分布式光纤测温系统在城市轨道交通中的集成应用.doc

1、分布式光纤测温系统在城市轨道交通中的集成应用摘要：本文简介了分布式光纤测温系统的基本结构和原理， 在此基础上，介绍了 DTS 系统在城市轨道交通中的典型应用，给出了其与ISCS 集成的网络结构、信息交互、人机界面设计等，为其进一步深度集成作出了探索。 关键词：DTS；光纤测温；城市轨道交通 The Integration Application Of Distribute Optical Fiber Temperature Measurement System In urban rail transit ZHAO Xue-ju1ZHAO Chen2 (1.NARI TECHNOLOGY DEV

2、ELOPMENT Co.Ltd，Najing 210061；2.Ningbo Rail Transit Group Co.,ltd, Ningbo 315010 ) Abstract：The basic structure and principle of distributed optical fiber temperature measurement system are summarized, on this basis, this paper introduces the typical application of DTS system in urban rail transit,

3、The network structure of DTS and ISCS integration, the information interaction,and the design of Human Machine Interface etc are given.The application is good for the further deep integration. Key words：DTS；Optica Fiber Temperature Measurement；Urban Rail Transit; 中图分类号：P135 文献标识码：A 1.引言 分布式光纤测温系统（Di

4、stributed Optical Fiber Temperature Sensor System) (简称 DTS)是一种用于实时测量空间温度场分布的传感器系统，它利用光纤后向拉曼（Raman）的散射光谱的温度效应测量光纤所在的温度场信息，利用光纤的光时域放射（OTDR）技术对测量点进行定位。经过几十年的发展，分布式光纤测温系统有了很大发展，研究出了多种传感机理，正在被应用于高速公路隧道、发电厂、城市轨道交通等多种场合。 2.DTS 简介 2.1DTS 系统构成 DTS 系统主要由测温主机、感温光纤、监视机（工控机）等组成，其系统构成如图 1 所示。 图 1DTS 系统组成 测温主机内置有激

5、光发射器，产生照射到测温光缆的激光，并通过一定的数学模型，对光纤单独点的后向散射光进行处理。监视机通过串口与测温主机通信，将测温主机的测量参数，在监视机上显示出来，并通过监视机设定测温主机的参数。测温主机具有与外界通信控制器交换信息的通信接口，如 RS485、RJ45 接口。测温主机带有可扩展的继电器输出端子，用来将开关量信息输出到通信模块，实现紧急情况下的硬件联动。 2.2 测温的基本原理 DTS 系统的基本原理：向光纤中发射一个光脉冲后，光纤中的每一个单独的点都将后向散射一小部分光，这一后向散射光包含有斯托克斯光（Stokes）和非斯托克斯光（anti-Stokes）两种不同波长的光，其中

6、，斯托克斯光与温度关系很小，而非斯托克斯光的强度随温度的变化而变化，由非斯托克斯光与斯托克斯光光强之比和温度的定量关系，可得温度值： （1） 式中，h 为普朗克常数； k 为玻尔兹曼常数； 为斯托克斯光强度；为非斯托克斯光强度；为伴随光的频率；为拉曼光频率增量。 利用入射光和后向散射光之间的时间差 和光纤内的光传播速度，可以计算不同散射点的位置距入射端的距离，因而可以得到光纤几乎连续的温度分布，可按下式计算： (2) 式中， 为光纤中的光传播速度，为后向散射延迟时间。 3. ISCS 集成 DTS 方案 3.1 网络结构 在某城市的地铁线路中，DTS 系统被成功集成到综合监控系统(Interg

7、rated Supervision & Control System)（简称 ISCS） 。在该集成方案中，车站级 ISCS 利用其站级前置通信装置，采集本站 DTS 系统所测量的相关温度信息，通信控制器采集到 DTS 信息后，通过该线的骨干网络传输到控制中心的 ISCS 服务器，控制中心 ISCS 服务器再对全线采集的 DTS 信息进行分析、处理，最后通过 ISCS 工作站的 HMI 界面直观展现出来。 网络结构 3.2 监视功能 测温系统用于对隧道的上下行正线区间进行实时温度监测。包括以下功能： 1、温度探测：对隧道的上下行正线区间进行实时温度监测，显示实时温度曲线。 2、信息显示：实时显

