光纤光栅火灾报警在高速公路隧道中的应用

2015-04-16张毅聪

交通科技 2015年2期

张毅聪

（福建省高速公路有限公司漳州分公司漳州 363000）

1 光纤光栅火灾报警系统

光纤光栅是一种光纤无源器件，其内部纤芯所包含的物质呈有规律的周期性调制。它运用的原理主要是将外部的入射光子通过某种手段使其和离子作用，并使得纤芯折射率延轴方向呈永久变化，这种变化可以是周期性的，也可以是非周期性的，这其中兼顾到了光纤的光敏性的特征，在这种情况下使得空间相位光栅在纤芯内部形成［1］。

1.1 系统运用范围

根据不同标准，隧道也分为不同的种类，如铁路隧道、运河隧道、水底隧道、海底隧道、公路隧道等。由于隧道具有封闭性的特征，对于火灾的产生和扩大蔓延都具有推动作用，所以光纤光栅火灾报警系统运用于隧道具有重大的现实意义。

提早预防是将火灾发生几率以及危害降低到最小的有效方法。火灾报警系统的发展主要经历了以下3个阶段：第一阶段是使用开关多线制式的报警系统。第二阶段也同样是使用开关，但较前者而言有了一定的进步，所使用的是总线控制式。第三阶段是最新的智能报警系统。而本文所介绍的系统就是属于第三阶段的智能报警系统［2］。

火灾报警系统都存在一定的误报率，不仅是对资源也是对人力劳动的一大浪费。而光纤光栅火灾报警系统运用先进的科学技术，提高了报警准确率，由于其具备的分布控制范围广泛，漏报率也得以降低［3］。

1.2 系统组成结构

光纤光栅火灾报警系统的工作过程主要分为实地信号采集、信号传输和信号分析。

首先将光纤通过串联或者并联的方式安装在传输光缆线中。由于该系统的工作原理主要是根据其对温度的敏感性，它可以敏锐地感觉到特定的区域范围内温度的升高，再将其转换为波长信息。通过与传输光缆线相连接的分析仪器，波长信息将被丝毫不差地传输到分析仪器上进行分析，并将其温度升高这一现状反馈给计算机终端，这样工作人员只需要坐在电脑前就可以将隧道某个路段的火灾情况得知，便于迅速做出反应［4－5］。

1.3 系统主要优势

（1）自身安全性。主要表现在系统所使用的材料是非金属的，非常耐腐蚀，并且它绝缘不发热，自身不会产生导致火灾等险情的潜在因素。

（2）技术性强。系统主要通过单端输入和单端检测，并且传输的信号是以波长的形式，传输方式避免使其受到其他介质的干扰，稳定性较强，传输速度也较传统的火灾报警系统有了大幅度的提高。加之其感温范围是网状的，可以将该范围内的温度信号及时反馈到计算机终端，误报漏报率较低。

（3）系统的环保性。也是由于其自身材质的特点，便于回收再利用。加之其为网状感应，在线路的铺设上便可减少材料，既有效地节约了资金，又有利于环保建设。

2 光纤光栅火灾报警系统运用情况

高速公路隧道是隧道的一种，封闭性是其基本特性。加之在其中行驶的车辆速度较快，且光照条件差等诸多因素的综合影响下，高速公路隧道险情多发，其中以火灾最为常见。隧道火灾的产生主要来自于两方面：隧道自身内部电线等设施退化腐蚀引起的火灾；由于车辆所载的易燃易爆物如石油等的泄露引起的火灾以及车辆自燃或者交通事故引起的火灾。无论何种原因引起的火灾，都会对人的生命安全和财物安全造成重大损失。就中国而言，每年的火灾事件中，高速公路隧道火灾占的比重较大，从中可以看出，警报预防火灾的发生具有重大的现实意义。

2.1 高速公路隧道火灾报警系统设计

由于高速公路隧道具有狭长、密闭的特征，一旦发生高速公路火灾，其对隧道内车辆和人员的逃生产生了重大威胁，因此火灾报警系统的设计十分重要。在采用光纤光栅火灾报警系统之时，需要着重考虑报警系统探测器类别、探测器布点、报警方式等方面的因素。

（1）探测器类别的选择。由于高速公路火灾影响十分巨大，在火灾探测器方面要尽量考虑引起火灾的各种可能原因。从目前的情况来看，国内许多高速公路隧道在设计之时多考虑汽车起火、碰撞等原因归纳起来的火灾，因此国内高速公路在探测器选择上，基本选择光纤光栅传感器（感温、感光），利用光纤传感的及时性增加传感及时性和准确性。但是在国内，许多高速公路并没有考虑危险品运输车在隧道内发生液体或者气体泄露之后可能发生爆炸而所需采取的提前预警体系。因此从液体或者气体泄露引起火灾的角度来说，高速公路还必须加装气体传感探测器，从而实现对高速公路火灾的全面预防。气体探测器检测元件采用进口的气体敏感元件，能够根据周围气体的浓度，对应输出相应的信号给控制器，再传送至控制中心。

