謝 敏 范 典

（1.湖北滬蓉西高速公路建設(shè)指揮部 恩施 445000； 2.武漢理工大學(xué)光纖傳感技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室 武漢 430070）

光纖光柵傳感是一種基于波長(zhǎng)調(diào)制的新一代光纖傳感技術(shù)［1－2］，傳感信號(hào)可以直接在光纖中傳輸，不受電磁干擾，也無(wú)需電力供應(yīng)；波長(zhǎng)信號(hào)衰減小，適合遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)；屬非電檢測(cè)，本質(zhì)安全，不受電磁干擾，已在石化、電力等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。

1 工程實(shí)例

滬蓉高速公路湖北西段（滬蓉西）全長(zhǎng)約320 km，隧道45座，全線隧道單洞總長(zhǎng)約155km，包括4個(gè)隧道群由多個(gè)單體隧道前后毗鄰，長(zhǎng)達(dá)數(shù)10km。全線共設(shè)8處隧道監(jiān)控所，平均管理半徑約20km。滬蓉西高速公路建設(shè)之初，設(shè)計(jì)者們就針對(duì)工程的特點(diǎn)和難點(diǎn)對(duì)火災(zāi)探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)提出了特殊的技術(shù)要求，經(jīng)過(guò)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的調(diào)研和比較，最終將目光聚焦在光纖光柵傳感技術(shù)。但現(xiàn)有的光纖光柵傳感系統(tǒng)多點(diǎn)波分技術(shù)復(fù)用容量有限，單根光纜復(fù)用總數(shù)有限（少于20點(diǎn)）。根據(jù)隧道防火標(biāo)準(zhǔn)每100m布設(shè)15～20個(gè)探測(cè)點(diǎn)的要求，每公里隧道需要布設(shè)10根光纜，不但布線復(fù)雜，而且成本極高，其工程單位難以承受。另外，由于光纖光柵傳感技術(shù)在隧道火災(zāi)報(bào)警領(lǐng)域的應(yīng)用，在國(guó)內(nèi)外尚屬首次，在各方面都沒(méi)有可以參考的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，從產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)到系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、施工、驗(yàn)收等工程技術(shù)都無(wú)規(guī)范，影響了該技術(shù)的大面積推廣應(yīng)用。針對(duì)上述狀況，筆者進(jìn)行了以下系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)與實(shí)驗(yàn)。

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

一般的光纖光柵復(fù)用系統(tǒng)采用波分復(fù)用（wavelength division multiplexing，WDM）技術(shù)，這種多點(diǎn)波分復(fù)用技術(shù)，單根光纖的光柵復(fù)用數(shù)目在15～20個(gè)之間，不能滿足隧道火災(zāi)探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)的應(yīng)用特點(diǎn)和技術(shù)需求。本文提出一種新型的光纖光柵多區(qū)波分復(fù)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，見(jiàn)圖1。

圖1 多區(qū)波分復(fù)用技術(shù)示意圖

根據(jù)現(xiàn)有隧道火災(zāi)報(bào)警技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)防火分區(qū)的規(guī)定，該技術(shù)在同一個(gè)防火分區(qū)采用布喇格中心反射波長(zhǎng)相同的光纖光柵傳感器，而在不同的防火分區(qū)采用布喇格中心反射波長(zhǎng)不同的光纖光柵傳感器，稱為光纖光柵多區(qū)波分復(fù)用技術(shù)。該技術(shù)將系統(tǒng)的復(fù)用能力成倍提高，單根光纖的光柵復(fù)用數(shù)目達(dá)到在100個(gè)以上，在降低成本的同時(shí)，又能及時(shí)準(zhǔn)確地完成火災(zāi)探測(cè)與報(bào)警。

在隧道監(jiān)控技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中，一般100m為一個(gè)防火分區(qū)。如果采用多區(qū)波分復(fù)用技術(shù)，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，單條光纖光柵火災(zāi)探測(cè)器的探測(cè)范圍跨越4個(gè)防火分區(qū)，每個(gè)光通路復(fù)用的容量可達(dá)到上百個(gè)探測(cè)單元。見(jiàn)圖2，每個(gè)光通道的探測(cè)信號(hào)通過(guò)光纜接續(xù)盒接入傳輸光纜，探測(cè)信號(hào)傳輸?shù)剿淼劳?，進(jìn)入監(jiān)控室內(nèi)的火災(zāi)探測(cè)信號(hào)處理器。由于光纖光柵的傳感信息為光柵的中心波長(zhǎng)變化量，和光強(qiáng)度無(wú)關(guān)，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)傳。所以，在滬蓉西隧道群的火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了±15km無(wú)中繼的火災(zāi)探測(cè)。

