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摘 要：地铁隧道内具有强电磁干扰，以电信号为工作基础的温度传感器在安全性和信号稳定性方面受到限制。分布式光纤温度传感器的工作原理是喇曼散射的温度效应。考虑到光纤的抗电磁干扰能力、组网方便及其固有的大信号传输带宽等优点，如能将分布式光纤温度测量技术应用到地铁隧道火灾预警系统，则能有效监测地铁隧道温度变化，为一旦发生的地铁隧道火灾救灾指挥提供强有力的支持作用。
关键词：分布式光纤测温；火灾报警系统；隧道；地铁
中图分类号：TB文献标识码：A文章编号：1672-3198（2012）12-0178-02
0 前言
地铁由于具有运量大、速度快、安全、准时、无污染等一系列优点，对促进城市郊区发展，促进城市由单中心向多中心发展具有非常重要的意义。然而地铁设施是投资巨大、设备系统复杂、人员密集的公共场所，一旦发生火灾，轻则引起交通秩序和社会秩序的混乱，重则造成重大的人员伤亡和巨大的经济损失，更严重者还会产生不利的政治影响。我国98年版国家标准《火灾自动报警系统设计规范》（GB50116-98）将地铁隧道定为一级保护对象，显示了对地铁火灾安全的高度重视。
由于现有的火灾报警系统（FAS）设备存在总线长度有限、回路容量不够、线性感温元件保护范围小、不能定位报警点等技术困难，目前已经运营和在建的地铁隧道都没有安装温度传感元件。鉴于地铁火灾安全的重要性，为了有效地保护人民生命和国家财产安全，研究一种适合在地铁隧道安装运行的，能及时地反映地铁火灾发生的位置、灾情的区域大小、火势的大小、火势的蔓延方向、延误漂流方向等的火灾自动监测系统，将给救灾指挥部门实时提供动态数据，可利于救灾工作有条不紊的开展，尽可能减少人员伤亡、社会公共财产损失。
温度是触发火灾报警系统运作的重要物理量之一。传统温度测量多用热敏电阻、光学高温计等温度传感器。但对于具有强电磁干扰的地铁隧道环境，传统以电信号为工作基础的温度传感器通常在安全性、信号的稳定性方面受到很大的限制。而光纤的抗电磁干扰能力、组网方便及其固有的大信号传输带宽等优点，使得光纤温度传感器突破了电温度传感器的限制，为地铁隧道等存在强电磁场干扰的环境提供了非常有效的温度测量方法。
分布式光纤温度测量技术，其应用是十分广泛的，不仅仅在常规的温度测量上，通过适当的转换模型，该技术还可以用在水利设施的渗漏监测、地下管道的泄漏监测，以及动力电缆的温度监测等。
1 地铁火灾的主要原因和特点分析
地铁火灾的发生具有必然性也具有偶然性。必然性的火灾，来自设备的老化、绝缘的损坏等等，这可通过对周边设备进行实时监测，做到早期预报，防患于未然。偶然性的火灾大多数出自于意外的、人为的情况，在目前国际形势复杂多变、工作压力过大等的情况下，少部分人会做出报复社会的过激行为，这给地铁营运带来突发性不安全的因素。
1.1 电缆火灾
电缆是地铁机车运行的动力来源，也是地铁隧道设备系统的重要组成部分。由于电缆易燃，着火后危害大，电缆的防火历来为供电部门所重视。据有关资料统计，1975～1985 年间，因电缆着火延燃造成的重大事故发生60起，造成直接和间接损失达50多亿元。事故分析表明，引起电缆火灾的直接原因往往是电缆接头制作质量不良、压接不紧、接触电阻过大，从而电缆接头过热导致火灾发生。但是，电缆接头的制作质量的好坏，只能在运行中才较易发现，运行时间越长越容易发生过热烧穿事故。对于电气设备绝缘老化引起的火灾，从电缆接头过热到事故发生有一个过程，其特点是火势产生比较慢，烟雾及热量排放少，但很可能造成部分供电设备断电，照明设施失灵，机车停止运行和通信网络瘫痪的情况。因此，通过对电缆在线过热监测完全可以防止和杜绝此类事故的发生。
1.2 隧道火灾
隧道消防安全是目前消防研究的热点领域之一，已取得了许多研究成果，但仍有大量问题需要进一步研究。隧道火灾过程是一种三维非定常包含多相流体流动、传热传质和化学反应及其相互作用的十分复杂的物理化学过程。由于隧道空间小，近似处于密闭状态，不可能自然排烟，同时燃烧产生的热量不易散发，热量聚集，内部温度上升快，可能较早出现轰燃。日本消防研究所进行的模型隧道火灾试验结果表明，隧道内燃料的燃烧速度是敞开空间的3倍，隧道内的温度最高可达到1000 ℃。因此烟雾大，温度高是隧道火灾的主要特点。
鉴于火灾本身的复杂性以及隧道火灾的特殊性，建立隧道火灾的准确模型是指导人员疏散和减灾救灾的关键，但这仍需通过加强开展火灾试验获取更多真实数据资料。国外的研究机构已经在废弃的隧道内开展了大量全尺寸试验：研究通风对火灾的影响和通风时火灾热释放速率的变化。这些已经完成的研究为隧道内人员的疏散和火灾的扑救提供宝贵的理论依据，但在具体隧道环境的火灾模拟中又应该具体问题具体分析。而依靠采用先进的测量技术测量分析火灾动态特性，如火羽流区的特性，不但能及时反映火灾现场情况，也可为验证数值计算的准确性提供详实的试验资料。
