專利名稱：隧道火災分布式光纖溫度傳感小波分析報警方法及系統的制作方法
技術領域：
本發明屬于消防領域，涉及電子工程等技術，具體是一種隧道火災分布式光纖溫 度傳感小波分析報警方法及系統。
背景技術：
由于隧道火災后果的嚴重性，隧道火災的探測與報警問題已成為隧道安全領域的 首要問題之一。近年來，分布式光纖溫度傳感裝置開始逐步被應用于隧道火災探測與報警 領域，主要的方式包括光纖光柵傳感、拉曼光時域反射計傳感以及布里淵光時域反射計傳 感。與傳統的點式火災探測系統(如雙波長火焰探測器等)相比，分布式傳感具有空間連 續分布探測的優點，分布范圍內任意一點發生火災都可以進行準確判別定位。同時，由于光 纜不易受電磁等擾動影響，不易出現分布式感溫電纜的誤報等狀況。然而，隧道內起火到爆 發成災經歷的時間往往較短，這就要求基于分布式光纖溫度傳感裝置的火災探測與報警系 統具有較快的響應速度，而分布式光纖通常布置在隧道拱頂位置，在隧道斷面上與路面火 災發生點的距離往往是最大的，因此響應時間往往也會有所延長；此外，當隧道內縱向風速 較大的情況下(例如開啟風機的情況下)，根據通常的絕對溫度、絕對溫升以及溫升梯度均 等判別指標均難以在較短時間內識別溫度場異常進而觸發報警。這制約了基于分布式光纖 溫度傳感裝置的火災探測與報警系統的廣泛應用。目前尚未有方法及系統可以有效解決分 布式光纖溫度傳感裝置的以上局限。
發明內容
針對既有分布式光纖溫度傳感裝置用于火災探測與報警時存在的局限性，本發明 的目為利用小波分析實現信號的局部特征分析和細化分析來檢測隧道溫度場信號的突變 點，從而較大程度上提高火災的定位識別精度，縮短火災的探測報警時間。小波分析方法在時、頻域上都有很好的表征信號局部特征的能力，擅于檢測信號 的瞬態點或奇異點。利用小波對隧道溫度場進行多尺度分析，可以對原始信號中包含的各 種頻率成分進行分解，提取隧道溫度場的動態特性，評定實時監測結果的形態，在隧道火災 探測與預警中有很高的應用價值。本隧道火災分布式光纖溫度傳感小波分析報警方法及系統，是以傳感光纖作為分 布式溫度傳感器，可實時測量光纖沿線的溫度場分布。通過對監測數據進行實時小波分析， 可迅速準確地檢測到隧道溫度場的奇異點，及時探測到火災發生事件并準確定位火災發生 位置。本發明是采用如下技術方案實現的1、溫度場監測數據的時空矩陣獲取分布式光纖監測方法具有長測距，多測點和實時采樣等特點，因此必然產生海量 的監測數據，為了對隧道溫度場的各項形態分布加以有效提取，可將所有監測數據組織成 時空矩陣B的形式。假設光纖沿線的采樣點總數為n，采樣總次數為m，則B為一個η行m列的二維矩陣。2、溫度場形態特征的提取對時空矩陣B進行各種提取操作，可得到隧道溫度場多項形態分布的矩陣或向量 表示可得到隧道局部溫度場的形態分布，可得到傳感光纖既定位置在整個監測時段內的 溫度場形態分布，可得到既定時刻傳感光纖沿線的溫度場形態分布。3、火災預報警在未發生火災時隧道內的溫度相對穩定，可根據長期數據積累和歷史波形總結出 一個標準波形y = f(x)，為了確定報警波形，將標準波形加上一個幅值T (幅值可通過大量 的異常波形與正常波形對比得到)，即S(x) =f(x)+T，實際波形F(x)超過報警波形的部分 即被認為是奇異點。當檢測到奇異點的數目超過M(數量報警值)或者同一時刻的相鄰測 點的溫升梯度值超過G (溫升梯度報警值)或者同一測點相鄰采樣時刻的溫升梯度值超過 H(溫升梯度報警值)便進行預報警。4、隧道火災報警確認將預報警的信號導入現場工控機數據處理軟件，選擇合適的小波基進行多尺度分 解，根據隧道環境各項參數選取小波基尺度。如果沒有檢測到奇異點，取消報警認定為安 全狀態，如果檢測出奇異點，進行緩沖，對于下一個信號再次進行基于小波分析的奇異點檢 測，當再次檢測到奇異點進行火災位置時間確認及發布報警。