JPH0731753B2

JPH0731753B2 - トンネル内異常通報装置

Info

Publication number: JPH0731753B2
Application number: JP60108394A
Authority: JP
Inventors: 彰種子; 睦郎荒木; 卓小菅
Original assignee: 日本鋼管工事株式会社
Priority date: 1985-05-22
Filing date: 1985-05-22
Publication date: 1995-04-10
Anticipated expiration: 2010-04-10
Also published as: JPS61267198A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕この発明はトンネル内異常通報装置に関し、更に詳しく
はトンネル内に光フアイバーを布設して光パルスを伝送
し、光フアイバーには複数の所定部分に伝送損失を発生
されるセンサを配置し、送り出した光パルスの戻り光を
光電変換した後演算処理して異常を検出しさらに異常を
通報するトンネル内異常通報装置に関するものである。

〔従来の技術〕

従来のトンネル内異常通報装置、例えばトンネル内火災
通報装置はトンネル内に金属導体伝送路を布設して信号
伝送を行ない、センサとして熱電対型センサを用い、火
災による温度上昇によつて発生するセンサの熱起電力を
増幅した後上記伝送路を介して管理センター等に設けら
れている信号処理装置へ伝送し、受信された信号に基づ
いて火災を検出し、消防関連部署へ通報するものであつ
た。

したがつて、トンネル内を通行する各種車輛の運転者
へ、また歩行者も通行できるトンネルではさらに歩行者
へ（以下、前記各種車輛の運転者や歩行者を含めたトン
ネル通行者と呼ぶことにする）火災を通報する手段は設
けられていなかつた。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記のような従来のトンネル内火災通報装置では、火災
の発生、警報と消火に重点を置いていたため、被災者の
避難誘導、救出や、続いて起きる二次災害を防止する事
に注意がはらわれていなかつた。

したがつて、トンネル内で火災が発生した場合火災の発
生を知らずにトンネル内に侵入して来る他車が、追突
や、トンネル側壁に衝突する事故や、後続車のために動
けずに延焼したり、発生するガスのために人的被害も発
生するという様に、二次災害の方が被害が多大であつ
た。しかもこの侵入車の存在が、消火及び救助作業にも
支障となつていた。

また、従来の装置では、信号伝達に金属伝送路を用いて
おり、トンネル内では湿度が高く、シヨートや誤動作も
起き易く、火災時の放水による感電事故の虞れも考えら
れる。熱電対型センサでは、発生する電圧及び電力が少
ないため、そのままの起電圧では長距離の伝送はでき
ず、アンプを用いて増幅し、伝送路の電圧降下をカバー
する方式が普通であつた。

さらに、金属伝送路を用いているため、迷走電流や電磁
誘導のノイズの混入による誤動作、誤検出や、判定部や
A/D変換部の基準電圧の変動や、絶縁不良等の信頼性が
低かつた。

この発明はかかる問題点を解決するためになされたもの
で、トンネル内の異常を検出し、さらに異常を通報する
ことにより二次災害の発生を防止することができるトン
ネル内異常通報装置を得ることを目的とする。

［問題点を解決するための手段］このような目的を達成するために、本発明に係るトンネ
ル内異常通報装置は、トンネル内に布設された光ファイ
バーと、該光ファイバー複数の所定部分に配置され、所
定温度未満の正常時においてはコイル形状をなす一方、
所定温度以上の異常時には直線状に変形することにより
該光ファイバーにマイクロベンドを与えて伝送損失を発
生させう形状記憶合金性のセンサと、前記光ファイバー
に光パルスを送り出す発光手段と、この発光手段から送
り出された光パルスの戻り光を光電変換する光電変換手
段と、この光電変換手段からの出力信号を加算平均し
て、レイリー散乱光の強度波形βを求めると共に、正常
時における前記レイリー散乱光の基準強度波形αとの差
分を取り、更にこの差分（α−β）の距離微分を求め、
この微分結果に基づいて前記トンネル内の異常発生及び
異常発生位置を検出する異常検出手段と、この異常検出
手段の出力信号の基づいて前記異状の発生をトンネル通
行者に通報する異常通報手段とを備えたことを特徴とす
るものである。

