基于光纖溫度傳感的高速公路隧道機(jī)電設(shè)備監(jiān)測(cè)

張君杰

(廣東省路橋建設(shè)發(fā)展有限公司汕湛分公司 廣州 510660)

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)高速公路隧道中眾多機(jī)電設(shè)備的溫度異常狀態(tài),對(duì)于高速公路隧道的消防安全和穩(wěn)定運(yùn)營極為重要[1-2]。光纖溫度傳感系統(tǒng)利用光纖作為溫度探測(cè)器,傳感部分無需供電不會(huì)引入額外的消防風(fēng)險(xiǎn),非常適合用于高速公路隧道機(jī)電設(shè)備的溫度狀態(tài)監(jiān)測(cè)[3-4]。但現(xiàn)有的隧道測(cè)溫系統(tǒng)主要關(guān)注隧道內(nèi)的異常升溫或高溫情形[5],而在隧道內(nèi)存在著眾多的機(jī)電設(shè)備,其運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的散熱和氣流,會(huì)對(duì)隧道測(cè)溫系統(tǒng)的判斷造成干擾,容易引起誤報(bào)和漏報(bào),影響系統(tǒng)監(jiān)測(cè)效果,因此針對(duì)隧道內(nèi)環(huán)境的特殊情況,需要對(duì)隧道內(nèi)溫度場(chǎng)異常監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)更加合理的判斷方法[6]。

利用光纖溫度傳感技術(shù)的實(shí)時(shí)長距離分布式探測(cè)的優(yōu)勢(shì),可以實(shí)時(shí)采集高速公路隧道中的溫度場(chǎng)數(shù)據(jù),并結(jié)合時(shí)間維度形成隧道內(nèi)的溫度場(chǎng)圖像,通過對(duì)光纖溫度場(chǎng)圖像數(shù)據(jù)分析,判斷溫度異常波動(dòng)的區(qū)域,再對(duì)相應(yīng)區(qū)域發(fā)出預(yù)警信息,以有效提升感溫火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行水平,在過濾掉隧道內(nèi)機(jī)電設(shè)備正常運(yùn)行散熱引入的干擾的同時(shí),及時(shí)監(jiān)測(cè)到隧道內(nèi)機(jī)電設(shè)備的溫度異常情況。

本文主要探究針對(duì)高速公路隧道內(nèi)存在特定熱源干擾的情況下,如何對(duì)真正具有危險(xiǎn)性的異常升溫情況進(jìn)行及時(shí)識(shí)別和預(yù)警,以提高溫度火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的報(bào)警準(zhǔn)確率,確保系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)效果。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

選擇一段高速公路隧道作為試點(diǎn)應(yīng)用工程,在隧道內(nèi)安裝布設(shè)光纖溫度傳感系統(tǒng)。將溫度探測(cè)光纜按4 m的長度間隔,通過固定件安裝于隧道上方內(nèi)壁,將溫度探測(cè)光纜布設(shè)于高速公路隧道全段沿線,溫度探測(cè)光纜的布設(shè)方向與隧道走向一致。在溫度探測(cè)光纜安裝布設(shè)完成后,將溫度探測(cè)光纜與傳輸光纜進(jìn)行熔接,光纖溫度探測(cè)儀表放置于高速公路隧道的中控室內(nèi),將傳輸光纜接入光纖溫度探測(cè)儀表?；诜植际焦饫w溫度傳感系統(tǒng)的探測(cè)空間連續(xù)的技術(shù)優(yōu)勢(shì),系統(tǒng)在獲得高速公路隧道監(jiān)測(cè)區(qū)域各個(gè)位置溫度時(shí)序信號(hào)的同時(shí),通過將各個(gè)探測(cè)位置的溫度時(shí)序信號(hào)按照實(shí)際的空間順序進(jìn)行拼接,可以獲得溫度信號(hào)的空間-時(shí)間二維數(shù)據(jù)矩陣,即形成探測(cè)區(qū)域的溫度場(chǎng)瀑布圖,瀑布圖的橫軸指示溫度信號(hào)的空間位置信息,縱軸指示溫度信號(hào)的時(shí)刻信息。通過探測(cè)區(qū)域的溫度場(chǎng)瀑布圖,可進(jìn)一步獲得高速公路隧道沿線溫度的空間分布特征。

