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摘 要：详细介绍了地铁工程隧道火灾自动报警系统方案，重点分析了光纤光栅测温系统、感温电缆火灾探测系统和分布式光纤测温系统的技术、经济特点，提出了适合宁天城际一期工程的隧道火灾自动报警系统方案。
关键词：地鐵；隧道；火灾；光纤光栅；感温电缆；分布式光纤
引 言：地铁是高密度、大容量、快速运行的城市公共交通系统，系统安全、稳定关乎国家与市民生命财产安全，因此，建立一套适合地铁特点的火灾监控系统，特别是地铁隧道内的火灾监控显得尤为重要。本文重点讨论隧道内强电电缆的火灾探测技术，主要包括：光纤光栅测温系统、感温电缆火灾探测系统和分布式光纤测温系统。
一、光纤光栅测温系统
光纤光栅测温系统的基本原理是：当由于各种不同的因素导致电缆上光纤光栅周围的温度发生变化时，将导致光栅周期或者纤芯折射率产生变化，从而产生光栅布喇格信号的波长位移Δλ，通过监测布喇格波长的变化情况，即可获得电缆上光纤光栅周围温度的变化状况。简言之，光纤光栅布喇格波长的变化与环境温度的变化有着简单的线性关系，通过测量光纤光栅布喇格波长，可以测得环境温度。当温度的变化或者温变速率超过事先设定的某个门坎值时，即可给出报警信号。
光纤光栅测温系统具有如下技术特征：
采用光纤光栅感知温度和位置信息进行信号检测、信号传输，实现无电检测，本质安全防爆；
使用先进的光纤光栅作为测量单元，技术先进，测量精度高；
光缆及光栅长期工作温度范围达-30℃到120℃，瞬时可达150℃，应用范围广；
通过系统硬件对温度信息解调；
最高温度点定位至每一个探测器；
系统结构紧凑，安装简单，维护方便；
通过软件，可以根据实际情况设定不同的预警值、火警值；
光纤光栅测温系统因其良好的定点、实时监测性能，广泛应用于电力工业、石化工业等。
二、感温电缆火灾探测系统
感温电缆火灾探测系统是线型探测器的一种，其基本原理是：电缆内部是两根弹性钢丝，每根钢丝外面包有一层感温且绝缘的材料，在正常监视状态下，两根钢丝处于绝缘状态，当周边环境温度上升到预定动作温度时，温度敏感材料破裂，两根钢丝产生短路，输入模块检查到短路信号后产生报警。
感温电缆探测系统可用于发电站、变电站、电缆沟道、隧道、夹层、传送带等场所，感温电缆探测器稳定可靠，适用于恶劣环境的火灾检测。
三、分布式光纤测温系统
分布式光纤测温系统也是线型探测器的一种，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R.aylei曲散射），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OTDK、OF’DR（光时域及光频域反射测量法）及连续FFT（快速傅立叶变换）对信息进行处理，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。
分布式光纤测温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。
相比其他探测手段，分布式光纤测温系统这一目前世界上最先进的高科技产品，它以众多的优点和功能快速地代替感温电缆。其安装简便，性能卓越，具备如下主要优点：
整根光纤不仅用作信号传输，更全被用作温度探测用，感温探测覆盖范围为其全长100%，报警区域的设置可以通过软件在光纤全长内自由设置，报警定位精度高，其探测区域最小可达0.5米，无论现场分区怎样变动，皆能满足要求；
