智慧城市下的分布式光纤感温系统

智能城市下的分布式光纤感温系统光传感有限公司林兆明本人从事电讯业多年，近年来研发出“分布式光纤感温系统”技术，主要用于监测地下管道或缆线的安全。作为崭新的工业技术，在二○一二年申请了中港两地专利，目前新技术已应用于香港大型铁路网络及电力网络、澳门大型商场和酒店、印尼雅加达国际机场新3号航站楼，并在积极洽谈在香港和海外的重大项目。基于“智慧城市”概念而创海外有不少地方都在推崇【智慧城市】（smartcity）的发展概念，即有效地监测城市中各种不同的基础设施及工业系统，从而减低碳的排放，并预防意外发生，让日常生活更健康、安全。分布式光纤感温系统就是基于这个概念而研发出来的，除了监测工业系统安全性能外，还应用在节能减排上。具体地说，【智慧】的理念就是通过新一代信息技术的应用使人类能以更加精细和动态的方式管理生产和生活的状态，通过把传感器嵌入和装备到全球每个角落的供电系统、供水系统、油气管道输配系统、交通系统等生产生活系统的各种物体中，使其形成的物联网与英特网相联，实现人类社会与物理系统的整合，然后通过超级计算机和云计算将物联网整合起来。关于【智慧城市】的具体定义则比较广泛。我认为，所谓的“智慧城市”应该是人、建筑物、系统、设施都体现智能型的统一，它们取代了之前非智能的工业方式。关注高敏光学感应系统，比如对分布式感温系统进行专业的研发、制造，用作确保能源供应，同时作出安全监测和预警，对于城市智能化管理来说会起到非常重大的启发和收获，其影响更是寓意深远。分布式光纤感温系统介绍分布式光纤感温系统(以下简称FODTS)的原理是应用拉曼效应(Raman-effect)来测温。该理论源于上世纪二十年代，是英国南安普顿大学的研究成果。FODTS测温技术是基于光时域反射仪(OpticalTime-DomainReflectometer(OTDR))。同时，物理环境因素例如温度、压力及拉力，都能够改变玻璃纤维(二氧化硅)的内部结构，使该点光纤内的激光轴向运动发生变化。热力效应引致晶格振动，当光线接触振动中的分子晶格，便会造成散射，称为拉曼散射(Ramanscattering)。在物理过程中，热力强度与光线的散射幅度成正比例。利用此光学原理，只要测量光线或散射光线延迟返回的时间，便可以准确地计算测温点位置(请参阅图一)。FODTS系统可以自动探测沿光缆*所有测温点的实时温度，若测温点温度超过某个水平线，系统会实时发出警报及报告。FODTS系统的温度数据库附有位置及时间信息，发出的分析报告包含了这些内容，有助于用户实时找出发生问题的地点，并协助用户迅速作出决策和防范措施。FODTS系统在应用上具有灵活性，用户可以根据特别需要而设定数个分区为监察区域，每个区域可以根据特别的运行环境设定不同的报警水平线，每一个监察区域会因测温点的实时温度数据来显示不同颜色。FODTS系统的用户接口简单易用，能够实时显示系统测温点的概况，用户也可以选择将接口上的光纤路线置于监测区域的AutoCAD图上，便于实时得知问题发生的位置。此外，FODTS系统的图表都可以按照用户的要求进行定制，提高用户的决策效率。综上信息简单来说，光纤可以有效传送管道温度的变化数据，作准确及时的监察。它可以通过温度的不同，有效判断出地下管道或缆线是否老化，在损坏前发出警报。它最为突出的特点便是监测地下管道或缆线的安全。老式的传感测温技术仅在被测管道上放置单个的传感器，全新的【分布式感温技术】是指传感机制沿着光缆全程被分布，而不是在一定数量的位置上被分布。分布式光纤感温系统的特点分布式光纤感温系统的特点很多，重点可以概括为三大部分：安全预防、应用广泛、性价比高。（一）安全预防在我们生活的城市中，地下管道及电缆系统随处必备，一旦出现问题，情况可大可小。如果情况较大，后果则不堪设想。实时监测地下管道的老化及泄漏，意外将可避免。去年7月，台湾高雄发生的严重天然气管道爆裂，造成32人死亡，321人受伤的重大事故。这个事实告诉我们，城市地下埋藏的管道会随时成为致命炸。具备连续测温功能的FODTS系统是监测燃气管道及油管泄漏的最佳方案。