CN113299027A - 一种隧道火灾监测方法及系统、终端设备、存储介质 - Google Patents

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CN113299027A CN202110448860.1A CN202110448860A CN113299027A CN 113299027 A CN113299027 A CN 113299027A CN 202110448860 A CN202110448860 A CN 202110448860A CN 113299027 A CN113299027 A CN 113299027A
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Abstract

本发明公开了一种隧道火灾监测方法及系统、终端设备、存储介质，其方法包括步骤：获取所述分布式光纤的布里渊频率/布里渊频移量；根据所述布里渊频率/布里渊频移量，以及布里渊频率/布里渊频移量与拱顶最大温度/拱顶最大温升之间的函数关系获取所述分布式光纤所对应的拱顶最大温度数据/拱顶最大温升数据；根据所述拱顶最大温度数据/拱顶最大温升数据，以及拱顶最大温度/拱顶最大温升对应的纵向温度分布函数得到所述隧道的沿程火灾数据。本发明实现隧道火灾任意一点的实时动态监控，监测过程稳定不受电磁波干扰，技术先进易于集成，成本低廉且测量精度高。

Description

一种隧道火灾监测方法及系统、终端设备、存储介质
技术领域
本发明属于隧道火灾监测技术领域，更具体地，涉及一种隧道火灾监测方法及系统、终端设备、存储介质。
背景技术
火灾是威胁隧道交通安全的常见的事故，掌握火灾情况下公路隧道内的温度传导情况并制定切实可行的控制措施是公路隧道火灾防控的关键。
模型试验容易控制试验条件，试验相对容易实现，具有良好的重复性和可操作性，且和数值模拟相比更能真实再现特长隧道发生火灾时的影响因素及横纵向温度传导规律。由于隧道模型狭长，传统热电偶传感器无法实现长距离线性测量，因此应用分布式光纤长距离沿线分布测温、具有均摊费用小等显著优势，对隧道火灾连续快速准确的监测，实现对火源的快速定位，预测火灾的规模，推测火灾发生的危险区域，提醒疏散人员注意避让，具有非常重要的理论意义和实际应用价值。现有的相关发明，如“一种小尺寸多功能隧道火灾实验平台(授权公告号：CN105632318A，授权公告日：2016.06.01)”和“一种小尺寸隧道火灾模拟实验系统(申请公告号：CN110223590A，申请公告日：2019.09.10)”都只是应用热电偶作为传感器，误差较大，无法实现长距离沿程监测；“隧道火灾分布式光纤温度传感小波分析报警方法及系统(授权公告号：CN102074091B，授权公告日：2012.04.25)”，该专利基于分布式光纤温度传感装置，提高了报警精度，缩短了报警时间，但实验系统结构复杂、成本高、难以实现获得大量实验数据。但模型试验仅仅能够模拟特定条件的下火灾情况，仅能起到预测火灾的规模，推测火灾发生的危险区域，提醒疏散人员注意避让等预防措施，但针对特长隧道的火灾监测研究与火灾防控滞后性，具有缺乏真实完整的现场实测资料，无法较真实的反映出隧道火灾的温度传导规律，而真实全尺寸火灾试验条件不受人为控制，危险性大，造价比较昂贵等问题。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种隧道火灾模型试验方法及系统、终端设备、存储介质。
本发明公开了一种隧道火灾监测方法，所述隧道布置有分布式光纤，所述分布式光纤沿所述隧道的长度方向延展，至少所述隧道的拱顶设有所述分布式光纤，包括步骤：
S1，获取所述分布式光纤的布里渊频率/布里渊频移量；
S2，根据所述布里渊频率/布里渊频移量，以及布里渊频率/布里渊频移量与拱顶最大温度/拱顶最大温升之间的函数关系获取所述分布式光纤所对应的拱顶最大温度数据/拱顶最大温升数据；
S3，根据所述拱顶最大温度数据/拱顶最大温升数据，以及拱顶最大温度/拱顶最大温升对应的纵向温度分布函数得到所述隧道的沿程火灾数据。
可选地，步骤S3之后还包括步骤：
S4，根据所述拱顶最大温度数据/拱顶最大温升数据和所述沿程火灾数据动态模拟所述隧道的沿程火灾规模。
可选地，所述布里渊频率与拱顶最大温度的函数关系满足如下公式：
(vB-v0)＝C12(Tmax-T0)＝C12ΔTmax (1)
