感溫光纖探測(cè)系統(tǒng)在地鐵中的應(yīng)用

楊大雷

摘要：地鐵隧道空間狹長(zhǎng)，且處于相對(duì)密閉狀態(tài)，一旦發(fā)生火災(zāi)，燃燒時(shí)產(chǎn)生的煙霧很難通過(guò)自然排煙散發(fā)出去，極易導(dǎo)致火勢(shì)蔓延;且濃煙積聚，給人員疏散和火災(zāi)撲救都將帶來(lái)很大的困難。文章針對(duì)感溫光纖探測(cè)系統(tǒng)關(guān)聯(lián)啟動(dòng)環(huán)控制冷系統(tǒng)以及對(duì)隧道火災(zāi)探測(cè)預(yù)警做簡(jiǎn)要論述。

關(guān)鍵詞：消防;感溫光纖;地鐵;報(bào)警系統(tǒng)

地鐵區(qū)間隧道存著空間窄，長(zhǎng)度長(zhǎng)等顯著特點(diǎn)，以筆者所在城市為例，地鐵區(qū)間隧道平均長(zhǎng)度達(dá)2500余米，一旦發(fā)生火災(zāi)，人員疏散和滅火救援都很困難，必然會(huì)造成重大社會(huì)影響和財(cái)產(chǎn)損失，甚至?xí)斐芍卮笕藛T傷亡，因此，對(duì)于地鐵熱源的早期預(yù)警尤為重要。筆者以某地鐵工程為例，探討分析感溫光纖探測(cè)系統(tǒng)在地鐵地下區(qū)間隧道防護(hù)救災(zāi)中的應(yīng)用，以供商榷。

1? 地鐵區(qū)間隧道熱源分析

1.1? 列車(chē)啟動(dòng)和制動(dòng)過(guò)程產(chǎn)生熱量

列車(chē)啟動(dòng)和制動(dòng)過(guò)程中均會(huì)在區(qū)間隧道產(chǎn)生大量熱量。在列車(chē)啟動(dòng)過(guò)程中，電機(jī)繞組電流和電機(jī)控制機(jī)構(gòu)加速電阻作用，產(chǎn)生能量轉(zhuǎn)換，由電能轉(zhuǎn)化為熱能，產(chǎn)生熱量。列車(chē)制動(dòng)房面，當(dāng)前列車(chē)制動(dòng)主要采用電制動(dòng)加摩擦制動(dòng)。電制動(dòng)是通過(guò)改變電機(jī)的工作模式，產(chǎn)生制動(dòng)力矩，形成電阻制動(dòng)，期間會(huì)將電能轉(zhuǎn)化為熱能，形成熱量。摩擦制動(dòng)是將列車(chē)動(dòng)能通過(guò)機(jī)械摩擦轉(zhuǎn)化為熱能消耗掉從而進(jìn)行制動(dòng)，也必然會(huì)產(chǎn)生大量熱量。

1.2? 列車(chē)平穩(wěn)運(yùn)行過(guò)程產(chǎn)生熱量

在列車(chē)平穩(wěn)運(yùn)行過(guò)程中，維持運(yùn)行的牽引電力由于要克服空氣阻力、機(jī)械阻力等方面的影響和其自身牽引電機(jī)電能損失，會(huì)形成熱能損失，釋放大量熱量?？諝庾枇εc列車(chē)速度成正比，且由于受到地下區(qū)間隧道相對(duì)封閉的影響，空氣壓縮嚴(yán)重，密度變大，阻力就會(huì)更大，為了維持快速行駛，所需消耗電能也將隨之也更大，產(chǎn)生的熱量也隨之增加。

1.3? 列車(chē)設(shè)備等生熱量

地鐵列車(chē)在地下行駛，采用全封閉的車(chē)廂結(jié)構(gòu)，為了保證安全性、舒適性，配備了大量的輔助設(shè)施，以滿(mǎn)足乘客心理、生理需要和列車(chē)運(yùn)行需要，如空調(diào)、照明設(shè)備、氣動(dòng)空壓機(jī)、發(fā)電機(jī)組等。而這些設(shè)備在工作狀態(tài)下，就必然會(huì)產(chǎn)生熱能，尤其是空調(diào)設(shè)備，需要進(jìn)行熱量交換，將熱量排出。而由于運(yùn)行過(guò)程中的空間限制，在地下運(yùn)行期間，熱量也只能將進(jìn)入地鐵區(qū)間隧道內(nèi)。

