光纖光柵火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)在地鐵區(qū)間應(yīng)用的可行性研究

魏海洋

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團有限公司,300251,天津∥工程師)

光纖光柵火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)在地鐵區(qū)間應(yīng)用的可行性研究

魏海洋

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團有限公司,300251,天津∥工程師)

地鐵區(qū)間隧道安裝火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)對于監(jiān)測地鐵火災(zāi)、消滅地鐵的安全死角至關(guān)重要。結(jié)合沈陽地鐵1號線一期及延伸線工程區(qū)間分布式感溫光纖火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)情況,通過技術(shù)經(jīng)濟分析、比較,探討了地鐵區(qū)間隧道另一種光纖火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)——光纖光柵火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)置的可行性,以期在保證功能的前提下,達到節(jié)約投資的目的。

地鐵隧道;光纖光柵火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng);可行性研究

Author's addressThe Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation,300251,Tianjian,China

地鐵設(shè)施是投資巨大、設(shè)備系統(tǒng)復(fù)雜、人員密集的公共場所。地鐵發(fā)生火災(zāi)不僅將造成巨大的經(jīng)濟損失,還會造成重大的人員傷亡,引起交通秩序和社會秩序的混亂,甚至產(chǎn)生不利的政治影響。GB 50116-98《火災(zāi)自動報警系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》及 GB 50157-2003《地鐵設(shè)計規(guī)范》將地鐵隧道定為一級保護對象,顯示了對地鐵火災(zāi)安全的高度重視。以前,由于防災(zāi)報警系統(tǒng)設(shè)備存在總線長度有限、回路容量不夠、其他線性感溫元件保護范圍小、不能定位報警點等技術(shù)困難,很多運營地鐵隧道都沒有安裝感溫元件,成為地鐵的一個安全死角。鑒于地鐵嚴(yán)峻的安全形勢,國內(nèi)外的火災(zāi)報警設(shè)備廠商研究生產(chǎn)出了分布式光纖感溫監(jiān)測系統(tǒng),并已在深圳、上海、天津、北京、沈陽等地的地鐵中應(yīng)用,實現(xiàn)了地鐵火災(zāi)監(jiān)測的全覆蓋,消滅了地鐵的安全死角。但是,由于分布式光纖感溫監(jiān)測系統(tǒng)的市場基本被國外廠商所壟斷,致使此部分投資一直居高不下,動輒就需要上千萬元甚至幾千萬元的資金投入。市場亟需價格合理、功能完備的此類產(chǎn)品。國內(nèi)火災(zāi)報警設(shè)備廠商現(xiàn)已開發(fā)生產(chǎn)出光纖光柵感溫監(jiān)測系統(tǒng)。本文結(jié)合沈陽地鐵1號線一期及延伸線實際工程項目,嘗試從地鐵區(qū)間火災(zāi)探測原理、系統(tǒng)方案、經(jīng)濟性等方面,對光纖感溫和光纖光柵監(jiān)測系統(tǒng)兩種火災(zāi)監(jiān)測方案進行比較分析,研究光纖光柵火災(zāi)探測系統(tǒng)在地鐵區(qū)間應(yīng)用的可行性,以期能為今后的工程應(yīng)用提供參考。

1 監(jiān)測系統(tǒng)探測原理及特點

1.1 分布式光纖感溫監(jiān)測系統(tǒng)

分布式光纖感溫監(jiān)測系統(tǒng)綜合了激光技術(shù)、光纖傳輸傳感技術(shù)、光電技術(shù)、微弱信號檢測技術(shù)、高瞬態(tài)數(shù)據(jù)采集及計算機技術(shù),是光、機、電、計算機一體化的高新技術(shù)集成系統(tǒng)。系統(tǒng)應(yīng)用激光光纖拉曼散射效應(yīng)和光時域反射(OTDR)原理,實現(xiàn)連續(xù)空間溫度場的溫度測量與位置確定;控制器向光纖注入高能窄激光脈沖;激光脈沖在光纖中傳輸時的背向散射回波(其強度與反射處的溫度有關(guān))返回控制器,經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換和放大、數(shù)據(jù)采集,由系統(tǒng)軟件進行現(xiàn)場溫度信號的解調(diào)、報警定位及其他火災(zāi)信息的處理。

