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l　隧道的火災(zāi)危險(xiǎn)

地下軌道交通正日益成為各大城市解決交通堵塞的重要手段．地下隧道是其唯一的交通通道。同時(shí)，高速公路也正成為今日社會(huì)的經(jīng)濟(jì)命脈，公路隧道更是其咽喉重地。大量的人員及貨物夜以繼日的通過(guò)它們運(yùn)送到各地，其高負(fù)荷運(yùn)行使其系統(tǒng)易損壞，任何細(xì)小的事故都將導(dǎo)致嚴(yán)重的后果。

火災(zāi)，是公路隧道以及地下鐵路隧道所面臨的高度危險(xiǎn)之一。現(xiàn)代化交通系統(tǒng)的迅速發(fā)展，大大增加了隧道火災(zāi)的潛在危險(xiǎn)。(例如：隧道長(zhǎng)度的不斷增加，雙向行車(chē)道，高危險(xiǎn)性的貨物，隧道內(nèi)由于大交通流量而日益增加的火災(zāi)荷載等等因素。)

鑒于隧道內(nèi)環(huán)境特殊，火災(zāi)一旦發(fā)生，往往會(huì)一發(fā)不可收拾；并且由于缺乏逃生設(shè)施及救護(hù)人員，加之司機(jī)與乘客驚慌失措，很可能造成重大傷亡。

2　隧道的火災(zāi)特點(diǎn)

發(fā)生在隧道中的火災(zāi)，多數(shù)是開(kāi)放性火災(zāi)，它帶有濃煙，其熱輻射率為數(shù)兆瓦級(jí)，在數(shù)分鐘內(nèi)便可形成火災(zāi)。

經(jīng)廣泛的試驗(yàn)(包括路面車(chē)輛和地鐵列車(chē))，一起火災(zāi)通常在8—10分鐘完全形成。對(duì)于大型貨運(yùn)卡車(chē)，大約為20-30分鐘。當(dāng)有燃料泄漏并形成坑／池時(shí)，火災(zāi)在1-3分鐘內(nèi)完全形成。“隧道火災(zāi)”實(shí)例的測(cè)試顯示，在大約5分鐘之后，車(chē)輛火災(zāi)的溫度升至大約200攝氏度。

在這些發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，我們得出如下結(jié)果：當(dāng)隧道中發(fā)生一起嚴(yán)重的火災(zāi)，在先的4分鐘內(nèi)，在火災(zāi)點(diǎn)上方的熱空氣層可以探測(cè)到溫度每分鐘上升大于50攝氏度。

隧道通風(fēng)將產(chǎn)生特定的影響。一般的測(cè)試都顯示，在大于2m／s的縱向風(fēng)時(shí)，一輛汽車(chē)或列車(chē)火焰向上飄動(dòng)，頂部的溫度僅達(dá)到60攝氏度。并且，在距火災(zāi)發(fā)生地20米遠(yuǎn)的地點(diǎn)，頂部溫度將降到50攝氏度以下。因此，在高速氣流時(shí)熱幅射的升溫梯度是唯一的報(bào)警相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

隧道內(nèi)風(fēng)速的影響可以參見(jiàn)西門(mén)子樓宇科技公司在瑞士的哈葛伯奇試驗(yàn)隧道所得到的測(cè)試數(shù)據(jù)。

在有消防通風(fēng)系統(tǒng)時(shí)，為確保排煙空氣流速必須增加至大于3m／s。另一方面，這增加了5個(gè)單位的燃燒速率，并且對(duì)隧道頂部的熱空氣層將更具破壞性。一些更先進(jìn)的通風(fēng)系統(tǒng)，在火災(zāi)發(fā)生時(shí)，從隧道火災(zāi)發(fā)生位置的頂部排煙。為此應(yīng)只開(kāi)啟火災(zāi)發(fā)生位置的通風(fēng)口，并關(guān)閉新風(fēng)系統(tǒng)。

為了確保火災(zāi)報(bào)警的可靠且無(wú)誤報(bào)，火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)應(yīng)能記錄開(kāi)放式火災(zāi)的輻射區(qū)域，這是極其重要的。此外由于表面熱幅射所傳遞的熱量要比熱氣體的熱對(duì)流交換所傳遞的快一些，所以火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)應(yīng)能迅速探測(cè)溫度變化。而新的光纖感溫探測(cè)系統(tǒng)，提供了幾近完美的探測(cè)性能。

3　光纖感溫探測(cè)系統(tǒng)介紹

3．1工作原理

經(jīng)過(guò)物理實(shí)驗(yàn)得知諸如溫度、壓力和張力等對(duì)玻璃纖維會(huì)造成影響，并且能夠局部地改變光纖中的光線(xiàn)傳導(dǎo)特性，從而光線(xiàn)在傳導(dǎo)中會(huì)產(chǎn)生散射，并會(huì)在石英玻璃纖維中衰減，外部物理影響的位置就能夠被確定，這樣光纖就能夠作為一種線(xiàn)性的傳感器。