2 常規(guī)數(shù)據(jù)采集

在常規(guī)狀態(tài)下采集一段200 min的隧道溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),采集時(shí)間為2023年4月,隧道溫度場(chǎng)圖像見圖1。在此溫度場(chǎng)監(jiān)測(cè)圖像片段中,圖像橫軸代表空間距離,單位為m,縱軸代表時(shí)間,單位為min,即:光纖溫度傳感系統(tǒng)每隔1 min,采集1次監(jiān)測(cè)區(qū)域的全段溫度探測(cè)數(shù)據(jù),并按照探測(cè)點(diǎn)的實(shí)際空間順序?qū)囟?時(shí)間數(shù)據(jù)序列進(jìn)行排列整合,所整合而成的空間-時(shí)間溫度數(shù)據(jù)矩陣,即監(jiān)測(cè)區(qū)域的溫度場(chǎng)監(jiān)測(cè)圖像,可以從中直觀地看到監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)溫度異常情況出現(xiàn)的時(shí)間范圍和空間范圍。由圖1可見,在離探測(cè)起點(diǎn)約300 m的位置,有1個(gè)較為恒定的發(fā)熱源,為隧道內(nèi)某機(jī)電設(shè)備運(yùn)行散熱所致。探測(cè)起點(diǎn)區(qū)域的溫度相對(duì)于隧道內(nèi)其他位置,溫度較低。在距探測(cè)起點(diǎn)約150,500 m的位置,溫度數(shù)據(jù)出現(xiàn)小幅度降低和波動(dòng),為隧道內(nèi)的風(fēng)機(jī)運(yùn)行所致。分析隧道內(nèi)受恒定熱源影響的區(qū)域,其溫度場(chǎng)圖像雖然相較于其鄰近區(qū)域,溫度數(shù)據(jù)有較為明顯的升高,但其溫度升高區(qū)域的圖像邊緣,較為整齊和一致,在溫度場(chǎng)圖像中,呈現(xiàn)為1個(gè)類似矩形的形態(tài)。

圖1 常規(guī)狀態(tài)隧道溫度場(chǎng)

統(tǒng)計(jì)各個(gè)探測(cè)點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)序列,將各序列數(shù)值從大到小進(jìn)行排序,分別計(jì)算最前5個(gè)數(shù)值之和與最后5個(gè)數(shù)值之和,再計(jì)算其比值,作為溫度數(shù)據(jù)序列的波動(dòng)比計(jì)算方式,則該高速公路隧道內(nèi)的溫度數(shù)據(jù)波動(dòng)比分布見圖2。

圖2 常規(guī)狀態(tài)波動(dòng)比

隧道內(nèi)溫度場(chǎng)的平均波動(dòng)比為2.2 dB,可見2處受風(fēng)機(jī)影響的位置具有相對(duì)較高的波動(dòng)比,分別可達(dá)4.3,7.1 dB,而受機(jī)電設(shè)備散熱影響的區(qū)域,其波動(dòng)比沒有出現(xiàn)升高的情況,最低值為1.6 dB。

3 模擬異常數(shù)據(jù)

在隧道內(nèi)進(jìn)行模擬升溫實(shí)驗(yàn),在離探測(cè)起點(diǎn)約600 m的位置,使用電烙鐵多次點(diǎn)觸測(cè)溫光纜,模擬機(jī)電設(shè)備異常升溫情況,在離探測(cè)起點(diǎn)約3 000 m的位置,點(diǎn)燃汽油火盆,模擬隧道內(nèi)火焰升溫情況,模擬升溫實(shí)驗(yàn)期間采集的200 min溫度場(chǎng)圖像數(shù)據(jù)見圖3。

由圖3可見,電烙鐵多次點(diǎn)觸測(cè)溫光纜的溫度信號(hào),其圖像所呈現(xiàn)的規(guī)律性較明顯,升溫影響范圍相對(duì)較小;點(diǎn)燃汽油火盆的溫度信號(hào),其圖像則呈現(xiàn)出較大的波動(dòng)性,尤其在圖塊邊緣部位的波動(dòng)性更為明顯,并且升溫影響范圍相對(duì)較大。

計(jì)算模擬升溫實(shí)驗(yàn)期間采集的各探測(cè)點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)序列的波動(dòng)比結(jié)果見圖4。

圖4 模擬升溫實(shí)驗(yàn)波動(dòng)比

由圖4可見,在電烙鐵多次點(diǎn)觸測(cè)溫光纜測(cè)試位置和點(diǎn)燃汽油火盆測(cè)試位置,其溫度信號(hào)波動(dòng)比均有明顯提升,其波動(dòng)比數(shù)值最大分別可達(dá)41.6,36.6 dB。而受機(jī)電設(shè)備散熱影響的區(qū)域,其波動(dòng)比仍然較低,均值為1.7 dB。

