《工程機(jī)電論》word版

1、. 光纖光柵預(yù)警系統(tǒng)對(duì)隧道火災(zāi)的防范與控制 學(xué)院名稱：土木工程學(xué)院課程名稱：工程機(jī)電 學(xué)生姓名：學(xué) 號(hào)：指導(dǎo)教師:二一四年十一月目錄第1章 引言31.1 隧道火災(zāi)的危害31.2 火災(zāi)的特點(diǎn)與光纖的工作原理3第2章 光纖光柵報(bào)警系統(tǒng)對(duì)隧道的適用性42.1 適用于隧道的優(yōu)點(diǎn)42.2 系統(tǒng)存在的技術(shù)問(wèn)題5第3章 光纖光柵報(bào)警系統(tǒng)的應(yīng)用53.1 系統(tǒng)應(yīng)用于隧道中的設(shè)計(jì)方式63.2系統(tǒng)于火災(zāi)反饋的優(yōu)點(diǎn)6第4章 結(jié)論與展望64.1 結(jié)論64.2 展望7參考文獻(xiàn)8一 引言（1）隧道火災(zāi)的危害近幾年來(lái)，世界上相繼發(fā)生了好幾起特大公路隧道火災(zāi)事故，均造成了大量的人員傷亡和車(chē)輛毀壞，引起局部隧道頂部出現(xiàn)坍塌，并使

2、該路段交通在事發(fā)后較長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)一直處于癱瘓狀態(tài)。著名的實(shí)例包括歐洲的三把火勃朗峰隧道火災(zāi)、陶恩隧道火災(zāi)以及圣哥達(dá)隧道火災(zāi)，勃朗峰隧道位于法國(guó)與意大利間，建于1965年，全長(zhǎng)11.6km，采用意境洞雙高交通。該隧道采用全橫向通風(fēng)，送排風(fēng)道設(shè)于隧道底部；由法國(guó)和意大利共同管理，設(shè)有主從式監(jiān)控中心兩個(gè)。1999年3月24日早上，一輛裝有黃油的貨車(chē)在隧道內(nèi)自燃引起大火，盡管實(shí)施了緊急 救援，但仍造成了41人死亡，43輛車(chē)燒毀，交通中斷一年半以上重大生命財(cái)產(chǎn)損失。陶恩隧道位于奧地利境內(nèi)，全長(zhǎng)6.4km，總坡1.5%，每晝夜交通量14300輛，19%為大型載重車(chē)。該隧道建于1975年，為全橫向

3、通風(fēng)。1999年5月29日 凌晨1時(shí)49分，洞內(nèi)正在維修作業(yè)，局部封閉一個(gè)車(chē)道。一輛大卡車(chē)將4輛小車(chē)撞破并引起大火，火災(zāi)持續(xù)4h，燒死13人，燒毀34輛車(chē)。從火災(zāi)發(fā)生至報(bào)警僅1min，求援人員趕到時(shí)已無(wú)法接近現(xiàn)場(chǎng)，火災(zāi)發(fā)生后45min救援才得以展開(kāi)。這次火災(zāi)燒壞隧道主體結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度達(dá)1100。事后修復(fù)工作共花費(fèi)1000萬(wàn)奧地利先令，修復(fù)期3個(gè)月，而收費(fèi)損失達(dá)4000萬(wàn)先令。而在1984的 瑞士，圣哥達(dá)隧道（全長(zhǎng)12.32 km）內(nèi)發(fā)生了由于塑料卷材引發(fā)的貨車(chē)燃燒的火災(zāi)事故，造成巨大的人員和財(cái)產(chǎn)損失。而這僅僅是在歐洲，其他例子并不在少數(shù)。而公路隧道火災(zāi)的嚴(yán)得危害性已引起