其中，vB为所述分布式光纤在拱顶最大温度Tmax时的布里渊频率，单位为MHz；v0为所述分布式光纤在初始温度T0的初始布里渊频率，单位为MHz；C12为所述分布式光纤的布里渊温度灵敏度系数；Tmax为拱顶最大温度，单位为℃；T0为初始温度，单位为℃；ΔT为拱顶最大温度Tmax与初始温度T0的差值，单位为℃，即ΔTmax＝Tmax-T0；或，
所述布里渊频移量与拱顶最大温升的函数关系满足如下公式：
ΔvB＝C12*ΔTmax (2)
其中，ΔvB为所述分布式光纤在拱顶最大温度Tmax时的布里渊频移量，单位为MHz；且ΔvB满足：ΔvB＝vB-v0，vB为所述分布式光纤在拱顶最大温度Tmax时的布里渊频率，单位为MHz；v0为所述分布式光纤在初始温度T0的初始布里渊频率，单位为MHz；C12为所述分布式光纤的布里渊温度灵敏度系数；ΔTmax为拱顶最大温度Tmax与初始温度T0的差值，即拱顶最大温升，单位为℃，满足ΔTmax＝Tmax-T0。
可选地，步骤S2之前还包括步骤：
S5，对所述分布式光纤进行标定，以获取所述布里渊温度灵敏度系数C12。
可选地，步骤S3之前还包括步骤：
S61，获取拱顶最大温升对应的纵向温度分布函数，其满足如下公式：
Figure BDA0003037853130000031
其中，ΔT为所述隧道的内部空间的任一待测点的纵向最高温升，单位为℃，是该待测点的纵向最高温度与初始温度的差；ΔTmax为拱顶最大温升，是所述隧道的拱顶最大温度Tmax与初始温度T0的差，单位为℃，满足ΔTmax＝Tmax-T0；k2、a和b均为常数；ΔY为该待测点与所述隧道的火源之间的纵向距离，单位为m；Hf为所述隧道的火源距拱顶的垂直距离，即位于所述隧道的拱顶的分布式光纤的高度坐标，也是所述分布式光纤与所述隧道的底面之间的垂直距离，单位为m；或，
S62，获取拱顶最大温度对应的纵向温度分布函数，其满足如下公式：
Figure BDA0003037853130000041
其中，T1为所述隧道的内部空间的任一待测点的纵向最高温度，单位为℃；T0为初始温度，单位为℃；Tmax为所述隧道的拱顶最大温度，单位为℃；k2、a和b均为常数；ΔY为该待测点与所述隧道的火源之间的纵向距离，单位为m；Hf为所述隧道的火源距拱顶的垂直距离，即位于所述隧道的拱顶的分布式光纤的高度坐标，也是所述分布式光纤与所述隧道的底面之间的垂直距离，单位为m。
可选地，步骤61或步骤62具体包括步骤：
S601，按1:20缩尺寸获取所述隧道对应的隧道火灾模型的参数，且所述隧道火灾模型的火源功率与隧道内火源的功率满足相似理论：
Figure BDA0003037853130000042
使得所述隧道火灾模型的拱顶最大温度/拱顶最大温升和所述隧道的拱顶最大温度/拱顶最大温升等值；其中，Qm为所述隧道火灾模型的火源功率，单位为KW；Qf为隧道内火源的功率，单位为KW；Lm为所述隧道火灾模型的的纵向长度，单位为m；Lf所述隧道的纵向长度，单位为m；
S602，基于所述隧道火灾模型的参数和运行工况，运用pyrosim软件动态仿真模拟不同火源功率所对应的温度分布数据；
S603，对所述温度分布数据进行无量纲化处理并进行幂指数函数拟合以得到所述温度分布函数中的常数k2、a和b。
可选地，还包括步骤：
S71，根据布里渊频率/布里渊频移量获取所述隧道的火源的坐标；和/或，
S71，根据所述拱顶最大温度数据/拱顶最大温升数据、位于所述隧道的拱顶的分布式光纤的高度坐标以及公式(5)获取隧道内火源的功率；所述公式(5)满足：
ΔTmax＝Tmax-T0＝k1Qf 2/3/Hf 5/3 (5)
ΔTmax为所述隧道的拱顶最大温升，是所述隧道的拱顶最大温度Tmax与初始温度T0的差，单位为℃，满足ΔTmax＝Tmax-T0；k1为常数；Qf为所述隧道内火源的功率，单位为kw；Hf为所述隧道的火源距拱顶的垂直距离，即位于所述隧道的拱顶的分布式光纤的高度坐标，也是所述分布式光纤与所述隧道的底面之间的垂直距离，单位为m。
本发明还公开了一种隧道火灾监测系统，其适用于上述任意一项所述的隧道火灾监测方法，包括：
BOTDA解调仪，与所述隧道的分布式光纤连接以形成回路，用以获取所述分布式光纤的布里渊频率/布里渊频移量；以及，
上位机，用以根据所述布里渊频率/布里渊频移量，以及布里渊频率/布里渊频移量与拱顶最大温度/拱顶最大温升之间的函数关系获取所述分布式光纤所对应的拱顶最大温度数据/拱顶最大温升数据；根据所述拱顶最大温度数据/拱顶最大温升数据，以及拱顶最大温度/拱顶最大温升对应的纵向温度分布函数得到所述隧道的沿程火灾数据；
所述BOTDA解调仪与上位机连接。
