CN108538005A - 危险品货位火灾监测方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及仓库货位管理技术领域，公开一种危险品货位火灾监测方法及系统，以基于光纤的拉曼散射实现对危险品货位火灾的精密监测。本发明方法包括：将同一测温环上的各采样点置于外部温度相同的定标环境下求解测温环的补偿参数；然后在实际检测环境下，采集同一所述测温环上各采样点的斯托克斯光与反斯托克斯光功率数据；根据所述斯托克斯光与反斯托克斯光功率数据计算各所述采样点的测量温度；根据各所述采样点的测量温度拟合距离‑温度曲线，根据拟合的距离‑温度曲线得到所述测温环长度范围内的最大温度值；根据定标所确定的所述补偿参数对当前拟合的最大温度值进行补偿得到与所述测温环相对应货位的实际温度。

Description

危险品货位火灾监测方法及系统
技术领域
本发明涉及仓库货位管理技术领域，尤其涉及一种危险品货位火灾监测方法及系统。
背景技术
伴随经济的不断发展，为了能最大限度提高空间利用率，越来越多的企业选择使用立体仓库来存放其货品。立体仓库又称高层货架仓库、自动存取系统仓库等，仓库采用多层货架，采用自动化物料搬运设备进行货物的入库出库作业，系统结构呈现高度的机械化、自动化。
由于立体仓库内货物容纳多，仓库的单位面积火灾载荷普遍偏高，且危险化学品由于其具有的毒性、易燃性、腐蚀性等物理特点，在发生事故后会造成更为巨大的损失。而不同危化品在出现失火情况时的灭火方式也有不同要求，为保证安全生产，针对危化品的立体仓库在货物分类放置的同时对温度监管及高温点定位有着更高的要求。
目前的点式测温型探测器仅能获取采样点附近的信息，要实现整体监管需要进行繁琐的监控点布网设计，另有针对立库整体监控所设计的图像型火灾探测器，但其运行易被粉尘干扰，且仅靠监测火焰来进行报警存在一定滞后性。
发明内容
本发明的主要目的在于公开一种危险品货位火灾监测方法及系统，以基于光纤的拉曼散射实现对危险品货位火灾的精密监测。
为实现上述目的，本发明公开一种危险品货位火灾监测方法，包括：
将同一测温环上的各采样点置于外部温度相同的定标环境下，采集同一测温环上各采样点的斯托克斯光与反斯托克斯光功率数据；根据所述斯托克斯光与反斯托克斯光功率数据计算各所述采样点的测量温度；根据各所述采样点的测量温度拟合距离-温度曲线，根据拟合的距离-温度曲线得到所述测温环长度范围内的最大温度值；根据所述最大温度值与外部定标实际温度的误差确定所述测温环的补偿参数；
在实际检测环境下，采集同一所述测温环上各采样点的斯托克斯光与反斯托克斯光功率数据；根据所述斯托克斯光与反斯托克斯光功率数据计算各所述采样点的测量温度；根据各所述采样点的测量温度拟合距离-温度曲线，根据拟合的距离-温度曲线得到所述测温环长度范围内的最大温度值；根据定标所确定的所述补偿参数对当前拟合的最大温度值进行补偿得到与所述测温环相对应货位的实际温度。
为实现上述目的，本发明还公开一种危险品货位火灾监测系统，其特征在于，包括：
第一子系统，用于将同一测温环上的各采样点置于外部温度相同的定标环境下，采集同一测温环上各采样点的斯托克斯光与反斯托克斯光功率数据；根据所述斯托克斯光与反斯托克斯光功率数据计算各所述采样点的测量温度；根据各所述采样点的测量温度拟合距离-温度曲线，根据拟合的距离-温度曲线得到所述测温环长度范围内的最大温度值；根据所述最大温度值与外部定标实际温度的误差确定所述测温环的补偿参数；
第二子系统，用于在实际检测环境下，采集同一所述测温环上各采样点的斯托克斯光与反斯托克斯光功率数据；根据所述斯托克斯光与反斯托克斯光功率数据计算各所述采样点的测量温度；根据各所述采样点的测量温度拟合距离-温度曲线，根据拟合的距离-温度曲线得到所述测温环长度范围内的最大温度值；根据定标所确定的所述补偿参数对当前拟合的最大温度值进行补偿得到与所述测温环相对应货位的实际温度。
