轨道交通隧道光纤测温火灾报警算法研究和应用

苏泰华 冯浩波

（南宁轨道交通集团有限责任公司，广西南宁 530029）

1 概述

消防安全对于城市轨道交通的运营管理极为重要，对轨道交通区间隧道沿线进行实时的温度监测，及时预警火灾发生，是城市轨道交通安全运营的重要保证[1-2]。感温式火灾探测是一种火灾早期探测和预报的方法，这种方法实时监测隧道沿线温度，在温度异常变化或温度到达火警阈值时发出报警[3]。分布式光纤温度传感技术具有电绝缘、抗电磁干扰、不受烟雾灰尘干扰、耐腐蚀、灵敏度高、测温精度高、使用寿命长、易于组网等优点，非常适合用于轨道交通区间隧道的火灾监测[4-5]。感温式火灾报警系统目前采用的报警方法是升温报警和高温报警：当系统监测到某探测位置在某一时段内的温度上升超过升温阈值时，发出升温报警信号；当系统监测到某探测位置的温度值超过高温阈值时，发出高温报警信号。但是此报警方法没有充分利用分布式光纤传感技术分布式测量的优势来分析温度场的空间信息，由于温度传感光缆敷设位置环境的不同，其基准温度也会在空间上呈缓变的趋势，为了充分地利用分布式光纤温度传感技术高灵敏度以及分布式探测的优势，需要设计一种更为精准的温度火灾报警判断方式。

2 测温精度测试

2.1 高低温试验箱测试

选取一段包含有10 个温度探测单元的分布式光纤温度传感光缆，将此段光缆放置于高低温试验箱内，进行升温和降温测试，记录出这10 个温度探测单元各个时刻的测温数据，将高低温箱的实时温度的读数作为参考标准，统计分布式光纤温度传感光缆的测温误差。

如图1 所示，为高低温试验箱升温测试记录，高低温箱从室温（约17.0℃），升温至150℃，升温速率约为1.7℃/分钟。10 个温度探测单元均能准确地采集到实时的环境温度数据，及时有效地探测到环境温度的变化情况，根据采集到的数据统计，得到测温误差≤±1.2℃。

图1 高低温试验箱升温测试记录

如图2 所示，为高低温试验箱降温测试记录，高低温箱从室温（约18.6℃），降温至-30℃，降温速率约为0.9℃/分钟。10 个温度探测单元均能准确地采集到实时的环境温度数据，及时有效地探测到环境温度的变化情况，根据采集到的数据统计，得到测温误差≤±0.9℃。

图2 高低温试验箱降温测试记录

2.2 室温测试

将此段包含有10 个温度探测单元的分布式光纤温度传感光缆，放置于室温下，以1Hz 的采样率，实时采集环境温度数据，采集时长为100 分钟。绘制各个探测单元的温度探测曲线，如图3 所示。

图3 室温环境温度探测曲线

从图3 室温环境温度探测曲线中可以看出，此段分布式光纤温度传感光缆所包含的10 个温度探测单元，均能够准确的描述室内温度缓变的过程，各个探测单元在同一时刻的测量误差≤1℃。

综上所述，分布式光纤温度传感系统的测温灵敏度和测温精度，均能够良好地满足轨道交通区间隧道火灾监测的测温需求。

3 火灾报警算法设计

由上一节的实验测试结果可知，分布式光纤温度传感系统，具有灵敏度高、测温精度高的技术优势。由于温度传感光缆在轨道交通区间隧道内敷设位置环境的不同，其基准温度也会在空间上呈缓变的趋势，为了充分地利用分布式光纤温度传感技术高灵敏度以及分布式探测的优势，相较于传统的升温和高温阈值判断方式，需设计更为精准的温度报警判断方式。

3.1 算法设计

3.1.1 将分布式光纤感温光缆作为温度传感器，敷设于轨道交通区间隧道内，用于采集轨道交通区间隧道沿线的环境温度数据。

3.1.2 采集各个分布式光纤监测单元的温度探测信号，采样率1Hz。

3.1.3 将各个时刻得到的数据进行拼接，得到一段时间（可设置，如：600 秒）内的全段温度信号矩阵，再根据全段温度信号矩阵绘制温度场图像，矩阵横轴方向物理含义是空间距离，矩阵纵轴方向物理含义是时间。

3.1.4 对温度场图像做顶帽变换，所得图像再用OTSU 算法提取全局阈值，将温度场图像分为前景和背景部分。

OTSU 算法步骤：OTSU 算法的假设是存在阈值TH将图像所有像素分为两类C1（小于TH）和C2（大于TH），则这两类像素各自的均值就为m1、m1，图像全局均值为mG。同时像素被分为C1和C2类的概率分别为p1、p2。因此就有：