对每个分区的报警探测逻辑可以实现分区内最大温度（定温）、分区内温升速率（差温）、分区内最高温度与分区平均温度之间差值（分区温度均匀程度）三种方式的任意组合，保证实现早期和可靠的报警；
系统提供图形化监控软件，软件可以图形化实时显示各分区的定温、差温和极均差值等探测数据，并可以在控制中心设定各种探测数据的报警阈值；
可以对感温光纤全线提供连续的温度监测，可以显示全线的温度分布曲线，不仅有利于值班人员监控操作，而且系统兼备故障自检测功能，光纤发生故障时可以在光纤全长曲线上指示出断点的具体位置，有利于系统的故障监测与迅速维修；
系统安装非常简便，信号传输和探测用一根光纤，安装至现场仅需将探测光纤固定即可轻松完成安装工作；
探测部分完全采用光传输方式，光纤本征安全防爆，并可以完全杜绝电磁干扰影响，绝缘性高；
感温光纤耐用性设计优异，探测光纤的寿命可达30年之久，对环境影响如温度，压力和湿度波动有抵抗力，同样也适用于较多灰尘和含有腐蚀性物质的空气中；
可自成系统，系统自带全线温度曲线图形显示和配置软件，所有设置都可以通过软件进行，直观易用；
系统集成方便，控制器提供干接点输入输出至火灾报警系统。此外，控制器支持开放的通讯接口，易于实现控制器一级的系统集成。
四、分布式光纤测温系统与其他测温系统技术、经济比较
通过上述分析，感温电缆火灾探测系统、分布式光纤测温系统以及光纤光栅测温系统各自的原理和适用环境都有所不同，通过报警方式、事故判断、使用范围及维护、使用寿命、安全性和可靠性以及施工安装等因素的分析，对三种火灾探测系统作技术经济比较如下：
表 1 区间火灾探测方案技术经济比较表
方案
项 目 感温电缆 光纤光栅测温系统 分布式光纤测温系统
报警
方式 固定温度报警点；
被动等待设定的报警温度；
报警时往往已形成火灾。 系统自动对光纤光栅测温计所在区域进行实时温度巡检，检测现场温度的异常波动，在火灾发生前及时报警。 可综合利用设置多级温度报警、温升速率、温升趋势来进行连续监测，可在任何时间准确显示任何一点的温度状态，在火灾发生前早期预警。
事故
判断 无附加特定装置时，不能准确确定事故点位置，只能判断火警区域。无法反映温度资料。 使用先进的光纤光栅作为测量单元，技术先进、灵敏度高、测量精度高；最高温度点定位至每一个探测器。 智能化的系统，准确及时判断温度变化的类型、事故点温度读数及位置。
使用及维护 监测长度有限（标准长度为200 m），多路布线分区，系统复杂，故障率高，难以维护。 一根光纤可以串接大量的探测单元、布置在很大的探测范圍内，无人值守自动监控； 长距离监测用一根光缆即可完成，利用软件分区，系统非常简单可靠，免维护。
使用
寿命 报警后系统损伤，难以重复使用以及采用的材料的原因，使其寿命较短。 本质安全、稳定性好、使用寿命长。 达到报警点后利用软件复位，不损伤光缆并因其材料特殊，寿命极长。
安全性
可靠性 因其绝缘皮老化和电磁的干扰等诸多因素的缘故，经常产生误报并因其带电，故不适用于特殊危险场合。 本质防爆、抗电磁干扰、抗腐蚀、耐高温、体积小、重量轻、灵活方便等，应用范围非常广泛，适于恶劣和高危环境中。 不受电磁干扰，综合智能判断，无误报。因其不带电，故适用于特殊危险场合。
安装 较易损坏的缆体需与被测体以正弦波紧贴的方式进行多路敷设，安装相当复杂。新增电缆的扩容安装难度大。 光纤光栅传感器小巧、柔软、便于实施。系统结构紧凑，安装简单，维护方便。 安装非常简单，可安装到缝隙、小孔、高电压、强电磁场、高温、高压强、有毒、易燃、易爆、腐蚀性环境。
地铁
运用 早期地铁线路使用，现多在高架车站电缆夹层使用。 技术先进可靠，但尚无地铁运用经验。 技术成熟，已成功运用于轨道交通地下区间隧道火灾探测，并发展成趋势。