（2）探测器布点。由于光纤光栅对光环境和温度非常敏感，需要根据隧道环境进行调试。而这其中的关键在于布点是否合理。一般来说光纤光栅火灾报警系统把隧道划分为多个监测分区，每个分区长100m。一根光纤光栅传感器最多可覆盖4个分区，在每个分区布置15个光纤光栅探头，探头间距约为6.6m，一根光纤光栅传感器最多可对400m的距离进行监测。因此，在隧道的布点上需要非常严谨。

（3）预警方式的选择。虽然光纤光栅报警系统预埋在墙体之内，但是由于预警系统在极端情况下也会失灵，也会由于车速过快导致预警点不准，因此需要在系统预警基础上，设立手动的预警装置。而且在预警系统启动之后，隧道必须要有紧急逃生指示灯为隧道内人员撤离做出科学判断。

2.2 实例分析——以沈海复线高速公路漳州段隧道为例

以下将以沈海复线高速公路漳州段隧道为例具体分析光纤光栅火灾报警在高速公路隧道中的应用。

2.2.1 沈海复线高速公路漳州段隧道介绍

沈海复线高速公路漳州段于2011年3月正式动工，总长约107km，总投资额达71.58亿元，于2013年12月中旬完工。

该路段的高速公路位于福建省东南部地区，所经过的地形区包括丘陵、山间的凹地、河谷地区的阶地以及残积台地等。部分地区的地形起伏较大，施工难度较大。

根据不同的地形需制定不同的施工方案，在部分地区需修建高速公路隧道。这其中包括高梨山隧道、延山隧道、国强隧道、大溪隧道。

2.2.2 光纤传感项目的产品在该隧道运用中的优势

沈海复线高速公路漳州段隧道火灾报警系统主要运用了感温光纤探测器。2014年12月中旬光纤光栅感温火灾自动报警系统铺设完成。

笔者作为隧道机电设备的管理者，在对该报警系统在高速公路隧道中的使用情况进行详细考察研究后，总结出了以下几个优点。

（1）系统准确率较高。该系统使用的是光栅检测和光纤传输，在运营通车投入使用后极少出现误报以及漏报的情况，准确率较高。

（2）系统传输便捷。传统的火灾报警器往往受到隧道长度以及隧道内部环境的影响。而运用在沈海复线高速公路漳州段隧道中的光纤光栅感温火灾自动报警系统，可不受这种情况的干预，原因在于该系统包裹在光缆线中，而此种光缆线在隧道内的传输与检测自主性较大，不会受到隧道长度的限制。并且该系统传输的信号受到处理器的实时监控，这种监控与接收方式排除了雷电以及电磁波对信号传输的干扰，保证了信号能够快速准确地传达到终端监控系统。

（3）系统操作方便。光纤光栅火灾报警系统属于火灾报警系统发展中的第三代智能系统，操作简单方便，具有人性化的特点。该系统的操作界面功能较好，能够清晰地呈现隧道内温度数据并能提供随温度变化的曲线图，而且可以保存历史数据。存储空间大，数据类型多，方便今后的查询和录入档案。

（4）系统后期维护方便。一个系统的实用性不仅体现在前期的建设过程以及使用过程，更为关键的是后期的维护工作，好的系统从建设之初到最后的维护都能够最大化地达到标准。从考察到的系统在沈海复线高速公路漳州段隧道中维护情况看，它也拥有这种优势，原因在于该系统具有较强的自检和故障告警功能。

2.2.3 光纤传感项目的产品在该隧道运用中的可发展之处

目前，科技发展速度快，产品更新发展也随之加快。在对光纤传感项目的产品在隧道中实际情况的全面勘察后，发现该系统仍有可待提高之处。从国内外该系统的研发趋势及需求情况来看，系统网络化、大范围、准分布式测量是该系统的发展趋势。

就该系统在沈海复线高速公路漳州段隧道中的运用状况来看，虽有许多较以往的火灾报警系统的优势，但仍需做出改进。

（1）需要调节光源、光纤光栅传感器。为了使投入与产出得到最大化的收益，需要根据隧道内部实际情况进行调节。调节光源使其达到最理想的状态可以促进该系统网络化的发展；而对光纤光栅传感器的调节则需根据实际情况，增加或减少传感器的数量，且位置的选择格外重要。

（2）加强对信号的检测。信号的传输是整个系统中极为重要的部分，需要增强系统的自检功能，从而降低成本。