光纖感溫探測(cè)系統(tǒng)是一套利用光纖作為線(xiàn)性感溫探測(cè)器的高新技術(shù)，其基本原理是利用光纖中石英分子鍵會(huì)受溫度上升而產(chǎn)生晶格振動(dòng)。這種振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致在光纖中傳輸?shù)墓猱a(chǎn)生散射(喇曼散射及R．a(chǎn)ylei曲散射)，而散射量的大小可以直接反應(yīng)溫度的高低。因此光纖感溫探測(cè)系統(tǒng)可以將環(huán)境溫度以連續(xù)的線(xiàn)性方式表示出來(lái)。光纖感溫探測(cè)系統(tǒng)的另一個(gè)嶄新的技術(shù)是可以準(zhǔn)確地定位溫度變化的確切位置。系統(tǒng)通過(guò)OTDK、OF’DR(光時(shí)域及光頻域反射測(cè)量法)及連續(xù)FFT(快速傅立葉變換)對(duì)訊息進(jìn)行外理，將微小的時(shí)空差別以頻率方式體現(xiàn)出來(lái)實(shí)現(xiàn)精確定位，從而構(gòu)成一套精密的光纖線(xiàn)性感溫探測(cè)系統(tǒng)。

光纖感溫探測(cè)系統(tǒng)包括一個(gè)分析單元(頻率生成器、激光源、光模、HF合成器和微處理器)以及一個(gè)石英光纖纜(LG)作為線(xiàn)性溫度傳感器。

3．2特性

在隧道交通領(lǐng)域，光纖傳感器線(xiàn)纜是一種理想的解決辦法。因?yàn)椋?/p>

一它不包含任何電子器件，所以不會(huì)受到任何種類(lèi)的電磁干擾的影響。

一光纖傳感線(xiàn)纜設(shè)計(jì)了優(yōu)異的耐用性(可以預(yù)期大約50年的服務(wù)壽命)，所以對(duì)環(huán)境影響如溫度，壓力和濕度波動(dòng)極具抵抗力，同樣也適用于多塵和含有腐蝕性物質(zhì)的空氣中。

一安裝傳感線(xiàn)纜和維護(hù)都十分容易，在線(xiàn)纜有損傷的地方可以像修復(fù)普通光纖一樣接合。

一傳感線(xiàn)纜能夠不受限制地切割成要求的長(zhǎng)度，為每一個(gè)工程提供所需的長(zhǎng)度，長(zhǎng)可達(dá)4千米。

同時(shí)，光纖感溫探測(cè)系統(tǒng)能夠：

一精確定位火災(zāi)位置，對(duì)隧道可進(jìn)行大范圍的或局部范圍的顯示。

一指明火災(zāi)蔓延方向和速率。

一激活預(yù)先編制的聯(lián)動(dòng)控制順序比如通風(fēng)，疏散指示，交通信號(hào)燈，燈光調(diào)整等，并通過(guò)通訊接口與其它控制系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)動(dòng)。

自20世紀(jì)80年代末，裝于不銹鋼管中的石英玻璃纖維制成光纜開(kāi)始用于信息傳輸(網(wǎng)絡(luò)控制)，而不會(huì)受到電磁干擾。這種光纖系統(tǒng)不僅適用于傳輸信息，還可作為局域分布的測(cè)量傳感器。

光纖感溫探測(cè)系統(tǒng)是一個(gè)線(xiàn)性感溫探測(cè)器，屬于新一代光纖傳感器，其大優(yōu)點(diǎn)歸功于它的精確測(cè)量特性，它特別適合用于公路(鐵路)隧道以及類(lèi)似場(chǎng)合的火災(zāi)危險(xiǎn)監(jiān)視裝置。

光纖感溫探測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)多年成功地應(yīng)用于許多領(lǐng)域，尤其是公路(鐵路)隧道領(lǐng)域。

4　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

光纖感溫探測(cè)系統(tǒng)有如下結(jié)構(gòu)：

一傳感線(xiàn)纜(長(zhǎng)4千米)

-OTS控制器配有激光發(fā)生器，測(cè)量信號(hào)評(píng)估和軟件

一外部電源24V DC／100W(操作于230VAC)

一整個(gè)光纖感溫探測(cè)系統(tǒng)提供10個(gè)無(wú)電壓，報(bào)警和故障輸出，閉合觸點(diǎn)可用于連接9個(gè)主要區(qū)域報(bào)警，1個(gè)通常故障

