交通科技
Transportation Science ■ Technology
总第304期2021 第1 期
Serial No 304No. 1 Feb. 2021
DOI 10. 3963/j. issn. 1671-7570. 2021. 01. 026
常程
（重庆市城投路桥管理有限公司重庆400015）
摘 要 公路隧道结构封闭狭长、救援空间有限，因此公路隧道的火灾探测对系统的反应时间和 准确率具有更高的要求。文中将光纤光栅测温技术和火焰探测器技术进行结合应用，更有利于高
速公路隧道火灾的实时监测。使用光纤光栅作为温度传感器，能够快速探测到隧道环境温度的变
化，且传感器结构稳定；而对于火灾初期范围较小的火焰，暂时未能引起环境温度的明显上升，使
用三波长红外火焰探测器，则能够及时检测到火焰，该系统能够在无漏报的同时做到少误报，可以
作为公路隧道消防安全的重要保障。
关键词光纤光栅测温红外火焰探测器公路隧道火灾监测
中图分类号 U492.8十3
公路隧道具有结构封闭狭长、救援空间有限 等特点，如果在公路隧道中发生火灾，若不能及时 发现和处理，将造成极严重的后果。因此，公路隧 道内的火灾报警系统应当具有更高的灵敏性，以 对火灾的发生进行及时的预警。目前，公路隧道
内常用的火灾预警系统，主要有光纤感温、红外探
测、图像分析等类型［1］o 这些火灾探测技术具有
各自不同的应用特点。1原理
11 光纤光栅测温原理
光纤光栅传感的基本原理是利用光纤光栅的 有效折射率和光栅周期对外界参量的敏感特性,
将外界参量的变化转化为其布拉格波长的移动, 通过检测光栅反射的中心波长移动实现对外界参 量的测量。
光纤光栅测温技术利用了温度对光栅中心波
长的偏移影响，其测温原理示意见图1o 如图1 所示，当一束宽带光注入光纤光栅，在一定波长范 围内的光会被光栅反射回来，而其余不在此波长 范围的光则会透射过去继续向前传播［］。当光栅 所在的环境温度发生变化，光栅的中心波长会发
生偏移，通过检测这个偏移量，可以实现对温度变 化的探测。在光纤光栅感温光缆中，串接了多个 具有不同中心波长的光栅，能够分别探测各自位
收稿日期：20201030
置的环境温度变化，利用波分复用技术，则可避免 信号串扰。
入射光
反射光
U
透射光
包
芯
纤1光纤光栅测温原理示意图
1.2红外火焰探测原理
红外火焰探测技术是通过分析烃类物质燃烧 生成物的光谱吸收峰，实现火灾监测［3］o 一般消
防系统采用的是三波段红外火焰探测器，个不 同波段的热释电红外传感器，其波段分别为：3.8,
4.3,
5. 2 y m，根据传感器的光学特性，假设3个
传感器采集到的信号都包含了真实火焰红外辐射 信号、高温热源红外辐射信号和背景红外辐射信
号，并且可以表示为三者的线性叠加，通过解耦运 算，将3种信号各自分离出来⑷。系统再对这3 种信号进行综合分析，判断在探测范围内是否存 在火焰或者其他干扰源。
1.3图像火灾探测
图像火灾探测技术通过对视频图像进行处理
和分析，提取和判断火焰图像的物理特征，具有可 视化、信息量丰富的特点。然而，通过视频图像来 检测火焰，会面临如：白天和夜间的光线变化；车 灯干扰；摄像机镜头污损干扰；对不存在明火的烟 气检测和汽车尾气干扰；图像数据的处理速度和
存储容量等诸多问题。而且当隧道中发生火灾
表1
参数
红外火焰探测器
图像火焰探测器
常用高速公路隧道火灾报警技术比较表
光纤光栅
探测原理波长改变光谱改变图像改变
探测类型
环境温升
火焰光谱
火焰图像
检测条件燃烧散发较多热能有明火
有明火
环境影响受风速影响大，不受污染物影响
不受风速影响，污染物影响较小
不受风速影响，污染物影响很大
响应时间
较快
快
快
覆盖范围单台仪表可以覆盖数公里
每50 m 设1个每50 m 设1个，光学镜头探测 距离和视角成反比防爆等级防护等级
系统组成系统组网
产品一致性自身特性
产品选型
本安级
现场探测器IP68
简单，温度探测光缆在现场布设传感信号直接通过光纤远传一致性好，所有项目均为同类型 产品
玻璃钢酸洗槽参考GB 50116 — 2019《火灾自动报警系统 设计规范》［6］，在2 km 内，且双车道隧道推荐使 用光纤光栅型感温火灾探测器产品；在2 km 以 上，或三车道隧道及重点交通隧道工程(城市道路 隧道、水底隧道)推荐使用光纤光栅和其他火灾报
警系统进行组合使用。2系统安装及检测流程 21 光纤光栅感温火灾探测系统
从工程安装方式中，可以了解到该产品安装 简单方便，现场不需通电，产品本质安全防爆。隧
道现场温度信号通过传输光缆传输到隧道变电房
的信号处理器上，信号处理器将报警和故障信号 输入到火灾报警控制器，温度信号通过网口上传
到监控中心的计算机上。工程设备布设安排见隧道控制室图2。控制器|— 兀幵兀伽•坏测局 Tn-于刃J 椒詈饮钮
「 隧 道 f
信号处
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图2光纤光栅感温火灾探测系统工程设备布设示意图
如图2所示，沿隧道中轴线采用膨胀螺栓将 多个专用支架固定在隧道顶部，支架间距视钢绞 线重量而定，以保证钢绞线垂度(小于10 cm )为
原则，一般说来支架间距为20 m 。将钢绞线沿隧
时，隧道内局部的环境温度会急剧升高，从而导致 摄像机损坏，监测失效。由于以上因素，视频火灾差速防坠器
分析系统在公路隧道市场的使用案例较少［5］。
对以上几种火灾报警系统产品进行对比，结
