智慧城市下的分布式光纖感溫系統(tǒng)

1、智能城市下的分布式光纖感溫系統(tǒng)光傳感有限公司 林兆明 本人從事電訊業(yè)多年，近年來研發(fā)出“分布式光纖感溫系統(tǒng)”技術(shù)，主要用于監(jiān)測地下管道或纜線的安全。作為嶄新的工業(yè)技術(shù)，在二一二年申請了中港兩地專利，目前新技術(shù)已應(yīng)用于香港大型鐵路網(wǎng)絡(luò)及電力網(wǎng)絡(luò)、澳門大型商場和酒店、印尼雅加達國際機場新3號航站樓，并在積極洽談在香港和海外的重大項目?；凇爸腔鄢鞘小备拍疃鴦?chuàng)海外有不少地方都在推崇【智慧城市】（smart city）的發(fā)展概念，即有效地監(jiān)測城市中各種不同的基礎(chǔ)設(shè)施及工業(yè)系統(tǒng)，從而減低碳的排放，并預(yù)防意外發(fā)生，讓日常生活更健康、安全。分布式光纖感溫系統(tǒng)就是基于這個概念而研發(fā)出來的，除了監(jiān)測工業(yè)系統(tǒng)安全

2、性能外，還應(yīng)用在節(jié)能減排上。具體地說，【智慧】的理念就是通過新一代信息技術(shù)的應(yīng)用使人類能以更加精細和動態(tài)的方式管理生產(chǎn)和生活的狀態(tài)，通過把傳感器嵌入和裝備到全球每個角落的供電系統(tǒng)、供水系統(tǒng)、油氣管道輸配系統(tǒng)、交通系統(tǒng)等生產(chǎn)生活系統(tǒng)的各種物體中，使其形成的物聯(lián)網(wǎng)與英特網(wǎng)相聯(lián)，實現(xiàn)人類社會與物理系統(tǒng)的整合，然后通過超級計算機和云計算將物聯(lián)網(wǎng)整合起來。 關(guān)于【智慧城市】的具體定義則比較廣泛。我認為，所謂的“智慧城市”應(yīng)該是人、建筑物、系統(tǒng)、設(shè)施都體現(xiàn)智能型的統(tǒng)一，它們?nèi)〈酥胺侵悄艿墓I(yè)方式。關(guān)注高敏光學(xué)感應(yīng)系統(tǒng)，比如對分布式感溫系統(tǒng)進行專業(yè)的研發(fā)、制造，用作確保能源供應(yīng)，同時作出安全監(jiān)測和預(yù)警，

3、對于城市智能化管理來說會起到非常重大的啟發(fā)和收獲，其影響更是寓意深遠。分布式光纖感溫系統(tǒng)介紹分布式光纖感溫系統(tǒng)(以下簡稱FODTS)的原理是應(yīng)用拉曼效應(yīng) (Raman-effect)來測溫。該理論源于上世紀二十年代，是英國南安普頓大學(xué)的研究成果。FODTS 測溫技術(shù)是基于光時域反射儀(Optical Time-Domain Reflectometer(OTDR)。同時，物理環(huán)境因素例如溫度、壓力及拉力，都能夠改變玻璃纖維(二氧化硅)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使該點光纖內(nèi)的激光軸向運動發(fā)生變化。熱力效應(yīng)引致晶格振動，當光線接觸振動中的分子晶格，便會造成散射，稱為拉曼散射(Raman scattering)。在

4、物理過程中，熱力強度與光線的散射幅度成正比例。利用此光學(xué)原理，只要測量光線或散射光線延遲返回的時間，便可以準確地計算測溫點位置(請參閱圖一)。 FODTS系統(tǒng)可以自動探測沿光纜*所有測溫點的實時溫度，若測溫點溫度超過某個水平線，系統(tǒng)會實時發(fā)出警報及報告。FODTS系統(tǒng)的溫度數(shù)據(jù)庫附有位置及時間信息，發(fā)出的分析報告包含了這些內(nèi)容，有助于用戶實時找出發(fā)生問題的地點，并協(xié)助用戶迅速作出決策和防范措施。FODTS系統(tǒng)在應(yīng)用上具有靈活性，用戶可以根據(jù)特別需要而設(shè)定數(shù)個分區(qū)為監(jiān)察區(qū)域，每個區(qū)域可以根據(jù)特別的運行環(huán)境設(shè)定不同的報警水平線，每一個監(jiān)察區(qū)域會因測溫點的實時溫度數(shù)據(jù)來顯示不同顏色。FODTS系統(tǒng)的