系统
投资 低：主机约3000元/台，电缆约30元/米。 高：单通道主机约10万元/台，64通道约30万元/台，探测器约800元/个。 较高：国产主机约30万元/台，光纤约25元/米。
通过以上比较，感温电缆虽然投资很低，但是因其系统本身的能力有限，难以适应地下区间隧道的火灾探测；分布式光纤测温系统和光纤光栅测温系统性能优异，均可满足地下区间隧道火灾报警功能需求，而分布式光纤测温系统更具备价格优势，可有效降低系统投资。同时，分布式光纤测温系统还可对地下区间隧道内温度场的实时监测，正常情况下，分布式光纤测温系统可兼作BAS的探测器，进行隧道环境温度监测，对隧道通风系统进行节能控制；列车阻塞时，可依据隧道内真实情况进行阻塞模式控制；通过分布式光纤测温系统对区间35kV电力电缆的发热（主要只监控电缆接头的发热情况），实现对区间电力电缆的工况监测，在电缆接头温度异常时能及时告警处理，保证系统的正常运营。因此本工程推荐地下区间隧道及地下车站变电所电缆夹层采用分布式光纤测温系统。
对于高架车站电缆夹层以及主变电站电缆夹层，从系统投资考虑，采用感温电缆进行火灾探测。
五、结论
分布式光纤测温系统技术先进、系统稳定可靠、报警位置准确、安装灵活方便、性价比高，其在城市轨道交通中的应用是火灾报警系统向前发展的必然，随着国内城市轨道交通建设的迅速发展，分布式光纤测温系统必将会得到更加广泛的应用和普及。
参考文献
[1]张在宣、郭宇、馀向东、吴孝彪，分布式光纤传感温度报警系统，计量技术，2000（2）：24-26。
[2]张在宣、刘红林、王剑峰、金永洙，分布式光纤拉曼散射测温技术的进展，世界仪表与自动化，2005.1
[3]饶云江、王义平、朱涛，光纤光栅原理及应用，科学出版社，2006.8
[4]李川、张以谟，光纤光栅：原理、技术与传感，科学出版社，2005.11
[5]郑晓军，火灾报警中的光纤分布式温度监测系统[J]，电子质量，2007.4
关键词：地鐵；隧道；火灾；光纤光栅；感温电缆；分布式光纤
引 言：地铁是高密度、大容量、快速运行的城市公共交通系统，系统安全、稳定关乎国家与市民生命财产安全，因此，建立一套适合地铁特点的火灾监控系统，特别是地铁隧道内的火灾监控显得尤为重要。本文重点讨论隧道内强电电缆的火灾探测技术，主要包括：光纤光栅测温系统、感温电缆火灾探测系统和分布式光纤测温系统。
一、光纤光栅测温系统
光纤光栅测温系统的基本原理是：当由于各种不同的因素导致电缆上光纤光栅周围的温度发生变化时，将导致光栅周期或者纤芯折射率产生变化，从而产生光栅布喇格信号的波长位移Δλ，通过监测布喇格波长的变化情况，即可获得电缆上光纤光栅周围温度的变化状况。简言之，光纤光栅布喇格波长的变化与环境温度的变化有着简单的线性关系，通过测量光纤光栅布喇格波长，可以测得环境温度。当温度的变化或者温变速率超过事先设定的某个门坎值时，即可给出报警信号。
光纤光栅测温系统具有如下技术特征：
采用光纤光栅感知温度和位置信息进行信号检测、信号传输，实现无电检测，本质安全防爆；
使用先进的光纤光栅作为测量单元，技术先进，测量精度高；
光缆及光栅长期工作温度范围达-30℃到120℃，瞬时可达150℃，应用范围广；
通过系统硬件对温度信息解调；
最高温度点定位至每一个探测器；
系统结构紧凑，安装简单，维护方便；
通过软件，可以根据实际情况设定不同的预警值、火警值；
光纤光栅测温系统因其良好的定点、实时监测性能，广泛应用于电力工业、石化工业等。
二、感温电缆火灾探测系统
