光傳感有限公司 林兆明

智能城市下的分布式光纖感溫系統(tǒng)

光傳感有限公司 林兆明

本人從事電訊業(yè)多年，近年來研發(fā)出“分布式光纖感溫系統(tǒng)”技術，主要用于監(jiān)測地下管道或纜線的安全。作為嶄新的工業(yè)技術，在2012年申請了中港兩地專利，目前新技術已應用于香港大型鐵路網絡及電力網絡、澳門大型商場和酒店、印尼雅加達國際機場新3號航站樓，并在積極洽談香港和海外的重大項目。

1 基于“智慧城市”概念而創(chuàng)

海外有不少地方都在推崇“智慧城市”(smart city)的發(fā)展概念，即有效地監(jiān)測城市中各種不同的基礎設施及工業(yè)系統(tǒng)，從而減低碳的排放，并預防意外發(fā)生，讓日常生活更健康、安全。

分布式光纖感溫系統(tǒng)就是基于這個概念而研發(fā)出來的，除了監(jiān)測工業(yè)系統(tǒng)安全性能外，還應用在節(jié)能減排上。

具體地說，“智慧”的理念就是通過新一代信息技術的應用使人類能以更加精細和動態(tài)的方式管理生產和生活的狀態(tài)，通過把傳感器嵌入和裝備到全球每個角落的供電系統(tǒng)、供水系統(tǒng)、油氣管道輸配系統(tǒng)、交通系統(tǒng)等生產生活系統(tǒng)的各種物體中，使其形成的物聯(lián)網與英特網相聯(lián)，實現(xiàn)人類社會與物理系統(tǒng)的整合，然后通過超級計算機和云計算將物聯(lián)網整合起來。

關于“智慧城市”的具體定義則比較廣泛。我認為，所謂的“智慧城市”應該是人、建筑物、系統(tǒng)、設施都體現(xiàn)智能型的統(tǒng)一，它們取代了之前非智能的工業(yè)方式。關注高敏光學感應系統(tǒng)，比如對分布式感溫系統(tǒng)進行專業(yè)的研發(fā)、制造，用作確保能源供應，同時作出安全監(jiān)測和預警，對于城市智能化管理來說會起到非常重大的啟發(fā)和收獲，其影響更是寓意深遠。

2 分布式光纖感溫系統(tǒng)介紹

分布式光纖感溫系統(tǒng)(以下簡稱FODTS)的原理是應用拉曼效應(Raman-Effect)來測溫，該理論源于上世紀20年代，是英國南安普頓大學的研究成果。FODTS測溫技術是基于光時域反射儀(Optical Time Domain Reflectometer(OTDR))，同時，物理環(huán)境因素例如溫度、壓力及拉力都能夠改變玻璃纖維(二氧化硅)的內部結構，使該點光纖內的激光軸向運動發(fā)生變化。熱力效應引致晶格振動，當光線接觸振動中的分子晶格，便會造成散射，稱為拉曼散射(Raman Scattering)。在物理過程中，熱力強度與光線的散射幅度成正比例。利用此光學原理，只要測量光線或散射光線延遲返回的時間，便可以準確地計算測溫點位置，見圖1、圖2。

圖1 分布式光纖感溫系統(tǒng)原理示意

圖2 應用拉曼效應測量光纜的沿線溫度示意

FODTS系統(tǒng)可以自動探測沿光纜所有測溫點的實時溫度，若測溫點溫度超過某個水平線，系統(tǒng)會實時發(fā)出警報及報告。FODTS系統(tǒng)的溫度數(shù)據(jù)庫附有位置及時間信息，發(fā)出的分析報告包含了這些內容，有助于用戶實時找出發(fā)生問題的地點，并協(xié)助用戶迅速作出決策和防范措施。FODTS系統(tǒng)在應用上具有靈活性，用戶可以根據(jù)特別需要而設定數(shù)個分區(qū)為監(jiān)察區(qū)域，每個區(qū)域可以根據(jù)特別的運行環(huán)境設定不同的報警水平線，每一個監(jiān)察區(qū)域會因測溫點的實時溫度數(shù)據(jù)來顯示不同顏色。FODTS系統(tǒng)的用戶接口簡單易用，能夠實時顯示系統(tǒng)測溫點的概況，用戶也可以選擇將接口上的光纖路線置于監(jiān)測區(qū)域的AutoCAD圖上，便于實時得知問題發(fā)生的位置。此外，F(xiàn)ODTS系統(tǒng)的圖表都可以按照用戶的要求進行定制，提高用戶的決策效率。

