摘? 要：將光纖溫度傳感技術(shù)應(yīng)用于高速公路隧道內(nèi)機(jī)電設(shè)備的溫度狀態(tài)監(jiān)測，具有安全實時的技術(shù)優(yōu)勢。為了優(yōu)化溫度監(jiān)測系統(tǒng)的運(yùn)行效果，對高速公路隧道內(nèi)的溫度場特點進(jìn)行分析，據(jù)此設(shè)計信號分析和異常事件識別判斷方法。經(jīng)過多次現(xiàn)場模擬異常升溫測試和長期的運(yùn)行核實檢驗效果表明：光纖溫度傳感系統(tǒng)能夠?qū)Ω咚俟匪淼纼?nèi)機(jī)電設(shè)備的異常升溫和突發(fā)火災(zāi)等情況進(jìn)行及時有效地監(jiān)測和定位，報警正確率高，誤報率低，能夠有效地監(jiān)測高速公路隧道內(nèi)機(jī)電設(shè)備的消防安全狀態(tài)。

關(guān)鍵詞：高速公路隧道；光纖傳感；機(jī)電設(shè)備；溫度監(jiān)測

中圖分類號：TP274+.4? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? 文章編號：2096-4706（2023）23-0195-04

Monitoring of Electromechanical Equipment in Expressway Tunnel Based on

Optical Fiber Temperature Sensing

LUO Xianghong

（Guizhou Road and Bridge Group Co.， Ltd.， Guiyang? 550001， China）

Abstract： The optical fiber temperature sensing technology is applied to the temperature status monitoring of electromechanical equipment in expressway tunnel， which has the technical advantage of safety and real-time. In order to optimize the operating effect of the temperature monitoring system， the characteristics of the temperature field in the expressway tunnel are analyzed， and the signal analysis and abnormal event identification and judgment methods are designed accordingly. The results of several field simulated abnormal temperature rise tests and long-term operation verification show that the optical fiber temperature sensing system can timely and effectively monitor and locate the abnormal temperature rise and sudden fire of electromechanical equipment in the expressway tunnel， with high alarm accuracy and low false alarm rate， and it can effectively monitor the fire safety state of electromechanical equipment in the expressway tunnel.

Keywords： expressway tunnel; optical fiber sensing; electromechanical equipment; temperature monitoring

0? 引? 言

高速公路隧道內(nèi)的機(jī)電設(shè)備眾多，具有較高的維護(hù)難度，為了保障高速公路隧道的安全穩(wěn)定運(yùn)營，實時監(jiān)測高速公路隧道中眾多機(jī)電設(shè)備的溫度異常狀態(tài)，對于高速公路隧道的消防安全和穩(wěn)定運(yùn)營極為重要[1，2]。光纖溫度傳感系統(tǒng)利用光纖作為溫度探測器，將測溫光纜布設(shè)于高速公路隧道沿線，現(xiàn)場探測裝置不需供電，不會引入額外的消防風(fēng)險，因此非常適合用于高速公路隧道機(jī)電設(shè)備的溫度狀態(tài)監(jiān)測[3-5]。通常感溫火災(zāi)探測系統(tǒng)使用固定閾值的方法來判斷監(jiān)測區(qū)域的異常升溫，然而對于高速公路隧道機(jī)電設(shè)備的溫度監(jiān)測，由于某些機(jī)電設(shè)備自身的散熱干擾，以及風(fēng)機(jī)運(yùn)行對環(huán)境溫度的影響，采用固定閾值方法來進(jìn)行隧道機(jī)電設(shè)備的溫度異常預(yù)警判斷很容易造成系統(tǒng)的誤報警和漏報警，使感溫火災(zāi)探測系統(tǒng)不能滿足應(yīng)用需求。因此，本文主要探究針對高速公路隧道內(nèi)存在特定熱源干擾的情況下，如何對真正具有危險性的異常升溫情況進(jìn)行及時識別和預(yù)警，以提高溫度火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)的報警準(zhǔn)確率，確保系統(tǒng)的監(jiān)測效果。

依據(jù)光纖溫度傳感技術(shù)的實時長距離分布式探測的優(yōu)勢，可以實時地采集高速公路隧道中的溫度場數(shù)據(jù)，并結(jié)合時間維度形成隧道內(nèi)的溫度場圖像，通過對光纖溫度場圖像數(shù)據(jù)的分析，可以設(shè)計算法，判斷出溫度異常波動的區(qū)域，再對相應(yīng)區(qū)域發(fā)出預(yù)警信息，可以有效地提升感溫火災(zāi)探測系統(tǒng)的運(yùn)行效果，在過濾掉隧道內(nèi)機(jī)電設(shè)備正常運(yùn)行散熱引入的干擾的同時，能夠及時地監(jiān)測到隧道內(nèi)機(jī)電設(shè)備的溫度異常情況，為高速公路隧道的安全穩(wěn)定運(yùn)營提供可靠保障。