4、世界各地人們的普遍關(guān)注。 隨著我國(guó)公路隧道尤其是長(zhǎng)、特長(zhǎng)公路隧道的規(guī)劃和建設(shè)，公路隧道的防火與救災(zāi)問(wèn)題已引起人們的高度重視，而且已成為制約這些隧道建設(shè)的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。這就需要火災(zāi)的動(dòng)態(tài)預(yù)警，其關(guān)系到廣大人名群眾的生命安全以及財(cái)產(chǎn)安全，是一項(xiàng)刻不容緩的研究。（2）火災(zāi)的特點(diǎn)與光纖的工作原理發(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810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或池時(shí)，火災(zāi)在1-3分鐘內(nèi)完全形成。而火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的關(guān)鍵點(diǎn)問(wèn)題有三個(gè)：火災(zāi)檢

5、測(cè)系統(tǒng)失效、火源點(diǎn)不明以及煙霧彌漫范圍不清，這便引出了三個(gè)研究重點(diǎn)：光纖光柵預(yù)警系統(tǒng)、熱釋放率反演以及火情關(guān)鍵參數(shù)構(gòu)建。故而在隧道內(nèi)布置光纖光柵預(yù)警系統(tǒng)已經(jīng)成為現(xiàn)今最直接也是最有效的解決隧道火災(zāi)的方法，其工作原理復(fù)雜，由于溫度、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傳導(dǎo)特性，從而光線在傳導(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Ra

6、yleigh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)OTDR、OFDR(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)作為線性溫度傳感器。二 光纖光柵報(bào)警系統(tǒng)對(duì)隧道的適用性（1）適用于隧道的優(yōu)點(diǎn)而光纖光柵預(yù)警系統(tǒng)在隧道非常適

7、用，具體體現(xiàn)在以下好幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：首先，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。第二，光纖傳感線纜設(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。第三，安裝傳感線纜和維護(hù)都十分容易，在線纜有損傷的地方可以像修復(fù)普通光纖一樣接合。第四，傳感線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，最長(zhǎng)可達(dá)4千米。在功能方面，同時(shí)，光纖感溫探測(cè)系統(tǒng)能夠：第一，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。 第二，指明火災(zāi)蔓延方向和速率。第三，激活預(yù)先編制的聯(lián)動(dòng)控制順序比如通

8、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)線性感溫探測(cè)器，屬于最新一代光纖傳感器，其最大優(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。這為更好地運(yùn)用此系統(tǒng)提供了大量經(jīng)驗(yàn)。光纖光柵傳感器的特點(diǎn)特別適合于建筑、橋梁、大壩、公路、隧道等大型建筑物應(yīng)變、溫度、振

9、動(dòng)等多參量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。一般橋梁、公路、隧道的測(cè)試點(diǎn)到儀表監(jiān)控測(cè)室都有幾百米至幾千米的距離，傳統(tǒng)傳感器的信號(hào)無(wú)法傳輸?shù)饺绱诉h(yuǎn)，其傳感器測(cè)試點(diǎn)一般要增加現(xiàn)場(chǎng)儀表，而且每個(gè)傳感器都需要兩根導(dǎo)線引出，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，抗干擾能力差，可靠性不高，不適合長(zhǎng)期實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。而光纖光柵傳感器能克服這些缺點(diǎn)，每根單芯光纖可串連幾個(gè)至幾十個(gè)傳感器，且可引出到幾十公里外進(jìn)行異地監(jiān)測(cè)；多根光纖連接到同一臺(tái)解調(diào)儀上的不同通道上，組成分布式傳感網(wǎng)絡(luò)，解調(diào)儀對(duì)傳感器進(jìn)行同步實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、分析；不同種類(lèi)的光纖光柵傳感器（如應(yīng)變、溫度、位移、加速度等）可連接到同一臺(tái)解調(diào)儀上進(jìn)行實(shí)時(shí)的綜合監(jiān)測(cè)與分析。因此，光纖光柵傳感器受到了世界范圍內(nèi)的廣