2 地铁隧道火灾预警系统的要求
地铁隧道是复杂的地下管道网络设施，一旦发生火灾时，需要考虑的因数很多。不但要考虑火灾原因是人为纵火还是电力设备老化发热，还要考虑是隧道区间着火还是运行的列车着火，甚至区间隧道发生火灾的位置都必须纳入考虑的范围。如果采用线型感温电缆对隧道进行火灾探测，则存在以下几个不可克服的缺点，严重的制约了其在地铁隧道中的应用。
（1）抗电磁干扰能力差，误报、误动极高。地铁在隧道跑的是电力牵引的机车，使隧道的电磁低频干扰很强，容易引起感温电缆误报火警。
（2）对火灾现场无法定位，也无法探知灾害的区域范围。
（3）不能反映火情、火势发展和烟雾蔓延的跟踪情况，指挥中心无法获得现场的确切信息。
（4）不能实时监测，只有灾害出现后才报警。
（5）只有火灾报警的开关量，系统不能精确的反映现场温度。
（6）一次性使用，维护特别困难，成本很高。
2.1 分布式光纤测温技术
温度的异常变化往往是故障或事故的直接表征和前期预兆，如温度升高可能是运行中的设备存在局部过热、接触不良、局部放电、通风不畅、热水管道漏水、设备短路、火灾等，温度下降可能是输汽管道漏汽、冷凝器系统故障等。通过对温度的实时在线监测，结合温度变化量的特征和具体监测对象的特点，综合分析、诊断和确定引起温度异常的“病根”，可以将事故隐患消除在萌芽状态。传统点式光纤温度传感器只能测试一小部分区域内的温度状态，而对于某些大型网络结构场合，则需要对温度场的空间分布状态进行准确测量和实时监控。如果使用多个点式温度传感器阵列进行测试，那么其监测任务的执行显然是不经济的。
1985年，J. P. Dankin等人首次成功地实现了采用喇曼散射的分布式测温技术。该技术很快由最初的固体激光器、光电倍增管模式过渡到半导体激光器和 APD（雪崩光电二极管）方案，YORK 公司首先推出了其商品化的产品，随后，日本的藤仓公司、住友电器，英国的 KENT 大学等机构纷纷推出了自己的成果，分布式光纤温度测量技术迅速成为一个研究热点，成为当今世界上最先进的高科技光电子产品之一。中国是目前世界上仅有少数几个掌握其技术和能够生产其产品的国家之一。
2.2 分布式光纤测温火灾预警系统在地铁隧道中的应用
分布式光纤测温火灾预警系统可完全满足火灾情况下的各种需求，其优点如下：
（1）全面、连续、实时地检测隧道的实时在线温度检测，图形界面反映每隔一米的温度信息，如正常温度、异常温度、火灾温度。
（2）定位功能，对火灾、异常温度进行精确定位，并对灾害区域大小进行定量检测。
（3）多级报警功能，如一级预报警、二级预报警、三预报警、温度变化率报警等功能。
（4）具有对火情的大小（温度高低和灾害区域），火势的蔓延方向和速度，烟雾漂流的方向和速度进行实时检测和快速分析，及时准确地给救灾指挥部门提高灾害现场依据，以便救灾工作的快速、正确进行。
（5）感温光纤具有抗电磁干扰、抗腐蚀、抗辐射、抗震动、阻燃、防爆、绝缘强度高，能在高温、高湿、污秽严重、活塞风流动大等各种有毒有害的恶劣环境中长期正常工作。
（6）光纤测温主机具有和FAS系统联动的很强功能，将火灾区域的信号准确提供给FAS系统，以便FAS系统准确联动消防设备。
（7）系统具有开放式、网络化、单元化以及组网方便等优点，极易实现信息化管理。
3 系统设计
近几年来，国内外一些电厂、化工厂等工业企业和一些公路隧道等已经采用分布式光纤测温火灾预警系统监视火灾灾情并取得了较好的效果。由于公路隧道、电厂等项目一般建筑规模小、简单，隧道内设备少、风速低，所以分布式光纤测温火灾预警系统在此的应用也是简单的、小规模的。通常是直接将感温光纤安装于隧道顶部，设备设置数量少（仅需单台或几台主机）且火灾监控要求不高（大多无需联网或联动设备控制等）。
分布式光纤测温火灾预警系统是一个智能性的长距离温度探测系统，该系统检测到的区间火灾信号要能够及时准确地送到FAS系统，FAS系统与相关设备联动，组成地铁隧道火灾自动报警。根据这一需求，车站级火灾自动报警系统设计方案示意图如图1。
4 结论
地铁隧道环境具有强电磁干扰和网络巨大、隧道相互交错的特点。传统以电信号为工作基础的温度传感器通常在安全性、信号的稳定性方面受到很大的限制。而光纤的电绝缘性，几何易变性及其固有的大的信号传输带宽等优点，使得光纤温度传感器突破了电温度传感器的限制，从而为地铁隧道等存在强电磁场干扰环境下的温度测量提供了非常有效的手段。
分布式光纤温度传感器的工作原理是喇曼散射的温度效应，该技术的理论和实验技术基本上已经成熟。国内外不少研究所和厂家都开发了自主的分布式光纤测温系统并成功应用在电力、化工企业和水坝、油库等特殊环境中。如能将分布式光纤温度测量技术应用到地铁隧道火灾预警系统，则能有效监测地铁隧道温度变化，为一旦发生的地铁隧道火灾救灾指挥提供强有力的参考作用。
参考文献
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