基于光纤传感网的智能隧道监测和报警系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于光纤传感网的智能隧道监测和报警系统，包括光端机（1）、基于光纤传感网（10）的各传感网节点（7）、视频监视器（2）、广播喇叭（3）、应急电话（4）、情报板（5）以及用于信号传输的光缆（6）；所述光纤传感网（10）中监测数据通过光缆（6），经过光端机（1）接入监控中心，所述各传感网节点（7）均包含光纤光栅传感器FBG、光纤、摄像头、声音广播系统和光学火灾感应传感器、强制开关；通过所述光纤传感网将实时监测数据融合接入到监控中心，监控中心评估分析后，自动发送报警信号；同时自动启动强制开关实现安全控制。本发明可以在一些危险的环境中进行隧道监测；具有良好的技术转化基础、广泛的社会效益和经济效益。
【专利说明】基于光纤传感网的智能隧道监测和报警系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种隧道监测和报警系统，是一种智能隧道监测和报警的系统集成技术。
【背景技术】
[0002]随着我国经济总量的持续增长，我国进行了大规模的交通基础设施建设，重大交通工程的建设方兴未艾，并将在未来仍然保持高速增长。在交通基础设施建设过程中，越来越多的隧道工程如铁路隧道，公路隧道，海底隧道等投入运行，极大地改善了城市及周边区域的交通状况。
[0003]由于隧道建在地质结构中，存在较多的地质影响因素，隧道危害就难以避免。在隧道使用过程中，隧道受到复杂围岩地质体变形挤压作用、地层沿隧道力学性态的不均匀作用、腐蚀性介质作用以及运营车辆的循环载荷作用，会使隧道衬砌结构产生裂缝和腐蚀，如果破坏了原始围岩体的水系平衡，可能会引起隧道水害；由隧道狭长空间导致空气污染、洞外大气中雾气的影响、洞内外亮度差异悬殊及火灾等问题，都会影响隧道的使用安全，即破坏隧道的结构健康。其中最严重的危害是火灾事故，它不仅严重威胁到人的生命和财产安全，而且对交通设施、人类的生产活动造成巨大的损坏。与此同时由于隧道主要由混凝土构成，混凝土最主要的缺点是抗拉能力差，容易开裂。大量的工程实践和理论分析表明，几乎所有的混凝土构件均是带裂缝工作的，只是有些裂缝很细，肉眼看不见(< 0.05_)，一般对结构的使用无大的危害，可允许其存在。但有时有些裂缝在使用荷载或外界物理、化学因素的作用下，不断产生和扩展，引起混凝土碳化、保护层剥落、钢筋腐蚀，使混凝土的强度和刚度受到削弱，耐久性降低，严重时甚至发生垮塌事故，危害隧道的正常使用。因此，隧道的结构健康安全状况直接关系到国家财产和人民生命安全，需要对隧道结构进行实时安全监测和预警。
[0004]由于光纤具有感知和传输双重功能，以及柔韧易弯曲、质量轻、抗电磁干扰、耐高温、耐腐蚀、传输频带宽和优良的可埋入性等特点，使得光纤传感技术具有精度高、耐久性好、定位精确、可进大范围分布测量的优点。以光纤传感器组成的传感网结构能够进行高精度、大范围的温度、应变、折射率、位移、弯曲曲率等物理量的检测。光纤传感网本身具备的优点使其成为建筑物结构健康监测的理想手段，特别是对城市地下工程的监测，更是突破了原有电传感器监测过程中存在的一些缺陷(易腐蚀、电磁干扰严重)。本发明正是基于光纤传感网具备的一些独特优点，建立一套城市隧道监测和报警系统，以避免造成大量的人员和经济损失。
[0005]目前，国内外提出的隧道监测系统多是采用单一的系统实现监测。如申请号为201210453288.9《基于光纤光栅传感的电缆隧道多状态在线监测系统》的发明中，提出一种利用光纤光栅传感器的电缆隧道监测和预防系统，该系统主要实现应变、温度、液位等物理量的检测，只是在小空间范围内应用传感网系统，而且该系统对于火灾没有专门的应对和预警功能。专利号为201010595164.5《隧道围岩变形分布式光纤超前监测方法》的发明中，提出利用分布式光纤传感网对隧道围岩二维位移进行监测，但是该方法使用BOTDR布里渊时域反射方法实现监测，只能对隧道的围岩形变进行监测，对于隧道上的裂纹、温度、火灾等危害则无法实施监测，监测的范围和程度都有一定的缺陷。专利号201020634309.3《一种超远程IOOkm全分布式光纤瑞利与拉曼散射传感器》的实用新型专利中，提出另一种分布式监测方法实现隧道的监测，采用光纤瑞利和拉曼散射的方式测量隧道的应变和温度物理量，也存在监测的范围和程度有限的缺陷。
【发明内容】
[0006]为了克服上述现有技术存在的问题，本发明提出了一种基于光纤传感网对隧道的地质灾害、火灾、裂纹、大雾等危害实时监测，并对危险情况提前发出报警，以便有效预防灾害的发生，是光纤传感技术在城市地下工程灾害预防中的应用。
