《工程机电论》word版

1、. 光纤光栅预警系统对隧道火灾的防范与控制 学院名称：土木工程学院课程名称：工程机电 学生姓名：学 号：指导教师:二一四年十一月目录第1章 引言31.1 隧道火灾的危害31.2 火灾的特点与光纤的工作原理3第2章 光纤光栅报警系统对隧道的适用性42.1 适用于隧道的优点42.2 系统存在的技术问题5第3章 光纤光栅报警系统的应用53.1 系统应用于隧道中的设计方式63.2系统于火灾反馈的优点6第4章 结论与展望64.1 结论64.2 展望7参考文献8一 引言（1）隧道火灾的危害近几年来，世界上相继发生了好几起特大公路隧道火灾事故，均造成了大量的人员伤亡和车辆毁坏，引起局部隧道顶部出现坍塌，并使

2、该路段交通在事发后较长一段时间内一直处于瘫痪状态。著名的实例包括欧洲的三把火勃朗峰隧道火灾、陶恩隧道火灾以及圣哥达隧道火灾，勃朗峰隧道位于法国与意大利间，建于1965年，全长11.6km，采用意境洞双高交通。该隧道采用全横向通风，送排风道设于隧道底部；由法国和意大利共同管理，设有主从式监控中心两个。1999年3月24日早上，一辆装有黄油的货车在隧道内自燃引起大火，尽管实施了紧急 救援，但仍造成了41人死亡，43辆车烧毁，交通中断一年半以上重大生命财产损失。陶恩隧道位于奥地利境内，全长6.4km，总坡1.5%，每昼夜交通量14300辆，19%为大型载重车。该隧道建于1975年，为全横向

3、通风。1999年5月29日 凌晨1时49分，洞内正在维修作业，局部封闭一个车道。一辆大卡车将4辆小车撞破并引起大火，火灾持续4h，烧死13人，烧毁34辆车。从火灾发生至报警仅1min，求援人员赶到时已无法接近现场，火灾发生后45min救援才得以展开。这次火灾烧坏隧道主体结构长度达1100。事后修复工作共花费1000万奥地利先令，修复期3个月，而收费损失达4000万先令。而在1984的 瑞士，圣哥达隧道（全长12.32 km）内发生了由于塑料卷材引发的货车燃烧的火灾事故，造成巨大的人员和财产损失。而这仅仅是在欧洲，其他例子并不在少数。而公路隧道火灾的严得危害性已引起

4、世界各地人们的普遍关注。 随着我国公路隧道尤其是长、特长公路隧道的规划和建设，公路隧道的防火与救灾问题已引起人们的高度重视，而且已成为制约这些隧道建设的一项关键技术。这就需要火灾的动态预警，其关系到广大人名群众的生命安全以及财产安全，是一项刻不容缓的研究。（2）火灾的特点与光纤的工作原理发生在隧道中的火灾，多数是开放性火灾，它带有浓烟，其热辐射率为数兆瓦级，在数分钟内便可形成火灾。经广泛的试验(包括路面车辆和地铁列车)，一起火灾通常在810分钟完全形成。对于大型货运卡车，大约为20-30分钟。当有燃料泄漏并形成坑或池时，火灾在1-3分钟内完全形成。而火灾现场的关键点问题有三个：火灾检

5、测系统失效、火源点不明以及烟雾弥漫范围不清，这便引出了三个研究重点：光纤光栅预警系统、热释放率反演以及火情关键参数构建。故而在隧道内布置光纤光栅预警系统已经成为现今最直接也是最有效的解决隧道火灾的方法，其工作原理复杂，由于温度、压力和张力等对玻璃纤维会造成影响，并且能够局部地改变光纤中的光线传导特性，从而光线在传导中会产生散射，并会在石英玻璃纤维中衰减，外部物理影响的位置就能够被确定，这样光纤就能够作为一种线性的传感器。光纤感温探测系统是一套利用光纤作为线性感温探测器的高新技术，其基本原理是利用光纤中石英分子键会受温度上升而产生晶格振动。这种振动会导致在光纤 中传输的光产生散射(喇曼散射及Ra