1? 系統(tǒng)部署

在貴州湄石高速公路選取一段隧道安裝布設(shè)光纖溫度傳感系統(tǒng)，系統(tǒng)主要可分為控制中心部分和現(xiàn)場探測部分。控制中心部分主要為光纖溫度信號解調(diào)儀表和數(shù)據(jù)分析主機(jī)，光纖溫度信號解調(diào)儀表向溫度探測光纜中注入激光脈沖，并對溫度探測光纜返回的光信號進(jìn)行采集和解調(diào)，再將實時獲得的溫度探測數(shù)據(jù)發(fā)送給數(shù)據(jù)分析主機(jī)進(jìn)行分析。數(shù)據(jù)分析主機(jī)對采集到的監(jiān)測區(qū)域的實時溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行整合和預(yù)處理，獲得時間和空間連續(xù)的溫度探測信號，形成監(jiān)測區(qū)域的溫度場圖像?，F(xiàn)場探測部分主要為溫度探測光纜，通過鋼腳架按照均勻的間隔，在隧道頂部對光纜進(jìn)行固定，溫度探測光纜的安裝高度，拉伸受力均控制在一致的范圍內(nèi)，以保證在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的溫度探測光纜的每個探測點，具有一致的信號探測靈敏度，在狹長的公路隧道空間中，形成一個連續(xù)無間斷的探測鏈路。其中，控制中心部分安裝于隧道中控室，現(xiàn)場探測部分無須供電，控制中心部分和現(xiàn)場探測部分通過光纖跳線連接。

2? 數(shù)據(jù)分析

貴州湄石高速公路隧道已經(jīng)安裝部署了光纖溫度傳感系統(tǒng)，在常規(guī)狀態(tài)下采集一段200分鐘的溫度數(shù)據(jù)，采集時間為2023年4月，隧道溫度場圖像如圖1所示。在此貴州湄石高速公路隧道溫度場監(jiān)測圖像的片段中，圖像橫軸代表空間距離，單位為米，縱軸代表時間，單位為分鐘，即：光纖溫度傳感系統(tǒng)每隔1分鐘，采集一次監(jiān)測區(qū)域的全段溫度探測數(shù)據(jù)，并按照探測點的實際空間順序?qū)囟取獣r間數(shù)據(jù)序列進(jìn)行排列整合，所整合而成的空間—時間溫度數(shù)據(jù)矩陣，即監(jiān)測區(qū)域的溫度場監(jiān)測圖像，可以從中直觀地看到監(jiān)測區(qū)域內(nèi)溫度異常情況出現(xiàn)的時間范圍和空間范圍。從圖1中，可見在離探測起點約300米的位置，有一個較為恒定的發(fā)熱源，為隧道內(nèi)某機(jī)電設(shè)備運(yùn)行散熱所致。探測起點區(qū)域的溫度相對于隧道內(nèi)其他位置，溫度相對較低。在離探測起點約150米以及500米的位置，溫度數(shù)據(jù)出現(xiàn)小幅度降低和波動，為隧道內(nèi)的風(fēng)機(jī)運(yùn)行所致。分析隧道內(nèi)受恒定熱源影響的區(qū)域，其溫度場圖像雖然相較于其鄰近區(qū)域，溫度數(shù)據(jù)有較為明顯的升高，但其溫度升高區(qū)域的圖像邊緣，較為整齊和一致，在溫度場圖像中，呈現(xiàn)為一個類似矩形的形態(tài)。

統(tǒng)計各個探測點的溫度數(shù)據(jù)序列，將各序列數(shù)值從大到小進(jìn)行排序，分別計算最前5個數(shù)值之和與最后5個數(shù)值之和，再計算其比值，作為溫度數(shù)據(jù)序列的波動比計算方式，則這個高速公路隧道內(nèi)的溫度數(shù)據(jù)波動比分布如圖2所示。隧道內(nèi)溫度場的平均波動比為2.2，可見兩處受風(fēng)機(jī)影響的位置具有相對較高的波動比，分別可達(dá)4.3和7.1，而受機(jī)電設(shè)備散熱影響的區(qū)域，其波動比沒有出現(xiàn)升高的情況，最低值為1.6。