一4個(gè)無(wú)電壓輸人用于：報(bào)警的復(fù)位，外部報(bào)警，監(jiān)控

一與pcRS232)連接，在調(diào)試時(shí)設(shè)置優(yōu)化操作參數(shù)。帶有調(diào)試程序的PC在操作時(shí)或分離或連接

一將一臺(tái)PC連接于接口，用來(lái)顯示設(shè)定區(qū)域和線(xiàn)纜沿線(xiàn)的溫度圖形顯示。 

4．1光纖感溫線(xiàn)纜

傳感線(xiàn)纜有一個(gè)外徑為1．65mm的鋼管。鋼管包含兩根獨(dú)立的石英玻璃光纖，每一根的外徑為0．25mm。光纖顏色不同以便于標(biāo)識(shí)。剩余空間用無(wú)水導(dǎo)熱材料填充。

鋼管由一個(gè)絕緣塑料護(hù)套包圍，該護(hù)套直徑大可8mm。該護(hù)套使在安裝時(shí)操作更為簡(jiǎn)便并且提高機(jī)械穩(wěn)定性和熱幅射的靈敏性。為辨識(shí)報(bào)警分區(qū)的設(shè)定，傳感線(xiàn)纜表面印有連續(xù)的長(zhǎng)度米數(shù)數(shù)字。

感溫線(xiàn)纜特性

一圓形線(xiàn)纜，2芯多模光纖裝于高質(zhì)量的鋼套之中

一光纖內(nèi)核62．5~m

一光纖覆層125~m

一鋼套1．65mm

一絕緣層8mm

一線(xiàn)纜長(zhǎng)度長(zhǎng)4000m

一彎曲半徑小60mm

一拉力

在安裝過(guò)程中大200N

在使用過(guò)程中大125N

一絕緣材料HDPE(高密度聚乙烯)，無(wú)囟素，紅色

一測(cè)量溫度范圍：-30攝氏度至+90攝氏度，短時(shí)間(<5分鐘)120攝氏度

一200攝氏度以下工作

一服務(wù)壽命50年

一對(duì)以下干擾不會(huì)受到影響

一電磁干擾

一通風(fēng)開(kāi)啟，電纜，廣播系統(tǒng)，移動(dòng)電話(huà)系統(tǒng)，廣播天線(xiàn)等等

一溫度波動(dòng)

一濕度變化

一壓力波動(dòng)

一腐蝕性氣體

一侵蝕性化學(xué)品

一紫外線(xiàn)幅射

4．2 OTS控制器

控制器為模塊化設(shè)計(jì)，含有以下子模塊：

一LF：帶有激光源的頻率發(fā)生器

一PS：開(kāi)關(guān)電源

一CC：CPU及通訊RS232

一OD：帶有光纖與探測(cè)器的光模塊

OTS控制器使用24V直流電源。

它有9個(gè)報(bào)警輸出和1個(gè)故障輸出。在調(diào)試過(guò)程中，OTS控制器可以經(jīng)由一個(gè)PC機(jī)來(lái)設(shè)定參數(shù)。所測(cè)量的參數(shù)裝載人控制器的軟件中，該P(yáng)C還帶有調(diào)試軟件。

所測(cè)的數(shù)據(jù)經(jīng)由一臺(tái)PC機(jī)的顯示軟件可進(jìn)行操作顯示。顯示界面如圖所示。

5　光纖感溫探測(cè)系統(tǒng)功能

光纖感溫探測(cè)系統(tǒng)具有如下控制功能：

5．1測(cè)量多種參數(shù)

光纖感溫探測(cè)系統(tǒng)測(cè)量程序能夠測(cè)量隧道內(nèi)的溫度變化。能夠選擇連續(xù)測(cè)量的空間分辨率。更好的空間分辨率需要控制器來(lái)測(cè)試整個(gè)感溫線(xiàn)纜。

當(dāng)系統(tǒng)有4千米的傳感線(xiàn)纜時(shí)，空間分辨率的選擇和測(cè)量周期延長(zhǎng)將明顯地影響探測(cè)時(shí)間。測(cè)試和理論分析顯示測(cè)量周期為30秒至60秒。光纖感溫探測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量周期和空間分辨率可以在調(diào)試時(shí)決定。

5．2設(shè)定區(qū)域

整條線(xiàn)纜的長(zhǎng)度能夠按不同的要求分成不同的區(qū)域(例如監(jiān)視，通風(fēng)，照明區(qū)域)。一個(gè)區(qū)域是傳感線(xiàn)纜上一個(gè)不間斷的長(zhǎng)度區(qū)間。區(qū)域能夠按要求定義。甚至可以相互重疊。大可以有128個(gè)分區(qū)。每一個(gè)分區(qū)能夠分配獨(dú)立的激活參數(shù)和聯(lián)動(dòng)輸出。

