常 程

(重庆市城投路桥管理有限公司 重庆 400015)

公路隧道具有结构封闭狭长、救援空间有限等特点，如果在公路隧道中发生火灾，若不能及时发现和处理，将造成极严重的后果。因此，公路隧道内的火灾报警系统应当具有更高的灵敏性，以对火灾的发生进行及时的预警。目前，公路隧道内常用的火灾预警系统，主要有光纤感温、红外探测、图像分析等类型[1]。这些火灾探测技术具有各自不同的应用特点。

1 原理

1.1 光纤光栅测温原理

光纤光栅传感的基本原理是利用光纤光栅的有效折射率和光栅周期对外界参量的敏感特性，将外界参量的变化转化为其布拉格波长的移动，通过检测光栅反射的中心波长移动实现对外界参量的测量。

光纤光栅测温技术利用了温度对光栅中心波长的偏移影响，其测温原理示意见图1。如图1所示，当一束宽带光注入光纤光栅，在一定波长范围内的光会被光栅反射回来，而其余不在此波长范围的光则会透射过去继续向前传播[2]。当光栅所在的环境温度发生变化，光栅的中心波长会发生偏移，通过检测这个偏移量，可以实现对温度变化的探测。在光纤光栅感温光缆中，串接了多个具有不同中心波长的光栅，能够分别探测各自位置的环境温度变化，利用波分复用技术，则可避免信号串扰。

图1 光纤光栅测温原理示意图

1.2 红外火焰探测原理

红外火焰探测技术是通过分析烃类物质燃烧生成物的光谱吸收峰，实现火灾监测[3]。一般消防系统采用的是三波段红外火焰探测器，3个不同波段的热释电红外传感器，其波段分别为：3.8，4.3，5.2 μm，根据传感器的光学特性，假设3个传感器采集到的信号都包含了真实火焰红外辐射信号、高温热源红外辐射信号和背景红外辐射信号，并且可以表示为三者的线性叠加，通过解耦运算，将3种信号各自分离出来[4]。系统再对这3种信号进行综合分析，判断在探测范围内是否存在火焰或者其他干扰源。

1.3 图像火灾探测

图像火灾探测技术通过对视频图像进行处理和分析，提取和判断火焰图像的物理特征，具有可视化、信息量丰富的特点。然而，通过视频图像来检测火焰，会面临如：白天和夜间的光线变化；车灯干扰；摄像机镜头污损干扰；对不存在明火的烟气检测和汽车尾气干扰；图像数据的处理速度和存储容量等诸多问题。而且当隧道中发生火灾时，隧道内局部的环境温度会急剧升高，从而导致摄像机损坏，监测失效。由于以上因素，视频火灾分析系统在公路隧道市场的使用案例较少[5]。

对以上几种火灾报警系统产品进行对比，结果见表1。

表1 常用高速公路隧道火灾报警技术比较表

参考GB 50116-2019 《火灾自动报警系统设计规范》[6]，在2 km内，且双车道隧道推荐使用光纤光栅型感温火灾探测器产品；在2 km以上，或三车道隧道及重点交通隧道工程(城市道路隧道、水底隧道)推荐使用光纤光栅和其他火灾报警系统进行组合使用。

2 系统安装及检测流程

2.1 光纤光栅感温火灾探测系统

从工程安装方式中，可以了解到该产品安装简单方便，现场不需通电，产品本质安全防爆。隧道现场温度信号通过传输光缆传输到隧道变电房的信号处理器上，信号处理器将报警和故障信号输入到火灾报警控制器，温度信号通过网口上传到监控中心的计算机上。工程设备布设安排见图2。

图2 光纤光栅感温火灾探测系统工程设备布设示意图

如图2所示，沿隧道中轴线采用膨胀螺栓将多个专用支架固定在隧道顶部，支架间距视钢绞线重量而定，以保证钢绞线垂度(小于10 cm)为原则，一般说来支架间距为20 m。将钢绞线沿隧道中轴线通过线夹安装在支架上，张紧并逐段固定。将探测器光缆用电缆挂钩固定在钢索上。

