光纖光柵在高速公路隧道火災(zāi)報警系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

常國偉

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

0 引言

光纖光柵感溫火災(zāi)檢測報警系統(tǒng)是一種新型的溫度探測報警系統(tǒng)。它采用當今世界上最先進的光纖光柵傳感技術(shù)，具有安全防爆、抗電磁干擾、防雷擊、監(jiān)測精度高的特點，適應(yīng)于各種惡劣環(huán)境下的溫度傳感，廣泛應(yīng)用于高速公路長隧道等場所的火災(zāi)報警。雙波長火焰探測器主要是利用火災(zāi)中輻射光的特定波長及火焰閃爍頻率判定火災(zāi)，不受隧道內(nèi)風速影響，響應(yīng)速度快且不受隧道距離長短的影響，主要適用于高速公路特長隧道等場所。

以某高速公路為例，路段內(nèi)隧道多，尤其是長隧道多、距離長，而隧道火災(zāi)由于其建筑結(jié)構(gòu)復(fù)雜，環(huán)境相對密閉，火災(zāi)時溫度較高，擴展速度快，火災(zāi)報警和防護成為隧道安全的重中之重。同時考慮到點型感溫、感煙火災(zāi)探測器、線型感溫電纜、火焰探測器、光纖拉曼感溫火災(zāi)探測器等火災(zāi)報警系統(tǒng)的局限性，或由于不適合長距離傳輸，或由于隧道環(huán)境的影響，易產(chǎn)生誤報，或由于產(chǎn)品成本太高、維護困難等原因，該路段內(nèi)長隧道火災(zāi)報警系統(tǒng)設(shè)計中，采用了光纖光柵感溫火災(zāi)檢測報警系統(tǒng)。

1 光纖光柵傳感技術(shù)

1.1 光纖光柵傳感技術(shù)原理

光纖由里向外分為纖芯、包層、涂覆層3部分，利用特殊的紫外光照射工藝加工方法，對特定部位的光纖纖芯進行紫外照射，使得該區(qū)域光纖纖芯的折射率沿纖軸方向發(fā)生周期性的永久變化，從而制成特定中心波長的光纖光柵，這種光柵如一道道柵門，一個波長的光通過這排柵門，就會分解成很多波長較短的光，不能通過柵門的光就被反射回來，由火災(zāi)探測主機所接受。當光柵溫度發(fā)生變化時光柵的條文周期會發(fā)生變化，所反射的布拉格波長也會發(fā)生相應(yīng)的變化，經(jīng)處理器解調(diào)后就可測得相應(yīng)的溫度。光纖光柵作用相當于一個有選擇的光譜反射鏡，其最主要的功能是能將入射光中滿足布拉格條件的某一特定波長的光部分或全部反射。

1.2 光纖光柵傳感技術(shù)特點

光纖光柵傳感技術(shù)不僅具有普通光纖傳感技術(shù)的防爆、防腐蝕、抗干擾的優(yōu)點，而且還具有以下特點：

a)從系統(tǒng)安裝來看 探測光纜懸掛于隧道頂部，與下方傳輸光纜連接，安裝工作比較簡單，主機放在洞外設(shè)備間，不易被污染和干擾。在隧道中，光纖光柵感溫火災(zāi)探測器體積小、重量輕、易于安裝，一般安裝在隧道頂端中部的支架鋼絞線上，距頂部120 mm。

b)從報警位置來看 光纖光柵感溫火災(zāi)報警系統(tǒng)的探測光纜從頭到尾連續(xù)布設(shè)在隧道頂部，可檢測到隧道內(nèi)所有位置的溫度變化情況，沒有報警死角。

c)從對隧道溫度變化監(jiān)測來看 光纖光柵系統(tǒng)屬感溫型設(shè)備，可對火災(zāi)前期的高溫煙霧及隧道內(nèi)溫度的異常變化做出預(yù)警，提示監(jiān)控人員對溫度變化位置進行巡查。是一種高精度、高靈敏度的傳感器，可以快速精確地探測傳感器周圍溫度和溫度場的變化情況。

d)從使用維護費用來看 系統(tǒng)成本遠低于雙波長類。探測光纜的壽命在30年以上，且主機檢測的信號是光柵反射光，不需要很強的光，因此使用的是低功率LED光源，壽命在20年以上。后期維護費用很低。

e)從報警速度來看 光纖光柵感溫系統(tǒng)直接接收火災(zāi)報警點反射回來的報警波長，各個通道每個報警點都是同時工作，不論遠端近端，反射回來的波長經(jīng)過火災(zāi)報警主機的接收馬上可以顯示數(shù)據(jù)。在實際應(yīng)用中報警時間較快，可迅速捕捉火災(zāi)初期信息，并在小于20 s的時間內(nèi)及時報警。

f)從定位精度來看 光纖光柵感溫火災(zāi)報警系統(tǒng)在隧道內(nèi)的探測器，每隔幾米就會內(nèi)置一個光柵感溫探頭，外部用金屬管包飾，因此在每個點的位置，主機只要解析到每個點的反射波長編碼，可以迅速準確判斷火災(zāi)發(fā)生的具體位置和距離，那么探測點的位置可以說是不差分毫，定位準確，同時為精確啟動消防聯(lián)動設(shè)備提供準確信息。

g)從誤報情況來看 光纖光柵感溫火災(zāi)報警系統(tǒng)探測點波長直接對應(yīng)主機編碼，形成物理上的一一對應(yīng)關(guān)系，主機接收信號只需要解析，不需要復(fù)雜的運算，工作機理簡單，不易出現(xiàn)誤報。