本发明还公开了一种终端设备，所述终端设备包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的控制程序，所述控制程序配置为实现上述任意一项所述的隧道火灾监测方法的步骤。
本发明还公开了一种计算机可读的存储介质，所述计算机可读的存储介质上存储有控制程序，所述控制程序被处理器执行时实现上述任意一项所述的隧道火灾监测方法的步骤。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
利用布里渊时域分析原理的分布式光纤实现隧道火灾的实时动态监控，实现了隧道长距离沿程(即隧道纵向)且空间任意一点的温度监测，整个监测过程稳定不受电磁波干扰，技术先进易于集成，均摊成本低廉且测量精度较高。更优的，本发明能够根据隧道实际火灾蔓延情况对隧道火灾连续快速准确的监测，实现对火源的快速定位，火灾的规模实时动态获取并动态模拟，及时得知火灾发生的危险区域，提醒疏散人员注意避让，具有非常重要的理论意义和实际应用价值。
附图说明
图1为本发明的隧道火灾监测方法的一种实施例流程图示意图；
图2为本发明的隧道火灾监测方法的另一种实施例流程图示意图；
图3为本发明的分布式光纤的一种实施例的不同温度扰动后的布里渊频率变化示意图；
图4为本发明的分布式光纤的一种实施例的布里渊频率与拱顶最大温度的函数关系示意图；
图5为本发明的子隧道模型的一种实施例结构示意图；
图6为图5的纵向剖面图结构示意图；
图7为图6的左视图结构示意图；
图8为本发明的子隧道模型的另一种实施例结构示意图；
图9为本发明的子隧道模型的热电偶布置方式的一种实施例结构示意图；
图10为本发明的子隧道模型的得到的火源功率与子隧道模型的参数的函数关系示意图；
图11为本发明的隧道火灾模型通过分布式光纤测得的在不同火源功率下的拱顶最大温度；
图12为本发明的隧道火灾模型通过K型铠装热电偶测得的在不同火源功率下的拱顶最大温度；
图13为本发明运用pyrosim软件动态仿真模拟不同火源功率所对应的一种温度分布数据；
图14为本发明的隧道火灾模型得到的一种实施例所对应的不同火源功率下的ΔT/ΔTmax与ΔY/Hf的函数关系示意图；
图15为本发明的隧道火灾模型得到的一种实施例所对应的不同火源功率下的ΔT/ΔTmax与ΔY/Hf的拟合曲线示意图。
在所有附图中，同样的附图标记表示相同的技术特征，具体为：1-硅碳棒火源，2-钢外壳，3-纳米气凝胶层，4-水泥砂浆层，5-对接法兰，6-陶瓷纤维板，7-底部钢壳，8-K型铠装热电偶，9-聚酰亚胺光纤，10-BOTDA解调仪，11-上位机，12-PLC控制器，13-隧道火灾模型，14-子隧道模型。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
在本发明的一种实施例中，如图1所示，一种隧道火灾监测方法，所述隧道布置有分布式光纤，所述分布式光纤沿所述隧道的长度方向延展，至少所述隧道的拱顶设有所述分布式光纤，包括步骤：
S1，获取所述分布式光纤的布里渊频率/布里渊频移量；
S2，根据所述布里渊频率/布里渊频移量，以及布里渊频率/布里渊频移量与拱顶最大温度/拱顶最大温升之间的函数关系获取所述分布式光纤所对应的拱顶最大温度数据/拱顶最大温升数据；
S3，根据所述拱顶最大温度数据/拱顶最大温升数据，以及拱顶最大温度/拱顶最大温升对应的纵向温度分布函数得到所述隧道的沿程火灾数据。
本实施例中，在实际应用中，当隧道发生火灾时，位于火源位置的分布式光纤的布里渊频率会高于初始温度状态下的布里渊频率，以此便可获知火源的坐标位置，并根据布里渊频率/布里渊频移量与拱顶最大温度/拱顶最大温升之间的函数关系可得到每一位于拱顶的分布式光纤对应的拱顶最大温度数据/拱顶最大温升数据(即可得到拱顶处的每一分布式光纤沿隧道的纵向(沿程)的拱顶最大温度数据/拱顶最大温升数据)，同时根据纵向温度分布函数以及拱顶最大温度数据/拱顶最大温升数据可以得到隧道内部空间任意一点的温度，结合拱顶最大温度数据/拱顶最大温升数据和任意一点的温度便可获知整个隧道的沿程火灾数据。
值得说明的是，分布式光纤布在受热时其布里渊频率会实时改变，因此当分布式光纤受热时，布里渊频率为布里渊频移量和初始布里渊频率(分布式光纤初始温度下的布里渊频率)的和；拱顶最大温度为拱顶最大温升与初始温度的和。因此在实际应用中，表征以上参数可基于初始温度或不基于初始温度进行表征，但应均属于本发明的保护范围。即通过布里渊频率和拱顶最大温度的函数关系或通过布里渊频移量与拱顶最大温升的函数关系实现实际隧道的内部空间的温度分布均属于本发明的保护范围。