4 算法設(shè)計(jì)

根據(jù)上節(jié)分析,對(duì)于高速公路隧道中的機(jī)電設(shè)備溫度異常狀態(tài)監(jiān)測(cè),主要干擾源為設(shè)備自身散熱、通風(fēng)處環(huán)境溫度波動(dòng)等,而對(duì)于機(jī)電設(shè)備異常升溫和火焰導(dǎo)致的環(huán)境溫度上升,均是系統(tǒng)必須報(bào)警的情況。根據(jù)對(duì)機(jī)電設(shè)備異常升溫和火焰升溫?cái)?shù)據(jù)的分析,可知此時(shí)溫度信號(hào)的波動(dòng)比均會(huì)明顯上升,而機(jī)電設(shè)備異常升溫信號(hào)在溫度場(chǎng)圖像中所呈現(xiàn)的規(guī)律性較明顯,升溫影響范圍相對(duì)較小,火焰升溫信號(hào)在溫度場(chǎng)圖像中則呈現(xiàn)出較大的波動(dòng)性,升溫影響范圍相對(duì)較大。對(duì)于高速公路隧道機(jī)電設(shè)備溫度異常狀態(tài)監(jiān)測(cè),信號(hào)分析流程設(shè)計(jì)如下。

1) 實(shí)時(shí)采集監(jiān)測(cè)區(qū)域沿線溫度信號(hào)數(shù)據(jù),形成監(jiān)測(cè)區(qū)域溫度場(chǎng)。

2) 分別計(jì)算各個(gè)監(jiān)測(cè)單元溫度數(shù)據(jù)序列的波動(dòng)比,溫度信號(hào)波動(dòng)比計(jì)算方式:分別計(jì)算最前5個(gè)數(shù)值之和與最后5個(gè)數(shù)值之和,再計(jì)算其比值。

3) 設(shè)置波動(dòng)比異常閾值,查找超過波動(dòng)比異常閾值的監(jiān)測(cè)單元,將空間連續(xù)的探測(cè)單元,合并到同一區(qū)域中,再查找此區(qū)域中波動(dòng)比最大的探測(cè)單元,作為此區(qū)域的事件中心。

4) 對(duì)于判斷為事件中心的監(jiān)測(cè)單元,將其原始溫度信號(hào)數(shù)據(jù)做尋峰計(jì)算,查找峰值位置。將這些峰值位置(位于時(shí)間軸)與此區(qū)域的事件中心進(jìn)行組合,得到用于溫度場(chǎng)異常升溫區(qū)域圖像分割的種子點(diǎn)位置。

5) 對(duì)于每個(gè)自動(dòng)選取的種子點(diǎn),在種子點(diǎn)位置進(jìn)行8鄰域擴(kuò)展,種子區(qū)域生長規(guī)則:若某數(shù)據(jù)點(diǎn)與種子點(diǎn)的數(shù)值之差的絕對(duì)值小于預(yù)先設(shè)定閾值,則該數(shù)據(jù)點(diǎn)被包括進(jìn)這個(gè)種子點(diǎn)所在的區(qū)域。當(dāng)不再有數(shù)據(jù)點(diǎn)滿足加入這個(gè)區(qū)域的規(guī)則時(shí),此區(qū)域生長停止。圖5為本次模擬異常升溫測(cè)試溫度場(chǎng)圖像,通過區(qū)域生長方法得到的溫度異常圖塊判斷結(jié)果。

圖5 溫度異常區(qū)域判斷結(jié)果

6) 對(duì)于每個(gè)分割出的溫度異常圖塊,統(tǒng)計(jì)其空間覆蓋區(qū)域,以及左右邊沿的方差。當(dāng)空間覆蓋區(qū)域小于預(yù)先設(shè)定的空間閾值,且左右邊沿方差小于預(yù)先設(shè)定的方差閾值,則判斷此異常升溫事件類型為機(jī)電設(shè)備異常升溫;當(dāng)空間覆蓋區(qū)域大于預(yù)先設(shè)定的空間閾值,且左右邊沿方差大于預(yù)先設(shè)定的方差閾值,則判斷此異常升溫事件類型為火焰升溫;若不滿足上述閾值條件,則判斷為未知升溫事件。

系統(tǒng)中設(shè)置空間閾值為50 m,方差閾值為3,在本組模擬升溫測(cè)試數(shù)據(jù)中,600 m位置測(cè)試信號(hào)的空間范圍30 m(小于空間閾值),方差0.36(小于方差閾值),判斷為機(jī)電設(shè)備異常升溫報(bào)警事件,模式識(shí)別結(jié)果正確;而3 000 m位置測(cè)試信號(hào)的空間范圍120 m(大于空間閾值),方差5.39(大于空間閾值),判斷為火焰升溫報(bào)警事件,模式識(shí)別結(jié)果均正確。

