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摘要：消防安全是城市軌道交通安全運營的重要保證。分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)具有光纖類傳感技術(shù)的固有優(yōu)勢，非常適合于軌道交通隧道消防領(lǐng)域的應(yīng)用。由溫度實驗測試可得，分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)的靈敏度和測量精度均能夠良好地滿足軌道交通區(qū)間隧道火災(zāi)監(jiān)測的測溫應(yīng)用需求。利用分布式光纖溫度傳感技術(shù)分布式測量的特點，分析軌道交通區(qū)間隧道沿線的空間-時間溫度場信息，對軌道交通區(qū)間隧道的溫度異常變化可以進行更為精準的監(jiān)測，有效提高軌道交通隧道火災(zāi)報警系統(tǒng)的報警準確度。

關(guān)鍵詞：軌道交通；區(qū)間隧道；火災(zāi)預(yù)警；分布式光纖測溫

1概述

消防安全對于城市軌道交通的運營管理極為重要，對軌道交通區(qū)間隧道沿線進行實時的溫度監(jiān)測，及時預(yù)警火災(zāi)發(fā)生，是城市軌道交通安全運營的重要保證[1-2]。感溫式火災(zāi)探測是一種火災(zāi)早期探測和預(yù)報的方法，這種方法實時監(jiān)測隧道沿線溫度，在溫度異常變化或溫度到達火警閾值時發(fā)出報警[3]。分布式光纖溫度傳感技術(shù)具有電絕緣、抗電磁干擾、不受煙霧灰塵干擾、耐腐蝕、靈敏度高、測溫精度高、使用壽命長、易于組網(wǎng)等優(yōu)點，非常適合用于軌道交通區(qū)間隧道的火災(zāi)監(jiān)測[4-5]。感溫式火災(zāi)報警系統(tǒng)目前采用的報警方法是升溫報警和高溫報警：當系統(tǒng)監(jiān)測到某探測位置在某一時段內(nèi)的溫度上升超過升溫閾值時，發(fā)出升溫報警信號；當系統(tǒng)監(jiān)測到某探測位置的溫度值超過高溫閾值時，發(fā)出高溫報警信號。但是此報警方法沒有充分利用分布式光纖傳感技術(shù)分布式測量的優(yōu)勢來分析溫度場的空間信息，由于溫度傳感光纜敷設(shè)位置環(huán)境的不同，其基準溫度也會在空間上呈緩變的趨勢，為了充分地利用分布式光纖溫度傳感技術(shù)高靈敏度以及分布式探測的優(yōu)勢，需要設(shè)計一種更為精準的溫度火災(zāi)報警判斷方式。

2測溫精度測試

2.1高低溫試驗箱測試

選取一段包含有10個溫度探測單元的分布式光纖溫度傳感光纜，將此段光纜放置于高低溫試驗箱內(nèi)，進行升溫和降溫測試，記錄出這10個溫度探測單元各個時刻的測溫數(shù)據(jù)，將高低溫箱的實時溫度的讀數(shù)作為參考標準，統(tǒng)計分布式光纖溫度傳感光纜的測溫誤差。如圖1所示，為高低溫試驗箱升溫測試記錄，高低溫箱從室溫（約17.0℃），升溫至150℃，升溫速率約為1.7℃/分鐘。10個溫度探測單元均能準確地采集到實時的環(huán)境溫度數(shù)據(jù)，及時有效地探測到環(huán)境溫度的變化情況，根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，得到測溫誤差≤±1.2℃。如圖2所示，為高低溫試驗箱降溫測試記錄，高低溫箱從室溫（約18.6℃），降溫至-30℃，降溫速率約為0.9℃/分鐘。10個溫度探測單元均能準確地采集到實時的環(huán)境溫度數(shù)據(jù)，及時有效地探測到環(huán)境溫度的變化情況，根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，得到測溫誤差≤±0.9℃。