關于奇異點確認的判斷標準①如果在j_l尺度上有一個較大幅度的模極大值，并且它的位置接近于在j尺度 上具有相同符號的模極大值的位置，就可以判定這兩個極值點是對應于同一個突變點的， 并說明這兩個點在同一條極大值線上；若下一個采樣點j-ι尺度上的極大值特征表現的更 為明顯，可判斷為該點發生溫度場異常；②搜索j尺度上的模極大值的最大值Max，如果Max超過設定的報警值，并且下一 個采樣點后的下個信號對應位置的系數也是模最大值，且持續增大，可判斷此處發生溫度 場異常；③滿足①或②任意一個可認定為溫度場奇異點。一種應用上述方法的隧道火災快速探測與報警系統，包括光纖傳感信號解調裝 置、采集工控機、聲光報警裝置、上位機和沿隧道走向布置在隧道內的分布式溫度傳感光 纖；所述分布式溫度傳感光纖連接光纖傳感信號解調裝置的輸入端，光纖傳感信號解調裝 置與采集工控機通過局域網相互通信，采集工控機與上位機通過通訊光纜通信，所述聲光 報警裝置連接在采集工控機的輸出端，所述上位機上述方法進行工作。所述分布式光纖沿隧道走向布置在隧道內的拱頂位置。
本發明的有益效果包括1、充分利用了小波分析的信號局部特征分析和細化分析優點，可以準確定位溫度 場異常點位置。2、縮短了對隧道火災點發現的時間，與未采用本方法相比，火災觸發時間縮短約 50%。3、降低了隧道火災報警誤報率。
圖1是本系統消防火災探測及報警拓撲結構；圖2是本發明的算法流程圖；圖3(a)和圖3(b)是不同風速條件下隧道火災發生時的小波分解圖，其中，圖3 (a)風速lm/s條件下隧道火災20s后信號的小波分解圖，圖3 (b)風速5m/s條件下隧道火災40s后信號的小波分解圖。
具體實施例方式下面結合附圖和本發明依技術方案所完成的實例，對本發明作進一步的詳細描 述，本發明不限于這些實例。本發明是一個隧道火災分布式溫度傳感小波分析報警方法，包括以下實施步驟1)溫度傳感光纖被安裝在隧道拱頂處，傳感光纖的一端接入解調系統。2)分布式光纖監測方法具有長測距，多測點和實時采樣等特點，因此必然產生海 量的監測數據，為了對隧道溫度場的各項形態分布加以有效提取，可將所有監測數據組織 成時空矩陣B的形式。假設光纖沿線的采樣點總數為n，采樣總次數為m，則B為一個η行 m列的二維矩陣。 B
ail
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\η ... Qjn ... Ctmn其中元素％表示ROTDR系統第j次采樣時，傳感光纖第i個測點位置的溫度場 的監測值。3)隧道溫度場各種形態分布的提取B同時可以表示成列向量組的形式，即有B = [A1, A2,…A,..Am]其中Aj= [Bjl, aJ2…Bji-Bjn] t列向量Aj的物理意義為第j次采樣時，傳感光纖全線溫度場監測值的向量表示。B還可以表示成行向量組的形式，即有B= [A' 1； A' 2...A' ,.Α' η]τ其中A' i = [an, a2i-Bji-Bmi]行向量A' i的物理意義為傳感光纖第i個測點位置在整個采樣時段內溫度場監 測值的向量表示。—般地，可以用矩陣B的子矩陣Bs表示凍土溫度場的局部形態分布，即有
權利要求