綜上信息簡單來說，光纖可以有效傳送管道溫度的變化數(shù)據(jù)，作準確及時的監(jiān)察。它可以通過溫度的不同，有效判斷出地下管道或纜線是否老化，在損壞前發(fā)出警報。它最為突出的特點便是監(jiān)測地下管道或纜線的安全。老式的傳感測溫技術僅在被測管道上放置單個的傳感器，全新的“分布式感溫技術”是指傳感機制沿著光纜全程被分布，而不是在一定數(shù)量的位置上被分布。

3 分布式光纖感溫系統(tǒng)的特點

分布式光纖感溫系統(tǒng)的特點很多，重點可以概括為三大部分：安全預防、應用廣泛、性價比高。

3.1 安全預防

在我們生活的城市中，地下管道及電纜系統(tǒng)隨處必備，一旦出現(xiàn)問題，情況可大可小。如果情況較大，后果則不堪設想。實時監(jiān)測地下管道的老化及泄漏，意外將可避免。2014年7月，臺灣高雄發(fā)生的嚴重天然氣管道爆裂，造成32人死亡，321人受傷的重大事故。這個事例告訴我們，城市地下埋藏的管道會隨時成為致命炸。具備連續(xù)測溫功能的FODTS系統(tǒng)是監(jiān)測燃氣管道及油管泄漏的最佳方案。FODTS系統(tǒng)負責監(jiān)測整條管道的溫度曲線數(shù)據(jù)，24小時不斷監(jiān)測，如管道中某一點出現(xiàn)裂縫或者破損，溫度將發(fā)生變化，我們便可及時捕捉，并準確探測出問題管道的所在位置并及時搶修。以燃氣管道泄漏為例，燃氣管道滲出壓縮氣體，根據(jù)焦耳湯姆遜效應(Joule-Thompson Effect)，壓縮氣體會于管道裂口附近形成低溫區(qū)。FODTS系統(tǒng)會立即監(jiān)測到管道溫度數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常變化，并可準確地計算發(fā)生氣體泄漏的位置。從高雄事故分析，當管道開始漏氣之初，該處的壓力就會下降，管道裂口溫度也會相應下跌6~7℃。我們如果在溫度開始下跌時及時搶修和補救，就可避免事故的發(fā)生。應用于監(jiān)測燃氣管道泄漏的FODTS系統(tǒng)見圖3。

圖3 應用于監(jiān)測燃氣管道泄漏的FODTS系統(tǒng)

與燃氣管道泄漏相反，油管泄漏會于管道裂口造成溫升效果。FODTS系統(tǒng)對以上應用例子均能夠準確迅速地確認泄漏位置，大幅度降低泄漏事故的發(fā)生和成本損失。

FODTS系統(tǒng)還可以檢測早期的電纜故障，防止電力系統(tǒng)的故障造成火災的發(fā)生。電力上的輸電電纜長期使用后，絕緣體會老化，散熱會減慢，最終絕緣體損壞導致電纜產生故障。通過監(jiān)控電纜溫度曲線可以適度使用電纜及延長使用壽命，避免絕緣體損壞。FODTS系統(tǒng)可實時監(jiān)測整條電纜上的熱點，而內置的歷史溫度數(shù)據(jù)分析功能，可以顯示電纜不同部位的溫度實時變化情況，發(fā)現(xiàn)潛在的問題。同時，監(jiān)測系統(tǒng)還可以輔助提高電纜載流容量至最佳水平，達到增加運營能效的目的。