1.4? 區(qū)間隧道排煙排熱效率低

由于地鐵隧道構(gòu)造上的特殊性，通往地面的出入口數(shù)量少，發(fā)生火災(zāi)時(shí)，大量的煙氣聚集在車(chē)站或區(qū)間隧道內(nèi)，易使溫度驟升，加之一般車(chē)站站廳與站臺(tái)層為上下構(gòu)造，空氣流通對(duì)流速度慢，受地面影響，風(fēng)亭數(shù)量較少，尤其是列車(chē)運(yùn)行過(guò)程中地下洞口的“吸風(fēng)”效應(yīng)明顯，容易導(dǎo)致地下煙氣無(wú)法排出或被洞口卷回，排煙排熱效率低。同時(shí)，由于列車(chē)在隧道中運(yùn)行狀態(tài)下發(fā)生火災(zāi)，受隧道氣流及活塞效應(yīng)的影響，其煙氣蔓延速度及方向和地面建筑熱對(duì)流形式不同，呈現(xiàn)上游向下游的蔓延發(fā)展方向，即起火車(chē)廂后部受災(zāi)會(huì)更嚴(yán)重，且會(huì)比地面場(chǎng)所火災(zāi)更容易造成人員缺氧窒息，這對(duì)火災(zāi)工況下的排煙、送風(fēng)設(shè)備的啟動(dòng)機(jī)制和聯(lián)動(dòng)控制也提出了更高的要求。

因此，如何控制區(qū)間隧道空氣溫度和壓力變化率，并控制隧道內(nèi)氣流滿(mǎn)足火災(zāi)和阻塞時(shí)的通風(fēng)、排煙要求，通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)（隧道通風(fēng)系統(tǒng)、車(chē)站通風(fēng)系統(tǒng)等）事關(guān)重要。而在非火災(zāi)工況下隧道風(fēng)機(jī)是否動(dòng)作，隧道溫度是則重要的判斷依據(jù)。設(shè)置感溫光纖探測(cè)系統(tǒng)既解決了地鐵隧道內(nèi)強(qiáng)磁場(chǎng)、多粉塵、強(qiáng)風(fēng)力、強(qiáng)噪音這一特殊環(huán)境下普通探測(cè)設(shè)備難以實(shí)現(xiàn)的問(wèn)題，又能實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道環(huán)境溫度的連續(xù)監(jiān)測(cè)，進(jìn)行高溫預(yù)警，為監(jiān)控中心系統(tǒng)發(fā)出啟動(dòng)指令提供依據(jù)和遵循。此外，感溫光纖探測(cè)系統(tǒng)可對(duì)地下區(qū)間隧道、變電所、UPS不間斷電源電池組（機(jī)房）、電纜井、電纜夾層以及折返線(xiàn)和停車(chē)線(xiàn)的火災(zāi)進(jìn)行探測(cè)，達(dá)到早期預(yù)警目的。

2? 感溫光纖探測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成及方案

2.1? 感溫光纖探測(cè)系統(tǒng)的原理

基于拉曼散射的光纖溫度傳感器的探測(cè)原理是檢測(cè)后向拉曼散射光的光強(qiáng)，其光強(qiáng)會(huì)隨著檢測(cè)光纜周?chē)鷾囟鹊淖兓兓?，從而能測(cè)得光纜周?chē)臏囟戎担⑾嚓P(guān)溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行信號(hào)處理，傳輸，最終得出環(huán)境溫度的檢測(cè)值，其探測(cè)原理如圖1所示。

火災(zāi)的重要特征是發(fā)光發(fā)熱，針對(duì)該特征，感溫探測(cè)器能夠準(zhǔn)確及時(shí)反饋探測(cè)場(chǎng)所的溫度信息，與預(yù)設(shè)值進(jìn)行比較分析，進(jìn)而預(yù)警或者整合應(yīng)用。但由于后向拉曼散射光的光強(qiáng)非常微弱，甚至?xí)艿焦庠从绊懚嬖谝欢ǖ牟环€(wěn)定性，為保障感溫光纖探測(cè)精度，光纖在敷設(shè)和使用過(guò)程中，施工要求高，盡量避免折疊和扭曲，末端斷口處做屏蔽處理。

