CN102074091A - 隧道火灾分布式光纤温度传感小波分析报警方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明是一种隧道火灾分布式光纤温度传感小波分析报警方法及系统，本方法基于分布式光纤温度传感装置，通过获取隧道温度场监测数据的时空矩阵，对隧道温度场分布形态进行提取，将实时监测数据转化为一维离散信号，并选择合理小波基对离散信号进行一定尺度的小波分解，通过观察细节信号上小波系数的模极大值状况来判断温度场的异常点，从而快速判别出火灾发生的时刻和位置并发布报警讯息。本发明方法适用于各种隧道火灾的监测，均可迅速识别出火灾温度场的异常点，具有提高火灾发生定位精度、缩短火灾报警时间的优点。

Description

隧道火灾分布式光纤温度传感小波分析报警方法及系统

技术领域

本发明属于消防领域，涉及电子工程等技术，具体是一种隧道火灾分布式光纤温度传感小波分析报警方法及系统。

背景技术

由于隧道火灾后果的严重性，隧道火灾的探测与报警问题已成为隧道安全领域的首要问题之一。近年来，分布式光纤温度传感装置开始逐步被应用于隧道火灾探测与报警领域，主要的方式包括光纤光栅传感、拉曼光时域反射计传感以及布里渊光时域反射计传感。与传统的点式火灾探测系统(如双波长火焰探测器等)相比，分布式传感具有空间连续分布探测的优点，分布范围内任意一点发生火灾都可以进行准确判别定位。同时，由于光缆不易受电磁等扰动影响，不易出现分布式感温电缆的误报等状况。然而，隧道内起火到爆发成灾经历的时间往往较短，这就要求基于分布式光纤温度传感装置的火灾探测与报警系统具有较快的响应速度，而分布式光纤通常布置在隧道拱顶位置，在隧道断面上与路面火灾发生点的距离往往是最大的，因此响应时间往往也会有所延长；此外，当隧道内纵向风速较大的情况下(例如开启风机的情况下)，根据通常的绝对温度、绝对温升以及温升梯度均等判别指标均难以在较短时间内识别温度场异常进而触发报警。这制约了基于分布式光纤温度传感装置的火灾探测与报警系统的广泛应用。目前尚未有方法及系统可以有效解决分布式光纤温度传感装置的以上局限。

发明内容

针对既有分布式光纤温度传感装置用于火灾探测与报警时存在的局限性，本发明的目为利用小波分析实现信号的局部特征分析和细化分析来检测隧道温度场信号的突变点，从而较大程度上提高火灾的定位识别精度，缩短火灾的探测报警时间。

小波分析方法在时、频域上都有很好的表征信号局部特征的能力，擅于检测信号的瞬态点或奇异点。利用小波对隧道温度场进行多尺度分析，可以对原始信号中包含的各种频率成分进行分解，提取隧道温度场的动态特性，评定实时监测结果的形态，在隧道火灾探测与预警中有很高的应用价值。

本隧道火灾分布式光纤温度传感小波分析报警方法及系统，是以传感光纤作为分布式温度传感器，可实时测量光纤沿线的温度场分布。通过对监测数据进行实时小波分析，可迅速准确地检测到隧道温度场的奇异点，及时探测到火灾发生事件并准确定位火灾发生位置。

本发明是采用如下技术方案实现的：

1、温度场监测数据的时空矩阵获取

分布式光纤监测方法具有长测距，多测点和实时采样等特点，因此必然产生海量的监测数据，为了对隧道温度场的各项形态分布加以有效提取，可将所有监测数据组织成时空矩阵B的形式。假设光纤沿线的采样点总数为n，采样总次数为m，则B为一个n行m列的二维矩阵。

2、温度场形态特征的提取

对时空矩阵B进行各种提取操作，可得到隧道温度场多项形态分布的矩阵或向量表示：可得到隧道局部温度场的形态分布，可得到传感光纤既定位置在整个监测时段内的温度场形态分布，可得到既定时刻传感光纤沿线的温度场形态分布。

3、火灾预报警

在未发生火灾时隧道内的温度相对稳定，可根据长期数据积累和历史波形总结出一个标准波形y＝f(x)，为了确定报警波形，将标准波形加上一个幅值T(幅值可通过大量的异常波形与正常波形对比得到)，即S(x)＝f(x)+T，实际波形F(x)超过报警波形的部分即被认为是奇异点。当检测到奇异点的数目超过M(数量报警值)或者同一时刻的相邻测点的温升梯度值超过G(温升梯度报警值)或者同一测点相邻采样时刻的温升梯度值超过H(温升梯度报警值)便进行预报警。