5 應(yīng)用效果

光纖溫度傳感系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集和監(jiān)測(cè)高速公路隧道內(nèi)各處機(jī)電設(shè)備的溫度狀態(tài),在不同季節(jié)、不同時(shí)間段,分別經(jīng)過多次模擬測(cè)試和長期運(yùn)行統(tǒng)計(jì)。其中,模擬測(cè)試方式仍采用電烙鐵多次點(diǎn)觸測(cè)溫光纜模擬機(jī)電設(shè)備異常升溫情況,以及點(diǎn)燃汽油火盆模擬隧道內(nèi)火災(zāi)升溫情況。同時(shí)隧道內(nèi)的各項(xiàng)機(jī)電設(shè)備均保持正常工作散熱狀態(tài)。從2022年1月安裝至今,選擇不同的時(shí)間點(diǎn),共進(jìn)行了200組電烙鐵點(diǎn)觸測(cè)溫光纜模擬機(jī)電設(shè)備異常升溫測(cè)試和100組點(diǎn)燃汽油火盆模擬火焰升溫測(cè)試。其中,模擬機(jī)電設(shè)備異常升溫測(cè)試報(bào)警次數(shù)為194次,識(shí)別正確率為97%,模擬火焰升溫測(cè)試報(bào)警次數(shù)為95次,識(shí)別正確率為95%。在未進(jìn)行測(cè)試的正常運(yùn)行期間,光纖溫度傳感系統(tǒng)未出現(xiàn)誤報(bào),機(jī)電設(shè)備運(yùn)行過程中的正常散熱,未觸發(fā)光纖溫度傳感系統(tǒng)的虛警。光纖溫度傳感系統(tǒng)的報(bào)警率、模式識(shí)別正確率和誤報(bào)警率統(tǒng)計(jì)見表1。

表1 測(cè)試運(yùn)行統(tǒng)計(jì) %

光纖溫度傳感系統(tǒng)經(jīng)過1年多的穩(wěn)定運(yùn)行和檢驗(yàn),多次現(xiàn)場(chǎng)模擬異常升溫測(cè)試及長期運(yùn)行核實(shí)檢驗(yàn)效果表明:光纖溫度傳感系統(tǒng)能夠?qū)Ω咚俟匪淼纼?nèi)機(jī)電設(shè)備的異常升溫和突發(fā)火災(zāi)等情況進(jìn)行及時(shí)監(jiān)測(cè)和定位,報(bào)警正確率高,誤報(bào)率低。在高速公路隧道內(nèi)存在特定熱源干擾的情況下,能夠?qū)φ嬲哂形ｋU(xiǎn)性的異常升溫情況進(jìn)行及時(shí)識(shí)別和預(yù)警,具有良好的工程應(yīng)用效果,能夠及時(shí)有效地監(jiān)測(cè)高速公路隧道內(nèi)機(jī)電設(shè)備的消防安全狀態(tài),提升高速公路隧道的運(yùn)營管理水平,為高速公路隧道的消防安全提供可靠保障。

6 結(jié)語

將光纖溫度傳感技術(shù)應(yīng)用于高速公路隧道內(nèi)機(jī)電設(shè)備的溫度狀態(tài)監(jiān)測(cè),具有安全實(shí)時(shí)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。為優(yōu)化光纖溫度傳感系統(tǒng)針對(duì)隧道內(nèi)機(jī)電設(shè)備監(jiān)測(cè)的運(yùn)行效果,本文分析了高速公路隧道內(nèi)的溫度場(chǎng)特點(diǎn),設(shè)計(jì)了針對(duì)高速公路隧道中的機(jī)電設(shè)備溫度異常狀態(tài)監(jiān)測(cè)的信號(hào)分析和識(shí)別判斷方法。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)模擬實(shí)驗(yàn)和長期運(yùn)行觀察,本文提出的監(jiān)測(cè)方法具有報(bào)警正確率高、誤報(bào)率低的運(yùn)行效果,具有良好的工程可行性。

光纖溫度傳感系統(tǒng)在高速公路隧道的應(yīng)用,有效地降低了隧道內(nèi)機(jī)電設(shè)備的日常監(jiān)控和維保的復(fù)雜度,為高速公路隧道內(nèi)機(jī)電設(shè)備在運(yùn)營過程中的消防安全提供了可靠保障。