5、用戶接口簡單易用，能夠?qū)崟r顯示系統(tǒng)測溫點的概況，用戶也可以選擇將接口上的光纖路線置于監(jiān)測區(qū)域的AutoCAD圖上，便于實時得知問題發(fā)生的位置。此外，F(xiàn)ODTS系統(tǒng)的圖表都可以按照用戶的要求進行定制，提高用戶的決策效率。綜上信息簡單來說，光纖可以有效傳送管道溫度的變化數(shù)據(jù)，作準確及時的監(jiān)察。它可以通過溫度的不同，有效判斷出地下管道或纜線是否老化，在損壞前發(fā)出警報。它最為突出的特點便是監(jiān)測地下管道或纜線的安全。老式的傳感測溫技術(shù)僅在被測管道上放置單個的傳感器，全新的【分布式感溫技術(shù)】是指傳感機制沿著光纜全程被分布，而不是在一定數(shù)量的位置上被分布。分布式光纖感溫系統(tǒng)的特點分布式光纖感溫系統(tǒng)的特點很多

6、，重點可以概括為三大部分：安全預(yù)防、應(yīng)用廣泛、性價比高。（一）安全預(yù)防在我們生活的城市中，地下管道及電纜系統(tǒng)隨處必備，一旦出現(xiàn)問題，情況可大可小。如果情況較大，后果則不堪設(shè)想。實時監(jiān)測地下管道的老化及泄漏，意外將可避免。去年7月，臺灣高雄發(fā)生的嚴重天然氣管道爆裂，造成32人死亡，321人受傷的重大事故。這個事實告訴我們，城市地下埋藏的管道會隨時成為致命炸。具備連續(xù)測溫功能的FODTS系統(tǒng)是監(jiān)測燃氣管道及油管泄漏的最佳方案。FODTS系統(tǒng)負責監(jiān)測整條管道的溫度曲線數(shù)據(jù)，二十四小時不斷監(jiān)測，如管道中某一點出現(xiàn)裂縫或者破損，溫度將發(fā)生變化，我們便可及時捕捉，并準確探測出問題管道的所在位置并及時搶修。

7、以燃氣管道泄漏為例，燃氣管道滲出壓縮氣體，根據(jù)焦耳湯姆遜效應(yīng)(Joule-Thompson effect)，壓縮氣體會于管道裂口附近形成低溫區(qū)。FODTS系統(tǒng)會立即監(jiān)測到管道溫度數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常變化，并可準確地計算發(fā)生氣體泄漏的位置。從高雄事故分析，當管道開始漏氣之初，該處的壓力就會下降，管道裂口溫度也會相應(yīng)下跌六至七度。我們?nèi)绻跍囟乳_始下跌時及時搶修和補救，就可避免事故的發(fā)生。（圖二）應(yīng)用于監(jiān)測燃氣管道泄漏的FODTS系統(tǒng)與燃氣管道泄漏相反，油管泄漏會于管道裂口造成溫升效果。FODTS系統(tǒng)對以上應(yīng)用例子均能夠準確迅速地確認泄漏位置，大幅度降低泄漏事故的發(fā)生和成本損失。FODTS系統(tǒng)還可以檢測早