4、隧道火灾报警确认

将预报警的信号导入现场工控机数据处理软件，选择合适的小波基进行多尺度分解，根据隧道环境各项参数选取小波基尺度。如果没有检测到奇异点，取消报警认定为安全状态，如果检测出奇异点，进行缓冲，对于下一个信号再次进行基于小波分析的奇异点检测，当再次检测到奇异点进行火灾位置时间确认及发布报警。

关于奇异点确认的判断标准：

①如果在j-1尺度上有一个较大幅度的模极大值，并且它的位置接近于在j尺度上具有相同符号的模极大值的位置，就可以判定这两个极值点是对应于同一个突变点的，并说明这两个点在同一条极大值线上；若下一个采样点j-1尺度上的极大值特征表现的更为明显，可判断为该点发生温度场异常；

②搜索j尺度上的模极大值的最大值Max，如果Max超过设定的报警值，并且下一个采样点后的下个信号对应位置的系数也是模最大值，且持续增大，可判断此处发生温度场异常；

③满足①或②任意一个可认定为温度场奇异点。

一种应用上述方法的隧道火灾快速探测与报警系统，包括光纤传感信号解调装置、采集工控机、声光报警装置、上位机和沿隧道走向布置在隧道内的分布式温度传感光纤；所述分布式温度传感光纤连接光纤传感信号解调装置的输入端，光纤传感信号解调装置与采集工控机通过局域网相互通信，采集工控机与上位机通过通讯光缆通信，所述声光报警装置连接在采集工控机的输出端，所述上位机上述方法进行工作。

所述分布式光纤沿隧道走向布置在隧道内的拱顶位置。

本发明的有益效果包括：

1、充分利用了小波分析的信号局部特征分析和细化分析优点，可以准确定位温度场异常点位置。

2、缩短了对隧道火灾点发现的时间，与未采用本方法相比，火灾触发时间缩短约50％。

3、降低了隧道火灾报警误报率。

附图说明

图1是本系统消防火灾探测及报警拓扑结构；

图2是本发明的算法流程图；

图3(a)和图3(b)是不同风速条件下隧道火灾发生时的小波分解图，其中，

图3(a)风速1m/s条件下隧道火灾20s后信号的小波分解图，

图3(b)风速5m/s条件下隧道火灾40s后信号的小波分解图。

具体实施方式

下面结合附图和本发明依技术方案所完成的实例，对本发明作进一步的详细描述，本发明不限于这些实例。

本发明是一个隧道火灾分布式温度传感小波分析报警方法，包括以下实施步骤：

1)温度传感光纤被安装在隧道拱顶处，传感光纤的一端接入解调系统。

2)分布式光纤监测方法具有长测距，多测点和实时采样等特点，因此必然产生海量的监测数据，为了对隧道温度场的各项形态分布加以有效提取，可将所有监测数据组织成时空矩阵B的形式。假设光纤沿线的采样点总数为n，采样总次数为m，则B为一个n行m列的二维矩阵。

$B=\left[\begin{array}{ccccc}{a}_{11}& \·\·\·& a_{j1}& \·\·\·& a_{m1}\\ \·\·\·& \·\·\·& \·\·\·& \·\·\·& \·\·\·\\ a_{1i}& \·\·\·& a_{\mathrm{ji}}& \·\·\·& a_{\mathrm{mi}}\\ \·\·\·& \·\·\·& \·\·\·& \·\·\·& \·\·\·\\ a_{1n}& \·\·\·& a_{\mathrm{jn}}& \·\·\·& a_{\mathrm{mn}}\end{array}\right]$

其中：元素a_ij表示ROTDR系统第j次采样时，传感光纤第i个测点位置的温度场的监测值。

3)隧道温度场各种形态分布的提取：B同时可以表示成列向量组的形式，即有：

B＝[A₁，A₂，…A_j…A_m]

其中：

A_j＝[a_j1，a_j2…a_ji…a_jn]^T

列向量A_j的物理意义为第j次采样时，传感光纤全线温度场监测值的向量表示。

B还可以表示成行向量组的形式，即有：

B＝[A′₁，A′₂…A′_i…A′_n]^T

其中：

A′_i＝[a_1i，a_2i…a_ji…a_mi]