本发明公开的危险品货位火灾监测方法及系统，采集多模光纤后向反射的斯托克斯光及反斯托克斯光二者的光功率，实现对光纤上各测温段的温度数据采集。在测温环监测区域出现高温点时，对测温环的采集数据采用拟合算法和误差补偿算法，保证高温监测点测温结果的准确度。可在出现高温情况后快速响应，并及时显示问题货位。具有良好的经济效益及社会效益。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明所公开的危险品货位火灾监测方法流程图；
图2为本发明所公开的一种危险品货位火灾定位数据采集系统框图；
图3为本发明所公开的测温环温度凸起段拟合曲线示意图。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合附图对本发明作进一步的详细介绍。
实施例1
本实施例公开一种危险品货位火灾监测方法，如图1所示，包括：
步骤S1、将同一测温环上的各采样点置于外部温度相同的定标环境下，采集同一测温环上各采样点的斯托克斯光与反斯托克斯光功率数据；根据所述斯托克斯光与反斯托克斯光功率数据计算各所述采样点的测量温度；根据各所述采样点的测量温度拟合距离-温度曲线，根据拟合的距离-温度曲线得到所述测温环长度范围内的最大温度值；根据所述最大温度值与外部定标实际温度的误差确定所述测温环的补偿参数。
步骤S2、在实际检测环境下，采集同一所述测温环上各采样点的斯托克斯光与反斯托克斯光功率数据；根据所述斯托克斯光与反斯托克斯光功率数据计算各所述采样点的测量温度；根据各所述采样点的测量温度拟合距离-温度曲线，根据拟合的距离-温度曲线得到所述测温环长度范围内的最大温度值；根据定标所确定的所述补偿参数对当前拟合的最大温度值进行补偿得到与所述测温环相对应货位的实际温度。
本实施例中，在光纤温度T0下，反斯托克斯光与斯托克斯光的信号比值R(T0)为：
其中，h为普朗克常数，k为波尔兹曼常数，Δv为拉曼频移，Pas，Ps分别为反斯托克斯光及斯托克斯光的功率，K1为与反斯托克斯散射和斯托克斯散射有关的系数，αas、αs分别为反斯托克斯光、斯托克斯光在光纤中的衰减系数，L为采样点所对应的光纤长度；
将光纤上每个采样点的R(T)与参照点R(T0)作除法，便能消去式(1)中的光纤衰减及常数项，整理后可得根据所述斯托克斯光与反斯托克斯光功率数据所计算的各所述采样点的测量温度T：
其中，所述参照点取自矫正光纤，所述矫正光纤位于测温光纤中第一个测温环与光纤信息采集部分的光耦合器之间，且所述矫正光纤连接有热电偶以测定所述参照点的光纤温度T0。
较佳的，在拟合时，上述测温环的距离-温度曲线近似为满足模型y＝aexp(-(((x-b)/c)2)的高斯函数，并采用最小二乘法对模型参数a、b、c进行求解，与之相对应的，各测温环的长度覆盖所述光纤信息采集部分的至少3个采样点。本实施例中，经过大量的实验验证，拟合的最大温度值Tm与实际温度Tr满足如下公式：
可选的，测温环上各采样点距离光源的距离通过集成OTDR功能的光纤信息采集部分确定。可选的，如图2所示，本实施例还公开一种危险品货位火灾定位数据采集系统，包括光纤信息采集部分及测温光纤；光纤信息采集部分又包括(可选用中心波长为1550nm)高速脉冲光源1、光耦合器2、分光器3及以双通道分别获取斯托克斯光与反斯托克斯光功率数据的采集单元4，光耦合器分别与该测温光纤、高速脉冲光源及分光器连接，且分光器还与该采集单元连接。该光纤信息采集部分为现有的常规设计，必要时，在数据采集前还可进一步对分离出的斯托克斯光与反斯托克斯光进行滤波和放大处理。该采集单元的数据输出端可与电脑连接，以供该电脑基于拉曼散射对基于本实施例中的相关数据处理方法对危险品货位进行火灾监测及定位。进一步的，该电脑集成有在保存测温数据后实现数据远传的GPRS模块，处理后的数据可上传至服务器，实现及时、连续和长期监控，并可配合自动消防设施保证仓储安全，具有良好的经济效益及社会效益。