感温电缆火灾探测系统是线型探测器的一种，其基本原理是：电缆内部是两根弹性钢丝，每根钢丝外面包有一层感温且绝缘的材料，在正常监视状态下，两根钢丝处于绝缘状态，当周边环境温度上升到预定动作温度时，温度敏感材料破裂，两根钢丝产生短路，输入模块检查到短路信号后产生报警。
感温电缆探测系统可用于发电站、变电站、电缆沟道、隧道、夹层、传送带等场所，感温电缆探测器稳定可靠，适用于恶劣环境的火灾检测。
三、分布式光纤测温系统
分布式光纤测温系统也是线型探测器的一种，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R.aylei曲散射），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OTDK、OF’DR（光时域及光频域反射测量法）及连续FFT（快速傅立叶变换）对信息进行处理，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。
分布式光纤测温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。
相比其他探测手段，分布式光纤测温系统这一目前世界上最先进的高科技产品，它以众多的优点和功能快速地代替感温电缆。其安装简便，性能卓越，具备如下主要优点：
整根光纤不仅用作信号传输，更全被用作温度探测用，感温探测覆盖范围为其全长100%，报警区域的设置可以通过软件在光纤全长内自由设置，报警定位精度高，其探测区域最小可达0.5米，无论现场分区怎样变动，皆能满足要求；
对每个分区的报警探测逻辑可以实现分区内最大温度（定温）、分区内温升速率（差温）、分区内最高温度与分区平均温度之间差值（分区温度均匀程度）三种方式的任意组合，保证实现早期和可靠的报警；
系统提供图形化监控软件，软件可以图形化实时显示各分区的定温、差温和极均差值等探测数据，并可以在控制中心设定各种探测数据的报警阈值；
可以对感温光纤全线提供连续的温度监测，可以显示全线的温度分布曲线，不仅有利于值班人员监控操作，而且系统兼备故障自检测功能，光纤发生故障时可以在光纤全长曲线上指示出断点的具体位置，有利于系统的故障监测与迅速维修；
系统安装非常简便，信号传输和探测用一根光纤，安装至现场仅需将探测光纤固定即可轻松完成安装工作；
探测部分完全采用光传输方式，光纤本征安全防爆，并可以完全杜绝电磁干扰影响，绝缘性高；
感温光纤耐用性设计优异，探测光纤的寿命可达30年之久，对环境影响如温度，压力和湿度波动有抵抗力，同样也适用于较多灰尘和含有腐蚀性物质的空气中；
可自成系统，系统自带全线温度曲线图形显示和配置软件，所有设置都可以通过软件进行，直观易用；
系统集成方便，控制器提供干接点输入输出至火灾报警系统。此外，控制器支持开放的通讯接口，易于实现控制器一级的系统集成。
四、分布式光纤测温系统与其他测温系统技术、经济比较
通过上述分析，感温电缆火灾探测系统、分布式光纤测温系统以及光纤光栅测温系统各自的原理和适用环境都有所不同，通过报警方式、事故判断、使用范围及维护、使用寿命、安全性和可靠性以及施工安装等因素的分析，对三种火灾探测系统作技术经济比较如下：
表 1 区间火灾探测方案技术经济比较表
方案
项 目 感温电缆 光纤光栅测温系统 分布式光纤测温系统
报警
方式 固定温度报警点；
被动等待设定的报警温度；
报警时往往已形成火灾。 系统自动对光纤光栅测温计所在区域进行实时温度巡检，检测现场温度的异常波动，在火灾发生前及时报警。 可综合利用设置多级温度报警、温升速率、温升趋势来进行连续监测，可在任何时间准确显示任何一点的温度状态，在火灾发生前早期预警。