感溫光纖系統(tǒng)為分布式測溫系統(tǒng),提供連續(xù)的動態(tài)監(jiān)測信號,任意溫度點報警:最大可顯示0～4 km范圍內(nèi)每隔1 m各點的溫度及其變化率;感溫光纖系統(tǒng)的最高溫度精度為±1℃;感溫光纖監(jiān)測系統(tǒng)提供連續(xù)的動態(tài)監(jiān)測信號,可設(shè)置多級溫度點報警,如30℃初報警、40℃預(yù)報警、50℃采取措施等,并且可根據(jù)不同環(huán)境特點進行修正;為避免誤報發(fā)生,在讀取溫度數(shù)據(jù)的同時,對高溫點的溫度變化率進行監(jiān)測,并提供相應(yīng)的信號輸出;可根據(jù)現(xiàn)場要求對取樣間隔進行調(diào)整,最短可相隔0.5 m取樣;報警控制區(qū)理論上可編程,并可按照用戶的要求進行設(shè)計,每一系統(tǒng)可針對環(huán)境變化設(shè)置0～200個不同報警控制區(qū)域;能夠快速響應(yīng)、精確定位,可對長距離探測光纜各點溫度進行有效監(jiān)測。

1.2 光纖光柵監(jiān)測系統(tǒng)

光纖光柵感溫火災(zāi)報警系統(tǒng)將傳統(tǒng)波分復(fù)用技術(shù)和全同光纖光柵復(fù)用技術(shù)相結(jié)合,使用波分復(fù)用與全同光纖光柵混合復(fù)用方法,解決了隧道火災(zāi)報警的難題。此系統(tǒng)采用光纖光柵作為溫度敏感元件,對波長信號進行數(shù)字式測量,具有極高的靈敏度。光纖光柵傳感器是系統(tǒng)的核心部件之一,它利用光纖芯層材料的光敏特性,通過紫外準(zhǔn)分子激光器采用掩模曝光的方法,使一段約8 mm的光纖纖芯的折射率發(fā)生永久性改變,形成布喇格光柵結(jié)構(gòu)。探頭對環(huán)境溫度非常敏感,微小的溫度變化都會導(dǎo)致探頭反射光波長的漂移。反射光波長的漂移量通過信號處理器來檢測。信號處理器是系統(tǒng)的另外一個核心部件,它采用先進的可調(diào)法布里-珀羅腔技術(shù)進行波長檢測,能檢測出1℃的溫度變化。當(dāng)信號處理器檢測到光纖光柵的反射波長出現(xiàn)異常,會發(fā)送報警信號給火災(zāi)報警控制器。

1.3 兩種測溫系統(tǒng)的比較

分布式光纖感溫監(jiān)測系統(tǒng)和光纖光柵監(jiān)測系統(tǒng)的特點比較如表1所示。從表1中可以看出,光柵光纖測溫系統(tǒng)的優(yōu)勢比較明顯。

表1 感溫光纖與光柵光纖測溫技術(shù)比較表

2 案例分析

以沈陽地鐵1號線一期及延伸線工程為例,比較分析上述兩個系統(tǒng)方案。沈陽地鐵1號線一期及延伸線工程線路全長28.925 km,全部為地下線,共設(shè)車站22座;區(qū)間平均長1215 m,最長為1900 m,最短為900 m。

2.1 分布式光纖感溫監(jiān)測系統(tǒng)方案

為了節(jié)約投資,沈陽地鐵1號線一期及延伸線工程分布式光纖感溫監(jiān)測系統(tǒng)采用“兩站一機”方案。即兩個相鄰車站設(shè)置一個控制主機,無控制主機的車站設(shè)置一個工作站;控制主機和工作站都連接于通信專業(yè)提供的光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)上;各主機可將探測數(shù)據(jù)上傳于中央控制中心系統(tǒng)的感溫光纖監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)控工作站。分布式光纖感溫監(jiān)測系統(tǒng)的實施方案如圖1所示。

感溫光纖測溫主機為4通路模式,取樣間隔為10 m;每個區(qū)間劃分為8個報警分區(qū),與防災(zāi)報警系統(tǒng)(FAS)報警控制器通過模塊連接。