［作用］この発生においては、光ファイバーをトンネル内に布設
し、この光ファイバーの複数の所定部分に伝送損失を発
生させるセンサを配置し、光ファイバーへ送り出した光
パルスの戻り光を光電変換した後、演算処理して異常を
検出し、火災発生をトンネル通行者に通報するから、す
なわち火災発生を検出したら交通信号機を上記検出手段
の出力信号により、青色だったものを黄色を経由して赤
色に変えて車両を強制的に停止させたり、火災が発生し
た旨の文字表示を行ったり、避難誘導の表示を行ったり
するから、二次災害が防止され、また、伝送路に光ファ
イバーを使って光信号を伝送するから高信頼性が得られ
る。

また、本発明では、変形前にコイル形状、所定温度以上
では直線状となる形状記憶合金製のセンサを光ファイバ
の複数の所定部分に巻つけてセンサの両端を光ファイバ
に固定するので、温度上昇時に形状記憶合金製のセンサ
が直線状に変形することによって光ファイバがねじり返
されて小さな曲げ率で曲げられ、確実に後方レイリー散
乱光の損失が増加する。

また、本発明では、微弱なレイリー散乱光を加算平均し
て強度波形を求めると共に、正常時（光ファイバの−マ
イクロベンドが生じていない状態）における基準強度波
形を求めておき、両者の差分をとってこれを距離微分す
ることによって温度異状を検出するので、信頼性が高
く、かつ、同時に２箇所以上で異状が生じても確実に各
々の発生位置を特定することができる。

［実施例］第１図はこの発明の一実施例を示す概念図である。第１
図において、１はトンネル、２は道路、４はトンネル１
内へ布設した光フアイバーである。５は光フアイバーに
伝送損失を発生させる形状記憶合金製センサで、第２図
に示す構造をしている。すなわち、形状記憶合金のコイ
ル５が予め設定した温度以上になると５′の様に直線状
５′に変形し、光フアイバ４を逆にねじり返してコイル
状光フアイバー４′になり、光伝送損失が発生するもの
である。トンネル火災では、車のガソリン等の可燃物が
存在する事と、トンネルのための換気良さがあいまつ
て、炎は千度以上になる。この高温気流はトンネル上部
に上昇するため、この火災検知センサ５も天井に設置す
る。気温や排気の温度で誤動作しない様に、予め設定す
る火災検知温度は55゜〜110゜に設定する。

７は交通信号機でトンネル内外に所定の間隔をおいて設
置されている。８は火災発生現場、９は事故車、11は文
字表示盤、12は制限速度表示盤、13は避難誘導表示盤で
ある。

20は信号処理装置で、道路わきに設置され、光フアイバ
ー４へ光パルスを送り出す発光手段、光フアイバー４か
らの戻り光を光電変換する光電変換手段、及び光電変換
された信号を演算処理して異常（火災）を検出する異常
検出手段を含み、光フアイバー４に光パルスを送り出
し、戻り光の変化によつて火災を検出し、火災発生位置
データを含む異常検出信号を出力するものである。

以上の構成において、トンネル１内に火災８が発生し、
温度上昇によりセンサ５が変形すると光フアイバー４に
伝送損失が発生し、信号処理装置20が受光する戻り光に
変化が生じ火災が検出される。次に、信号処理装置20の
動作を説明する。

第３図は信号処理装置20の動作の原理を説明するための
正常時の波形図である。第３図横軸は光フアイバー上に
おける発光手段からの距離Ｌ（ｍ）を示し、縦軸は発光
手段から送り出された光パルスが光フアイバーを戻つて
来た戻り光の強度I_RをdBで表わしてある。この波形αは
光フアイバー４の一端よりパルス光を送出し、その光フ
アイバー４に均一に分布したコア内のドーパントなどの
散乱源により、後方散乱した微弱レイリー散乱光の光強
度を、時間経過とともに記録した波形である。