圖2 光纖光柵隧道火災(zāi)探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)

1.2 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

為保證火災(zāi)報(bào)警信號(hào)的及時(shí)性，本文采用多路并行同步掃描波長(zhǎng)分析技術(shù)，并將之前的4路并行掃描擴(kuò)展為16路并行掃描。對(duì)于火災(zāi)探測(cè)信號(hào)處理器中波長(zhǎng)解調(diào)部分來(lái)說(shuō)，宜采用可調(diào)諧法布里－珀羅濾波器，波長(zhǎng)掃描的方法解調(diào)波長(zhǎng)信息。由于系統(tǒng)信息量成倍增加，對(duì)于信號(hào)處理部分，采用了運(yùn)算速度更高的CPU和更大的系統(tǒng)存儲(chǔ)空間，針對(duì)硬件的改變優(yōu)化了信號(hào)處理軟件。

分布式感溫火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)通過(guò)對(duì)隧道內(nèi)溫度場(chǎng)的測(cè)量和分析，判斷是否有火災(zāi)發(fā)生。但是溫度的變化規(guī)律和許多因素都密切相關(guān)，如火災(zāi)發(fā)生的原因和類型，隧道的尺寸和工況，所以，火災(zāi)判定軟件必須建立完備的數(shù)據(jù)庫(kù)和實(shí)時(shí)修正參數(shù)。隧道內(nèi)風(fēng)速大小，機(jī)電設(shè)備的開(kāi)啟／關(guān)閉，甚至汽車通過(guò)等因素都會(huì)對(duì)隧道內(nèi)的溫度場(chǎng)產(chǎn)生擾動(dòng)，火災(zāi)判定軟件必須能分辨出這些擾動(dòng)，避免產(chǎn)生誤報(bào)。本文綜合各方面的因素和數(shù)據(jù)，建立了完善的火災(zāi)分析報(bào)警軟件，以保障系統(tǒng)對(duì)火災(zāi)產(chǎn)生時(shí)作出快速準(zhǔn)確地反應(yīng)。

火災(zāi)報(bào)警控制器會(huì)根據(jù)報(bào)警信號(hào)，控制隧道內(nèi)的機(jī)電設(shè)備或自動(dòng)滅火裝置產(chǎn)生聯(lián)動(dòng)，關(guān)系到火災(zāi)是否能被及時(shí)有效地?fù)錅纭，F(xiàn)有火災(zāi)報(bào)警控制器有標(biāo)準(zhǔn)的接口，本成果開(kāi)發(fā)了專用的接口，保證火災(zāi)探測(cè)信號(hào)處理器產(chǎn)生的報(bào)警信號(hào)能可靠地輸入到火災(zāi)報(bào)警控制器。另外，火災(zāi)探測(cè)信號(hào)處理器還開(kāi)發(fā)了完備的RS485／232接口、VGA接口和LAN接口，方便總線通信，界面顯示和遠(yuǎn)程登陸。

1.3 系統(tǒng)安裝

本文對(duì)系統(tǒng)還進(jìn)行了火災(zāi)探測(cè)器的研究，即光纖光柵傳感器的分布間距、火災(zāi)探測(cè)器在隧道內(nèi)的安裝位置和方式等。光纖光柵感溫探測(cè)單元分布太密會(huì)增加信號(hào)處理量和系統(tǒng)成本，分布太疏則降低火災(zāi)探測(cè)的靈敏度和準(zhǔn)確度。經(jīng)過(guò)系列的火災(zāi)模型理論分析和實(shí)體隧道點(diǎn)火試驗(yàn)研究，最后確定當(dāng)500m＜隧道長(zhǎng)度＜10 000m時(shí)，探測(cè)單元的縱向間距不能大于7m；當(dāng)隧道長(zhǎng)度＞10 000m時(shí)，探測(cè)單元的縱向間距不能大于8m。光纖光柵火災(zāi)探測(cè)器的安裝方式沿隧道呈縱向布置在隧道頂部，離隧道頂部約0.2m左右，成直線排列。先在頂部呈縱向固定1條鋼絞線，然后將探測(cè)器用掛鉤的形式與鋼絞線連接，見(jiàn)圖3，圖4。這樣既不影響隧道內(nèi)其他設(shè)備的運(yùn)行，又能有效地探測(cè)火災(zāi)。另外，當(dāng)隧道為單車道或雙車道時(shí)，探測(cè)器應(yīng)單排布設(shè)，置于隧道中間，當(dāng)隧道行車道多于雙車道時(shí)，探測(cè)器應(yīng)雙排布設(shè)。雙排布設(shè)時(shí)，行間距為5m，2排探測(cè)單元應(yīng)交錯(cuò)布置。

