基于光纤温度传感的高速公路隧道机电设备监测

摘  要：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。为了优化温度监测系统的运行效果，对高速公路隧道内的温度场特点进行分析，据此设计信号分析和异常事件识别判断方法。经过多次现场模拟异常升温测试和长期的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有效地监测和定位，报警正确率高，误报率低，能够有效地监测高速公路隧道内机电设备的消防安全状态。

关键词：高速公路隧道；光纤传感；机电设备；温度监测

中图分类号：TP274+.4  文献标识码：A  文章编号：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

高速公路隧道內的机电设备众多，具有较高的维护难度，为了保障高速公路隧道的安全稳定运营，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，将测温光缆布设于高速公路隧道沿线，现场探测装置不需供电，不会引入额外的消防风险，因此非常适合用于高速公路隧道机电设备的温度状态监测[3-5]。通常感温火灾探测系统使用固定阈值的方法来判断监测区域的异常升温，然而对于高速公路隧道机电设备的温度监测，由于某些机电设备自身的散热干扰，以及风机运行对环境温度的影响，采用固定阈值方法来进行隧道机电设备的温度异常预警判断很容易造成系统的误报警和漏报警，使感温火灾探测系统不能满足应用需求。因此，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。

依据光纤温度传感技术的实时长距离分布式探测的优势，可以实时地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的分析，可以设计算法，判断出温度异常波动的区域，再对相应区域发出预警信息，可以有效地提升感温火灾探测系统的运行效果，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，能够及时地监测到隧道内机电设备的温度异常情况，为高速公路隧道的安全稳定运营提供可靠保障。

1  系统部署

在贵州湄石高速公路选取一段隧道安装布设光纤温度传感系统，系统主要可分为控制中心部分和现场探测部分。控制中心部分主要为光纤温度信号解调仪表和数据分析主机，光纤温度信号解调仪表向温度探测光缆中注入激光脉冲，并对温度探测光缆返回的光信号进行采集和解调，再将实时获得的温度探测数据发送给数据分析主机进行分析。数据分析主机对采集到的监测区域的实时温度数据进行整合和预处理，获得时间和空间连续的温度探测信号，形成监测区域的温度场图像。现场探测部分主要为温度探测光缆，通过钢脚架按照均匀的间隔，在隧道顶部对光缆进行固定，温度探测光缆的安装高度，拉伸受力均控制在一致的范围内，以保证在监测区域内的温度探测光缆的每个探测点，具有一致的信号探测灵敏度，在狭长的公路隧道空间中，形成一个连续无间断的探测链路。其中，控制中心部分安装于隧道中控室，现场探测部分无须供电，控制中心部分和现场探测部分通过光纤跳线连接。

2  数据分析

贵州湄石高速公路隧道已经安装部署了光纤温度传感系统，在常规状态下采集一段200分钟的温度数据，采集时间为2023年4月，隧道温度场图像如图1所示。在此贵州湄石高速公路隧道温度场监测图像的片段中，图像横轴代表空间距离，单位为米，纵轴代表时间，单位为分钟，即：光纤温度传感系统每隔1分钟，采集一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。从图1中，可见在离探测起点约300米的位置，有一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，温度相对较低。在离探测起点约150米以及500米的位置，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，呈现为一个类似矩形的形态。

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，则这个高速公路隧道内的温度数据波动比分布如图2所示。隧道内温度场的平均波动比为2.2，可见两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和7.1，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。

在隧道内进行模拟升温实验，在离探测起点约600米的位置，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米的位置，點燃汽油火盆，模拟隧道内火焰升温情况。如图3所示，为模拟升温实验期间采集的200分钟温度场图像数据，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个探测点的温度数据序列的波动比，如图4所示，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和36.6。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。

3  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有明显上升，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。如图5所示，为本次模拟异常升温测试温度场图像，系统自动判断的图像分割种子点。

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。如图6所示，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。

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米，方差阈值为3，在本组模拟升温测试数据中，600米位置测试信号的空间范围30米（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米位置测试信号的空间范围120米（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。

4  应用效果

贵州湄石高速公路隧道作为示范应用工程，在隧道内安装部署光纤温度传感系统，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。在不同的季节、不同的时间段，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，误报率为0%。光纤温度传感系统的报警率、模式识别正确率统计如表1所示。

在贵州湄石高速公路隧道部署的光纤温度传感系统，经过1年多时间的稳定运行和检验，多次现场模拟异常升温测试以及长期的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的监测和定位，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。

5  结  论

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。

参考文献：

[1] 杨迎卯，王鹤桐.基于光栅阵列的轨道交通隧道机电设备安全状态监测 [J].中国设备工程，2022（13）：157-159.

[2] 金朝辉，方勇，张玉春，等.鹧鸪山隧道工程机电设备智能监控及维护管理一体化软件研制 [J].隧道建设，2008（2）：140-142+181.

[3] 张佳斌，贺庆，张青超.光纤光栅传感器阵列在空间温度场测量中的应用 [J].激光与红外，2020，50（6）：724-728.

[4] 杨丽琴.基于光纤光栅的高速公路隧道机电设备安全监测 [J].交通科技，2017（2）：97-99.

[5] 陈兆志，刘成，金鑫，等.高速公路隧道感温光栅监测技术探析 [J].中国交通信息化，2022（5）：140-142.

作者简介：罗祥红（1984—），男，汉族，贵州贵阳人，工程师，本科，研究方向：机电工程施工。