其中，优选地，本实施例中的测温光纤为按序缠绕于所有货位的整条光纤，且各所述货位的两侧各形成有一个测温环。藉此可准确地确定相应货位的具体某一侧发生火灾告警。但本领域的技术人员应当理解，作为本实施例一种变劣的方案，也可以仅在相邻货位的中间设置一个测温环，但此种方式定位的精度相比本实施例的优选方式降幅很大。
本实施例中，上述定标环境可采用温水浸泡测温环的方式。浸泡时，为确保定标精度，测温环的各部分都需要浸泡在同一温水中。本实施例中的定标也可以视为确定每个测温环相应的补偿参数，以便于在实际监测中对根据测量温度所拟合的最大温度值进行补偿以精确确定测温环相对应货位的实际温度。换言之，本实施例中上述求解参数β通常需要在定标环境下对各个测温环进行各自求解。
【实验验证】
实验环境下将测温光纤尾侧缠绕于立库货架中，立库共有五层，上下间距为30cm，每层布置有10个货位，每个货位长70cm，宽60cm；测温光纤以“之”字形由位于最左下方货位起缠绕，最终布线至货架最右上方。光纤在缠绕时的弯曲形变会造成光纤损耗，为尽可能减少这一损耗对光纤测温的影响故选择形变后性能变化小的多模光纤。光纤测温取样精度为0.4m，为提高精度，布线时在每个货位左右两侧设置长约2m的测温环。
实验室环境下以全长1500m的光纤，将实验光纤段缠绕于实验室立体仓库货架上，共占用光纤长度约300m，实验货位共计50个，其中每个货位约占用6m光纤；光纤缠绕到货架后，以温水浸泡测温环的方式来进行监测点定标。在浸泡测温环后温度-距离图像有明显的凸起区域，针对采集数据中温度突起段部分数据进行提取，如图3所示散点。
光纤温度突起点部分的距离-温度曲线可近似为满足y＝aexp(-(((x-b)/c)2)这一模型的高斯函数，采用最小二乘法对模型参数a、b、c进行求解。获取拟合函数后选择测温环长度范围内函数最大值作为此测温环的高温预警测量结果，对单个测温环在不同温度下的数据进行多次测量，纪录拟合所得函数在测温环长度范围内的最大温度值，测量结果如表1所示。
表1：
由表1所见，测温点处的实际温度越高，测量值与真实值间的误差值越大，分析同一测温点的多次测量数据发现测量误差值与实际温度值的平方成正比关系，测量温度Tm与实际温度Tr满足如下公式：
求解参数β后对温度点进行补偿。补偿前所测温度最大值为58.1℃，与测量处热源实际温度(71℃)相差极大，在校正后温度最大值为70.0℃，算法有效减少了测量值与真实值间的误差。
进一步的，于同一测温环所对应监测货位左侧处放置热源，纪录一段时间内系统测量温度值，将每次测量所得温度值按时间顺序纪录，根据本实施例上述方法进行相应数据处理后，得到高温报警点的温升曲线，在放置热源后3s系统便出现高温点预警，且所用热源温度越高监测获得的温度值的上升速度越快，并在约30s后处于稳定状态。
综上，本实施例公开的危险品货位火灾监测方法，采集多模光纤后向反射的斯托克斯光及反斯托克斯光二者的光功率，实现对光纤上各测温段的温度数据采集。在测温环监测区域出现高温点时，对测温环的采集数据采用拟合算法和误差补偿算法，保证高温监测点测温结果的准确度。可在出现高温情况后快速响应，并及时显示问题货位。具有良好的经济效益及社会效益。
实施例2
与上述方法实施例相对应的，本实施例公开一种危险品货位火灾监测系统，包括：