在隧道內(nèi)進(jìn)行模擬升溫實驗，在離探測起點約600米的位置，使用電烙鐵多次點觸測溫光纜，模擬機(jī)電設(shè)備異常升溫情況，在離探測起點約3 000米的位置，點燃汽油火盆，模擬隧道內(nèi)火焰升溫情況。如圖3所示，為模擬升溫實驗期間采集的200分鐘溫度場圖像數(shù)據(jù)，可見電烙鐵多次點觸測溫光纜的溫度信號，其圖像所呈現(xiàn)的規(guī)律性較明顯，升溫影響范圍相對較??；點燃汽油火盆的溫度信號，其圖像則呈現(xiàn)出較大的波動性，尤其在圖塊邊緣部位的波動性更為明顯，并且升溫影響范圍相對較大。

計算模擬升溫實驗期間采集的各個探測點的溫度數(shù)據(jù)序列的波動比，如圖4所示，可見在電烙鐵多次點觸測溫光纜測試位置和點燃汽油火盆測試位置，其溫度信號波動比均有明顯提升，其波動比數(shù)值最大分別可達(dá)41.6和36.6。而受機(jī)電設(shè)備散熱影響的區(qū)域，其波動比仍然較低，均值為1.7。

3? 算法設(shè)計

根據(jù)上節(jié)分析，對于高速公路隧道中的機(jī)電設(shè)備溫度異常狀態(tài)監(jiān)測，主要干擾源為設(shè)備自身散熱，通風(fēng)處環(huán)境溫度波動等，而對于機(jī)電設(shè)備異常升溫和火焰導(dǎo)致的環(huán)境溫度上升，均是系統(tǒng)必須報警的情況。根據(jù)對機(jī)電設(shè)備異常升溫和火焰升溫數(shù)據(jù)的分析，可知此時溫度信號的波動比均會有明顯上升，而機(jī)電設(shè)備異常升溫信號在溫度場圖像中所呈現(xiàn)的規(guī)律性較明顯，升溫影響范圍相對較小，火焰升溫信號在溫度場圖像中則呈現(xiàn)出較大的波動性，升溫影響范圍相對較大。對于高速公路隧道機(jī)電設(shè)備溫度異常狀態(tài)監(jiān)測，信號分析流程設(shè)計如下：

1）實時采集監(jiān)測區(qū)域沿線溫度信號數(shù)據(jù)，形成監(jiān)測區(qū)域溫度場。

2）分別計算各個監(jiān)測單元溫度數(shù)據(jù)序列的波動比，溫度信號波動比計算方式：分別計算最前5個數(shù)值之和與最后5個數(shù)值之和，再計算其比值。

3）設(shè)置波動比異常閾值，查找超過波動比異常閾值的監(jiān)測單元，將空間連續(xù)的探測單元，合并到同一區(qū)域中，再查找此區(qū)域中波動比最大的探測單元，作為此區(qū)域的事件中心。

4）對于判斷為事件中心的監(jiān)測單元，將其原始溫度信號數(shù)據(jù)做尋峰計算，查找峰值位置。將這些峰值位置（位于時間軸）與此區(qū)域的事件中心進(jìn)行組合，得到用于溫度場異常升溫區(qū)域圖像分割的種子點位置。如圖5所示，為本次模擬異常升溫測試溫度場圖像，系統(tǒng)自動判斷的圖像分割種子點。

5）對于每個自動選取的種子點，在種子點位置進(jìn)行8鄰域擴(kuò)展，種子區(qū)域生長規(guī)則：若某數(shù)據(jù)點與種子點的數(shù)值之差的絕對值小于預(yù)先設(shè)定閾值，則該數(shù)據(jù)點被包括進(jìn)這個種子點所在的區(qū)域。當(dāng)不再有數(shù)據(jù)點滿足加入這個區(qū)域的規(guī)則時，此區(qū)域生長停止。如圖6所示，為本次模擬異常升溫測試溫度場圖像，通過區(qū)域生長方法得到的溫度異常圖塊判斷結(jié)果。

6）對于每個分割出的溫度異常圖塊，統(tǒng)計其空間覆蓋區(qū)域，以及左右邊沿的方差。當(dāng)空間覆蓋區(qū)域小于預(yù)先設(shè)定的空間閾值，且左右邊沿方差小于預(yù)先設(shè)定的方差閾值，則判斷此異常升溫事件類型為機(jī)電設(shè)備異常升溫；當(dāng)空間覆蓋區(qū)域大于預(yù)先設(shè)定的空間閾值，且左右邊沿方差大于預(yù)先設(shè)定的方差閾值，則判斷此異常升溫事件類型為火焰升溫；若不滿足上述閾值條件，則判斷為未知升溫事件。