10、泛重視，并正在廣泛應(yīng)用。（2）系統(tǒng)存在的技術(shù)問(wèn)題但是，現(xiàn)有的光纖光柵感溫火災(zāi)探測(cè)技術(shù)并不能直接應(yīng)用于隧道工程中，還存在以下必需解決的技術(shù)問(wèn)題:第一，多點(diǎn)波分技術(shù)復(fù)用容量有限，光纖光柵傳感系統(tǒng)的復(fù)用方式一般采用多點(diǎn)波分復(fù)用技術(shù)，在一根光纖上串接多個(gè)中心波長(zhǎng)不同的光纖光柵傳感器，將波長(zhǎng)值和測(cè)點(diǎn)位置對(duì)應(yīng)起來(lái),實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)分布式測(cè)量。該方式受光源帶寬的限制，一般每個(gè)光通路用多點(diǎn)波分復(fù)用技術(shù)只能復(fù)用1520個(gè)探測(cè)點(diǎn)。根據(jù)隧道防火標(biāo)準(zhǔn)每100m布設(shè)1520個(gè)探測(cè)點(diǎn)的要求,每公里隧道將占用10個(gè)光通路,需要的探測(cè)點(diǎn)數(shù)將達(dá)到150200個(gè),不但布線復(fù)雜,而且成本極高,一般工業(yè)企業(yè)難以承受。第二，長(zhǎng)距離無(wú)中繼隧道火

11、災(zāi)探測(cè)，我國(guó)公路隧道多數(shù)分布在人煙稀少的山區(qū),長(zhǎng)隧道和隧道群多,監(jiān)控所管理范圍大,管理對(duì)象多,管理人員少?，F(xiàn)有的火災(zāi)探測(cè)技術(shù)由于檢測(cè)信號(hào)不能遠(yuǎn)傳,必須設(shè)置一套單獨(dú)的光纖通信系統(tǒng)完成信號(hào)的傳輸,增加了系統(tǒng)的成本。另外,現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣,隧道內(nèi)無(wú)人職守,現(xiàn)有火災(zāi)探測(cè)技術(shù)的檢測(cè)設(shè)備大都在隧道內(nèi)工作,因?yàn)闈穸?、溫度、粉塵,甚至電力供應(yīng)問(wèn)題,安裝在隧道內(nèi)的設(shè)備經(jīng)常出現(xiàn)信號(hào)異?；蛟O(shè)備不能正常工作的情況。第三，快速準(zhǔn)確的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)我國(guó)交通部頒布的公路隧道火災(zāi)報(bào)警技術(shù)要求中，要求火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)必須在火災(zāi)發(fā)生后60s以內(nèi)產(chǎn)生與火災(zāi)發(fā)生防火分區(qū)對(duì)應(yīng)的火災(zāi)報(bào)警信號(hào),而歐洲的對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)是90s，很多國(guó)外引進(jìn)的火災(zāi)探測(cè)技術(shù)并

12、不能滿足我國(guó)技術(shù)要求。所以開(kāi)發(fā)符合公路隧道火災(zāi)報(bào)警技術(shù)要求的光纖光柵火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)成為能否在公路隧道中成功推廣應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。三光纖光柵報(bào)警系統(tǒng)的應(yīng)用（1）系統(tǒng)應(yīng)用于隧道中的設(shè)計(jì)方式而在感溫光纖光柵報(bào)警系統(tǒng)真正在隧道中的應(yīng)用時(shí)，可以將其安裝在隧道的消防控制室中，然后可以利用一路的光纖對(duì)整個(gè)長(zhǎng)大隧道進(jìn)行有效的監(jiān)測(cè)，通常可以長(zhǎng)達(dá)4千米路段的探測(cè)。在感溫光纖報(bào)警系統(tǒng)主機(jī)中可以有效的提供數(shù)字信號(hào)接口，在將數(shù)據(jù)信息傳送到監(jiān)控系統(tǒng)時(shí)，可以利用COM接口和Modem。在長(zhǎng)大隧道安裝感溫光纖報(bào)警系統(tǒng)時(shí)，要將光纖線纜傳感器準(zhǔn)確的安裝在隧道頂部，最好進(jìn)行居中布置。在光纖外套上，每隔一米就可以設(shè)置一次長(zhǎng)度標(biāo)識(shí)，這