8、期的電纜故障，防止電力系統(tǒng)的故障造成火災(zāi)的發(fā)生。電力上的輸電電纜長期使用后，絕緣體會老化，散熱會減慢，最終絕緣體損壞導(dǎo)致電纜產(chǎn)生故障。通過監(jiān)控電纜溫度曲線可以適度使用電纜及延長使用壽命，避免絕緣體損壞。FODTS系統(tǒng)可實時監(jiān)測整條電纜上的熱點，而內(nèi)置的歷史溫度數(shù)據(jù)分析功能，可以顯示電纜不同部位的溫度實時變化情況，發(fā)現(xiàn)潛在的問題。同時，監(jiān)測系統(tǒng)還可以輔助提高電纜載流容量至最佳水平，達到增加運營能效的目的。（圖三）FODTS系統(tǒng)可以在同一時間顯示電纜幾部分溫升商場及酒店的各種設(shè)施如空調(diào)系統(tǒng)、供水、照明、電梯電器及樓宇管理系統(tǒng)均需要電力系統(tǒng)的支持。電力系統(tǒng)的故障可能會引至火災(zāi)的發(fā)生，危及商場或酒店顧

9、客的生命安全。FODTS系統(tǒng)可以為用戶預(yù)先設(shè)定啟動報警的溫度水平線，當電力系統(tǒng)溫度超過預(yù)設(shè)水平線，報警實時啟動，提醒相關(guān)人員及時檢查維修，盡快落實應(yīng)急措施。（二）用途廣泛FODTS系統(tǒng)用途十分廣泛。它不僅可用于上述提到的監(jiān)測地下油氣管道的泄漏和電纜運行的故障及商場大廈內(nèi)的電力系統(tǒng)，還可廣泛應(yīng)用于以下領(lǐng)域：在通風冷溫（HVAC)系統(tǒng)方面，監(jiān)測隧道溫度及通風管理。在供水及污水排放系統(tǒng)方面，通過水溫異常變化監(jiān)測非法排污。在地質(zhì)及水利學(xué)方面，測量水溫對研究生態(tài)有很高的重要性。l 通風冷溫系統(tǒng)（HVAC）隧道內(nèi)的通風系統(tǒng)是為車站及車廂內(nèi)的乘客提供新鮮的空氣，通過監(jiān)控隧道的溫度，操作人員可以提升隧道內(nèi)的空

10、氣流量，達到最佳水平。FODTS系統(tǒng)性價比高、不受隧道環(huán)境干擾，而且沒有維修成本。系統(tǒng)提供24hx7的全天候溫度監(jiān)測，數(shù)據(jù)庫可儲存長達兩年的數(shù)據(jù)供日后備用。并且FODTS系統(tǒng)可以和隧道的通風管理系統(tǒng)相結(jié)合，支持實時環(huán)境數(shù)據(jù)和按時間排序的溫度趨勢分析。 以下是隧道通風系統(tǒng)的示意圖，通風系統(tǒng)由多個通風井（地面結(jié)構(gòu)）組成，是氣流的出入口。（圖四）應(yīng)用于隧道溫度監(jiān)測的FODTS系統(tǒng)l 供水及污水排放系統(tǒng)FODTS系統(tǒng)可應(yīng)用于監(jiān)測非法的污水排放。大量的污水未經(jīng)處理流入下水道可以引起相當嚴重的環(huán)境及健康問題。FODTS系統(tǒng)的光纜置于下水道內(nèi)科收集連續(xù)性的溫度數(shù)據(jù)，詳細顯示由非法排污引發(fā)的水溫異常變化。（圖五）應(yīng)用FODTS系統(tǒng)監(jiān)測非法污水排放l 地質(zhì)及水力學(xué)系統(tǒng)研究地質(zhì)及水利作用過程中，測量溫度占據(jù)重要一環(huán)。而大部分應(yīng)用例子更是需要取得隨時間及距離連續(xù)變化的溫度數(shù)據(jù)。FODTS系統(tǒng)可以取得地質(zhì)及水利地點，比如湖泊、地面及地下水流的溫度數(shù)據(jù)。測量水溫對研究生態(tài)作用有很高的重要性，沿河道鋪設(shè)光纜測量水溫，可取得精確及高分辨率的河道溫度數(shù)據(jù)。應(yīng)用舉例：監(jiān)測含水層和水生環(huán)境、計算蒸發(fā)損耗的能量平衡、記錄對流過程等等。（圖六）沿河道鋪設(shè)的FODTS光纜（三）性價比高目前，光纖感溫系統(tǒng)的準確度可達正負一度，耐用二十年以上。造價方面，要具體視覆蓋光纖的物料以及整個系統(tǒng)復(fù)雜程度而定，一