8、示各分区内的温度、温升、距离等信息。 3.3 控制功能 可以根据用户要求设置单个分区内的报警方式（最大值报警，温升报警）以及报警温度（高限触发温度）等参数。需要对这些参数设置时，鼠标双击分区就可以弹出设置的本分区的控制对话框进行设定。 3.4 报警与事件功能 报警：在报警窗上显示过热报警、温升报警、光纤断裂等报警信息。存储及历史查询：对各分区内的历史温度值、温度变化曲线等信息进行存储和历史查询，存储时间为一个月。 3.5 分区数据点的管理 测温系统的温度或光纤状态报警时，为了便于综合监控操作员尽快找到报警所在位置。隧道测温系统报警或事件采用的测温分区名称和隧道测量命名规范统一，即采用 YDK0

9、+XYDK0+X+13 的方式。如起点车站上行的实际起始位置：YDK0+143，那么第一个测温区间的命名：YDK0143YDK0+156。如果这个区间的温度报警，即报为：“YDK0143YDK0+156 测温区间温度过高” 。并显示此区间最高温度值。3.2 硬件选择 综合考虑到该城市的气候、测温距离、温度进度需求等因素，该地铁线选用某进口品牌的测温系统，其主机采用的主要参数：最大探测距离为 4 公里、通道数为 4 路、双端连接方式、E2000 接口为光纤接口、温度精度0.5、定位精度为1m、测量时间7 秒 /通道 (at 4km)、工作温度为 0C to 40C。 测温光纤主要参数：62.5/

10、125 微米 (芯线/包层/丙烯酸酯涂层) 渐变折射多模光纤、衰减 2.7 分贝/公里 850 纳米, 衰减0.5 分贝公里1300 纳米，整个系统衰减小于 10 分贝。总的系统衰减不超出控制主机的标度。产品符合欧洲 EMC 指令 EN5008-2 抗干扰性 及 EN50081-1 辐射性。 4集成效果 在该地铁线中，DTS 系统与 ISCS 系统通过串口 RS485 物理接口，采用 ModBus 协议进行通信，交换的信息包括：最大温度值、温升温度值、报警状态、报警温度、光纤断裂等。ISCS 系统采用国内公司自行研发的综合监控系统软件 RT21-ISCS，其具有强大的数据分析、处理能力，另具有

11、良好的人机界面，人机交互性强。 硬件连接 ISCS 系统将采集的 DTS 信息进行数据处理，包括数据库信息录入、分区温度信息显示、温度与隧道里程标对应关系、报警温度阀值设定等工作，最后在其工作站的 HMI 界面上直观显示出来。考虑到 DTS 测量的温度点很多，在 ISCS 的 HMI 界面上通过双击弹出面板来详细显示测量的分区温度信息。 HMI 集成界面 HMI 弹出面板 5.结束语 本文对分布式光纤测温系统的构成、基本原理进行了简单的介绍，较详细介绍了某城市地铁线 DTS 系统典型应用，阐述了 ISCS 集成的 DTS系统应用情况。 目前，越来越多的大、中城市修建城市轨道交通设施，其安全性越

12、来越受到重视，DTS 系统作为一种抗磁干扰、抗辐射、无盲点测量等特点的测量系统，将会在温度测量、火灾报警、报警联动等方面发挥越来越大的作用，其与 ISCS 的集成度将会越来越高，具有极为重要的社会意义。参考文献 1张在宣，刘红林，王剑锋等，分布式光纤拉曼散射测温技术的进展J，世界仪表与自动化，2005.9（1）：25-27. 2GB50490-2009 城市轨道交通技术规范S.北京：北京中国建筑工业出版社，2009. 3秦一涛，刘建鸣，夏雨鹏等，分布式光纤温度监测系统在长调水电站的应用实践B,大坝与安全，2004.1:45-48. 4刘文，杨坤涛，许远忠，基于自发 Raman 散射分布式光纤测温系统设计A，光通信研究，2005（4）:54-56.