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摘要：消防安全是城市軌道交通安全運(yùn)營(yíng)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(shì)，非常適合于軌道交通隧道消防領(lǐng)域的應(yīng)用。由溫度實(shí)驗(yàn)測(cè)試可得，分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)的靈敏度和測(cè)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(cè)的測(cè)溫應(yīng)用需求。利用分布式光纖溫度傳感技術(shù)分布式測(cè)量的特點(diǎn)，分析軌道交通區(qū)間隧道沿線的空間-時(shí)間溫度場(chǎng)信息，對(duì)軌道交通區(qū)間隧道的溫度異常變化可以進(jìn)行更為精準(zhǔn)的監(jiān)測(cè)，有效提高軌道交通隧道火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的報(bào)警準(zhǔn)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(cè)溫

1概述

消防安全對(duì)于城市軌道交通的運(yùn)營(yíng)管理極為重要，對(duì)軌道交通區(qū)間隧道沿線進(jìn)行實(shí)時(shí)的溫度監(jiān)測(cè)，及時(shí)預(yù)警火災(zāi)發(fā)生，是城市軌道交通安全運(yùn)營(yíng)的重要保證[1-2]。感溫式火災(zāi)探測(cè)是一種火災(zāi)早期探測(cè)和預(yù)報(bào)的方法，這種方法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)隧道沿線溫度，在溫度異常變化或溫度到達(dá)火警閾值時(shí)發(fā)出報(bào)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(cè)溫精度高、使用壽命長(zhǎng)、易于組網(wǎng)等優(yōu)點(diǎn)，非常適合用于軌道交通區(qū)間隧道的火災(zāi)監(jiān)測(cè)[4-5]。感溫式火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)目前采用的報(bào)警方法是升溫報(bào)警和高溫報(bào)警：當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到某探測(cè)位置在某一時(shí)段內(nèi)的溫度上升超過升溫閾值時(shí)，發(fā)出升溫報(bào)警信號(hào)；當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到某探測(cè)位置的溫度值超過高溫閾值時(shí)，發(fā)出高溫報(bào)警信號(hào)。但是此報(bào)警方法沒有充分利用分布式光纖傳感技術(shù)分布式測(cè)量的優(yōu)勢(shì)來分析溫度場(chǎng)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(zhǔn)溫度也會(huì)在空間上呈緩變的趨勢(shì)，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(cè)的優(yōu)勢(shì)，需要設(shè)計(jì)一種更為精準(zhǔn)的溫度火災(zāi)報(bào)警判斷方式。

2測(cè)溫精度測(cè)試

2.1高低溫試驗(yàn)箱測(cè)試

選取一段包含有10個(gè)溫度探測(cè)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(yàn)箱內(nèi)，進(jìn)行升溫和降溫測(cè)試，記錄出這10個(gè)溫度探測(cè)單元各個(gè)時(shí)刻的測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)，將高低溫箱的實(shí)時(shí)溫度的讀數(shù)作為參考標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)計(jì)分布式光纖溫度傳感光纜的測(cè)溫誤差。如圖1所示，為高低溫試驗(yàn)箱升溫測(cè)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(gè)溫度探測(cè)單元均能準(zhǔn)確地采集到實(shí)時(shí)的環(huán)境溫度數(shù)據(jù)，及時(shí)有效地探測(cè)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(jì)，得到測(cè)溫誤差≤±1.2℃。如圖2所示，為高低溫試驗(yàn)箱降溫測(cè)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(gè)溫度探測(cè)單元均能準(zhǔn)確地采集到實(shí)時(shí)的環(huán)境溫度數(shù)據(jù)，及時(shí)有效地探測(cè)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(jì)，得到測(cè)溫誤差≤±0.9℃。

2.2室溫測(cè)試

將此段包含有10個(gè)溫度探測(cè)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(shí)時(shí)采集環(huán)境溫度數(shù)據(jù)，采集時(shí)長(zhǎng)為100分鐘。繪制各個(gè)探測(cè)單元的溫度探測(cè)曲線，如圖3所示。從圖3室溫環(huán)境溫度探測(cè)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(gè)溫度探測(cè)單元，均能夠準(zhǔn)確的描述室內(nèi)溫度緩變的過程，各個(gè)探測(cè)單元在同一時(shí)刻的測(cè)量誤差≤1℃。綜上所述，分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)的測(cè)溫靈敏度和測(cè)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(cè)的測(cè)溫需求。

3火災(zāi)報(bào)警算法設(shè)計(jì)

由上一節(jié)的實(shí)驗(yàn)測(cè)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(cè)溫精度高的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。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(zhǔn)溫度也會(huì)在空間上呈緩變的趨勢(shì)，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(cè)的優(yōu)勢(shì)，相較于傳統(tǒng)的升溫和高溫閾值判斷方式，需設(shè)計(jì)更為精準(zhǔn)的溫度報(bào)警判斷方式。

3.1算法設(shè)計(jì)

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(gè)分布式光纖監(jiān)測(cè)單元的溫度探測(cè)信號(hào)，采樣率1Hz。

3.1.3將各個(gè)時(shí)刻得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接，得到一段時(shí)間（可設(shè)置，如：600秒）內(nèi)的全段溫度信號(hào)矩陣，再根據(jù)全段溫度信號(hào)矩陣?yán)L制溫度場(chǎng)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(shí)間。