2.2? 感溫光纖探測(cè)系統(tǒng)的溫度信息傳遞流程

感溫光纖探測(cè)系統(tǒng)為線(xiàn)型差定溫光纖感溫探測(cè)器，一般報(bào)警動(dòng)作溫度設(shè)定值為60℃、70℃、85℃且可調(diào)。感溫光纖實(shí)時(shí)監(jiān)視區(qū)間隧道及電纜夾層的溫度，并將溫度信息上傳至綜合監(jiān)控系統(tǒng)，感溫光纖溫度信息傳遞流程如圖2所示。當(dāng)出現(xiàn)環(huán)境溫度的溫升速度超過(guò)設(shè)定值時(shí)，感溫光纖系統(tǒng)將觸發(fā)綜合監(jiān)控系統(tǒng)報(bào)警;當(dāng)環(huán)境溫度達(dá)到第一級(jí)報(bào)警時(shí)，觸發(fā)綜合監(jiān)控系統(tǒng)報(bào)警進(jìn)行報(bào)警提示。當(dāng)環(huán)境溫度達(dá)到火災(zāi)報(bào)警溫度時(shí)，除了觸發(fā)綜合監(jiān)控系統(tǒng)報(bào)警之外，還會(huì)觸發(fā)火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)進(jìn)行報(bào)警。其溫度信息傳遞流程如圖2所示。

2.3? 感溫光纖系統(tǒng)構(gòu)成

某地鐵工程設(shè)置感溫光纖報(bào)警系統(tǒng)，對(duì)地下區(qū)間隧道、地下區(qū)間停車(chē)線(xiàn)和折返線(xiàn)、車(chē)站電纜井及變電所電纜夾層等處的溫度、火災(zāi)進(jìn)行實(shí)時(shí)探測(cè)，系統(tǒng)組成如圖3所示。系統(tǒng)在車(chē)控室機(jī)房配置一套感溫光纖主機(jī)，主機(jī)采用一站一機(jī)方式，管轄范圍與車(chē)站火災(zāi)報(bào)警控制器一致;感溫光纖報(bào)警系統(tǒng)通過(guò)感溫光纖主機(jī)接入綜合監(jiān)控系統(tǒng)，并通過(guò)輸入模塊與火災(zāi)報(bào)警控制器連接，實(shí)現(xiàn)火災(zāi)報(bào)警控制器對(duì)感溫光纖報(bào)警系統(tǒng)火災(zāi)信息的監(jiān)視。

感溫光纖分布安裝在地下車(chē)站站臺(tái)板下的電纜通道內(nèi)和變電所電纜夾層內(nèi)，并經(jīng)車(chē)站站內(nèi)電纜通道和變電所的電纜夾層后進(jìn)入隧道，設(shè)置在隧道供電電纜支架最上一層的上面，感溫光纖對(duì)被檢測(cè)對(duì)象進(jìn)行分布式、線(xiàn)性的連續(xù)性溫度探測(cè)。被檢測(cè)對(duì)象有地鐵地下區(qū)間隧道內(nèi)、車(chē)站站臺(tái)板下電纜通道內(nèi)、折返線(xiàn)、站臺(tái)板下排熱風(fēng)口附近、隧道軌頂排熱風(fēng)道處、主變電站、車(chē)站站廳和站臺(tái)公共區(qū)吊頂內(nèi)。主變電所和站臺(tái)板下夾層感溫光纖探測(cè)系統(tǒng)組成分別如圖4、圖5所示。

感溫光纖主機(jī)通過(guò)兩個(gè)RJ45接口與ISCS系統(tǒng)交換機(jī)相連，上傳隧道火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)的所有信息至ISCS系統(tǒng)，由ISCS系統(tǒng)完成車(chē)站級(jí)和中央級(jí)控制、監(jiān)測(cè)和管理等功能;配置以太網(wǎng)接口可供便攜機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、編程、測(cè)試、維護(hù)等操作;通過(guò)繼電器接點(diǎn)與FAS監(jiān)控主機(jī)連接。實(shí)時(shí)檢測(cè)隧道溫度與火災(zāi)情況，如發(fā)生火災(zāi)輸出報(bào)警信號(hào)。感溫光纖探測(cè)系統(tǒng)與BAS、FAS的組成圖如圖6所示、感溫光纖探測(cè)系統(tǒng)與BAS的接口如圖7所示。