在本发明的另一实施例中，如图2所示，在上述实施例的基础上，步骤S3之后还包括步骤：
S4，根据所述拱顶最大温度数据/拱顶最大温升数据和所述沿程火灾数据动态模拟所述隧道的沿程火灾规模。
本实施例中，在火灾发生的过程中，从火灾发生-火灾壮大蔓延-火灾逐渐熄灭的过程中是一个过程，因此，分布式光纤的布里渊频率会根据温度实时改变从而形成动态的沿程火灾数据，上位机11可根据这些动态的沿程火灾数据动态模拟并显示沿程火灾规模，从而便于实时把握火灾动态，便于制定相应的急救措施和疏散策略。在实际应用中，BOTDA解调仪10获取分布式光纤的布里渊频率/布里渊频移量的频率可为实时或者根据设定的时间进行。且发生火灾时与未发生火灾时的采集频率可相同或不同，但应均属于本发明的保护范围。
值得说明的是，隧道的沿程火灾规模可通过点云、虚拟动态图等静态或动态虚拟的表现方式进行表征，从而更加直观的获取实际隧道的火灾蔓延以及温度分布情况，使得火源的定位、火灾规模的预判、危险区域、急救措施等更为简便和易于实施。
在本发明的另一实施例中，在上述任一实施例的基础上，所述布里渊频率与拱顶最大温度的函数关系满足如下公式：
(vB-v0)＝C12(Tmax-T0)＝C12ΔTmax (1)
其中，vB为所述分布式光纤在拱顶最大温度Tmax时的布里渊频率，单位为MHz；v0为所述分布式光纤在初始温度T0的初始布里渊频率，单位为MHz；C12为所述分布式光纤的布里渊温度灵敏度系数；Tmax为拱顶最大温度，单位为℃；T0为初始温度，单位为℃；ΔT为拱顶最大温度Tmax与初始温度T0的差值，单位为℃，即ΔTmax＝Tmax-T0。
可选地，步骤S3之前还包括步骤：
S62，获取拱顶最大温升对应的纵向温度分布函数，其满足如下公式：
Figure BDA0003037853130000091
其中，T1为所述隧道的内部空间的任一待测点的纵向最高温度，单位为℃；T0为初始温度，单位为℃；Tmax为所述隧道的拱顶最大温度，单位为℃；k2、a和b均为常数；ΔY为该待测点与所述隧道的火源之间的纵向距离，单位为m；Hf为所述隧道的火源距拱顶的垂直距离，即位于所述隧道的拱顶的分布式光纤的高度坐标，也是所述分布式光纤与所述隧道的底面之间的垂直距离，单位为m。
在本发明的另一实施例中，与上述实施例不同的是，本实施例的所述布里渊频移量与拱顶最大温升的函数关系满足如下公式：
ΔvB＝C12*ΔTmax (2)
其中，ΔvB为所述分布式光纤在拱顶最大温度Tmax时的布里渊频移量，单位为MHz；且ΔvB满足：ΔvB＝vB-v0，vB为所述分布式光纤在拱顶最大温度Tmax时的布里渊频率，单位为MHz；v0为所述分布式光纤在初始温度T0的初始布里渊频率，单位为MHz；C12为所述分布式光纤的布里渊温度灵敏度系数；ΔTmax为拱顶最大温度Tmax与初始温度T0的差值，即拱顶最大温升，单位为℃，满足ΔTmax＝Tmax-T0。
可选地，步骤S3之前还包括步骤：
S61，获取拱顶最大温度对应的纵向温度分布函数，其满足如下公式：
Figure BDA0003037853130000101
其中，ΔT为所述隧道的内部空间的任一待测点的纵向最高温升，单位为℃，是该待测点的纵向最高温度与初始温度的差；ΔTmax为拱顶最大温升，是所述隧道的拱顶最大温度Tmax与初始温度T0的差，单位为℃，满足ΔTmax＝Tmax-T0；k2、a和b均为常数；ΔY为该待测点与所述隧道的火源之间的纵向距离，单位为m；Hf为所述隧道的火源距拱顶的垂直距离，即位于所述隧道的拱顶的分布式光纤的高度坐标，也是所述分布式光纤与所述隧道的底面之间的垂直距离，单位为m。
在本发明的另一实施例中，在上述任一实施例的基础上，在步骤2之前还包括步骤：
S5，对所述分布式光纤进行标定，以获取所述布里渊温度灵敏度系数C12。
具体地，将分布式光纤放入恒温箱中，进行逐级升温或降温调节，并通过BOTDA解调仪10获取每一级温度下的分布式光纤的布里渊频率或布里渊频移量(具体可采用数学平均值法以保证科学性和准确性)，通过对不同温度调节下的布里渊频率或布里渊频移量进行曲线拟合，从而可得到布里渊频率与拱顶最大温度的函数关系或布里渊频移量与拱顶最大温升的函数关系。
