基于光纤温度传感的高速公路隧道机电设备监测

张君杰

(广东省路桥建设发展有限公司汕湛分公司 广州 510660)

实时监测高速公路隧道中众多机电设备的温度异常状态,对于高速公路隧道的消防安全和稳定运营极为重要[1-2]。光纤温度传感系统利用光纤作为温度探测器,传感部分无需供电不会引入额外的消防风险,非常适合用于高速公路隧道机电设备的温度状态监测[3-4]。但现有的隧道测温系统主要关注隧道内的异常升温或高温情形[5],而在隧道内存在着众多的机电设备,其运转时产生的散热和气流,会对隧道测温系统的判断造成干扰,容易引起误报和漏报,影响系统监测效果,因此针对隧道内环境的特殊情况,需要对隧道内温度场异常监测设计更加合理的判断方法[6]。

利用光纤温度传感技术的实时长距离分布式探测的优势,可以实时采集高速公路隧道中的温度场数据,并结合时间维度形成隧道内的温度场图像,通过对光纤温度场图像数据分析,判断温度异常波动的区域,再对相应区域发出预警信息,以有效提升感温火灾探测系统的运行水平,在过滤掉隧道内机电设备正常运行散热引入的干扰的同时,及时监测到隧道内机电设备的温度异常情况。

本文主要探究针对高速公路隧道内存在特定热源干扰的情况下,如何对真正具有危险性的异常升温情况进行及时识别和预警,以提高温度火灾监测系统的报警准确率,确保系统的监测效果。

1 系统架构

选择一段高速公路隧道作为试点应用工程,在隧道内安装布设光纤温度传感系统。将温度探测光缆按4 m的长度间隔,通过固定件安装于隧道上方内壁,将温度探测光缆布设于高速公路隧道全段沿线,温度探测光缆的布设方向与隧道走向一致。在温度探测光缆安装布设完成后,将温度探测光缆与传输光缆进行熔接,光纤温度探测仪表放置于高速公路隧道的中控室内,将传输光缆接入光纤温度探测仪表。基于分布式光纤温度传感系统的探测空间连续的技术优势,系统在获得高速公路隧道监测区域各个位置温度时序信号的同时,通过将各个探测位置的温度时序信号按照实际的空间顺序进行拼接,可以获得温度信号的空间-时间二维数据矩阵,即形成探测区域的温度场瀑布图,瀑布图的横轴指示温度信号的空间位置信息,纵轴指示温度信号的时刻信息。通过探测区域的温度场瀑布图,可进一步获得高速公路隧道沿线温度的空间分布特征。

2 常规数据采集

在常规状态下采集一段200 min的隧道温度监测数据,采集时间为2023年4月,隧道温度场图像见图1。在此温度场监测图像片段中,图像横轴代表空间距离,单位为m,纵轴代表时间,单位为min,即:光纤温度传感系统每隔1 min,采集1次监测区域的全段温度探测数据,并按照探测点的实际空间顺序将温度-时间数据序列进行排列整合,所整合而成的空间-时间温度数据矩阵,即监测区域的温度场监测图像,可以从中直观地看到监测区域内温度异常情况出现的时间范围和空间范围。由图1可见,在离探测起点约300 m的位置,有1个较为恒定的发热源,为隧道内某机电设备运行散热所致。探测起点区域的温度相对于隧道内其他位置,温度较低。在距探测起点约150,500 m的位置,温度数据出现小幅度降低和波动,为隧道内的风机运行所致。分析隧道内受恒定热源影响的区域,其温度场图像虽然相较于其邻近区域,温度数据有较为明显的升高,但其温度升高区域的图像边缘,较为整齐和一致,在温度场图像中,呈现为1个类似矩形的形态。

图1 常规状态隧道温度场

统计各个探测点的温度数据序列,将各序列数值从大到小进行排序,分别计算最前5个数值之和与最后5个数值之和,再计算其比值,作为温度数据序列的波动比计算方式,则该高速公路隧道内的温度数据波动比分布见图2。

图2 常规状态波动比

隧道内温度场的平均波动比为2.2 dB,可见2处受风机影响的位置具有相对较高的波动比,分别可达4.3,7.1 dB,而受机电设备散热影响的区域,其波动比没有出现升高的情况,最低值为1.6 dB。

3 模拟异常数据

在隧道内进行模拟升温实验,在离探测起点约600 m的位置,使用电烙铁多次点触测温光缆,模拟机电设备异常升温情况,在离探测起点约3 000 m的位置,点燃汽油火盆,模拟隧道内火焰升温情况,模拟升温实验期间采集的200 min温度场图像数据见图3。

由图3可见,电烙铁多次点触测温光缆的温度信号,其图像所呈现的规律性较明显,升温影响范围相对较小;点燃汽油火盆的温度信号,其图像则呈现出较大的波动性,尤其在图块边缘部位的波动性更为明显,并且升温影响范围相对较大。

计算模拟升温实验期间采集的各探测点的温度数据序列的波动比结果见图4。

图4 模拟升温实验波动比

由图4可见,在电烙铁多次点触测温光缆测试位置和点燃汽油火盆测试位置,其温度信号波动比均有明显提升,其波动比数值最大分别可达41.6,36.6 dB。而受机电设备散热影响的区域,其波动比仍然较低,均值为1.7 dB。