3.1.4對(duì)溫度場(chǎng)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(chǎng)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(shí)像素被分為C1和C2類的概率分別為p1、p2。因此就有：統(tǒng)計(jì)得到溫度場(chǎng)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(shí)間的基準(zhǔn)溫度，計(jì)算每列的均值，得到基準(zhǔn)溫度序列。

3.1.6將基準(zhǔn)溫度序列加Thigh(Thigh=30℃)作為此時(shí)的高溫閾值，查找空間-時(shí)間溫度場(chǎng)是否存在達(dá)到高溫閾值的區(qū)域，查找方式：記探測(cè)單元數(shù)量為n，則高溫閾值是一個(gè)1行n列的序列，記空間-時(shí)間溫度場(chǎng)矩陣的行數(shù)為t（即時(shí)間長(zhǎng)度），將高溫閾值序列復(fù)制堆疊成一個(gè)t行n列的矩陣（使其矩陣大小與空間-時(shí)間溫度場(chǎng)矩陣相同），再計(jì)算高溫閾值矩陣減去空間-時(shí)間溫度場(chǎng)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(jì)此區(qū)域的空間涵蓋范圍，并發(fā)出高溫報(bào)警。

3.1.7使用LaplacianofGaussian算法對(duì)圖像前景部分做Blob檢測(cè)。將基準(zhǔn)溫度序列加Trise(Thigh=10℃)作為此時(shí)的升溫閾值(Trise＜Thigh)。對(duì)于Blob檢測(cè)得到的奇異區(qū)域，若存在大小超過200個(gè)像素點(diǎn)，溫度超過升溫閾值的奇異區(qū)域，則統(tǒng)計(jì)此區(qū)域的空間涵蓋范圍，并發(fā)出升溫報(bào)警。

3.2模擬熱源測(cè)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(cè)長(zhǎng)度約為2.7km，每個(gè)探測(cè)單元間隔長(zhǎng)度為10m，即：此區(qū)間隧道內(nèi)分布有270個(gè)溫度探測(cè)單元。分別在監(jiān)測(cè)區(qū)域的首端和尾端隨機(jī)選擇測(cè)試位置，用人工熱源靠近分布式光纖溫度探測(cè)光纜，以模擬火災(zāi)發(fā)生時(shí)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(cè)試的報(bào)警及定位結(jié)果。在圖4中可見，探測(cè)單元8至探測(cè)單元12，先探測(cè)到環(huán)境溫度的異常上升，達(dá)到此段實(shí)時(shí)計(jì)算的升溫閾值（基準(zhǔn)溫度16.3℃+10℃），檢測(cè)到的溫度上升異常區(qū)域大小為625，超過了200個(gè)像素點(diǎn)，系統(tǒng)發(fā)出探測(cè)單元8-12升溫報(bào)警。之后，探測(cè)單元8至探測(cè)單元12探測(cè)到的溫度數(shù)據(jù)達(dá)到此段實(shí)時(shí)計(jì)算的高溫閾值（基準(zhǔn)溫度16.3℃+30℃），系統(tǒng)發(fā)出探測(cè)單元8-12高溫報(bào)警。探測(cè)單元256至探測(cè)單元260，探測(cè)到環(huán)境溫度達(dá)到此段實(shí)時(shí)計(jì)算的高溫閾值（基準(zhǔn)溫度15.6℃+30℃），系統(tǒng)發(fā)出探測(cè)單元256-260高溫報(bào)警。圖5所示為進(jìn)行模擬熱源測(cè)試時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算的各個(gè)探測(cè)單元的實(shí)時(shí)基準(zhǔn)溫度，可見此時(shí)的環(huán)境溫度約為16℃，系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)地描述軌道交通隧道沿線的溫度分布。由模擬熱源的測(cè)試結(jié)果可以看出，分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)可以準(zhǔn)確地探測(cè)軌道交通區(qū)間隧道沿線的溫度分布，及時(shí)有效地探測(cè)到軌道交通區(qū)間隧道內(nèi)各個(gè)區(qū)域的溫度異常變化情況，可以實(shí)現(xiàn)軌道交通區(qū)間隧道內(nèi)溫度異常情況的實(shí)時(shí)報(bào)警和精準(zhǔn)定位，為城市軌道交通的運(yùn)營(yíng)提供了重要的消防管理手段，也為城市軌道交通的運(yùn)營(yíng)安全提供了可靠保障。

4結(jié)論

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室測(cè)試可得，分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)的測(cè)溫靈敏度和測(cè)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(cè)的測(cè)溫需求。本文提出的信號(hào)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(cè)量的優(yōu)勢(shì)，對(duì)軌道交通區(qū)間隧道內(nèi)溫度場(chǎng)的空間信息進(jìn)行分析，能夠提取基準(zhǔn)溫度在空間上的緩變趨勢(shì)，抑制由測(cè)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(cè)溫度場(chǎng)圖像的奇異區(qū)域作為升溫報(bào)警依據(jù)，利用光纖傳感分布式測(cè)量?jī)?yōu)勢(shì)將溫度場(chǎng)的空間分布和時(shí)間分布進(jìn)行結(jié)合分析，對(duì)軌道交通區(qū)間隧道沿線的溫度異常變化進(jìn)行更為精準(zhǔn)的監(jiān)測(cè)，能夠及時(shí)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(shí)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(bào)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(yùn)營(yíng)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(tuán)有限責(zé)任公司