後方散乱光は送出パルスに比べて大変微弱（例えば−46
dB）なためにS/Nが悪い。そのため時間平均等を行ない
感度を向上して測定している。後方散乱光強度は、その
位置での光強度に比例するため、光フアイバー端面より
遠方では、その距離まで光が伝搬するための減衰（フイ
ルター作用による。）の往復の影響が出るためと、遠方
ほど往復に要する時間が正比例するために、受光器の光
強度（dB）を縦軸に、時刻を横軸にとると、右下りの直
線αとなる。なお、距離Ｌは光フアイバー４のコアの屈
接率n₁を考慮すると、距離Ｌ＝c/n₁・ｔで表わせる。

この様に正常な波形は右下りの直線αである。ここで、
この傾きは、光フアイバーの単位長当りの伝送損失であ
る。上記正常時の波形αは、光フアイバーの製造時の屈
折率等の不均一さや、敷設時のマイクロベンド等によ
り、完全な直線ではないが、時間的には安定しており、
距離の函数である。この波形αは基準波形となるもので
ある。

第４図は信号処理装置20の動作の原理を説明するための
異常時の波形図である。第３図と同様横軸は距離Ｌ
（ｍ）、縦軸は戻り光の強度Ｉ′_Ｒ（dB）である。β゜
は異常時の波形である。ｘは異常の発生した位置を示
す。また、ζは受光素子に光電子倍増管の時定数があつ
たり、パルス巾が大きい場合に起因して生ずるが、完全
に零にはできないものである。

第５図は１個所の異常を検出する原理を説明する説明図
で、（ａ）図は異常波形βを示し、基準波形αを点線で
示してある。（ｂ）図はα−βの差分波形を示し、η′
はしきい値函数である。このしきい値函数η′は同一の
光フアイバーの変形であつても、発光点から近い所では
大きい損失となり、遠方では低い損失となるため、しき
い値は距離が大になるにつれて単調減少する函数として
ある。（ｃ）図はα−βであるΔI_Rの距離微分波形であ
る。第５図（ａ）に示すようにL₀点で異常が生じた時α
−βを演算し、しきい値と比較すれば異常を判定できる
が、実際には前述の通り破線ζの様に波形がなまるの
で、（ｂ）図に示すようにL₀点でななめに立ち上る波形
となる。

一方、しきい値は低い方が感度はよいが、誤動作する確
率が高くなる。これを考慮するとしきい値はなるべく高
くする方がよい。しかし、しきい値を高くすると、異常
発生位置L₀に対してＡで示す誤差が生ずる。そこで、α
−βであるI_Rの距離微分波形を作ると（ｃ）図に示すよ
うになり、L₀でほぼ直線で立ち上る波形を得ることがで
き、ηとδの光源側の交点としてx₀が求められ、異常発
生位置L₀を正確に検出できる。

第６図は２個所の異常を検出する原理を説明する説明図
で、（ａ）図はL₁,L₂の２点で同時に異常が生じた時の
異常波形β′を示し、（ｂ）図は第５図（ｂ）に対応し
たα−β′の差分波形γ′を示す。この場合、α−β′
の差分を演算してもL₂点の異常は検出できない。しか
し、（ｃ）図に示すα−β′の差分波形の距離微分波形
を作ることにより、L₁,L₂を交点x₁及びx₂により区別し
て検出することができる。

次に、信号処理装置20の構成について説明する。第７図
は信号処理装置20の構成の一例を示す構成図である。第
７図において、４は光フアイバー、５は形状記憶合金製
のセンサである。51は電気−光変換素子で、レーザダイ
オード、フオトダイオードなどの発光手段である。52は
パルス発振器で、発光手段51を励振して光パルスを発生
させるものである。53は方向性結合器、54は同期信号発
生器、55は光電変換素子、56は対数アナログ・デイジタ
ル（以下A/Dと略記する）変換器、57は表示装置として
のCRT、58は増幅器、60は１パルスの掃引画面に対応す
る受光データ波形εを記憶するバツフアメモリ、61は１
回分データ用メモリ、62は基準波形α作成回路、63は判
別用移動ｎ回更新データβ′作成回路、64は差分回路、
65は距離微分回路、66はしきい値函数データη発生回
路、67は比較判定回路、68は距離データ出力回路であ
る。