示例性的，分布式光纤为一种聚酰亚胺光纤9，在实验室条件进行标定，在聚酰亚胺光纤9未放入恒温箱时测定其初始温度T0下的布里渊频率v0为10806MHz，然后将聚酰亚胺光纤9拉出一米放入恒温箱中，调节恒温箱温度，进行测温实验，测温区间为30～70℃，加热温度梯度为10℃，从低至高逐级调节，每级温度稳定20分钟，使得聚酰亚胺光纤9充分均匀受热，BOTDA解调仪10对实验温度下的聚酰亚胺光纤9的布里渊频率进行实时测量，得到这段聚酰亚胺光纤9在收到不同温度扰动后的布里渊频率变化(如图3所示)。将温度与该温度下对应的布里渊频率进行函数拟合发现聚酰亚胺光纤9的温度与布里渊频率呈良好的线性关系(如图4所示)，此时公式(1)和公式(2)可表达成(vB-10806)＝1.0744*(Tmax-T0)＝1.0744ΔTmax，因此，当隧道里设置的分布式光纤为该聚酰亚胺光纤9时，公式(1)和公式(2)可直接用(vB-10806)＝1.0744*(Tmax-T0)＝1.0744ΔTmax进行表达，从而可以获得位于每一分布式光纤的沿程的拱顶最大温度数据和/或拱顶最大温升数据。值得说明的是，公式(1)和公式(2)的区别为因变量ΔvB是否包含分布式光纤的初始布里渊频率v0，自变量ΔT是否包含初始温度T0，不管应用那种关系函数进行表征，同一分布式光纤的布里渊温度灵敏度系数C12应相同。当然，在实际应用中，不同的分布式光纤对应的函数可相同或不同，具体可通过实验对其进行拟合。
在本发明的另一实施例中，在上述任一实施例的基础上，步骤61或步骤62具体包括步骤：
S601，按1:20缩尺寸获取所述隧道对应的隧道火灾模型13的参数，且所述隧道火灾模型13的火源功率与隧道内火源的功率满足相似理论：
Figure BDA0003037853130000121
使得所述隧道火灾模型13的拱顶最大温度/拱顶最大温升和所述隧道的拱顶最大温度/拱顶最大温升等值；其中，Qm为所述隧道火灾模型13的火源功率，单位为KW；Qf为隧道内火源的功率，单位为KW；Lm为所述隧道火灾模型13的的纵向长度，单位为m；Lf所述隧道的纵向长度，单位为m；
S602，基于所述隧道火灾模型13的参数和运行工况，运用pyrosim软件动态仿真模拟不同火源功率所对应的温度分布数据；
S603，对所述温度分布数据进行无量纲化处理并进行幂指数函数拟合以得到所述温度分布函数中的常数k2、a和b。
本实施例中，为了得到温度分布函数，申请人按1:20缩尺寸获取隧道对应的隧道火灾模型13的参数，并在满足公式(4)的试验条件下设置多组运行工况以获得隧道的纵向温度分布规律，根据测量的纵向温度分布规律，最大温升关于离火源距离，基本上是呈幂指数衰减。离火源一定距离后，温度趋于稳定，不再下降。为了更好地研究火灾情况下隧道拱顶下方纵向温度的分布情况，将其进行无量纲化处理。所有实验工况下无量纲化温度随离开火源距离的变化情况，对其进行幂指数函数拟合，相应的纵向温度分布公式(3-1)和公式(3-2)可表示为：
Figure BDA0003037853130000122
为了得到公式(3-1)和公式(3-2)中的常数k2、a和b，本实施了采取基于所述隧道火灾模型13的参数和运行工况，运用pyrosim软件仿真模拟不同火源功率所对应的温度分布数据，并对所述温度分布数据进行无量纲化处理并进行幂指数函数拟合以得到所述温度分布函数中的常数k2、a和b。当然，在本发明的另一实施例中，还可通过隧道火灾模型13的参数和运行工况测得值来进行无量纲化处理并进行幂指数函数拟合以得到所述温度分布函数中的常数k2、a和b，也应属于本发明的保护范围。
在本发明的另一实施例中，在上述任一实施例的基础上，还包括步骤：
S71，根据布里渊频率/布里渊频移量获取所述隧道的火源的坐标。
本实施例中，利用布里渊频率与温度的关系可以得到隧道的火源的纵向坐标，且由于每一分布式光纤的三维坐标为已知量，因此，可以很快得到火源的三维坐标，进而快速实现对火源的定位和标记。从而便于及时采取应急措施，尽量保证人身财产安全，使损失降到最低。
在本发明的另一实施例中，在上述任一实施例的基础上，还包括步骤：
S72，根据所述拱顶最大温度数据/拱顶最大温升数据、位于所述隧道的拱顶的分布式光纤的高度坐标以及公式(5)获取隧道内火源的功率；所述公式(5)满足：
ΔTmax＝Tmax-T0＝k1Qf 2/3/Hf 5/3 (5)
ΔTmax为所述隧道的拱顶最大温升，是所述隧道的拱顶最大温度Tmax与初始温度T0的差，单位为℃，满足ΔTmax＝Tmax-T0；k1为常数；Qf为所述隧道内火源的功率，单位为kw；Hf为所述隧道的火源距拱顶的垂直距离，即位于所述隧道的拱顶的分布式光纤的高度坐标，也是所述分布式光纤与所述隧道的底面之间的垂直距离，单位为m。