2.2室溫測試

將此段包含有10個溫度探測單元的分布式光纖溫度傳感光纜，放置于室溫下，以1Hz的采樣率，實時采集環(huán)境溫度數(shù)據(jù)，采集時長為100分鐘。繪制各個探測單元的溫度探測曲線，如圖3所示。從圖3室溫環(huán)境溫度探測曲線中可以看出，此段分布式光纖溫度傳感光纜所包含的10個溫度探測單元，均能夠準確的描述室內(nèi)溫度緩變的過程，各個探測單元在同一時刻的測量誤差≤1℃。綜上所述，分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)的測溫靈敏度和測溫精度，均能夠良好地滿足軌道交通區(qū)間隧道火災(zāi)監(jiān)測的測溫需求。

3火災(zāi)報警算法設(shè)計

由上一節(jié)的實驗測試結(jié)果可知，分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)，具有靈敏度高、測溫精度高的技術(shù)優(yōu)勢。由于溫度傳感光纜在軌道交通區(qū)間隧道內(nèi)敷設(shè)位置環(huán)境的不同，其基準溫度也會在空間上呈緩變的趨勢，為了充分地利用分布式光纖溫度傳感技術(shù)高靈敏度以及分布式探測的優(yōu)勢，相較于傳統(tǒng)的升溫和高溫閾值判斷方式，需設(shè)計更為精準的溫度報警判斷方式。

3.1算法設(shè)計

3.1.1將分布式光纖感溫光纜作為溫度傳感器，敷設(shè)于軌道交通區(qū)間隧道內(nèi)，用于采集軌道交通區(qū)間隧道沿線的環(huán)境溫度數(shù)據(jù)。

3.1.2采集各個分布式光纖監(jiān)測單元的溫度探測信號，采樣率1Hz。

3.1.3將各個時刻得到的數(shù)據(jù)進行拼接，得到一段時間（可設(shè)置，如：600秒）內(nèi)的全段溫度信號矩陣，再根據(jù)全段溫度信號矩陣繪制溫度場圖像，矩陣橫軸方向物理含義是空間距離，矩陣縱軸方向物理含義是時間。

3.1.4對溫度場圖像做頂帽變換，所得圖像再用OTSU算法提取全局閾值，將溫度場圖像分為前景和背景部分。OTSU算法步驟：OTSU算法的假設(shè)是存在閾值TH將圖像所有像素分為兩類C1（小于TH）和C2（大于TH），則這兩類像素各自的均值就為m1、m1，圖像全局均值為mG。同時像素被分為C1和C2類的概率分別為p1、p2。因此就有：統(tǒng)計得到溫度場圖像中的最大值L，而能使(4)式最大化的數(shù)值k（k<∈(0,L)）就是OTSU閾值，其中，按照公式(4)，遍歷數(shù)值0~L，求出使(4)式最大的k，即為全局閾值。

3.1.5圖像后景部分，可以看作此段時間的基準溫度，計算每列的均值，得到基準溫度序列。

3.1.6將基準溫度序列加Thigh(Thigh=30℃)作為此時的高溫閾值，查找空間-時間溫度場是否存在達到高溫閾值的區(qū)域，查找方式：記探測單元數(shù)量為n，則高溫閾值是一個1行n列的序列，記空間-時間溫度場矩陣的行數(shù)為t（即時間長度），將高溫閾值序列復(fù)制堆疊成一個t行n列的矩陣（使其矩陣大小與空間-時間溫度場矩陣相同），再計算高溫閾值矩陣減去空間-時間溫度場矩陣的差值矩陣，查找此差值矩陣中是否存在＞0的區(qū)域。若存在，統(tǒng)計此區(qū)域的空間涵蓋范圍，并發(fā)出高溫報警。