[0007]本发明提出的一种基于光纤传感网的智能隧道监测和报警系统，该系统包括光端机1、基于光纤传感网10的各传感网节点7、视频监视器2、广播喇叭3、应急电话4、5情报板以及用于信号传输的光缆6 ;所述光纤传感网10中监测的数据通过光缆6，经过光端机I接入到监控中心,其中:
[0008]所述各传感网节点7均包含光纤光栅传感器FBG、光纤、摄像头、声音广播系统和光学火灾感应传感器、强制开关；通过所述光纤传感网将实时监测数据融合接入到监控中心，监控中心评估分析后，自动发送报警信号；同时自动启动强制开关实现安全控制；
[0009]所述光纤传感网嵌入隧道21中，其至少包括保偏光纤25构成的相干传感网、单模光纤30构成的OTDR网络以及光纤光栅传感器24构成的FBG传感网，摄像头构成的视频监测网28和光学火灾感应传感器构成交叉火灾监测网；保偏光纤25构成的相干传感网采集的信号经过保偏光纤25后，由相干解调仪26接收，得到隧道结构的压应力分布图；单模光纤30构成的OTDR网络采集的信号经过单模光纤30和耦合器19后，由OTDR仪器29接收，用于监测隧道内裂纹的变化情况；由光纤23连接的光纤光栅传感器24构成的FBG传感网得到的光信号经由耦合器20，由微处理器12、探测器13、函数发生器14、可调谐滤波器15构成的光纤光栅解调仪接收，用于监测隧道变形、渗漏、温度、火灾的分布情况；
[0010]半导体光放大器17发出的光信号经过隔离器18和耦合器19进入隧道21中的光纤传感网，作为光纤传感网的光输入信号。
[0011]与现有技术相比，本发明的有益效果是:本系统可以全面、实时监测隧道的地质灾害、火灾、大雾、渗漏等危害，并对于要发生的重大灾害进行提前预警，减少产生巨量的经济损失、人员的伤亡；同时，如果隧道发生灾害，可以进行救护，以减少产生的经济损失和人员伤亡。本发明的核心融入多项光学技术，可以在一些危险的环境中进行隧道监测。本发明不仅可以应用在隧道中，还可以应用在大桥、堤坝、地下工程中，特别是使用的一些先进的光学技术实施监测，该技术具有良好的优点和技术转化基础，具有广泛的社会效益和经济效益。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1为本发明的智能隧道监测和报警系统结构框图；
[0013]1、光端机2、视频监视器3、广播喇叭4、应急电话5、情报板6、光缆7、传感网节点8、摄像头9、强制开关10光纤传感网
[0014]图2为本发明基于的光纤传感网结构图。
[0015]11、反射镜12、微处理器13、探测器14、函数发生器，15、可调谐滤波器，16、脉冲发生器，17、半导体光放大器，18、隔离器，19、耦合器，20、耦合器21、隧道22、接头23、光纤24、光纤光栅传感器25、保偏光纤26、相干解调仪27、光学火灾感应探测器28视频监测网29、OTDR仪器30、单模光纤
【具体实施方式】
[0016]下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
[0017]在隧道中，由基于光纤传感网的各传感网节点、视频监视器、应急电话、情报板、光缆构成整个监测和报警系统。其中基于光纤传感网的各传感网节点中包含光纤光栅传感器(FBG)、光纤、摄像头、声音广播系统和光学火灾感应传感器、强制开关。光纤传感网络将实时监测数据融合接入到监控中心，监控中心评估分析后，如需报警，则在第一时间内，将报警信号自动发送到路政、交警、隧道消防、医务救护等相关应急单位；同时利用强制开关措施，自动启动隧道排烟、禁止驶入情报板、开启应急安全门等等；同时通过隧道洞口广播向即将进入隧道的车辆进行通知并请求司机进行先期救援，通过启动逆行路段的情报板通知车辆让出一条紧急救援车道等等应急措施。在最短的时间内组织通知指挥调度平台，通过隧道的应急电话、广播，以及视频信息，指挥隧道内的被困人员通过洞间的安全门向安全地段撤离，以及相关的后续救援措施。
[0018]如图2所示，对于光纤传感网，由三个层次的子网络构成，分别是由星环型FBG传感器构成的第一层子网，实现对隧道的裂缝、变形、渗漏和火灾等危害进行监测；由分布式低相干光纤检测技术、分布式光纤传感技术构成第二层子网，用于隧道裂纹、变形的监测；由基于OTDR技术的单模光纤、摄像头和光学火灾感应探测器构成第三层子网，可以实现隧道地基变形、隧道沉降、大雾和火灾等危害的监测。