本实施例中，利用公式(5)可以很快得到隧道内火源的功率，从而快速得到火灾的规模，从而采取最为有效的消防措施和应对方案，使得资源得到最优配置。研究表明拱顶最大温升ΔTmax随Qf 2/3/Hf 5/3呈线性变化，因此可以通过实验室建模来获得常数k1。
在构建隧道火灾模型13时，如图5-10所示，隧道火灾模型13包括火源、PLC控制器12以及一个以上可拆卸式拼接的子隧道模型14；子隧道模型14包括底板和拱璧；拱璧安装于底板，底板和拱璧共同围设形成模型隧道空间；拱璧布置有多个用于悬置分布式光纤的光纤孔洞(至少拱璧的拱顶设有用于容设分布式光纤的光纤孔洞)和用于验证分布式光纤测温性能的K型铠装热电偶8(可设置也可不设置)，分布式光纤沿隧道的长度方向延展，且多个子隧道模型14拼装连接形成隧道火灾模型13后，将每一根分布式光纤依次贯穿并悬置该多个子隧道模型14对应设置的光纤孔洞内，从而确保实验室条件的下的分布式光纤与隧道的分布式光纤一样；分布式光纤与BOTDA解调仪10连接，BOTDA解调仪10与上位机11连接；PLC控制器12与火源连接，以控制火源的火源功率；PLC控制器12与上位机11连接。
值得说明的是，隧道火灾模型13的拱顶最高温函数在隧道火灾模型13构造成功后可通过实验数据拟合得到。具体地，通过不同火源功率下的分布式光纤(位于顶棚(即拱顶)处的分布式光纤所测得的拱顶最大温度Tmax，在初始温度T0已知的情况下，根据公式ΔTmax＝Tmax-T0便可得到ΔTmax与Qm 2/3/Hm 5/3的函数关系，进而可得到k1。当然为了验证公式(1)和公式(2)是否科学合理，在实际应用中，可在拱顶处设置多个K型铠装热电偶8进行验证，申请人通过对比(如图11和图12可知)，公式(1)和公式(2)是科学合理的。
在实际应用中，火源功率可根据运行工况进行设置，隧道火灾模型13的火源功率与隧道内火源的功率满足相似理论(即上文中的公式(4))，具体地PLC控制器12可根据公式(4)来调整本隧道火灾模型的火源功率，进而实现不同火源功率的试验。在本发明的另一实施例中，也可是上位机11通过公式(4)来控制PLC控制来调整本系统的火源功率。因此，上文中的公式可均由上位机11进行处理从而得到最终的处理结果。BOTDA解调仪10将获取分布式光纤的布里渊频率并将其传递给上位机11；上位机11根据对应的布里渊频率、时间、隧道火灾模型13、实际隧道、公式以及分布式光纤等信息可以得到实际隧道的内部空间的温度分布以及火灾虚拟模型以及火源坐标等信息，非常智能且使用便捷。整个试验过程中，试验人员只需将与实际隧道对应的多个子隧道模型14进行组装以得到对应的隧道火灾模型13，同时将分布式光纤悬置于隧道火灾模型13的光纤孔洞内，最后位于隧道火灾模型13内的分布式光纤的两端与BOTDA解调仪10连接，从而使得分布式光纤和BOTDA解调仪10形成检测回路；将火源放置于对应的位置，便可实现不同火源功率下的试验，还可通过更换火源位置、隧道火灾模型13的长度等实现多种情况的火灾模拟试验，进而得到对应的隧道所涉及公式(3-1)和(3-2)的温度分布函数中的常数k2、a和b，以及公式(5)涉及的k1。值得说明的是，实验室建模所有的数据均为已知数，因此，可以很快得到上述任一公式中需要确认的系数(常数)，上位机11可根据上述公式得到相应的数据。如图10所示，当实验室建模所用的光纤为聚酰亚胺光纤9时，得到的公式(5)(R＝0.9989)，即此时的公式(5)可表达为ΔTmax＝Tmax-T0＝13.868Qf 2/3/Hf 5/3。
可选地，拱璧与底板可拆卸式组装，从而便于本系统的布置。可选地，底板由下而上依次包括底部钢壳7和陶瓷纤维板6；拱璧由外而内依次包括钢外壳2、纳米气凝胶层3和水泥砂浆层4，缸外壳和水泥砂浆层4通过纳米气凝胶实现连接，且水泥砂浆层4与隧道的热传导速率相近，更优的，陶瓷纤维板6具有耐热保温效果，有效避免试验温度从底部传出，确保了试验结果的真实性和科学性。优选地，每一子隧道模型14分别于拱璧的拱顶(即顶棚)、拱肩、拱腰和拱底布置有七条分布式光纤(拱顶设置一根、两个拱肩分别设置一根、两个拱腰分别设置一根、两个拱底分别设置一根)，即每一子隧道模型14分别于拱璧的拱顶(即顶棚)、拱肩、拱腰和拱底布置有七个光纤孔洞(拱顶设置一个、两个拱肩分别设置一个、两个拱腰分别设置一个、两个拱底分别设置一个)，分布式光纤沿隧道的长度方向延展并悬置于子隧道模型14，避免分布式光纤与拱璧接触而影响实验结果。相邻设置的两个子隧道模型14通过对接法兰5实现其两者的可拆卸式连接，对接法兰5显露于外环境，以便于拆装。这样，上位机11可以得到隧道七个位置的最高拱顶最大温升以及沿该拱顶最大温升的纵向温度分布，进而得到实际隧道整个火灾虚拟模型，全方位性实现隧道的火灾规模，从而便于实际过程中采取对应的火灾规模的有效应对措施，最大限度的地降低成本。