果见表1。
有防爆型可选
通常为IP65或IP66
较复杂，现场需要布设综合盘、 电源盘
近距离用RS485，远距离需利用 光纤
根据不同项目要求选取不同产品
有防爆型可选
IP65以下
复杂，需要布设多种线缆、供电 设备及通信设施视频信号远传困难
依据分辨率，防爆型、P 等级进 行选型
道中轴线通过线夹安装在支架上，张紧并逐段固
定。将探测器光缆用电缆挂钩固定在钢索上。
光纤光栅火灾监测系统依据光纤光栅布拉格 波长变化来测量温度，当隧道内发生火灾时，高温
的烟雾会快速到达到隧道顶部，引起环境温度的 急剧上升，触发光纤光栅感温系统做出响应。
系统的报警依据包括差温报警和定温报警,
当某区域在一定时长内的升温速率超过差温阈 值，发出差温报警信息；当某区域的温度超过定温
阈值，发出定温报警信息。由于系统所监测的物 理量是实时的环境温度，随着昼夜和季节的周期 性变化，环境温度在长时间内并不是恒定不变的,
因此，系统应该通过对长时间温度变化规律的分 析而对温度报警阈值进行相应调整。 本系统利用
自回归模型(autoregressive model , AR 模型)，对 隧道内各区域的温度变化规律进行分析预测，据 此对各区域的报警阈值参数进行自动实时更新,
将温度预测值与差温预设值之和，作为下一时段 的温度报警阈值，使得测温系统能够更好地适应
昼夜和季节变化的规律，提升系统的预警效果。
AR 模型利用变量往期的变化规律得到其自
身的预测值，主要以前期多个时段的温度探测值 作为参考依据，记为：X (-1, X (—，…,X —。序列 值x (，可以根据前狆个时刻的序列值及当前的噪 声值推得，即
x ( = aX (—1 + a 2 X (—2 + …+ a p X —p + £(
式中：狆为参数;S 为白噪声。
利用系统采集的历史测温数据，根据最小二
乘原则计算模型参数，对AR 模型进行检验。本 文根据最终预报误差准则对系统采用的AR 模型
进行定阶。确定系统采用五阶AR 模型，模型参 数确定见表2o
表2系统采用模型参数
22 红外火焰探测系统
参数
数值a i 0. 50a 20. 24a 30. 12a 4
0. 09a 5
0. 05
三波段红外火焰探测器，使用4. 4,3. 8,5. 0
M m 3个波段，可同时排除高温物体（例如，电烙
铁、太阳等）和低温物体（例如，车灯、路灯等）的
干扰。
每个红外火焰探测器使用了左、右2个三波
长红外传感窗口进行探测，其探测范围示意见图
实心盘3o 探测区域为视场角180°的双扇形圆锥区域/
水平方向的探测距离可以达到左、右各25 m o 系
统先对采集数据进行解耦预处理，再对3个波段 数据进行分析和判别，判断是否发出报警信息。
图3 红外火焰探测器探测范围示意图
23 监测流程及结果
监测流程见图4o
图4隧道火灾报警系统监测流程系统软件同时支持光纤光栅和火焰探测器/当监测数据达到温度报警条件，系统界面输出温 度报警信息；当监测数据达到火焰探测报警条件/ 系统界面输出火焰探测报警信息，同时读取此位
置的温度信息并显示，监测系统软件界面见图5o
图5监测系统软件界面
在西南地区的某条公路隧道中，同时安装有
光纤光栅火灾测温系统和红外火焰探测系统，软 件平台将2个系统的监测结果进行整合分析，经 过长期观察，具有良好的运行效果。光纤光栅感
温火灾探测器具有稳定性好、抗干扰能力强等特
点，但是受隧道内自然风影响会使监测结果产生 漂移和偏差；三波长红外火焰探测器则能够快速
响应明火，不受自然风的影响，但如果火灾现场有 障碍物遮挡时，会影响对火焰的判断。将光纤光 栅火灾测温系统与红外火焰探测器系统的结果结
合起来，进行综合分析判断，使2种技术互为补
充，可以实现对公路隧道火灾的灵敏可靠监测。
3结语
公路隧道火灾的早期预防，对公路隧道的运 营安全具有极为重要的意义。在公路隧道中同时
安装光纤光栅火灾测温系统和红外火焰探测器系
统，将2种系统所得监测数据进行联合分析判断/
线型和点型相结合的方式更适合于高速公路隧道 火灾监测，能够实现对高速公路隧道火灾的快速、
准确探测。
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eva母西安：西安电子科技大学,012.
（下转第124
页-
124黄志刚等：花岗岩机制砂品质对混凝土性能的影响2021年第1期
2.State Key Laboratory of Silicate Materials for Architecture,Wuhan University of Technology,Wuhan430070/China)