4 算法设计

根据上节分析,对于高速公路隧道中的机电设备温度异常状态监测,主要干扰源为设备自身散热、通风处环境温度波动等,而对于机电设备异常升温和火焰导致的环境温度上升,均是系统必须报警的情况。根据对机电设备异常升温和火焰升温数据的分析,可知此时温度信号的波动比均会明显上升,而机电设备异常升温信号在温度场图像中所呈现的规律性较明显,升温影响范围相对较小,火焰升温信号在温度场图像中则呈现出较大的波动性,升温影响范围相对较大。对于高速公路隧道机电设备温度异常状态监测,信号分析流程设计如下。

1) 实时采集监测区域沿线温度信号数据,形成监测区域温度场。

2) 分别计算各个监测单元温度数据序列的波动比,温度信号波动比计算方式:分别计算最前5个数值之和与最后5个数值之和,再计算其比值。

3) 设置波动比异常阈值,查找超过波动比异常阈值的监测单元,将空间连续的探测单元,合并到同一区域中,再查找此区域中波动比最大的探测单元,作为此区域的事件中心。

4) 对于判断为事件中心的监测单元,将其原始温度信号数据做寻峰计算,查找峰值位置。将这些峰值位置(位于时间轴)与此区域的事件中心进行组合,得到用于温度场异常升温区域图像分割的种子点位置。

5) 对于每个自动选取的种子点,在种子点位置进行8邻域扩展,种子区域生长规则:若某数据点与种子点的数值之差的绝对值小于预先设定阈值,则该数据点被包括进这个种子点所在的区域。当不再有数据点满足加入这个区域的规则时,此区域生长停止。图5为本次模拟异常升温测试温度场图像,通过区域生长方法得到的温度异常图块判断结果。

图5 温度异常区域判断结果

6) 对于每个分割出的温度异常图块,统计其空间覆盖区域,以及左右边沿的方差。当空间覆盖区域小于预先设定的空间阈值,且左右边沿方差小于预先设定的方差阈值,则判断此异常升温事件类型为机电设备异常升温;当空间覆盖区域大于预先设定的空间阈值,且左右边沿方差大于预先设定的方差阈值,则判断此异常升温事件类型为火焰升温;若不满足上述阈值条件,则判断为未知升温事件。

系统中设置空间阈值为50 m,方差阈值为3,在本组模拟升温测试数据中,600 m位置测试信号的空间范围30 m(小于空间阈值),方差0.36(小于方差阈值),判断为机电设备异常升温报警事件,模式识别结果正确;而3 000 m位置测试信号的空间范围120 m(大于空间阈值),方差5.39(大于空间阈值),判断为火焰升温报警事件,模式识别结果均正确。

5 应用效果

光纤温度传感系统实时采集和监测高速公路隧道内各处机电设备的温度状态,在不同季节、不同时间段,分别经过多次模拟测试和长期运行统计。其中,模拟测试方式仍采用电烙铁多次点触测温光缆模拟机电设备异常升温情况,以及点燃汽油火盆模拟隧道内火灾升温情况。同时隧道内的各项机电设备均保持正常工作散热状态。从2022年1月安装至今,选择不同的时间点,共进行了200组电烙铁点触测温光缆模拟机电设备异常升温测试和100组点燃汽油火盆模拟火焰升温测试。其中,模拟机电设备异常升温测试报警次数为194次,识别正确率为97%,模拟火焰升温测试报警次数为95次,识别正确率为95%。在未进行测试的正常运行期间,光纤温度传感系统未出现误报,机电设备运行过程中的正常散热,未触发光纤温度传感系统的虚警。光纤温度传感系统的报警率、模式识别正确率和误报警率统计见表1。

表1 测试运行统计 %

光纤温度传感系统经过1年多的稳定运行和检验,多次现场模拟异常升温测试及长期运行核实检验效果表明:光纤温度传感系统能够对高速公路隧道内机电设备的异常升温和突发火灾等情况进行及时监测和定位,报警正确率高,误报率低。在高速公路隧道内存在特定热源干扰的情况下,能够对真正具有危险性的异常升温情况进行及时识别和预警,具有良好的工程应用效果,能够及时有效地监测高速公路隧道内机电设备的消防安全状态,提升高速公路隧道的运营管理水平,为高速公路隧道的消防安全提供可靠保障。

6 结语

将光纤温度传感技术应用于高速公路隧道内机电设备的温度状态监测,具有安全实时的技术优势。为优化光纤温度传感系统针对隧道内机电设备监测的运行效果,本文分析了高速公路隧道内的温度场特点,设计了针对高速公路隧道中的机电设备温度异常状态监测的信号分析和识别判断方法。经过现场模拟实验和长期运行观察,本文提出的监测方法具有报警正确率高、误报率低的运行效果,具有良好的工程可行性。

光纤温度传感系统在高速公路隧道的应用,有效地降低了隧道内机电设备的日常监控和维保的复杂度,为高速公路隧道内机电设备在运营过程中的消防安全提供了可靠保障。