优选地，火源为硅碳棒火源1。在满足公式(4)的基础上(如表1所示)，运用pyrosim软件动态仿真模拟不同火源功率所对应的温度分布数据(如图13所示)并对其进行无量纲化处理并进行幂指数函数拟合以得到温度分布函数中的常数k2、a和b(如图14和15所示)，且此时公式(5-1)可表示为
Figure BDA0003037853130000161
值得说明的是，不同的分布式光纤所对应的常数k2、a和b可能相同或不同，具体可根据实验建模以及pyrosim软件动态仿真模拟实现。
表1不同工况下隧道火灾模型与隧道内火源的功率对照表
硅碳棒火源档位 1 2 3 4 5
缩尺火源功率(KW) 1.68 2.8 5.59 8.39 11.18
全尺火源功率(MW) 3 5 10 15 20
在本发明的另一实施例中，隧道火灾监测系统，其适用于上述任意一项所述的隧道火灾监测方法，包括：BOTDA解调仪10，与所述隧道的分布式光纤连接以形成回路，用以获取所述分布式光纤的布里渊频率/布里渊频移量；以及，上位机11，用以根据所述布里渊频率/布里渊频移量，以及布里渊频率/布里渊频移量与拱顶最大温度/拱顶最大温升之间的函数关系获取所述分布式光纤所对应的拱顶最大温度数据/拱顶最大温升数据；根据所述拱顶最大温度数据/拱顶最大温升数据，以及拱顶最大温度/拱顶最大温升对应的纵向温度分布函数得到所述隧道的沿程火灾数据；所述BOTDA解调仪10与上位机11连接。
在实际应用中，布里渊频率由BOTDA解调仪10获得，且BOTDA解调仪10将其检测到的布里渊频率直接上传至上位机11，由上位机实现分布式光纤的布里渊频率/布里渊频移量的获取也可行。当然，分布式光纤的布里渊频率/布里渊频移量可由BOTDA解调仪10获得后在传输至上位机11也可行，两者应均属于本发明的保护范围。
在本发明的另一实施例中，一种终端设备，所述终端设备包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的控制程序，所述控制程序配置为实现上述任意一项所述的隧道火灾监测方法的步骤。
在本发明的另一实施例中，一种计算机可读的存储介质，所述计算机可读的存储介质上存储有控制程序，所述控制程序被处理器执行时实现上述任意一项所述的隧道火灾监测方法的步骤。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种隧道火灾监测方法，所述隧道布置有分布式光纤，所述分布式光纤沿所述隧道的长度方向延展，至少所述隧道的拱顶设有所述分布式光纤，其特征在于，包括步骤：
S1，获取所述分布式光纤的布里渊频率/布里渊频移量；
S2，根据所述布里渊频率/布里渊频移量，以及布里渊频率/布里渊频移量与拱顶最大温度/拱顶最大温升之间的函数关系获取所述分布式光纤所对应的拱顶最大温度数据/拱顶最大温升数据；
S3，根据所述拱顶最大温度数据/拱顶最大温升数据，以及拱顶最大温度/拱顶最大温升对应的纵向温度分布函数得到所述隧道的沿程火灾数据。
2.如权利要求1所述的隧道火灾监测方法，其特征在于，步骤S3之后还包括步骤：
S4，根据所述拱顶最大温度数据/拱顶最大温升数据和所述沿程火灾数据动态模拟所述隧道的沿程火灾规模。
3.如权利要求1所述的隧道火灾监测方法，其特征在于：
所述布里渊频率与拱顶最大温度的函数关系满足如下公式：
(vB-v0)＝C12(Tmax-T0)＝C12ΔTmax (1)
其中，vB为所述分布式光纤在拱顶最大温度Tmax时的布里渊频率，单位为MHz；v0为所述分布式光纤在初始温度T0的初始布里渊频率，单位为MHz；C12为所述分布式光纤的布里渊温度灵敏度系数；Tmax为拱顶最大温度，单位为℃；T0为初始温度单位为℃；ΔT为拱顶最大温度Tmax与初始温度T0的差值，单位为℃，即ΔTmax＝Tmax-T0；或，
所述布里渊频移量与拱顶最大温升的函数关系满足如下公式：
ΔvB＝C12*ΔTmax (2)
其中，ΔvB为所述分布式光纤在拱顶最大温度Tmax时的布里渊频移量，单位为MHz；且ΔvB满足：ΔvB＝vB-v0，vB为所述分布式光纤在拱顶最大温度Tmax时的布里渊频率，单位为MHz；v0为所述分布式光纤在初始温度T0的初始布里渊频率，单位为MHz；C12为所述分布式光纤的布里渊温度灵敏度系数ΔTmax为拱顶最大温度Tmax与初始温度T0的差值，即拱顶最大温升，单位为℃，满足ΔTmax＝Tmax-T0。
