道业所淘汰。

点型感光探测器主要为双波长火焰探测器[11-12]。

光纤光栅传感技术是近几年发展起来的新一代传感技术，它采用对波长信号的数字式测量方法，具有极高的测量精度和抗干扰能力，已广泛应用于许多领域的安全监测。

光纤光栅火灾报警具有灵敏度高、防电磁干扰、耐腐蚀、避免接地回路、带宽大和远程操控能力等优点，可实现分布式传感。

波长调制（或波长编码）是光纤光栅为传感最大的优点，与基于强度的探测系统截然不同，光纤光栅传感器的探测能力与光源的强度涨落、连接器的损耗等无关，能真正做到防患于未然，作为隧道的火情监测系统具有其它技术无可比拟的优势。

二、上海长江隧道项目概况

上海长江隧桥是上海长江大桥、上海长江隧道的统称，又称崇明越江通道、沪崇通道工程，为目前世界上规模最大的隧桥结合工程，国家重点公路建设规划中上海至西安高速公路的过长江通道之一，上海长江隧桥（崇明越江通道）工程位于上海东北部长江口南港、北港水域，是我国长江口一项特大型交通基础设施项目。

工程起于上海市浦东新区的五号沟，经长兴岛到达崇明县的陈家镇，全长25.5公里。

工程采用“南隧北桥“方案，即以隧道形式穿越长江口南港水域，长约8.95公里；以桥梁形式跨越长江口北港水域，长约16.65公里。

工程按高速公路标准，双向六车道，设计荷载公路I级，设计车速80-100公里/小时。

上海长江隧桥左右隧道各长约8公里，隧道采用单向3车道，单隧道宽约13米，由于隧道要求对沿线的环境温度变化进行准确的定量、定位，所以，一些传统的测温技术已经远远不能满足工程的需要。

比如常用的感温电缆在温度报警点的设置以及定位、定量、可重复使用性等方面有着严重缺陷，尤其是在长距离连续监测的情况下不能满足隧道火情监测的要求。

工程特点及要求如下：

1　横截面宽,对火灾探测系统前端采集设备的布设有要求，要保证隧道横截面内的区域均在监测的有效范围之内。

2　监测距离长，左右隧道各长8公里，要保证这个距离内的火灾从发生到主机报警响应时间要求要及时，这对火灾探测系统的整体性能包括信号采集，信号传输，软件处理等都是极大的挑战。

3　要求可以定位并判断火灾蔓延趋势。

4　要求能够与其他消防系统兼容和联动。

5　控制室设备布置在浦东、长兴岛二个工作站内。

6　监测范围包括行车道、电缆通道及逃生通道。

三、火灾探测系统解决方案

（一）系统结构

该系统是前端采集设备、控制室数据处理设备、火灾报警控制器及计算机控制系统四大部分组成。

如图所示：

图1光纤光栅感温火灾报警监测系统结构示意图

（二）系统设计

根据本项目的特点，在隧道内火灾报警系统采用手动报警系统和自动检测相结合的方式，通过计算机系统或区域控制器根据监测到的火灾情况控制隧道风机、照明系统等，实时监测，实现报警联动，安装控制员组织现场救援，同时考虑到现场布设环境不出现监测盲区，兼顾后期运营与可维护性能，及系统可拓展性，以完全满足本项目隧道火灾监测要求[13-16]。

1前端采集设备

传统光纤光栅火灾探测技术由于光源带宽的限制，其分布测量的点数有限，一般最多只能支持20个左右的传感探头，无法满足隧道等大型工程火情监测的需要。

武汉理工光科股份有限公司的TGW光纤光栅感温火灾报警系统将传统波分复用技术和全同光纤光栅复用技术结合，使用波分复用与全光纤光栅混合复用方法，解决了隧道火灾报警的难题，使单根光纤上光纤光栅传感探头的复用数成数量级增加，大大增加了系统的测量距离和测量点数，使之能够应用到长距离的隧道工程中去，满足了该工程中前端采集设备的需要。

武汉理工光科股份有限公司的TGW系统采用光纤光栅作为温度敏感元件，对波长信号进行数字式测量，具有极高的灵敏度。

光纤光栅传感器是系统的核心部件之一，它是利用光纤芯层材料的光敏特性，通过紫外准分子激光器采用掩模曝光的方法使一段约8mm的光纤纤芯的折射率发生永久性改变，形成布拉格光栅结构。

图2波长混合复用方法示意图

图3封装后的探测器

光纤光栅传感器探头对环境温度非常敏感，微小的温度变化都会导致探头的反射光波长的变化，TGW系统对隧道中所有分区的温度进行实时在线，全天候24小时检测，对确定事故地点以及火势蔓延方向提供重要数据。

