光纤光栅公路隧道测温系统报警参数动态调整方法

彭 敏，赵 晨，朱 晶

(1.中国公路工程咨询集团有限公司，北京 100089； 2.中国路桥工程有限责任公司，北京 100011)

0 引 言

公路隧道因狭长且封闭的管状空间结构，成为消防救援的难点。对隧道进行实时的温度监测，及时预警火灾发生，是对隧道安全运营的重要保证[1-3]。目前应用于公路隧道的火灾报警技术主要有双波长火焰探测技术、视频分析技术及光纤传感技术[4-5]。由于隧道内环境特殊且复杂，存在车流量大及雾气、扬尘、灯照等干扰，而且洞口处受日光影响，维护限制因素多，因此将火焰探测器和视频分析运用在公路隧道火灾监测的难度很大[6-9]。基于光纤光栅测温技术的火灾监测系统通过监测温度的变化进行火灾预警，不受烟雾灰尘等因素干扰，且现场布设的探测光缆无需供电，传感信号直接通过光纤远传，不引入额外风险，非常适用于隧道环境的温度和火灾监测[10-14]。

测温系统的准确性和稳定性是对火灾进行有效预警的重要保证，因此除了监测短时间的温度变化异常，测温系统还应对各个监测位置长时间的温度变化规律进行统计分析。本文提出利用时间序列预测技术，对各监测点的温度变化规律进行分析，并根据分析结果，对各监测点的报警参数进行相应调整，提升系统的预警效果。

1 测温系统工作原理

光纤光栅测温系统通过监测隧道沿线各位置的温度异常来实现对火灾的预警。系统测量连续的温度信号，可设置多级的定温报警和差温报警，根据温度上升的快慢程度给出不同的报警信号。

对于某长隧道，分别计算其在春、夏、秋、冬四季沿线各探测位置的温度均值，如图1所示。

由图1可以看出：在夏季和冬季，靠近隧道入口和出口的位置由于受到外界气温影响，其温度与隧道中部的温度存在一定差异，温差可达3 ℃左右；并且夏季越接近外界的位置温度越高，冬季越接近外界的位置温度越低，隧道中部的温度则变化不大；一年中各季节温度变化趋势较为接近，夏季平均温度约为25 ℃，冬季平均温度约为17.5 ℃，春、秋两季平均温度约在22 ℃～23 ℃。

图1 某隧道四季沿线温度均值分布

根据以上结果可知，系统可以对隧道中各探测位置的温度变化趋势进行预测，基于这些数据自动调整报警阈值，并分析隧道内各位置的温度缓变是否出现异常，以此作为判断隧道所处环境是否发生变化的依据。

2 算法描述

本系统利用时间序列预测技术，对隧道沿线各探测位置的温度变化趋势进行预测，对各个监测位置长时间的温度变化规律进行统计分析，从而实现系统的自查和调整。

根据对公路隧道内各位置温度分布和变化特点的分析，本文采用时间序列预测算法中的加权移动平均法对公路隧道各个位置的温度变化趋势进行预测[15-16]。

加权移动平均法根据同一个移动段内不同时间的数据对预测值的影响程度，分别给予不同的权数，然后再进行平均移动以预测未来值。对时间序列进行逐项推移，依次计算一定周期内时序的平均数以反映长期趋势。在简单移动平均公式中，每期数据在平均中的作用是等同的，但是考虑到近期数据应包含着更多的关于未来情况的信息，因此不能同等看待各期数据，而是给于近期数据赋予更大的权重，这就是加权平均法的基本思想。

设时间序列为y1,y2,…,yt，加权移动平均公式如下。

式中：M为t期加权移动平均数，即所得的预测值；wi为yt-i+1的权重，表征了相应的y在加权平均数中的重要性。

在未出现短时间温度异常的情况下，本系统每小时计算1次温度均值，每次利用前12 h的数据来对下1 h的平均温度进行预测，12个权重值依次为[12,11,10,9,8,7,6,5,4,3,2,1]。

根据前12 h的预测温度，各探测点对报警阈值进行相应的调整。计算步骤描述如下。

(1)仪表采样率为1 Hz，即每秒采集1次全段温度数据。

(2)对于每个监测点，分析从此刻至前90 s的数据，比较是否有超过定温阈值的数据点，若存在，则发出定温报警；比较是否存在连续升温的时间段，若存在，比较升温范围是否超过差温阈值，若超过则发出差温报警。当系统发出差温报警或定温报警时，系统状态标记为短期异常，并将对应的位置信息发送给管理人员进行现场核实。

(3)当系统未出现短期异常标记，每隔1 h，各监测点计算上1 h的温度均值及温差最大值。

(4)对于每个监测点，根据前12 h的温度均值和温差最大值，由加权移动平均公式，得到此时间段的温度预测值和温差预测值。温度预测值加[10,20,30]，更新为此段时间的多级定温阈值；温差预测值加[2,5,10]，更新为此段时间的多级差温阈值。

(5)对于每个监测点，将每小时的实际计算温度均值和前12 h的预测值进行比较，若超过一定阈值，系统状态标记为长期异常，将对应的位置信息发送给管理人员进行现场核实。经过核实后，人工处理或取消长期异常标记，继续监测。

3 应用效果

某公路隧道长约3 km，在隧道沿线布设光纤光栅感温光缆，进行隧道环境温度监测。

选取位于隧道入口位置的监测点A和位于隧道中部的监测点B进行观察。

图2 点A和点B的监测数据记录

图2为6月份某一天监测点A和B的测温数据记录，包含各个时刻的实际温度和预测温度。

由于监测点A位于隧道入口位置，温度变化范围相较于位于隧道中部的监测点B偏大，符合实际。监测点A预测温度和实际温度的最大差值为1.93 ℃，监测点B预测温度和实际温度的最大差值为0.87 ℃。故本系统所使用的预测模型能够较为准确地描述隧道内不同区段的温度变化趋势，可以作为温度报警阈值动态调整的可靠依据。

4 结 语

采用根据历史温度数据动态调整报警参数的方法，一方面能够更好地描述隧道空间内的温度随季节和时间的变化，为公路隧道的运营管理提供参考依据；另一方面，能够实现报警系统的自我检查和自我调整，使报警参数更加合理，及时适应环境的缓慢变化。在下一步的研究中，还需要设计更为精细合理的温度预测模型，进一步提升测温预警系统的监测效果。