5．3報(bào)警激活

光纖感溫探測(cè)系統(tǒng)OTS控制器以周期性的間隔測(cè)量傳感線(xiàn)纜的溫度。測(cè)試周期取決于傳感線(xiàn)纜的長(zhǎng)度和空間分辨距離，比如，長(zhǎng)的測(cè)量周期時(shí)間在4，000米傳感線(xiàn)纜且以3米為空間分辨距離時(shí)。一個(gè)測(cè)量周期完成之后激活報(bào)警。

在一個(gè)分區(qū)中當(dāng)以下3個(gè)報(bào)警標(biāo)準(zhǔn)有一個(gè)以上滿(mǎn)足時(shí)，報(bào)警將被激活(典型缺省設(shè)置)：

一高溫度每分區(qū)58攝氏度

一溫度梯度每分區(qū)8攝氏度／分鐘

一溫度差異在一個(gè)測(cè)量位置和分區(qū)平均值15攝氏度

這些設(shè)定與每一個(gè)分區(qū)相關(guān)并且能夠?qū)γ恳粋€(gè)分區(qū)根據(jù)隧道條件獨(dú)立調(diào)整。測(cè)量的周期時(shí)間在30秒至60秒之間。

為了確保盡可能地避免誤報(bào)警，當(dāng)一個(gè)報(bào)警信息在一個(gè)測(cè)量周期出現(xiàn)時(shí)，將在下一個(gè)測(cè)量周期作再次確認(rèn)。所以報(bào)警激活一般需要2個(gè)測(cè)量周期。在極端的情況下，報(bào)警激活可以多于2個(gè)測(cè)量周期。

5．4報(bào)警顯示

報(bào)警能夠如下顯示

一帶有輸出報(bào)警的接點(diǎn)(提供給火警報(bào)警及控制系統(tǒng))

一分區(qū)溫度報(bào)警

5．5設(shè)定火災(zāi)規(guī)模

可設(shè)定5種規(guī)模，每一種用米作單位來(lái)分配大小。火災(zāi)規(guī)模可以清楚顯示。

5．6顯示火災(zāi)蔓延方向

絕大多數(shù)在隧道中的火災(zāi)向這一個(gè)方向或向另一方向蔓延，這取決于熱量，燃燒性氣體的擴(kuò)張和當(dāng)時(shí)通風(fēng)狀況。一旦得知火災(zāi)的蔓延方向，消防部門(mén)，救護(hù)隊(duì)員等就能夠從小危險(xiǎn)的一端進(jìn)入。以避免造成人員傷亡。

火災(zāi)蔓延有3種可能性：

一火災(zāi)是靜態(tài)的

一火災(zāi)向OTS控制器蔓延

一火災(zāi)向OTS控制器反方向蔓延

火災(zāi)蔓延方向能夠以信號(hào)方式傳送給控制中心。

6　光纖感溫探測(cè)系統(tǒng)在隧道中的使用

在實(shí)際工程使用中，光纖感溫探測(cè)系統(tǒng)光纖控制主機(jī)設(shè)置于地鐵站臺(tái)或公路(鐵路)隧道的消防控制室內(nèi)，引出一路光纖監(jiān)控整個(gè)隧道，探測(cè)距離可達(dá)4000m。主機(jī)提供RS232及數(shù)字信號(hào)接口，可通過(guò)COM接口或Modem將信號(hào)傳送至OTS-PC監(jiān)控系統(tǒng)，使用圖文方式顯示隧道內(nèi)溫度狀況及火焰蔓延方向。

遂道中光纖線(xiàn)纜傳感器安裝在遂道頂部，居中布置，光纖外套上有每米的長(zhǎng)度標(biāo)識(shí)，可方便與遂道長(zhǎng)度對(duì)照。光纖采用高強(qiáng)度尼龍夾固定，尼龍夾的設(shè)置建議每米一個(gè)(參考值為lm~2m)，光纖允許有一定的彎曲，但彎曲半徑不小于60mm。

采用光纖線(xiàn)纜傳感器，報(bào)警區(qū)間長(zhǎng)度可任意定義，一般可按100m區(qū)間定位。發(fā)生火災(zāi)時(shí)，不僅能按報(bào)警區(qū)間給出火災(zāi)報(bào)警信號(hào)。同時(shí)可以實(shí)時(shí)顯示報(bào)警溫度曲線(xiàn)。線(xiàn)纜故障時(shí)能即時(shí)發(fā)出故障信號(hào)。另外設(shè)置手動(dòng)報(bào)警按鈕，用于輔助報(bào)警手段，每隔50m安裝一只，安裝在隧道洞壁1．5m高處，以便于安裝維修。

我們相信這種新一代火災(zāi)報(bào)警產(chǎn)品一一光纖感溫探測(cè)系統(tǒng)會(huì)越來(lái)越多地應(yīng)用于在隧道的消防保護(hù)中。