13、樣可以方便與隧道的長(zhǎng)度進(jìn)行有效的對(duì)照。在固定光纖時(shí)，可以采用高強(qiáng)度尼龍夾，要每一米設(shè)置一個(gè)尼龍夾。當(dāng)光纖出現(xiàn)彎曲時(shí)，要將彎度進(jìn)行有效的控制，并且光纖的彎度半徑要超過(guò)60毫米。在使用光纖線纜傳感器時(shí)，可以隨意定義報(bào)警區(qū)間的長(zhǎng)度，通常情況下是每一百米設(shè)置一個(gè)報(bào)警區(qū)間。當(dāng)隧道發(fā)生火災(zāi)時(shí)，可以將報(bào)警區(qū)間發(fā)出的火災(zāi)報(bào)警信號(hào)進(jìn)行及時(shí)的確定和準(zhǔn)確的定位，并且也可以將報(bào)警溫度曲線進(jìn)行及時(shí)實(shí)時(shí)顯示出來(lái)。當(dāng)線纜出現(xiàn)故障時(shí)，可以將故障信號(hào)及時(shí)的發(fā)出來(lái)。另外，在設(shè)置手動(dòng)報(bào)警按鈕時(shí)，可以作為輔助手段，在每隔50米的隧道處安裝一只手動(dòng)報(bào)警按鈕，并且將手動(dòng)報(bào)警按鈕安裝在高度1.5米的隧道洞壁的地方，從而便于手動(dòng)報(bào)警按鈕的安

14、裝，并同時(shí)進(jìn)行有效的維修。（2）系統(tǒng)于火災(zāi)反饋的優(yōu)點(diǎn)這樣就可以達(dá)到火災(zāi)動(dòng)態(tài)反饋式疏散救援方式，它有以下杰出的優(yōu)點(diǎn)：第一，全局性，本方式能提供火災(zāi)時(shí)大量的關(guān)鍵信息，包括火源點(diǎn)位置，火災(zāi)大小和類(lèi)型，溫度場(chǎng)，煙氣擴(kuò)散范圍和移動(dòng)速度，從而更好地指導(dǎo)救援疏散工作。第二，實(shí)時(shí)性，其根據(jù)火災(zāi)探測(cè)器測(cè)得的信息實(shí)時(shí)地重構(gòu)地下空間內(nèi)的三維溫度煙氣場(chǎng)，從而實(shí)時(shí)地調(diào)整所執(zhí)行的應(yīng)急疏散救援預(yù)案。第三，合理性，根據(jù)地下空間內(nèi)實(shí)際的火勢(shì)發(fā)展情況來(lái)選擇相應(yīng)的疏散救援預(yù)案，從而能夠保證預(yù)案實(shí)施的有效性。四結(jié)論與展望（1）結(jié)論在隧道中安裝感溫光纖光柵報(bào)警系統(tǒng)時(shí)，通常感溫光纖報(bào)警系統(tǒng)具備的實(shí)時(shí)監(jiān)視功能、處理數(shù)據(jù)的功能、信息處理功能以及有效的分析智能故障等功能，在很大程度上促進(jìn)了感溫光纖報(bào)警系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和及時(shí)性。在長(zhǎng)大隧道中應(yīng)用感溫光纖報(bào)警系統(tǒng)時(shí)，要嚴(yán)格按照安裝規(guī)范要求，確保安裝的規(guī)范性，發(fā)揮出感溫光纖報(bào)警系統(tǒng)的巨大作用，從而確保隧道的安全運(yùn)行。（2）展望而隨著科技日新月異地發(fā)展，為了方便交通，隧道也會(huì)越來(lái)越多，隧道的防火救災(zāi)等營(yíng)運(yùn)安全問(wèn)題已引起高速公路建設(shè)者和設(shè)計(jì)人員的高度重視，而且已成為制約這些隧道建設(shè)的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。作為一名土木工程專業(yè)的學(xué)生，也應(yīng)該與時(shí)俱進(jìn)，