行向量A′_i的物理意义为传感光纤第i个测点位置在整个采样时段内温度场监测值的向量表示。

一般地，可以用矩阵B的子矩阵B_s表示冻土温度场的局部形态分布，即有：

$B_s=\left[\begin{array}{ccccc}{a}_{\mathrm{us}}& \·\·\·& a_{\mathrm{js}}& \·\·\·& a_{\mathrm{vs}}\\ \·\·\·& \·\·\·& \·\·\·& \·\·\·& \·\·\·\\ a_{\mathrm{ui}}& \·\·\·& a_{\mathrm{ji}}& \·\·\·& a_{\mathrm{vi}}\\ \·\·\·& \·\·\·& \·\·\·& \·\·\·& \·\·\·\\ a_{\mathrm{ut}}& \·\·\·& a_{\mathrm{jt}}& \·\·\·& a_{\mathrm{vt}}\end{array}\right]$

其物理意义为采样次数[u，v]的时间段内，传感光纤第s个测点位置到第t个测点位置间冻土温度场时空形态分布的矩阵表示。

4)隧道火灾预报警方法：在未发生火灾时隧道内的温度相对稳定，可根据长期数据积累和历史波形总结出一个标准波形y＝f(x)，为了确定报警波形，将标准波形加上一个幅值T(幅值可通过大量的异常波形与正常波形对比得到)，即S(x)＝f(x)+T，实际波形F(x)超过报警波形的部分即被认为是奇异点。当检测到奇异点的数目超过M(数量报警值)或者同一时刻的相邻测点的温升梯度值超过G(温升梯度报警值)或者同一测点相邻采样时刻的温升梯度值超过H(温升梯度报警值)便进行预报警。

5)基于小波分析的火灾报警确认方法：小波即小区域的波，是一种长度有限、平均值为零的特殊波形。小波变换的定义是把某一基本小波(母小波)的函数ψ(t)作位移τ后再在小波尺度因子a下与待分析信号X(t)作内积

$W_x(a,\mathrm{\τ})=\frac{1}{\sqrt{a}}{\∫}_{-\∞}^{\∞}x\left(t\right){\mathrm{\ψ}}^{*}\left(\frac{t-\mathrm{\τ}}{a}\right)\mathrm{dt},a>0$

式中：t为时间，x(t)为小波，a为尺度因子，τ为平移因子，ψ*(t)为ψ(t)基小波的共轭函数。

将预报警的信号导入现场工控机数据处理软件后，首先要确定分解尺度；其次要选择最优小波基函数，如何选择最优小波基函数并没有一套固定的准则可以遵循，一般是按照小波基函数的属性、被检信号的特征和所作分析的具体要求而定。为了剔除噪声，即各种干扰信号，有效检测出信号中的奇异点，只有具有足够高的消失矩的小波基才能满足要求，但消失矩的阶数不能太高，过高的阶数将使分析结果模糊，增加计算量。因此应选择具有一定阶次消失矩的小波基。对采集的信号进行小波分解，得到信号的高频部分和低频部分。以ribo3.7小波基为例对信号进行尺度为4(即j＝4)的小波分解部分

如果没有检测到奇异点，认定为安全状态，如果检测出奇异点，进行缓冲，对于下一个信号再次进行基于小波分析的奇异点检测，当再次检测到奇异点进行火灾位置时间确认及发布报警。

关于奇异点确认的判断标准：

①如果在j-1尺度上有一个较大幅度的模极大值，并且它的位置接近于在j尺度上具有相同符号的模极大值的位置，就可以判定这两个极值点是对应于同一个突变点的，并说明这两个点在同一条极大值线上，若下一个采样点j-1尺度上的极大值特征表现的更为明显，可判断为该点发生温度场异常；

②搜索j尺度上的模极大值的最大值Max，如果Max超过设定的报警值，并且下一个采样点对应位置的系数也是模最大值，且持续增大，可判断此处发生温度场异常；

③满足①或②任意一个可认定为火灾报警点。

参见图1，图1是本发明一实施例：传感光纤布置在隧道内，接入光纤传感解调装置，解调装置信号接入现场工控机(下位机)，远程上位机通过网络与下位机进行通讯。小波分析报警系统安装在现场工控机内，一旦探测到火灾发生，立刻触发火灾报警信号，并向远程上位机推送火灾发生位置与火灾规模等信息。