系統(tǒng)中設(shè)置空間閾值為50米，方差閾值為3，在本組模擬升溫測試數(shù)據(jù)中，600米位置測試信號的空間范圍30米（小于空間閾值），方差0.36（小于方差閾值），判斷為機(jī)電設(shè)備異常升溫報警事件，模式識別結(jié)果正確；而3 000米位置測試信號的空間范圍120米（大于空間閾值），方差5.39（大于空間閾值），判斷為火焰升溫報警事件，模式識別結(jié)果均正確。

4? 應(yīng)用效果

貴州湄石高速公路隧道作為示范應(yīng)用工程，在隧道內(nèi)安裝部署光纖溫度傳感系統(tǒng)，實時采集和監(jiān)測高速公路隧道內(nèi)各處機(jī)電設(shè)備的溫度狀態(tài)。在不同的季節(jié)、不同的時間段，分別經(jīng)過多次模擬測試和長期運(yùn)行統(tǒng)計。其中，模擬測試方式仍采用電烙鐵多次點觸測溫光纜模擬機(jī)電設(shè)備異常升溫情況，以及點燃汽油火盆模擬隧道內(nèi)火災(zāi)升溫情況。同時隧道內(nèi)的各項機(jī)電設(shè)備均保持正常工作散熱狀態(tài)。從2022年1月安裝至今，選擇不同的時間點，共進(jìn)行了200組電烙鐵點觸測溫光纜模擬機(jī)電設(shè)備異常升溫測試和100組點燃汽油火盆模擬火焰升溫測試。其中，模擬機(jī)電設(shè)備異常升溫測試報警次數(shù)為194次，識別正確率為97%，模擬火焰升溫測試報警次數(shù)為95次，識別正確率為95%。在未進(jìn)行測試的正常運(yùn)行期間，光纖溫度傳感系統(tǒng)未出現(xiàn)誤報，機(jī)電設(shè)備運(yùn)行過程中的正常散熱，未觸發(fā)光纖溫度傳感系統(tǒng)的虛警，誤報率為0%。光纖溫度傳感系統(tǒng)的報警率、模式識別正確率統(tǒng)計如表1所示。

在貴州湄石高速公路隧道部署的光纖溫度傳感系統(tǒng)，經(jīng)過1年多時間的穩(wěn)定運(yùn)行和檢驗，多次現(xiàn)場模擬異常升溫測試以及長期的運(yùn)行核實檢驗效果表明：光纖溫度傳感系統(tǒng)能夠?qū)Ω咚俟匪淼纼?nèi)機(jī)電設(shè)備的異常升溫和突發(fā)火災(zāi)等情況進(jìn)行及時的監(jiān)測和定位，報警正確率高，誤報率低。在高速公路隧道內(nèi)存在特定熱源干擾的情況下，能夠?qū)φ嬲哂形ｋU性的異常升溫情況進(jìn)行及時識別和預(yù)警，具有良好的工程應(yīng)用效果，能夠及時有效地監(jiān)測高速公路隧道內(nèi)機(jī)電設(shè)備的消防安全狀態(tài)，提升高速公路隧道的運(yùn)營管理水平，為高速公路隧道的消防安全提供可靠保障。

5? 結(jié)? 論

將光纖溫度傳感技術(shù)應(yīng)用于高速公路隧道內(nèi)機(jī)電設(shè)備的溫度狀態(tài)監(jiān)測，具有安全實時的技術(shù)優(yōu)勢。為優(yōu)化光纖溫度傳感系統(tǒng)針對隧道內(nèi)機(jī)電設(shè)備監(jiān)測的運(yùn)行效果，本文分析了高速公路隧道內(nèi)的溫度場特點，設(shè)計了針對高速公路隧道中的機(jī)電設(shè)備溫度異常狀態(tài)監(jiān)測的信號分析和識別判斷方法。經(jīng)過現(xiàn)場模擬實驗和長期運(yùn)行觀察，本文提出的監(jiān)測方法具有報警正確率高、誤報率低的運(yùn)行效果，具有良好的工程可行性。光纖溫度傳感系統(tǒng)在高速公路隧道的應(yīng)用，有效地降低了隧道內(nèi)機(jī)電設(shè)備的日常監(jiān)控和維保的復(fù)雜度，為高速公路隧道內(nèi)機(jī)電設(shè)備在運(yùn)營過程中的消防安全提供了可靠保障。

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作者簡介：羅祥紅（1984—），男，漢族，貴州貴陽人，工程師，本科，研究方向：機(jī)電工程施工。