3.1.7使用LaplacianofGaussian算法對圖像前景部分做Blob檢測。將基準溫度序列加Trise(Thigh=10℃)作為此時的升溫閾值(Trise＜Thigh)。對于Blob檢測得到的奇異區(qū)域，若存在大小超過200個像素點，溫度超過升溫閾值的奇異區(qū)域，則統(tǒng)計此區(qū)域的空間涵蓋范圍，并發(fā)出升溫報警。

3.2模擬熱源測試

在某段軌道交通的隧道內(nèi)布設(shè)分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)，監(jiān)測長度約為2.7km，每個探測單元間隔長度為10m，即：此區(qū)間隧道內(nèi)分布有270個溫度探測單元。分別在監(jiān)測區(qū)域的首端和尾端隨機選擇測試位置，用人工熱源靠近分布式光纖溫度探測光纜，以模擬火災(zāi)發(fā)生時軌道交通隧道內(nèi)的環(huán)境溫度變化情況，如圖4所示，為人工熱源模擬火警測試的報警及定位結(jié)果。在圖4中可見，探測單元8至探測單元12，先探測到環(huán)境溫度的異常上升，達到此段實時計算的升溫閾值（基準溫度16.3℃+10℃），檢測到的溫度上升異常區(qū)域大小為625，超過了200個像素點，系統(tǒng)發(fā)出探測單元8-12升溫報警。之后，探測單元8至探測單元12探測到的溫度數(shù)據(jù)達到此段實時計算的高溫閾值（基準溫度16.3℃+30℃），系統(tǒng)發(fā)出探測單元8-12高溫報警。探測單元256至探測單元260，探測到環(huán)境溫度達到此段實時計算的高溫閾值（基準溫度15.6℃+30℃），系統(tǒng)發(fā)出探測單元256-260高溫報警。圖5所示為進行模擬熱源測試時，系統(tǒng)自動計算的各個探測單元的實時基準溫度，可見此時的環(huán)境溫度約為16℃，系統(tǒng)可以實時地描述軌道交通隧道沿線的溫度分布。由模擬熱源的測試結(jié)果可以看出，分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)可以準確地探測軌道交通區(qū)間隧道沿線的溫度分布，及時有效地探測到軌道交通區(qū)間隧道內(nèi)各個區(qū)域的溫度異常變化情況，可以實現(xiàn)軌道交通區(qū)間隧道內(nèi)溫度異常情況的實時報警和精準定位，為城市軌道交通的運營提供了重要的消防管理手段，也為城市軌道交通的運營安全提供了可靠保障。

4結(jié)論

經(jīng)過實驗室測試可得，分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)的測溫靈敏度和測溫精度，均能夠良好地滿足軌道交通區(qū)間隧道火災(zāi)監(jiān)測的測溫需求。本文提出的信號分析方法應(yīng)用于分布式光纖溫度傳感火災(zāi)預(yù)警，能夠充分利用分布式光纖溫度傳感技術(shù)分布式測量的優(yōu)勢，對軌道交通區(qū)間隧道內(nèi)溫度場的空間信息進行分析，能夠提取基準溫度在空間上的緩變趨勢，抑制由測溫光纜敷設(shè)位置環(huán)境不同引入的溫度差異干擾；通過檢測溫度場圖像的奇異區(qū)域作為升溫報警依據(jù)，利用光纖傳感分布式測量優(yōu)勢將溫度場的空間分布和時間分布進行結(jié)合分析，對軌道交通區(qū)間隧道沿線的溫度異常變化進行更為精準的監(jiān)測，能夠及時的預(yù)警早期火災(zāi)。因此，在軌道交通區(qū)間隧道使用分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)，通過早期火災(zāi)的及時預(yù)警，能將火災(zāi)造成的損失降到最低，在很大程度上提高了軌道交通火災(zāi)報警系統(tǒng)的可靠性和安全性，從而可靠地保障了軌道交通隧道運營過程中的消防安全。

作者：蘇泰華 馮浩波 單位：南寧軌道交通集團有限責(zé)任公司