分布式光纖感溫監(jiān)測系統(tǒng)只監(jiān)測區(qū)間隧道內(nèi)的溫度及火災(zāi)情況。

2.2 光纖光柵監(jiān)測系統(tǒng)方案

如果應(yīng)用光纖光柵監(jiān)測系統(tǒng)方案,沈陽地鐵1號線一期及延伸線工程可采用“一站一機”方案。光纖光柵監(jiān)測系統(tǒng)由光纖光柵火災(zāi)信號處理主機、傳輸光纜、光纖接續(xù)盒、光纖光柵探測光纜等設(shè)備及系統(tǒng)軟件組成。光纖光柵火災(zāi)信號處理主機設(shè)在每個車站控制室,光纖光柵探測光纜安裝在區(qū)間,圖形軟件集成在車站及工作站上。光纖光柵監(jiān)測系統(tǒng)的實施方案如圖2所示。

車站根據(jù)監(jiān)測區(qū)域的長度,分別配置一套滿足探測距離的信號處理主機。信號處理主機的每個光道帶400 m的光纖光柵探測光纜。信號處理主機通過光柵協(xié)議模塊通信接口將隧道火災(zāi)報警信號傳送給FAS主機,同時通過以太網(wǎng)接口直接把車站火警信號、系統(tǒng)故障報警信號和各消防分區(qū)的溫度信號接入運營控制中心(OCC)光纖測溫監(jiān)控系統(tǒng)。

根據(jù)每個車站FAS的具體運營監(jiān)控模式,光纖光柵監(jiān)測系統(tǒng)在監(jiān)測、分區(qū)、報警上可直接與車站管理范圍相對應(yīng),實現(xiàn)各車站消防火警信息與運營監(jiān)控模式的一致。

圖1 光纖感溫方案示意圖

圖2 光纖光柵方案示意圖

2.3 經(jīng)濟性比較

表2、3是光纖感溫方案和光纖光柵方案的投資表,其中總投資為廠家報價。從表中數(shù)據(jù)可以看出,光纖光柵方案的投資比光纖感溫方案節(jié)約了22.7%;工程招標(biāo)后最終費用還會下降,其經(jīng)濟效益比較明顯。

表2 光纖感溫方案投資費用表

表3 光纖光柵方案投資費用表

3 結(jié) 語

城市軌道交通建設(shè)在我國方興未艾。國家批復(fù)了很多城市的軌道交通項目,其節(jié)能減排工作大有可為。在設(shè)計過程中,應(yīng)在不影響功能的前提下,盡量節(jié)約投資,提高工程經(jīng)濟性。目前國內(nèi)開發(fā)生產(chǎn)的光纖光柵感溫監(jiān)測系統(tǒng),能滿足地鐵隧道區(qū)間火災(zāi)及溫度監(jiān)測功能要求,降低了工程投資,在一些實際工程中的表現(xiàn)令人滿意,值得推廣實施。

[1]劉永謙,吳大鵬,王大軍,等.新型地鐵火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)研究報告[R].天津:天津市科學(xué)技術(shù)委員會,2005.

[2]GB 50116-1998火災(zāi)自動報警系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范[S].

[3]GB 50157-2003地鐵設(shè)計規(guī)范[S].

[4]TGW光纖光柵感溫火災(zāi)探測系統(tǒng)產(chǎn)品簡介[EB/O L].(2009-08-05)[2009-10-20].http:∥www.sz.gov.cn/gaxfj/szsgajxfj/xfcp/200908/t20090805_1157760.htm

[5]隧道光纖光柵感溫火災(zāi)報警系統(tǒng)[EB/O L].http:∥www.wutos.com/product.asp?classname=2

[6]光柵技術(shù)在安全監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用[EB/O L].http:∥www.iqcn.com.cn/product/jsyy.html

Feasibility of Fiber Bragg Grating Fire Monitoring System in Subway Tunnel

Wei Haiyang

It is very important to install a fire monitoring system in subway tunnel to monitor the fire and eliminate the security blind corner.Based on the Raman Fiber Fire Monitoring System used in Shenyang metro Line 1 and its extended sections,an in-depth feasibility study of another subway tunnel fire monitoring system—the Fiber Bragg Grating Fire Monitoring System—is introduced,its technique and costs are analyzed and compared.To guarantee the fire monitoring functions,and to achieve the goal of reducing costs,this paper suggests to adopt the Fiber Bragg Grating Fire Monitoring System.

subway tunnel;fiber bragg grating fire monitoring system;feasibility study

U 231+.96

2009-10-23)