4.如权利要求3所述的隧道火灾监测方法，其特征在于，步骤S2之前还包括步骤：
S5，对所述分布式光纤进行标定，以获取所述布里渊温度灵敏度系数C12。
5.如权利要求1所述的隧道火灾监测方法，其特征在于，步骤S3之前还包括步骤：
S61，获取拱顶最大温升对应的纵向温度分布函数，其满足如下公式：
Figure FDA0003037853120000021
其中，ΔT为所述隧道的内部空间的任一待测点的纵向最高温升，单位为℃，是该待测点的纵向最高温度与初始温度的差；ΔTmax为拱顶最大温升，是所述隧道的拱顶最大温度Tmax与初始温度T0的差，单位为℃，满足ΔTmax＝Tmax-T0；k2、a和b均为常数；ΔY为该待测点与所述隧道的火源之间的纵向距离，单位为m；Hf为所述隧道的火源距拱顶的垂直距离，即位于所述隧道的拱顶的分布式光纤的高度坐标，也是所述分布式光纤与所述隧道的底面之间的垂直距离，单位为m；或，
S62，获取拱顶最大温度对应的纵向温度分布函数，其满足如下公式：
Figure FDA0003037853120000031
其中，T1为所述隧道的内部空间的任一待测点的纵向最高温度，单位为℃；T0为初始温度，单位为℃；Tmax为所述隧道的拱顶最大温度，单位为℃；k2、a和b均为常数；ΔY为该待测点与所述隧道的火源之间的纵向距离，单位为m；Hf为所述隧道的火源距拱顶的垂直距离，即位于所述隧道的拱顶的分布式光纤的高度坐标，也是所述分布式光纤与所述隧道的底面之间的垂直距离，单位为m。
6.如权利要求5所述的隧道火灾监测方法，其特征在于，步骤61或步骤62具体包括步骤：
S601，按1:20缩尺寸获取所述隧道对应的隧道火灾模型的参数，且所述隧道火灾模型的火源功率与隧道内火源的功率满足相似理论：
Figure FDA0003037853120000032
使得所述隧道火灾模型的拱顶最大温度/拱顶最大温升和所述隧道的拱顶最大温度/拱顶最大温升等值；其中，Qm为所述隧道火灾模型的火源功率，单位为KW；Qf为隧道内火源的功率，单位为KW；Lm为所述隧道火灾模型的纵向长度，单位为m；Lf所述隧道的纵向长度，单位为m；
S602，基于所述隧道火灾模型的参数和运行工况，运用pyrosim软件动态仿真模拟不同火源功率所对应的温度分布数据；
S603，对所述温度分布数据进行无量纲化处理并进行幂指数函数拟合以得到所述温度分布函数中的常数k2、a和b。
7.如权利要求1-5任意一项所述的隧道火灾监测方法，其特征在于，还包括步骤：
S71，根据布里渊频率/布里渊频移量获取所述隧道的火源的坐标；和/或，
S72，根据所述拱顶最大温度数据/拱顶最大温升数据、位于所述隧道的拱顶的分布式光纤的高度坐标以及公式(5)获取所述隧道内火源的功率；所述公式(5)满足：
ΔTmax＝Tmax-T0＝k1Qf 2/3/Hf 5/3 (5)
ΔTmax为所述隧道的拱顶最大温升，是所述隧道的拱顶最大温度Tmax与初始温度T0的差，单位为℃，满足ΔTmax＝Tmax-T0；k1为常数；Qf为所述隧道内火源的功率，单位为kw；Hf为所述隧道的火源距拱顶的垂直距离，即位于所述隧道的拱顶的分布式光纤的高度坐标，也是所述分布式光纤与所述隧道的底面之间的垂直距离，单位为m。
8.一种隧道火灾监测系统，其适用于如权利要求1-7任意一项所述的隧道火灾监测方法，其特征在于，包括：
BOTDA解调仪，与所述隧道的分布式光纤连接以形成回路，用以获取所述分布式光纤的布里渊频率/布里渊频移量；以及，
上位机，用以根据所述布里渊频率/布里渊频移量，以及布里渊频率/布里渊频移量与拱顶最大温度/拱顶最大温升之间的函数关系获取所述分布式光纤所对应的拱顶最大温度数据/拱顶最大温升数据；根据所述拱顶最大温度数据/拱顶最大温升数据，以及拱顶最大温度/拱顶最大温升对应的纵向温度分布函数得到所述隧道的沿程火灾数据；
所述BOTDA解调仪与上位机连接。
9.一种终端设备，其特征在于，所述终端设备包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的控制程序，所述控制程序配置为实现如权利要求1-7任意一项所述的隧道火灾监测方法的步骤。
10.一种计算机可读的存储介质，其特征在于，所述计算机可读的存储介质上存储有控制程序，所述控制程序被处理器执行时实现如权利要求1-7任意一项所述的隧道火灾监测方法的步骤。
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