第一子系统，用于将同一测温环上的各采样点置于外部温度相同的定标环境下，采集同一测温环上各采样点的斯托克斯光与反斯托克斯光功率数据；根据所述斯托克斯光与反斯托克斯光功率数据计算各所述采样点的测量温度；根据各所述采样点的测量温度拟合距离-温度曲线，根据拟合的距离-温度曲线得到所述测温环长度范围内的最大温度值；根据所述最大温度值与外部定标实际温度的误差确定所述测温环的补偿参数；
第二子系统，用于在实际检测环境下，采集同一所述测温环上各采样点的斯托克斯光与反斯托克斯光功率数据；根据所述斯托克斯光与反斯托克斯光功率数据计算各所述采样点的测量温度；根据各所述采样点的测量温度拟合距离-温度曲线，根据拟合的距离-温度曲线得到所述测温环长度范围内的最大温度值；根据定标所确定的所述补偿参数对当前拟合的最大温度值进行补偿得到与所述测温环相对应货位的实际温度。
可选的，上述第一子系统和/或第二子系统包括：
光纤信息采集部分及测温光纤；
所述光纤信息采集部分包括高速脉冲光源、光耦合器、分光器及以双通道分别获取斯托克斯光与反斯托克斯光功率数据的采集单元，所述光耦合器分别与所述测温光纤、所述高速脉冲光源及所述分光器连接，所述分光器与所述采集单元连接；
所述测温光纤为按序缠绕于所有货位的整条光纤，且各所述货位的两侧各形成有一个测温环；
所述采集单元的数据输出端与电脑连接，以供所述电脑基于拉曼散射对所述危险品货位进行火灾监测及定位，该电脑的相关数据处理参照上述实施例1，在此不做赘述。
本系统中，上述测温光纤中连接光耦合器与第一个测温环之间的光纤为矫正光纤，且该矫正光纤连接有热电偶。
同理，本实施例公开的危险品货位火灾监测系统，采集多模光纤后向反射的斯托克斯光及反斯托克斯光二者的光功率，实现对光纤上各测温段的温度数据采集。在测温环监测区域出现高温点时，对测温环的采集数据采用拟合算法和误差补偿算法，保证高温监测点测温结果的准确度。可在出现高温情况后快速响应，并及时显示问题货位。具有良好的经济效益及社会效益。
综上，本发明基于光纤的拉曼散射，采用光纤作为温度信息的传感器及传输载体，检测回路不包含电信号，产品不会因防暴缺陷成为火灾隐患；且其测温方式有耐腐蚀，不受电磁干扰，电绝缘性好以及传输距离远，维护方便等特点，极其适用于危化品立库的温度监管。而且，本发明通过测温环上多个采样点的测量温度进行拟合求解实际温度，可进一步降低相邻采样点之间的间距；现有的将拉曼散射用于其它领域通常的采样间距大多都大于1m，而本发明可将相应的采样间距所减至0.4m左右，从而使得相关应用结果的精度大为提升。
以上只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例，毋庸置疑，对于本领域的普通技术人员，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，上述附图和描述在本质上是说明性的，不应理解为对本发明权利要求保护范围的限制。

Claims (10)

1.一种危险品货位火灾监测方法，其特征在于，包括：
将同一测温环上的各采样点置于外部温度相同的定标环境下，采集同一测温环上各采样点的斯托克斯光与反斯托克斯光功率数据；根据所述斯托克斯光与反斯托克斯光功率数据计算各所述采样点的测量温度；根据各所述采样点的测量温度拟合距离-温度曲线，根据拟合的距离-温度曲线得到所述测温环长度范围内的最大温度值；根据所述最大温度值与外部定标实际温度的误差确定所述测温环的补偿参数；
在实际检测环境下，采集同一所述测温环上各采样点的斯托克斯光与反斯托克斯光功率数据；根据所述斯托克斯光与反斯托克斯光功率数据计算各所述采样点的测量温度；根据各所述采样点的测量温度拟合距离-温度曲线，根据拟合的距离-温度曲线得到所述测温环长度范围内的最大温度值；根据定标所确定的所述补偿参数对当前拟合的最大温度值进行补偿得到与所述测温环相对应货位的实际温度。