事故
判断 无附加特定装置时，不能准确确定事故点位置，只能判断火警区域。无法反映温度资料。 使用先进的光纤光栅作为测量单元，技术先进、灵敏度高、测量精度高；最高温度点定位至每一个探测器。 智能化的系统，准确及时判断温度变化的类型、事故点温度读数及位置。
使用及维护 监测长度有限（标准长度为200 m），多路布线分区，系统复杂，故障率高，难以维护。 一根光纤可以串接大量的探测单元、布置在很大的探测范圍内，无人值守自动监控； 长距离监测用一根光缆即可完成，利用软件分区，系统非常简单可靠，免维护。
使用
寿命 报警后系统损伤，难以重复使用以及采用的材料的原因，使其寿命较短。 本质安全、稳定性好、使用寿命长。 达到报警点后利用软件复位，不损伤光缆并因其材料特殊，寿命极长。
安全性
可靠性 因其绝缘皮老化和电磁的干扰等诸多因素的缘故，经常产生误报并因其带电，故不适用于特殊危险场合。 本质防爆、抗电磁干扰、抗腐蚀、耐高温、体积小、重量轻、灵活方便等，应用范围非常广泛，适于恶劣和高危环境中。 不受电磁干扰，综合智能判断，无误报。因其不带电，故适用于特殊危险场合。
安装 较易损坏的缆体需与被测体以正弦波紧贴的方式进行多路敷设，安装相当复杂。新增电缆的扩容安装难度大。 光纤光栅传感器小巧、柔软、便于实施。系统结构紧凑，安装简单，维护方便。 安装非常简单，可安装到缝隙、小孔、高电压、强电磁场、高温、高压强、有毒、易燃、易爆、腐蚀性环境。
地铁
运用 早期地铁线路使用，现多在高架车站电缆夹层使用。 技术先进可靠，但尚无地铁运用经验。 技术成熟，已成功运用于轨道交通地下区间隧道火灾探测，并发展成趋势。
系统
投资 低：主机约3000元/台，电缆约30元/米。 高：单通道主机约10万元/台，64通道约30万元/台，探测器约800元/个。 较高：国产主机约30万元/台，光纤约25元/米。
通过以上比较，感温电缆虽然投资很低，但是因其系统本身的能力有限，难以适应地下区间隧道的火灾探测；分布式光纤测温系统和光纤光栅测温系统性能优异，均可满足地下区间隧道火灾报警功能需求，而分布式光纤测温系统更具备价格优势，可有效降低系统投资。同时，分布式光纤测温系统还可对地下区间隧道内温度场的实时监测，正常情况下，分布式光纤测温系统可兼作BAS的探测器，进行隧道环境温度监测，对隧道通风系统进行节能控制；列车阻塞时，可依据隧道内真实情况进行阻塞模式控制；通过分布式光纤测温系统对区间35kV电力电缆的发热（主要只监控电缆接头的发热情况），实现对区间电力电缆的工况监测，在电缆接头温度异常时能及时告警处理，保证系统的正常运营。因此本工程推荐地下区间隧道及地下车站变电所电缆夹层采用分布式光纤测温系统。
对于高架车站电缆夹层以及主变电站电缆夹层，从系统投资考虑，采用感温电缆进行火灾探测。
五、结论
分布式光纤测温系统技术先进、系统稳定可靠、报警位置准确、安装灵活方便、性价比高，其在城市轨道交通中的应用是火灾报警系统向前发展的必然，随着国内城市轨道交通建设的迅速发展，分布式光纤测温系统必将会得到更加广泛的应用和普及。
参考文献
[1]张在宣、郭宇、馀向东、吴孝彪，分布式光纤传感温度报警系统，计量技术，2000（2）：24-26。
[2]张在宣、刘红林、王剑峰、金永洙，分布式光纤拉曼散射测温技术的进展，世界仪表与自动化，2005.1
[3]饶云江、王义平、朱涛，光纤光栅原理及应用，科学出版社，2006.8
[4]李川、张以谟，光纤光栅：原理、技术与传感，科学出版社，2005.11
[5]郑晓军，火灾报警中的光纤分布式温度监测系统[J]，电子质量，2007.4