根据方差的概念，类间方差表达式为：

把上式化简，将式(1)代入式(3)，可得：

统计得到温度场图像中的最大值L，而能使(4)式最大化的数值k（k＜∈(0,L)）就是OTSU 阈值，其中，

按照公式(4)，遍历数值0～L，求出使(4)式最大的k，即为全局阈值。

3.1.5 图像后景部分，可以看作此段时间的基准温度，计算每列的均值，得到基准温度序列。

3.1.6 将基准温度序列加Thigh(Thigh=30℃)作为此时的高温阈值，查找空间- 时间温度场是否存在达到高温阈值的区域，查找方式：记探测单元数量为n，则高温阈值是一个1 行n 列的序列，记空间- 时间温度场矩阵的行数为t（即时间长度），将高温阈值序列复制堆叠成一个t 行n 列的矩阵（使其矩阵大小与空间- 时间温度场矩阵相同），再计算高温阈值矩阵减去空间-时间温度场矩阵的差值矩阵，查找此差值矩阵中是否存在＞0 的区域。若存在，统计此区域的空间涵盖范围，并发出高温报警。

3.1.7 使用Laplacian of Gaussian算法对图像前景部分做Blob 检测。将基准温度序列加Trise(Thigh=10℃)作为此时的升温阈值(Trise＜Thigh)。对于Blob 检测得到的奇异区域，若存在大小超过200 个像素点，温度超过升温阈值的奇异区域，则统计此区域的空间涵盖范围，并发出升温报警。

3.2 模拟热源测试

在某段轨道交通的隧道内布设分布式光纤温度传感系统，监测长度约为2.7km，每个探测单元间隔长度为10m，即：此区间隧道内分布有270 个温度探测单元。分别在监测区域的首端和尾端随机选择测试位置，用人工热源靠近分布式光纤温度探测光缆，以模拟火灾发生时轨道交通隧道内的环境温度变化情况，如图4 所示，为人工热源模拟火警测试的报警及定位结果。

在图4 中可见，探测单元8 至探测单元12，先探测到环境温度的异常上升，达到此段实时计算的升温阈值（基准温度16.3℃+10℃），检测到的温度上升异常区域大小为625，超过了200 个像素点，系统发出探测单元8-12 升温报警。之后，探测单元8 至探测单元12 探测到的温度数据达到此段实时计算的高温阈值（基准温度16.3℃+30℃），系统发出探测单元8-12 高温报警。探测单元256 至探测单元260，探测到环境温度达到此段实时计算的高温阈值（基准温度15.6℃+30℃），系统发出探测单元256-260 高温报警。

图4 人工热源模拟火警测试的报警及定位结果

图5 所示为进行模拟热源测试时，系统自动计算的各个探测单元的实时基准温度，可见此时的环境温度约为16℃，系统可以实时地描述轨道交通隧道沿线的温度分布。

图5 系统实时基准温度

由模拟热源的测试结果可以看出，分布式光纤温度传感系统可以准确地探测轨道交通区间隧道沿线的温度分布，及时有效地探测到轨道交通区间隧道内各个区域的温度异常变化情况，可以实现轨道交通区间隧道内温度异常情况的实时报警和精准定位，为城市轨道交通的运营提供了重要的消防管理手段，也为城市轨道交通的运营安全提供了可靠保障。

4 结论

经过实验室测试可得，分布式光纤温度传感系统的测温灵敏度和测温精度，均能够良好地满足轨道交通区间隧道火灾监测的测温需求。本文提出的信号分析方法应用于分布式光纤温度传感火灾预警，能够充分利用分布式光纤温度传感技术分布式测量的优势，对轨道交通区间隧道内温度场的空间信息进行分析，能够提取基准温度在空间上的缓变趋势，抑制由测温光缆敷设位置环境不同引入的温度差异干扰；通过检测温度场图像的奇异区域作为升温报警依据，利用光纤传感分布式测量优势将温度场的空间分布和时间分布进行结合分析，对轨道交通区间隧道沿线的温度异常变化进行更为精准的监测，能够及时的预警早期火灾。因此，在轨道交通区间隧道使用分布式光纤温度传感系统，通过早期火灾的及时预警，能将火灾造成的损失降到最低，在很大程度上提高了轨道交通火灾报警系统的可靠性和安全性，从而可靠地保障了轨道交通隧道运营过程中的消防安全。