2.根据权利要求1所述的危险品货位火灾监测方法，其特征在于，在光纤温度T0下，反斯托克斯光与斯托克斯光的信号比值R(T0)为
其中，h为普朗克常数，k为波尔兹曼常数，Δv为拉曼频移，Pas，Ps分别为反斯托克斯光及斯托克斯光的功率，K1为与反斯托克斯散射和斯托克斯散射有关的系数，αas、αs分别为反斯托克斯光、斯托克斯光在光纤中的衰减系数，L为采样点所对应的光纤长度；
将光纤上每个采样点的R(T)与参照点R(T0)作除法，便能消去上述公式中的光纤衰减及常数项，整理后可得根据所述斯托克斯光与反斯托克斯光功率数据所计算的各所述采样点的测量温度T：
其中，所述参照点取自矫正光纤，所述矫正光纤位于测温光纤中第一个测温环与光纤信息采集部分的光耦合器之间，且所述矫正光纤连接有热电偶以测定所述参照点的光纤温度T0。
3.根据权利要求2所述的危险品货位火灾监测方法，其特征在于，所述测温光纤为按序缠绕于所有货位的整条光纤，且各所述货位的两侧各形成有一个测温环。
4.根据权利要求1、2或3所述的危险品货位火灾监测方法，其特征在于，还包括：
在拟合时，所述测温环的距离-温度曲线近似为满足模型y＝aexp(-(((x-b)/c)2)的高斯函数，并采用最小二乘法对模型参数a、b、c进行求解，与之相对应的，各所述测温环的长度覆盖所述光纤信息采集部分的至少3个采样点。
5.根据权利要求4所述的危险品货位火灾监测方法，其特征在于，拟合的最大温度值Tm与实际温度Tr满足如下公式：
6.根据权利要求1所述的危险品货位火灾监测方法，其特征在于，所述定标环境采用温水浸泡测温环的方式。
7.根据权利要求1所述的危险品货位火灾监测方法，其特征在于，所述测温环上各采样点距离光源的距离通过集成OTDR功能的光纤信息采集部分确定。
8.一种用于执行如权利要求1至7任一所述方法的危险品货位火灾监测系统，其特征在于，包括：
第一子系统，用于将同一测温环上的各采样点置于外部温度相同的定标环境下，采集同一测温环上各采样点的斯托克斯光与反斯托克斯光功率数据；根据所述斯托克斯光与反斯托克斯光功率数据计算各所述采样点的测量温度；根据各所述采样点的测量温度拟合距离-温度曲线，根据拟合的距离-温度曲线得到所述测温环长度范围内的最大温度值；根据所述最大温度值与外部定标实际温度的误差确定所述测温环的补偿参数；
第二子系统，用于在实际检测环境下，采集同一所述测温环上各采样点的斯托克斯光与反斯托克斯光功率数据；根据所述斯托克斯光与反斯托克斯光功率数据计算各所述采样点的测量温度；根据各所述采样点的测量温度拟合距离-温度曲线，根据拟合的距离-温度曲线得到所述测温环长度范围内的最大温度值；根据定标所确定的所述补偿参数对当前拟合的最大温度值进行补偿得到与所述测温环相对应货位的实际温度。
9.根据权利要求8所述的危险品货位火灾监测系统，其特征在于，所述第一子系统和/或第二子系统包括：
光纤信息采集部分及测温光纤；
所述光纤信息采集部分包括高速脉冲光源、光耦合器、分光器及以双通道分别获取斯托克斯光与反斯托克斯光功率数据的采集单元，所述光耦合器分别与所述测温光纤、所述高速脉冲光源及所述分光器连接，所述分光器与所述采集单元连接；
所述测温光纤为按序缠绕于所有货位的整条光纤，且各所述货位的两侧各形成有一个测温环；
所述采集单元的数据输出端与电脑连接，以供所述电脑基于拉曼散射对所述危险品货位进行火灾监测及定位。
10.根据权利要求9所述的危险品货位火灾监测系统，其特征在于，所述测温光纤中连接所述光耦合器与第一个测温环之间的光纤为矫正光纤，所述矫正光纤连接有热电偶。
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