光纤光栅火灾监测系统依据光纤光栅布拉格波长变化来测量温度，当隧道内发生火灾时，高温的烟雾会快速到达到隧道顶部，引起环境温度的急剧上升，触发光纤光栅感温系统做出响应。

系统的报警依据包括差温报警和定温报警，当某区域在一定时长内的升温速率超过差温阈值，发出差温报警信息；当某区域的温度超过定温阈值，发出定温报警信息。由于系统所监测的物理量是实时的环境温度，随着昼夜和季节的周期性变化，环境温度在长时间内并不是恒定不变的，因此，系统应该通过对长时间温度变化规律的分析而对温度报警阈值进行相应调整。本系统利用自回归模型(autoregressive model，AR模型)，对隧道内各区域的温度变化规律进行分析预测，据此对各区域的报警阈值参数进行自动实时更新，将温度预测值与差温预设值之和，作为下一时段的温度报警阈值，使得测温系统能够更好地适应昼夜和季节变化的规律，提升系统的预警效果。

AR模型利用变量往期的变化规律得到其自身的预测值，主要以前期多个时段的温度探测值作为参考依据，记为：Xt-1，Xt-2，…，Xt-p。序列值Xt，可以根据前p个时刻的序列值及当前的噪声值推得，即

Xt=a1Xt-1+a2Xt-2+…+apXt-p+εt

式中：ap为参数；εt为白噪声。

利用系统采集的历史测温数据，根据最小二乘原则计算模型参数，对AR模型进行检验。本文根据最终预报误差准则对系统采用的AR模型进行定阶。确定系统采用五阶AR模型，模型参数确定见表2。

表2 系统采用模型参数

2.2 红外火焰探测系统

三波段红外火焰探测器，使用4.4，3.8，5.0 μm 3个波段，可同时排除高温物体(例如，电烙铁、太阳等)和低温物体(例如，车灯、路灯等)的干扰。

每个红外火焰探测器使用了左、右2个三波长红外传感窗口进行探测，其探测范围示意见图3。探测区域为视场角180°的双扇形圆锥区域，水平方向的探测距离可以达到左、右各25 m。系统先对采集数据进行解耦预处理，再对3个波段数据进行分析和判别，判断是否发出报警信息。

图3 红外火焰探测器探测范围示意图

2.3 监测流程及结果

监测流程见图4。

图4 隧道火灾报警系统监测流程

系统软件同时支持光纤光栅和火焰探测器，当监测数据达到温度报警条件，系统界面输出温度报警信息；当监测数据达到火焰探测报警条件，系统界面输出火焰探测报警信息，同时读取此位置的温度信息并显示，监测系统软件界面见图5。

图5 监测系统软件界面

在西南地区的某条公路隧道中，同时安装有光纤光栅火灾测温系统和红外火焰探测系统，软件平台将2个系统的监测结果进行整合分析，经过长期观察，具有良好的运行效果。光纤光栅感温火灾探测器具有稳定性好、抗干扰能力强等特点，但是受隧道内自然风影响会使监测结果产生漂移和偏差；三波长红外火焰探测器则能够快速响应明火，不受自然风的影响，但如果火灾现场有障碍物遮挡时，会影响对火焰的判断。将光纤光栅火灾测温系统与红外火焰探测器系统的结果结合起来，进行综合分析判断，使2种技术互为补充，可以实现对公路隧道火灾的灵敏可靠监测。

3 结语

公路隧道火灾的早期预防，对公路隧道的运营安全具有极为重要的意义。在公路隧道中同时安装光纤光栅火灾测温系统和红外火焰探测器系统，将2种系统所得监测数据进行联合分析判断，线型和点型相结合的方式更适合于高速公路隧道火灾监测，能够实现对高速公路隧道火灾的快速、准确探测。