6、yleigh散射)，而散射量的大小可以直接反 应温度的高低。因此光纤感温探测系统可以将环境温度以连续的线性方式表示出来。光纤感温探测系统的另一个崭新的技术是可以准确地定位温度变化的确切位置。系统通过OTDR、OFDR(光时域及光频域反射测量法)及连续FFT(快速傅立叶 变换)对讯息进行外理，将微小的时空差别以频率方式体现出来实现精确定位， 从而构成一套精密的光纤线性感温探测系统。 光纤感温探测系统包括一个分析单元(频率生成器、激光源、光模、HF合成器和 微处理器)以及一个石英光纤缆(LG)作为线性温度传感器。二 光纤光栅报警系统对隧道的适用性（1）适用于隧道的优点而光纤光栅预警系统在隧道非常适

7、用，具体体现在以下好几个优点：首先，它不包含任何电子器件，所以不会受到任何种类的电磁干扰的影响。第二，光纤传感线缆设计了优异的耐用性(可以预期大约50年的服务寿命)，所以对环境影响如温度，压力和湿度波动极具抵抗力，同样也适用于多尘和含有腐蚀性物质的空气中。第三，安装传感线缆和维护都十分容易，在线缆有损伤的地方可以像修复普通光纤一样接合。第四，传感线缆能够不受限制地切割成要求的长度，为每一个工程提供所需的长度，最长可达4千米。在功能方面，同时，光纤感温探测系统能够：第一，精确定位火灾位置，对隧道可进行大范围的或局部范围的显示。 第二，指明火灾蔓延方向和速率。第三，激活预先编制的联动控制顺序比如通

8、风，疏散指示，交通信号灯，灯光调整等，并通过通讯接口与其它控制系统进行联动。自20世纪80年代末，装于不锈钢管中的石英玻璃纤维制成光缆开始用于信息传输(网络控制)，而不会受到电磁干扰。这种光纤系统不仅适用于传输信息，还可作为局域分布的测量传感器。光纤感温探测系统是一个线性感温探测器，属于最新一代光纤传感器，其最大优点归功于它的精确测量特性，它特别适合用于公路(铁路)隧道以及类似场合的火灾危险监视装置。 光纤感温探测系统已经多年成功地应用于许多领域，尤其是公路(铁路)隧道领域。这为更好地运用此系统提供了大量经验。光纤光栅传感器的特点特别适合于建筑、桥梁、大坝、公路、隧道等大型建筑物应变、温度、振

9、动等多参量的实时监测。一般桥梁、公路、隧道的测试点到仪表监控测室都有几百米至几千米的距离，传统传感器的信号无法传输到如此远，其传感器测试点一般要增加现场仪表，而且每个传感器都需要两根导线引出，系统结构复杂，抗干扰能力差，可靠性不高，不适合长期实时监测。而光纤光栅传感器能克服这些缺点，每根单芯光纤可串连几个至几十个传感器，且可引出到几十公里外进行异地监测；多根光纤连接到同一台解调仪上的不同通道上，组成分布式传感网络，解调仪对传感器进行同步实时监测、分析；不同种类的光纤光栅传感器（如应变、温度、位移、加速度等）可连接到同一台解调仪上进行实时的综合监测与分析。因此，光纤光栅传感器受到了世界范围内的广

10、泛重视，并正在广泛应用。（2）系统存在的技术问题但是，现有的光纤光栅感温火灾探测技术并不能直接应用于隧道工程中，还存在以下必需解决的技术问题:第一，多点波分技术复用容量有限，光纤光栅传感系统的复用方式一般采用多点波分复用技术，在一根光纤上串接多个中心波长不同的光纤光栅传感器，将波长值和测点位置对应起来,实现多点分布式测量。该方式受光源带宽的限制，一般每个光通路用多点波分复用技术只能复用1520个探测点。根据隧道防火标准每100m布设1520个探测点的要求,每公里隧道将占用10个光通路,需要的探测点数将达到150200个,不但布线复杂,而且成本极高,一般工业企业难以承受。第二，长距离无中继隧道火