2.4? 感溫光纖火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)與其他報(bào)警系統(tǒng)的組合應(yīng)用

溫度是電力設(shè)備的重要運(yùn)行參數(shù)，通過(guò)監(jiān)測(cè)電力設(shè)備溫度信息獲取電力設(shè)備的運(yùn)行狀況是電力系統(tǒng)故障預(yù)報(bào)與診斷的應(yīng)用重點(diǎn)。感溫光纖火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)集光纖通訊、光纖傳感、光電控制等技術(shù)于一體，，通過(guò)光纖探測(cè)器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)測(cè)量光纖上各點(diǎn)的溫度變化，來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)被檢測(cè)區(qū)域的溫度狀況，解決了人工巡查、電磁影響等缺點(diǎn)，可精確定位升溫位置，對(duì)地鐵隧道進(jìn)行大范圍偵測(cè)，但作為電子類(lèi)產(chǎn)品，本身就會(huì)存在一定的故障率，而且光纖施工安裝要求極高，如光纖的彎曲半徑控制、接頭連接控制、裝置固定等，尤其是地鐵隧道中列車(chē)長(zhǎng)期快速運(yùn)行帶來(lái)的風(fēng)壓，會(huì)對(duì)感溫光纖的固定帶來(lái)很大影響。筆者認(rèn)為，應(yīng)進(jìn)一步強(qiáng)化感溫光纖火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)與電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)的配套組合使用。目前，在一些民用建筑和地鐵設(shè)施內(nèi)，對(duì)于火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)等設(shè)施的控制方式，考慮到誤報(bào)的影響，管理者一般都將其設(shè)置在手動(dòng)控制狀態(tài)，為了避免造成恐慌事件，產(chǎn)生不必要次生災(zāi)害，決策者往往無(wú)法迅速作出決斷。地鐵軌道內(nèi)的設(shè)施一旦產(chǎn)生相關(guān)報(bào)警，不能第一時(shí)間排查或采取必要措施，當(dāng)發(fā)生起火且地鐵列車(chē)被迫?？吭谒淼绤^(qū)間內(nèi)時(shí)，極易造成旅客的心理恐慌，產(chǎn)生災(zāi)害。究其原因，地鐵的疏散演練開(kāi)展一般是以?xún)?nèi)部員工為主，模擬乘客進(jìn)行疏散，廣大群眾沒(méi)有接受過(guò)類(lèi)似的疏散逃生訓(xùn)練、不具備相應(yīng)的心理素質(zhì)，逃生現(xiàn)場(chǎng)容易造成混亂，尤其是對(duì)于采用三軌供電的地鐵列車(chē)，從地鐵專(zhuān)業(yè)工作人員進(jìn)行軌道斷電到完成接地操作期間，一旦逃生者不慎，極易觸電。而電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)一般具有對(duì)故障剩余電流、故障過(guò)電流、故障過(guò)電壓、溫度、故障電弧進(jìn)行監(jiān)測(cè)報(bào)警功能，但受限于安裝的回路或配電開(kāi)關(guān)后端用電設(shè)備眾多，無(wú)法精確定位到個(gè)體設(shè)備。對(duì)于地鐵工程而言，用電設(shè)備數(shù)量是遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)一般建筑工程的，且往往在設(shè)備運(yùn)行時(shí)，瞬間電流會(huì)激增，容易形成誤報(bào)，且無(wú)法有效排查。如果兩套系統(tǒng)配合使用，一方面提升探測(cè)的精度，另一方面增加探測(cè)的廣度，將會(huì)為地鐵控制樞紐遇到緊急狀況時(shí)做出正確決策提供有效數(shù)據(jù)支撐，從而真正使監(jiān)測(cè)系統(tǒng)動(dòng)起來(lái)，避免處于擺設(shè)狀態(tài)。