2数据处理设备

光纤光栅信号处理器是感温光栅测温系统的另一核心设备，能对现场传感器反射回的光波长的漂移量进行检测。

该设备采用先进的可调法布里-珀罗腔技术进行波长检测，能检测出0.1摄氏度的温度变化。

当信号处理器检测到光纤光栅的反射波长出现异常，它会发送报警信号给火灾报警控制器，火灾报警控制器再发出采取措施的信号。

信号处理器的主要作用为：

1　给现场光线光栅探测器提供光源；

2　对光纤光栅探测器返回的光信号进行解调；

3　向区域火灾报警控制器输出报警信号和温度信号。

火灾监测数据处理的方法主要有：

阈值比较方法、类比判断方法、分布智能方法。

类比判断方法是在阈值比较方法基础上发展起来的，它广泛应用了计算机软件技术，主要以信号的趋势变化为准则，平滑过滤干扰信号，增加了一个“预报警”过程，从而提高了火灾探测报警的可靠性和平稳性，降低了误报率。

类比判断方法是较理想的以火灾发展过程中火灾信号的确定性或规定特征为对象的判断方法，也是本设计所使用的信号处理方法。

3系统软件设计

报警监测程序的软件界面分为整体报警监测界面、温度监控查询界面、历史温度场分布曲线查询界面、历史温度变化曲线查询界面、报警设定界面和参数标定界面等。

在整体报警监测界面中可实现对整个实验隧道的温度监测和报警，包括差温报警和定温报警，参数标定界面主要设定计算温度时所需的参数，温度监控查询界面可查询各点的实时温度值。

由于隧道内要尽快准确发出火灾报警，急救越快越好。

光缆式线型感温探测器安装在隧道车道上部，则当发生火灾时，如果只有当隧道内燃烧使空气温度升高到特定值而引起报警，这就导致存在测温时间相对延长，所以在报警软件设计时，我们综合了差温报警和定温报警的方法以对应此问题。

图4报警子程序流程图

4火灾报警控制器

基于光纤光栅温度探测器的系统中，火灾探测器的监测、巡检都由集中火灾探测器完成，火灾监测各区域内火灾探测器的输出参数或火灾报警、故障信号都由集中火灾探测器统一采集与信号处理，完成火灾模式识别与判断。

区域火灾报警控制器要完成的主要功能有声、光报警，故障监测与报警，火灾报警计时，备电切换和联动控制等。

中央控制计算机还将在第一时间，通过集中火灾报警控制器输出相应的总线控制信号。

总线控制信号采用广播方式输出，由区域火灾报警控制器中的下位机接收解码后，控制产生相应的操作动作。

由于采用光纤光栅传感器作为系统的温度探测器，区域火灾报警控制器的组成结构及工作原理大大简化，如图5所示区域火灾报警控制器包括：

下位机、手报按钮、报警器和PLC联动控制等部分。

图5区域火灾报警控制器结构图

6工程设计

（1）布设方案

左线隧道和右线隧道各长8公里，采用分区监测的方式对隧道火情进行监控，每个分区长25米；一根光纤光栅传感器可覆盖10个分区，在每个分区布置5个光纤光栅探头，探头间距为5米，行车隧道中的一根光纤光栅传感器光纤光栅感温点为50点，可对250米的距离进行监测。

由于隧道采用单向3车道，约宽13米，根据隧道的这个特点，为了迅速、准确的探测隧道内各个车道的火情状况，选择采用两条光纤光栅传感器沿隧道并行布置的方法。

另外，在电缆通道和逃生通道沿线也布置光纤光栅传感器。

隧道现场监控设备分别设在浦东工作井设备室、长兴岛工作井设备室。

每个设备室设一台区域火灾报警控制器，浦东设备室内配20台信号处理器，长兴岛设备室内配置21台信号处理器，所有的光纤光栅传感器均用传输光缆就近连接至隧道设备室的仪表柜，分别与对应的信号处理器连接。

隧道设备室内的信号处理器将光纤光栅传感器的信号转换为温度信号和报警信号，并传输给各自的区域火灾报警控制器。

二台区域火灾报警控制器通过通信光缆连接，并与总控室的火灾报警控制器组成环网，并通过标准通讯端口和消防计算机连接。

实现信息共享。

（2）施工设计

探测器部分：

探测器通常安装在隧道顶部，据天花板100mm到150mm，以保证光缆周围良好的空气流动，保障了采集信息的可靠性和有效性。

传输光缆部分：

光纤光栅感温火灾报警系统的信号传输采用A护套阻燃防鼠光缆，光缆沿隧道侧面底部的电缆沟布置，在光纤接续盒处通过隧道壁的穿护管连接光纤光栅探测器。

信号处理器部分：

光纤光栅感温火灾探测信号处理器为架装式，安装在仪表控制柜上，采用DC24V供电。

信号处理器的8个光通道接口分别连接左行隧道和右行隧道的光纤光栅传感器。

信号处理器将各个分区的报警信号通过RS485/232接口输出给区域火灾报警控制器。

区域火灾报警控制器部分:

区域火灾报警控制器安装在仪表控制柜上，它负责接收来自信号处理器的温度信号、开关量报警信号或故障信号，提供报警、故障、分区位置等信息，将这些信号通过通信端口传送至消防计算机系统，并接受消防计算机的控制指令。

如此设计，可以最大限度的保证整个隧道中无监测盲区的出现，确保采集到的信息有效、传输可靠，并且实现了与其他安防设备的兼容和共用控制室。

图6设备安装图

（三）系统特点

光纤光栅感温火灾报警监测系统特点如下：

4　准确性、可靠性

采用先进的数字式测量技术，不受光源波动、连续损耗、光缆的随机振动等因素的影响

5　环境适应性强

抗恶劣环境能力强，防护等级高（IP67），不受电磁场的干扰、电绝缘性好、抗辐射、耐潮湿、耐化学侵蚀等。

6　灵活的布点措施

系统组成方便灵活，各检测系统相对独立，避免了设备间的影响；可根据工程需要，灵活方便的选择探头位置和分区。

7　安全及节能特性

系统的光线光栅感温探头对温度信号的采集时在无电的情况下进行的，本质防燃防爆。

在隧道内不设不需要供电及电缆。

8　自检功能

系统具有自检功能，通过尾端的自检探头可实时监测自身运行情况并输出故障报警声光信号。

9　自主知识产权

光纤光栅信号处理器是感温光栅测温系统的核心设备，它的一个核心部件，采用先进的、具有自主知识产权的可调法布里-珀罗腔技术进行波长检测，能检测出0.10C的温度变化。

10　多通道同步检测

光纤光栅信号处理器采用多通道同步检测技术，使全系统检测似乎间不受多通道影响，实现快速响应。

11　灵活的报警控制

该光纤光栅感温火灾报警监测系统测量的是连续的温度信号，可设置多级定温报警，比如在700C时预报警，900C时报警斌刚才去措施，并且可以根据环境不同进行修正。

在定温报警的同时，还可以设定多级差温报警，根据温度上升的快慢程度给出不同的报警信号。

两种报警方式结合可以基本消除误报。

用户可以根据实际情况自定各个区域的报警温度，以提供早期的报警。

12　响应时间短

该光纤光栅感温火灾报警监测系统的响应时间不超过1秒，而且与监测长度与测量精度无关，对温度变化作出及时的反应。

13　优良的兼容性

该光纤光栅感温火灾报警监测系统能通过各种通讯接口（包括USB、R232/485、TCP/IP），实现与外部系统的良好结合，便于系统集成，可以与消防领域中使用的其它系统联网，实现长距离集中监测。

四、监测结果

（一）系统整体性能

上海长江隧桥工程采用武汉理工光刻股份有限公司生产的TGW系列光纤光栅感温火灾探测系统，分别别安装在隧道内的行车通道、及地下层的电缆通道和设备通道内，自隧道通车以来，该系统运行良好，达到设计要求。

于2010年2月12日下午6时，下行隧道的电缆通道内，敷设的22万伏超高压电缆突发短路故障，引发局部火警，安装在电缆通道内的光纤光栅探测器及时探测到此次火警，并向火灾报警主机发出了火警信号，火灾报警主机立即正确的联动了相应的控制模块和消防设备。

此次突发火情，证明该系统工作正常、可靠。

（二）后期运营维护

光纤光栅感温火灾探测系统前端信号采集采用无电探测技术，布设简单，防护等级为IP67，长期运行基本免维护。

控制室设备采用模块化设计，采用标准接口，后期运营维护方便。

此外该系统还充分考虑到了后期的拓展和升级能力。

五、总结

光纤光栅感温火灾报警监测系统在现场使用中，取得了良好的效果，不仅证明了光纤光栅感温技术在传感隧道火灾报警监测中应用的可行性，而且表现出比其他技术更加优异的性能。

在系统设计中还综合考虑到了传感信号传输和控制信号传输等多方面的问题，合理安排中央控制室和各区域报警控制器的位置，保证传感信号不失真，保证在设计之初能够考虑到设备的布设，能够实现与其他设备的兼容和联动。

光纤光栅感温火灾探测报警系统在上海长江隧道中的成功应用，为长距离、多车道的隧道火灾监测提供了一个优秀的解决方案。

参考文献

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