2 光纖光柵在高速公路隧道火災(zāi)報警系統(tǒng)中的方案實施

2.1 系統(tǒng)方案設(shè)計

光纖光柵感溫火災(zāi)檢測報警系統(tǒng)由檢測探頭、自檢探頭、信號處理器、光纖接續(xù)盒、傳輸光纜、鋼絞線及掛鉤、其他連接及安裝附件等構(gòu)成。光纖光柵探測單元獲取物理變化量，以光波長為載體，通過光纖傳輸系統(tǒng)傳至信號處理部件，由信號處理部件對光信號進行解調(diào)分析，獲取被測物理量的數(shù)據(jù)。

以高速公路中的某長隧道火災(zāi)報警系統(tǒng)設(shè)計為例，光纖光柵火災(zāi)檢測報警系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

圖1 隧道光纖光柵火災(zāi)檢測報警系統(tǒng)構(gòu)成圖

該長隧道為雙洞單向雙車道高速公路隧道，左線2 876 m，右線2 853 m，共配置14條400 m光纖光柵感溫火災(zāi)探測器、2條100 m光纖光柵感溫火災(zāi)探測器、2臺八通道信號處理器。系統(tǒng)于2013年11月完成安裝，12月完成火災(zāi)報警系統(tǒng)的調(diào)試，獲得監(jiān)理和業(yè)主的一致好評，目前處于正常運行狀態(tài)。

在隧道左右洞頂部敷設(shè)了光纖光柵感溫光纖，報警信號通過通信系統(tǒng)傳到隧道監(jiān)控室和監(jiān)控中心，同時還在隧道內(nèi)以總線的方式每50 m設(shè)置了1個手動報警按鈕，并連接到火災(zāi)報警控制器上。當隧道內(nèi)某處發(fā)生火災(zāi)時，由火災(zāi)報警系統(tǒng)檢測到火災(zāi)發(fā)生的位置并將此位置信息由光端機及通信光纜上傳至隧道管理站內(nèi)的交通監(jiān)控軟件系統(tǒng)進行報警，當交通監(jiān)控軟件接收到由火災(zāi)報警系統(tǒng)發(fā)送的火災(zāi)報警信息后，會立即提示監(jiān)控管理人員人工確認此報警信息，并通過隧道管理站內(nèi)的監(jiān)控軟件對隧道內(nèi)的報警主機進行操作。隧道內(nèi)的火災(zāi)報警控制器還與就近的本地控制器相連，將本地控制器與隧道管理站通信的通道做為火災(zāi)信息上傳的備用通道?；馂?zāi)報警信息得到人工確認后，系統(tǒng)將自動進入火災(zāi)報警監(jiān)控聯(lián)運控制狀態(tài)，已滿足隧道火災(zāi)報警需要。隧道內(nèi)人員發(fā)現(xiàn)火警后通過手動報警按鈕向火災(zāi)報警控制器發(fā)送報警信號，火災(zāi)控制器接收到報警信號后，顯示出報警按鈕的編號或位置并發(fā)出警報。

2.2 安裝方式

a)探測器部分 探測器通常安裝在隧道頂部中間，據(jù)拱頂?shù)木嚯x保持10～15 cm。首先用固定支架將鋼索固定，采用膨脹螺栓將支架按在隧道頂部中間處，并將鋼索固定；然后將探測器線纜用線夾固定在鋼索上，每根探測器線纜安裝完畢后，將探測器尾纖沿隧道壁通過預(yù)留預(yù)埋的保護管穿至隧道側(cè)面底部光纖接續(xù)盒，與傳輸光纜進行熔接。

b)信號處理器 光纖光柵感溫火災(zāi)探測信號處理器通常安裝在隧道變電所內(nèi)儀表控制柜上。

c)火災(zāi)報警控制器部分 火災(zāi)報警控制器設(shè)置在隧道洞口變電所內(nèi)，主要接收來自信號處理器的溫度、報警及故障信號，并提交報警及故障的位置等信息，將這些信號通過光端機及通信光纜傳送至隧道管理站內(nèi)的火災(zāi)報警計算機并接受其控制。

d)手動報警按鈕部分 手動報警按鈕安裝在隧道側(cè)面，每間隔50 m設(shè)置1處，距電纜溝高1.2 m，通過阻燃雙絞銅線串接起來，并連接至隧道洞口變電所內(nèi)的火災(zāi)報警控制器，采用明裝和暗裝的方式均可。

3 結(jié)論

光纖光柵感溫火災(zāi)檢測報警系統(tǒng)采用一種新型的無電傳感技術(shù)，具有靈敏度和精度高、性能穩(wěn)定可靠、耐腐蝕、便于組網(wǎng)等特點，廣泛應(yīng)用于高速公路隧道中，易于實現(xiàn)隧道內(nèi)火災(zāi)報警自動化和網(wǎng)絡(luò)化。同時由于信號可以長距離傳輸，因此可以實現(xiàn)對公路長距離隧道等場所的溫度進行監(jiān)測，通過探測單元對其絕對溫度值或溫度變化量的實時監(jiān)測，及時進行報警或者預(yù)警，減少火災(zāi)帶來的損失。