3? 感溫光纖探測(cè)系統(tǒng)其他輔助功能

感溫光纖在地鐵工程中的作用不僅僅是起到預(yù)警報(bào)警作用，對(duì)于地鐵運(yùn)營(yíng)的能耗資源節(jié)約也是大有用途。炎熱夏季時(shí)，采用閉式系統(tǒng)制式的地鐵環(huán)控系統(tǒng)采用閉式運(yùn)行，通常關(guān)閉隧道通風(fēng)井，打開(kāi)車(chē)站內(nèi)迂回風(fēng)道，車(chē)站一般采用空調(diào)系統(tǒng)，而區(qū)間隧道的冷卻是借助列車(chē)運(yùn)行的活塞效應(yīng)和在站臺(tái)處車(chē)站排熱系統(tǒng)兼排煙系統(tǒng)排除余熱。為了節(jié)省能耗，對(duì)軌行區(qū)軌排風(fēng)機(jī)系統(tǒng)確定工作溫度啟動(dòng)值。夏季確定為40℃～45℃，冬季確定為35℃～40℃，當(dāng)停車(chē)區(qū)溫度達(dá)到風(fēng)機(jī)啟動(dòng)溫度則開(kāi)啟軌行區(qū)軌排風(fēng)機(jī)系統(tǒng)，這個(gè)溫度信息即由感溫光纖火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)探測(cè)提供。

4? 結(jié)語(yǔ)

感溫光纖探測(cè)系統(tǒng)可抗電磁干擾、抗震動(dòng)、能在高溫、有灰塵、活塞風(fēng)流動(dòng)的等惡劣環(huán)境中正常工作，可對(duì)區(qū)間隧道、電纜夾層、電纜廊道溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)、連續(xù)的監(jiān)測(cè)及定位，實(shí)現(xiàn)了區(qū)間隧道火災(zāi)報(bào)警功能。同時(shí)地鐵環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)感溫光纖探測(cè)系統(tǒng)提供的溫度參數(shù)，可對(duì)區(qū)間隧道風(fēng)機(jī)、車(chē)站排熱風(fēng)機(jī)等進(jìn)行聯(lián)動(dòng)控制，在一定程度上實(shí)現(xiàn)了節(jié)能降耗。

參考文獻(xiàn)：

[1]GB50517-2013，地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2014.

[2]GB16280-2014，線(xiàn)型感溫火災(zāi)探測(cè)器[S].北京：中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)，2014.

[3]GB50116-2013，火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：人民出版社，2014.

[4]DB43T480-2009，線(xiàn)型光纖感溫火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、施工及驗(yàn)收規(guī)范[S].太原：山西省公安消防總隊(duì).2009.

[5]張?chǎng)H.重慶地鐵銅鑼山隧道防災(zāi)通風(fēng)模式分析[J].制冷與空調(diào)（四川），2015（01）：69-73.

[6]田德偉.關(guān)于合肥地鐵2號(hào)線(xiàn)光纖感溫探測(cè)系統(tǒng)的設(shè)置研究[J].中國(guó)科技投資，2018（20）：243-244.

[7]邊志美.地鐵屏蔽門(mén)、閉式和開(kāi)式系統(tǒng)環(huán)控能耗分析研究[D].上海：同濟(jì)大學(xué)，2007：1-83.

[8]龔偉，沈凱，吳喜平.地鐵列車(chē)運(yùn)行區(qū)間隧道熱負(fù)荷分析[J].地下工程與隧道，2011（03）：31-34.

[9]許桂紅.地鐵制動(dòng)系統(tǒng)的研究與仿真[D].成都：西南交通大學(xué)，2014.

Application of temperature sensitive

fiber optic detection system in the subway

Yang Dalei

Wuxi Fire and Rescue Brigade

Abstract：Subway tunnel space is long and narrow， and in a relatively confined state. Once a fire occurs， the smoke generated during combustion is difficult to emit through natural smoke exhaust， which can easily lead to the spread of fire and the accumulation of smoke which will bring great difficulties to evacuating and firefighting. This paper briefly discusses the associated start loop control cold system for temperature sensitive fiber optic detection system and the early warning of tunnel fire detection.

Keywords： fire protection， temperature sensitive fiber optic， subway， alarm system