Abstract:The quality index of manufactured sand(MS)/such as the particle grading/fineness modulus/stone powder content and methylene blue(MB)value as we ll as harmful substance content,had important impact on the performance of concrete.In this paper/granite manufactured sand(GMS) wasusedasfineaggregateofC50strengthgradeconcrete，andtheinfluenceoffinenessmodulus(30〜2.3)and stone powder content(3%〜9%)on the workability and mechanical properties of the con-cretewasstudied，andtheinfluenceofbiotitecontentonthewaterdemandratioofMSandthemortar strength was tested.The results showed that with the decrease of the fineness modulus or increase of stone powder/the reducing agent requirement for achieving the same workability of concrete was increased;when the fineness modulus of MS was2.8/the mechanical properties of MS concrete were the best,but when the fineness modulus decreased to2.3,the mechanical properties were signfica_n--ly decreased;with the increase of stone powder content/the compressive strength and elastic modulus ofMSconcretewereimproved，andtheflexuralstrengthreachedthe maximum whenthecontentof stonepowderis5%TheriseofbiotitecontentincreasedthewaterdemandratioofMSandreduced thestrengthofthe MS mortar
Key words:granite manufactured sand；biotie；concrete；workability；mechanical properties
(上接第118页-
[]王冠宇，董雷，杨胡.光纤光栅测温结合视频分析在[]火灾自动报警系统设计规范:GS500116-2019公路隧道火灾监测中的应用[].交通科技，2017[S]北京：中国计划出版社,019.
(1)：112-114
Application of Fiber Bragg Grating Temperature Measurement Combined with Infrared Flame Detector in Highway Tunnel Fire Monitoring
CHANG Cheng
(Chongqing Chengtou Road and Bridge Management Co./Ltd./Chongqing400015,China)
Abstract:The highway tunnel structure is closed and long/and the rescue space is limited.Therefore, the fire detection of highway tunnel has higher requirements on the response time of the system.The combinationoffiberbragggratingtemperaturemeasurementtechnologyandflamedetectortechnology for tunnel flame monitoring is more conducive to the real-time monitoring of highway tunnel fire.Fi-berbragggratingtemperaturemeasurementtechnologyhastheadvantagesofgoodstabilityandsensi-tiveresponsetotemperature Three-wavelengthinfraredflamedetectorcandetecttheflame which wi ll not
cause the temperature change in a short time.It can ensure the effectiveness and stability of themonitoring,and makefewerfalsealarms without missingalarms,which becomes an important
自组网电台guaranteeforthefiresafetyofhighwaytunnel
Keywords：fiberbragggratingtemperature measurement；infraredflamedetector；highwaytunnel；firemonitoring
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
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