11、灾探测，我国公路隧道多数分布在人烟稀少的山区,长隧道和隧道群多,监控所管理范围大,管理对象多,管理人员少。现有的火灾探测技术由于检测信号不能远传,必须设置一套单独的光纤通信系统完成信号的传输,增加了系统的成本。另外,现场环境恶劣,隧道内无人职守,现有火灾探测技术的检测设备大都在隧道内工作,因为湿度、温度、粉尘,甚至电力供应问题,安装在隧道内的设备经常出现信号异常或设备不能正常工作的情况。第三，快速准确的火灾报警系统我国交通部颁布的公路隧道火灾报警技术要求中，要求火灾报警系统必须在火灾发生后60s以内产生与火灾发生防火分区对应的火灾报警信号,而欧洲的对应标准是90s，很多国外引进的火灾探测技术并

12、不能满足我国技术要求。所以开发符合公路隧道火灾报警技术要求的光纤光栅火灾探测系统成为能否在公路隧道中成功推广应用的关键技术问题。三光纤光栅报警系统的应用（1）系统应用于隧道中的设计方式而在感温光纤光栅报警系统真正在隧道中的应用时，可以将其安装在隧道的消防控制室中，然后可以利用一路的光纤对整个长大隧道进行有效的监测，通常可以长达4千米路段的探测。在感温光纤报警系统主机中可以有效的提供数字信号接口，在将数据信息传送到监控系统时，可以利用COM接口和Modem。在长大隧道安装感温光纤报警系统时，要将光纤线缆传感器准确的安装在隧道顶部，最好进行居中布置。在光纤外套上，每隔一米就可以设置一次长度标识，这

13、样可以方便与隧道的长度进行有效的对照。在固定光纤时，可以采用高强度尼龙夹，要每一米设置一个尼龙夹。当光纤出现弯曲时，要将弯度进行有效的控制，并且光纤的弯度半径要超过60毫米。在使用光纤线缆传感器时，可以随意定义报警区间的长度，通常情况下是每一百米设置一个报警区间。当隧道发生火灾时，可以将报警区间发出的火灾报警信号进行及时的确定和准确的定位，并且也可以将报警温度曲线进行及时实时显示出来。当线缆出现故障时，可以将故障信号及时的发出来。另外，在设置手动报警按钮时，可以作为辅助手段，在每隔50米的隧道处安装一只手动报警按钮，并且将手动报警按钮安装在高度1.5米的隧道洞壁的地方，从而便于手动报警按钮的安

14、装，并同时进行有效的维修。（2）系统于火灾反馈的优点这样就可以达到火灾动态反馈式疏散救援方式，它有以下杰出的优点：第一，全局性，本方式能提供火灾时大量的关键信息，包括火源点位置，火灾大小和类型，温度场，烟气扩散范围和移动速度，从而更好地指导救援疏散工作。第二，实时性，其根据火灾探测器测得的信息实时地重构地下空间内的三维温度烟气场，从而实时地调整所执行的应急疏散救援预案。第三，合理性，根据地下空间内实际的火势发展情况来选择相应的疏散救援预案，从而能够保证预案实施的有效性。四结论与展望（1）结论在隧道中安装感温光纤光栅报警系统时，通常感温光纤报警系统具备的实时监视功能、处理数据的功能、信息处理功能以及有效的分析智能故障等功能，在很大程度上促进了感温光纤报警系统的准确性和及时性。在长大隧道中应用感温光纤报警系统时，要严格按照安装规范要求，确保安装的规范性，发挥出感温光纤报警系统的巨大作用，从而确保隧道的安全运行。（2）展望而随着科技日新月异地发展，为了方便交通，隧道也会越来越多，隧道的防火救灾等营运安全问题已引起高速公路建设者和设计人员的高度重视，而且已成为制约这些隧道建设的一项关键技术。作为一名土木工程专业的学生，也应该与时俱进，