[0019]如图1所示，各传感网节点7所基于的光纤传感网10将监测数据通过光缆6以及经过光端机I接入到监控中心。监控中心经过一定算法判决后，发出报警信号，传输给路政、交警、隧道消防、医务救护等相关应急单位，并利用强制开关9，自动启动隧道排烟、打开禁止驶入情报板5、开启应急安全门等等，通过广播喇叭3，向驶入隧道的司机报警和请求救援。在最短时间内，通知指挥调度平台，通过应急电话4、摄像头8和广播喇叭3指挥隧道内的被困人员通过洞间的安全门向安全地段撤离，并完成后续的救护措施。
[0020]如图2所示，光纤传感网的结构中:半导体光放大器17发出的光信号经过隔离器18和耦合器19进入嵌入到隧道21中的光纤传感网中，在光纤传感网中设置有由保偏光纤25构成的相干传感网、单模光纤30构成的OTDR网络以及光纤光栅传感器24构成的FBG传感网，摄像头构成的视频监测网28和光学火灾感应探测器27构成交叉火灾监测网。保偏光纤25构成的相干传感网采集的信号经过保偏光纤25后，由相干解调仪26接收，得到隧道结构的压应力分布图。单模光纤30构成的OTDR网络采集的信号经过单模光纤30和耦合器19后，由OTDR仪器29接收，可以监测隧道内裂纹的变化情况。光纤光栅传感器24构成的FBG传感网得到的光信号经由耦合器20，由微处理器12、探测器13、函数发生器14，可调谐滤波器15构成的光纤光栅解调仪接收，可以监测隧道变形、渗漏、温度、火灾的分布情况。由于火灾是隧道中危害最大的一种情况，所以针对该问题，采用联合形式监测火灾变化，分别是光纤光栅传感网和光学火灾感应探测器27，以便对发生的火灾及时预警和救护。光学火灾感应探测器27构成交叉火灾监测网采集到的信号也通过光纤传输到监控中心，通过与FBG数据融合后，进行预警。摄像头18构成的视频监测网将主要完成对隧道内部情况的监测，监测隧道雾气产生的情况，在发生危害后，及时对隧道内人员和物资的救援。
[0021]根据实际应用中可能的被监测情况，本发明提到的光纤传感网还包含其他形式的光纤传感器，如长周期的光纤光栅器件。光源也可以利用SLD光源、ASE光源、量子点光源等光源，为了更好地监测隧道内应变、温度、压应力、渗漏、火灾等灾害，可以在隧道中布置分布式拉曼光纤传感网和分布式布里渊光纤传感网。可调谐滤波器15可由其他器件构成F-P滤波器，MZI滤波器、光纤光栅式滤波器、微环腔式滤波器等等。
[0022]以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，但本发明并不局限于上述的【具体实施方式】，上述的【具体实施方式】仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。
【权利要求】
1.一种基于光纤传感网的智能隧道监测和报警系统，其特征在于，该系统包括光端机(I)、基于光纤传感网(10)的各传感网节点(7)、视频监视器(2)、广播喇叭(3)、应急电话(4)、情报板(5)、用于信号传输的光缆(6)以及监控中心；所述光纤传感网(10)中监测的数据通过光缆(6)，经过光端机(I)接入监控中心，其中: 所述各传感网节点(7)均包含光纤光栅传感器FBG、光纤、摄像头、声音广播系统和光学火灾感应传感器、强制开关；通过所述光纤传感网将实时监测数据融合接入到监控中心，监控中心评估分析后，自动发送报警信号；同时自动启动强制开关实现安全控制； 所述光纤传感网嵌入隧道(21)中，其至少包括保偏光纤(25)构成的相干传感网、单模光纤(30)构成的OTDR网络以及光纤光栅传感器(24)构成的FBG传感网，摄像头构成的视频监测网(28)和光学火灾感应传感器构成交叉火灾监测网；保偏光纤(25)构成的相干传感网采集的信号经过保偏光纤(25)后，由相干解调仪(26)接收，得到隧道结构的压应力分布图；单模光纤(30)构成的OTDR网络采集的信号经过单模光纤(30)和耦合器(19)后，由OTDR仪器(29)接收，用于监测隧道内裂纹的变化情况；由光纤(23)连接的光纤光栅传感器(24)构成的FBG传感网得到的光信号经由耦合器(20)，由微处理器(12)、探测器(13)、函数发生器(14)、可调谐滤波器(15)构成的光纤光栅解调仪接收，用于监测隧道变形、渗漏、温度、火灾的分布情况； 半导体光放大器(17)发出的光信号经过隔离器(18)和耦合器(19)进入隧道(21)中的光纤传感网，作为光纤传感网的光输入信号。
【文档编号】G01D21/02GK103852111SQ201410074059
【公开日】2014年6月11日 申请日期:2014年3月3日 优先权日:2014年3月3日
【发明者】贾大功, 张玉龙, 张红霞, 明东, 刘铁根, 张以谟 申请人:天津大学