1.一種隧道火災分布式光纖溫度傳感小波分析報警方法，其特征在于包括步驟1)隧道溫度場監測數據的時空矩陣獲取用沿隧道走向設置的分布式光纖采集隧道溫度場監測數據；將所有監測數據組織成時 空矩陣B的形式；設光纖沿線的采樣點總數為n，采樣總次數為m，則B為一個η行m列的二 維矩陣；2)隧道溫度場形態特征的提取對時空矩陣B進行提取操作，得到隧道溫度場多項形態分布的矩陣或向量表示；3)隧道火災預報警在未發生火災時隧道內的溫度相對穩定，根據長期數據積累和歷史波形總結出一個標 準波形y = f(x)，實際波形F(x)超過標準波形y = f(x)的部分即奇異點；當檢測到奇異點的數目超過數量報警值M，或者同一時刻的相鄰測點的溫升梯度值超 過溫升梯度報警值G，或者同一測點相鄰采樣時刻的溫升梯度值超過溫升梯度報警值H，便 進行預報警；4)分析預報警信號，進行隧道火災確認報警對預報警的信號進行基于小波分析的奇異點檢測首先，確定分解尺度；其次，選擇最 優小波基函數，對采集的信號進行小波分解，得到信號的高頻部分和低頻部分，最終確定奇J I ； ,所述選擇最優小波基函數是按照小波基函數的屬性、被檢信號的特征和所作分析的具 體要求而定；如果本步驟最終沒有檢測到奇異點，則取消報警、認定為安全狀態；如果本步驟最終檢 測出奇異點，則進行緩沖，對下一個預報警的信號再次進行基于小波分析的奇異點檢測，當 再次檢測到奇異點進行火災位置時間確認及發布報警；本步驟中，確認奇異點的判斷標準①對于一個預報警信號A，如果在分解尺度j-Ι上有一個較大幅度的模極大值，并且 該模極大值的位置接近于在分解尺度j上具有相同符號的模極大值的位置，就可以判定這 兩個極值點是對應于同一個突變點的，并說明這兩個點在同一條極大值線上；若下一個預報警信號B的分解尺度j_l的極大值特征表現得更為明顯，則可判斷為預 報警信號A處發生溫度場異常，即出現奇異點；②對于一個預報警信號A，搜索分解尺度j上的模極大值的最大值Max，如果Max超過 設定的報警值，并且下一個預報警信號B對應位置的系數也是模最大值，且持續增大，可判 斷預報警信號A處發生溫度場異常，即出現奇異點；③滿足①或②任意一個可認定為火災報警點，即出現奇異點。
2.根據權利要求1所述的隧道火災分布式溫度傳感小波分析報警方法，其特征是所 述步驟幻中，隧道溫度場多項形態分布的矩陣或向量表示，包括隧道局部溫度場的形態分 布、傳感光纖既定位置在整個監測時段內的溫度場形態分布和/或既定時刻傳感光纖沿線 的溫度場形態分布。
3.根據權利要求1所述的隧道火災分布式溫度傳感小波分析報警方法，其特征是所述 步驟幻中，將標準波形加上一個幅值T得到報警波形S(X) = f(x)+T;該幅值T可通過大 量的異常波形與正常波形對比得到；則實際波形F(X)超過報警波形S(X)的部分即被認為是奇異點。
4.一種應用權利要求1所述方法的隧道火災快速探測與報警系統，包括光纖傳感信號 解調裝置、采集工控機、聲光報警裝置、上位機和沿隧道走向布置在隧道內的分布式溫度傳 感光纖；所述分布式溫度傳感光纖連接光纖傳感信號解調裝置的輸入端，光纖傳感信號解 調裝置與采集工控機通過局域網相互通信，采集工控機與上位機通過通訊光纜通信，所述 聲光報警裝置連接在采集工控機的輸出端，其特征是所述上位機按照權利要求1所述方法 進行工作。
5.根據權利要求4所述的隧道火災快速探測與報警系統，其特征是所述分布式光纖沿 隧道走向布置在隧道的拱頂位置。
全文摘要
本發明是一種隧道火災分布式光纖溫度傳感小波分析報警方法及系統，本方法基于分布式光纖溫度傳感裝置，通過獲取隧道溫度場監測數據的時空矩陣，對隧道溫度場分布形態進行提取，將實時監測數據轉化為一維離散信號，并選擇合理小波基對離散信號進行一定尺度的小波分解，通過觀察細節信號上小波系數的模極大值狀況來判斷溫度場的異常點，從而快速判別出火災發生的時刻和位置并發布報警訊息。本發明方法適用于各種隧道火災的監測，均可迅速識別出火災溫度場的異常點，具有提高火災發生定位精度、縮短火災報警時間的優點。
文檔編號G01K11/32GK102074091SQ20111002819
公開日2011年5月25日 申請日期2011年1月26日 優先權日2011年1月26日
發明者丁蓬萊, 侯軍, 孫可, 張巍, 施斌 申請人:南京大學