参见图2，图2是本发明的算法流程图。

参见图3，对图1中系统所采集的隧道温度场的时空数据特征提取后进行小波分析的实测结果，其中图(a)为风速为1m/s情况下隧道火灾发生20s后的光纤里程0～1300米的温度场数据以一维离散信号的方式进行四重小波分解的示意图；图(b)为风速为5m/s条件下火灾发生40s后的光纤里程0～1300米的温度场数据以一维离散信号的方式进行四重小波分解的示意图。

Claims (5)

1.一种隧道火灾分布式光纤温度传感小波分析报警方法，其特征在于包括步骤：

1)隧道温度场监测数据的时空矩阵获取

用沿隧道走向设置的分布式光纤采集隧道温度场监测数据；将所有监测数据组织成时空矩阵B的形式；设光纤沿线的采样点总数为n，采样总次数为m，则B为一个n行m列的二维矩阵；

2)隧道温度场形态特征的提取

对时空矩阵B进行提取操作，得到隧道温度场多项形态分布的矩阵或向量表示；

3)隧道火灾预报警

在未发生火灾时隧道内的温度相对稳定，根据长期数据积累和历史波形总结出一个标准波形y＝f(x)，实际波形F(x)超过标准波形y＝f(x)的部分即奇异点；

当检测到奇异点的数目超过数量报警值M，或者同一时刻的相邻测点的温升梯度值超过温升梯度报警值G，或者同一测点相邻采样时刻的温升梯度值超过温升梯度报警值H，便进行预报警；

4)分析预报警信号，进行隧道火灾确认报警

对预报警的信号进行基于小波分析的奇异点检测：首先，确定分解尺度；其次，选择最优小波基函数，对采集的信号进行小波分解，得到信号的高频部分和低频部分，最终确定奇异点；

所述选择最优小波基函数是按照小波基函数的属性、被检信号的特征和所作分析的具体要求而定；

如果本步骤最终没有检测到奇异点，则取消报警、认定为安全状态；如果本步骤最终检测出奇异点，则进行缓冲，对下一个预报警的信号再次进行基于小波分析的奇异点检测，当再次检测到奇异点进行火灾位置时间确认及发布报警；

本步骤中，确认奇异点的判断标准：

①：对于一个预报警信号A，如果在分解尺度j-1上有一个较大幅度的模极大值，并且该模极大值的位置接近于在分解尺度j上具有相同符号的模极大值的位置，就可以判定这两个极值点是对应于同一个突变点的，并说明这两个点在同一条极大值线上；

若下一个预报警信号B的分解尺度j-1的极大值特征表现得更为明显，则可判断为预报警信号A处发生温度场异常，即出现奇异点；

②：对于一个预报警信号A，搜索分解尺度j上的模极大值的最大值Max，如果Max超过设定的报警值，并且下一个预报警信号B对应位置的系数也是模最大值，且持续增大，可判断预报警信号A处发生温度场异常，即出现奇异点；

③：满足①或②任意一个可认定为火灾报警点，即出现奇异点。

2.根据权利要求1所述的隧道火灾分布式温度传感小波分析报警方法，其特征是所述步骤2)中，隧道温度场多项形态分布的矩阵或向量表示，包括隧道局部温度场的形态分布、传感光纤既定位置在整个监测时段内的温度场形态分布和/或既定时刻传感光纤沿线的温度场形态分布。

3.根据权利要求1所述的隧道火灾分布式温度传感小波分析报警方法，其特征是所述步骤3)中，将标准波形加上一个幅值T得到报警波形S(x)＝f(x)+T；该幅值T可通过大量的异常波形与正常波形对比得到；则实际波形F(x)超过报警波形S(x)的部分即被认为是奇异点。

4.一种应用权利要求1所述方法的隧道火灾快速探测与报警系统，包括光纤传感信号解调装置、采集工控机、声光报警装置、上位机和沿隧道走向布置在隧道内的分布式温度传感光纤；所述分布式温度传感光纤连接光纤传感信号解调装置的输入端，光纤传感信号解调装置与采集工控机通过局域网相互通信，采集工控机与上位机通过通讯光缆通信，所述声光报警装置连接在采集工控机的输出端，其特征是所述上位机按照权利要求1所述方法进行工作。

5.根据权利要求4所述的隧道火灾快速探测与报警系统，其特征是所述分布式光纤沿隧道走向布置在隧道的拱顶位置。

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