圖3 隧道內(nèi)火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)備安裝橫斷面圖 （單位：cm）

圖4 隧道內(nèi)光纖光柵火災(zāi)自動(dòng)探測(cè)器安裝示意圖 （單位：cm）

2 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

（1）實(shí)驗(yàn)隧道點(diǎn)火試驗(yàn)。2005年12月和2007年4月，在交通部重慶公路工程檢測(cè)中心分別進(jìn)行了光纖光柵感溫火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)隧道點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)。隧道尺寸：長(zhǎng)×寬×高＝200m×9.8m×7.14m。實(shí)驗(yàn)完成了不同工況條件下報(bào)警響應(yīng)時(shí)間的檢測(cè)，見(jiàn)表1，火災(zāi)報(bào)警響應(yīng)時(shí)間小于交通部技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)60s的要求，且優(yōu)于在同時(shí)同地完成實(shí)驗(yàn)的國(guó)內(nèi)外其他技術(shù)產(chǎn)品。由于改進(jìn)了光纖光柵火災(zāi)探測(cè)器中探測(cè)單元的制備和封裝技術(shù)，并采用了更為先進(jìn)的溫度分析和火災(zāi)判斷方法，第二次實(shí)驗(yàn)的報(bào)警響應(yīng)時(shí)間要明顯優(yōu)于第一次。

表1 重慶公路工程檢測(cè)中心實(shí)體隧道點(diǎn)火試驗(yàn)

（2）已運(yùn)營(yíng)實(shí)體隧道點(diǎn)火試驗(yàn)。湖北省消防總隊(duì)2006年8月25日在滬蓉西高速公路女娘山隧道（已通車）中進(jìn)行了點(diǎn)火試驗(yàn)檢測(cè)，分別在2個(gè)報(bào)警分區(qū)進(jìn)行了2次點(diǎn)火試驗(yàn)，見(jiàn)表2，系統(tǒng)報(bào)警響應(yīng)時(shí)間小于60s，驗(yàn)證了光纖光柵感溫隧道火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行的有效性和可靠性。以上的點(diǎn)火試驗(yàn)積累了大量的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)，為此后產(chǎn)品和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的制定提供了依據(jù)。

表2 滬蓉西高速公路宜長(zhǎng)段已運(yùn)營(yíng)實(shí)體隧道點(diǎn)火試驗(yàn)

3 結(jié)語(yǔ)

本文依托滬蓉西高速公路建設(shè)項(xiàng)目，首創(chuàng)了光纖光柵感溫火災(zāi)報(bào)警技術(shù)，首次提出光纖光柵多區(qū)波分復(fù)用技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的多點(diǎn)波分復(fù)用方法，使復(fù)用總數(shù)提高了數(shù)倍，解決了隧道、地下設(shè)施等長(zhǎng)距離、大規(guī)模工程火災(zāi)監(jiān)控報(bào)警問(wèn)題，在國(guó)內(nèi)外首次實(shí)現(xiàn)了20km長(zhǎng)隧道（群）無(wú)中繼的火災(zāi)探測(cè)。該技術(shù)已應(yīng)用于滬蓉西高速公路全線的隧道火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)中，包括宜昌－恩施和宜昌－長(zhǎng)陽(yáng)的28條隧道，全長(zhǎng)100多km。進(jìn)過(guò)多年推廣，現(xiàn)已應(yīng)用到全國(guó)40余條隧道的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)中，累計(jì)長(zhǎng)度近300km。在實(shí)施過(guò)程中，研發(fā)了大量工程應(yīng)用技術(shù)與方法，并緊密與相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的制訂工作相結(jié)合，參與起草了地方標(biāo)準(zhǔn)《光纖光柵感溫火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)、施工及驗(yàn)收規(guī)范》和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《線型光纖感溫火災(zāi)探測(cè)器》，現(xiàn)已頒布實(shí)施，為該技術(shù)的推廣應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。在應(yīng)用過(guò)程中，通過(guò)多次及時(shí)的火災(zāi)報(bào)警案例，提升了公路隧道安全運(yùn)營(yíng)的技術(shù)保障，具有十分重要的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

［1］ 陳 飚，范 典，王立新，等.基于光纖光柵傳感器的隧道火災(zāi)報(bào)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)［J］.公路交通科技.2006（7）：122－123，126.

［2］ 朱 軍，范 典.光纖光柵隧道火災(zāi)探測(cè)器的設(shè)計(jì)研究［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，29（4）：107－109.