商場及酒店的各種設施如空調系統(tǒng)、供水、照明、電梯電器及樓宇管理系統(tǒng)均需要電力系統(tǒng)的支持。電力系統(tǒng)的故障可能會引至火災的發(fā)生，危及商場或酒店顧客的生命安全。FODTS系統(tǒng)可以為用戶預先設定啟動報警的溫度水平線，當電力系統(tǒng)溫度超過預設水平線，報警實時啟動，提醒相關人員及時檢查維修，盡快落實應急措施。

3.2 用途廣泛

FODTS系統(tǒng)用途十分廣泛。它不僅可用于上述提到的監(jiān)測地下油氣管道的泄漏和電纜運行的故障及商場大廈內的電力系統(tǒng)，還可廣泛應用于以下領域：

(1)在通風冷溫(HVAC)系統(tǒng)方面，監(jiān)測隧道溫度及通風管理。

(2)在供水及污水排放系統(tǒng)方面，通過水溫異常變化監(jiān)測非法排污。

(3)在地質及水利學方面，測量水溫對研究生態(tài)有很高的重要性。

3.2.1 通風冷溫系統(tǒng)(HVAC)

隧道內的通風系統(tǒng)是為車站及車廂內的乘客提供新鮮的空氣，通過監(jiān)控隧道的溫度，操作人員可以提升隧道內的空氣流量，達到最佳水平。FODTS系統(tǒng)性價比高、不受隧道環(huán)境干擾，而且沒有維修成本。系統(tǒng)提供24 h×7的全天候溫度監(jiān)測，數(shù)據(jù)庫可儲存長達兩年的數(shù)據(jù)供日后備用。并且FODTS系統(tǒng)可以和隧道的通風管理系統(tǒng)相結合，支持實時環(huán)境數(shù)據(jù)和按時間排序的溫度趨勢分析。

隧道通風系統(tǒng)的示意見圖4，通風系統(tǒng)由多個通風井(地面結構)組成，是氣流的出入口。

圖4 應用于隧道溫度監(jiān)測的FODTS系統(tǒng)

3.2.2 供水及污水排放系統(tǒng)

FODTS系統(tǒng)可應用于監(jiān)測非法的污水排放。大量的污水未經處理流入下水道可以引起相當嚴重的環(huán)境及健康問題。FODTS系統(tǒng)的光纜置于下水道內科收集連續(xù)性的溫度數(shù)據(jù)(見圖5)，詳細顯示由非法排污引發(fā)的水溫異常變化。

圖5 應用FODTS系統(tǒng)監(jiān)測非法污水排放

3.2.3 地質及水力學系統(tǒng)

研究地質及水利作用過程中，測量溫度占據(jù)重要一環(huán)。而大部分應用例子更是需要取得隨時間及距離連續(xù)變化的溫度數(shù)據(jù)。FODTS系統(tǒng)可以取得地質及水利地點，比如湖泊、地面及地下水流的溫度數(shù)據(jù)。測量水溫對研究生態(tài)作用有很高的重要性，沿河道鋪設光纜測量水溫(見圖6)，可取得精確及高分辨率的河道溫度數(shù)據(jù)。應用舉例：監(jiān)測含水層和水生環(huán)境、計算蒸發(fā)損耗的能量平衡、記錄對流過程等等。

圖6 沿河道鋪設的FODTS光纜

3.3 性價比高

目前，光纖感溫系統(tǒng)的準確度可±1℃，耐用20年以上。造價方面，要視具體覆蓋光纖的物料以及整個系統(tǒng)復雜程度而定，一般來說鋪設一條1 km長管道的光纜價格大約為22萬元，5 km長的管道則為26萬元。1臺主機的成本為20萬元，最多可以同時控制12條管道，每條長10 km。維護成本每年每百米只需10元，性價比顯而易見了。