FODTS系统负责监测整条管道的温度曲线数据，二十四小时不断监测，如管道中某一点出现裂缝或者破损，温度将发生变化，我们便可及时捕捉，并准确探测出问题管道的所在位置并及时抢修。以燃气管道泄漏为例，燃气管道渗出压缩气体，根据焦耳汤姆逊效应(Joule-Thompsoneffect)，压缩气体会于管道裂口附近形成低温区。FODTS系统会立即监测到管道温度数据出现异常变化，并可准确地计算发生气体泄漏的位置。从高雄事故分析，当管道开始漏气之初，该处的压力就会下降，管道裂口温度也会相应下跌六至七度。我们如果在温度开始下跌时及时抢修和补救，就可避免事故的发生。（图二）应用于监测燃气管道泄漏的FODTS系统与燃气管道泄漏相反，油管泄漏会于管道裂口造成温升效果。FODTS系统对以上应用例子均能够准确迅速地确认泄漏位置，大幅度降低泄漏事故的发生和成本损失。FODTS系统还可以检测早期的电缆故障，防止电力系统的故障造成火灾的发生。电力上的输电电缆长期使用后，绝缘体会老化，散热会减慢，最终绝缘体损坏导致电缆产生故障。通过监控电缆温度曲线可以适度使用电缆及延长使用寿命，避免绝缘体损坏。FODTS系统可实时监测整条电缆上的热点，而内置的历史温度数据分析功能，可以显示电缆不同部位的温度实时变化情况，发现潜在的问题。同时，监测系统还可以辅助提高电缆载流容量至最佳水平，达到增加运营能效的目的。（图三）FODTS系统可以在同一时间显示电缆几部分温升商场及酒店的各种设施如空调系统、供水、照明、电梯电器及楼宇管理系统均需要电力系统的支持。电力系统的故障可能会引至火灾的发生，危及商场或酒店顾客的生命安全。FODTS系统可以为用户预先设定启动报警的温度水平线，当电力系统温度超过预设水平线，报警实时启动，提醒相关人员及时检查维修，尽快落实应急措施。（二）用途广泛FODTS系统用途十分广泛。它不仅可用于上述提到的监测地下油气管道的泄漏和电缆运行的故障及商场大厦内的电力系统，还可广泛应用于以下领域：①在通风冷温（HVAC)系统方面，监测隧道温度及通风管理。②在供水及污水排放系统方面，通过水温异常变化监测非法排污。③在地质及水利学方面，测量水温对研究生态有很高的重要性。通风冷温系统（HVAC）隧道内的通风系统是为车站及车厢内的乘客提供新鲜的空气，通过监控隧道的温度，操作人员可以提升隧道内的空气流量，达到最佳水平。FODTS系统性价比高、不受隧道环境干扰，而且没有维修成本。系统提供24hx7的全天候温度监测，数据库可储存长达两年的数据供日后备用。并且FODTS系统可以和隧道的通风管理系统相结合，支持实时环境数据和按时间排序的温度趋势分析。以下是隧道通风系统的示意图，通风系统由多个通风井（地面结构）组成，是气流的出入口。（图四）应用于隧道温度监测的FODTS系统供水及污水排放系统FODTS系统可应用于监测非法的污水排放。大量的污水未经处理流入下水道可以引起相当严重的环境及健康问题。FODTS系统的光缆置于下水道内科收集连续性的温度数据，详细显示由非法排污引发的水温异常变化。（图五）应用FODTS系统监测非法污水排放地质及水力学系统研究地质及水利作用过程中，测量温度占据重要一环。而大部分应用例子更是需要取得随时间及距离连续变化的温度数据。FODTS系统可以取得地质及水利地点，比如湖泊、地面及地下水流的温度数据。测量水温对研究生态作用有很高的重要性，沿河道铺设光缆测量水温，可取得精确及高分辨率的河道温度数据。应用举例：监测含水层和水生环境、计算蒸发损耗的能量平衡、记录对流过程等等。（图六）沿河道铺设的FODTS光缆（三）性价比高目前，光纤感温系统的准确度可达正负一度，耐用二十年以上。造价方面，要具体视覆盖光纤的物料以及整个系统复杂程度而定，一般来说铺设一条1公里长管道的光缆大约价格为22万元，5000米长的管道则为26万元。1台主机的成本为20万，最多可以同时控制十二条管道，每条10公里长。维护成本每年每百米则只需10元，性价比显而易见了。*注：光纤是一种传输光束的细而柔软的媒质。光纤电缆由一捆光纤组成，简称为光缆。光纤是光缆的核心部分，光纤经过一些构件及其附属保护层就构成了光缆。