次に、第７図及び第８図に示すフローチヤートを用いて
動作を説明する。装置の電源を投入し（ステツプ60
1）、発光手段51より光パルスを光フアイバー４へ送り
出す。光フアイバー４へ伝送された光パルスの戻り光は
方向性結合器53を介して光電変換素子55へ入力され、そ
の出力はA/D変換器56により光パルスと同期が取られてA
/D変換される。一方、１つのパルスによる掃引画面はCR
T57に表示される。また、１つのパルスによる掃引画面
に対応する受光データはパツフアメモリ60へ記憶され
る。

この発明では１つのパルスにより掃引画面をシングル画
面εと呼ぶ。そして、まず基準波形データαは異常発生
前の初期のｍ回の時間平均を行なつて作成する。基準波
形データαは基準波形データ作成回路62によつて作成さ
れる（ステツプ602,603）。

一方、判別用移動ｎ回更新波形データβ′は最新のシン
グル画面εの平均値、つまりｎ個の平均であれば最新の
データを1/nにして加えて、一番古いデータ（ｎ＋１回
前のデータ）を1/nにして引いた値として求められ、常
に、更新されている。判別用移動ｎ回更新波形データ
β′は判別用移動ｎ回更新波形データβ′作成回路63に
よつて作成する（ステツプ604及び605）。波形データα
と波形データβ′は差分回路64へ入力され差分波形デー
タγ′が演算される（ステツプ606）。

次に、距離方向への微分値の波形データδ′が距離微分
回路65によつて作成される（ステツプ607）。しきい値
ηは遠方で下る函数波形を発生回路66で予め設定してお
き、波形データδ′がしきい値を越えたか否かを判定回
路67で判定し（ステツプ608及び609）、η−δ′＞０で
あれば正常で、ステツプ605へ戻る。η−δ′＜０なら
ば異常で、判定回路67の出力である異常検出信号は距離
データ出力回路68により、異常発生距離Ｌの値を測定し
（ステツプ610）、この距離データ出力を通報手段71の
制御用信号694として出力し（ステツプ611）、ステツプ
605へ戻る。

また、距離データ出力は火災警報691を発生したり、距
離データ692や発生時刻693の表示や記録を行なうために
管理センター31や消防関連部署32へ伝送される。さら
に、第５図、第６図に示す波形の表示695を行なうと同
時にカーソル発生回路70を動作させて距離データの位置
にカーソルを表示する。

なお、別な基準波形データαの作り方としては、一定時
間移動平均を用いる。これは、一定時間ごとに異常が発
生したかを判断し、異常が発生していない時は、シング
ル画面の最新までの無限平均波形を基準波形データと
し、異常が発生した場合は時間移動平均演算を停止し、
前回の値を基準波形データαとする。すなわち、基準波
形データαは異常が発生する迄更新され、異常が発生し
たら前記更新を停止する。このようにすることにより最
良の基準波形が得られる。前記基準波形データαの更新
の停止は、比較判定回路67の異常検出信号を基準波形デ
ータα作成回路62へ入力することにより（第７図の破線
参照）行なわれる。

信号処理装置20はトンネル１に布設する光フアイバー４
の一方の端に設ければよいが、第１図に示すようにトン
ネル１の両側の入口に設けて置き、通常は何れか一方の
信号処理装置を動作させて、火災の検出を行ない、万一
火災で光フアイバー４が溶断した時は両方の信号処理装
置を動作させることにより、トンネルの途中で光フアイ
バー４が溶断しても、何ら支障なく火災検出及び通報の
動作を行なうことができる。

次に、信号処理装置20の異常検出信号は異常通報手段で
ある交通信号機７、文字表示盤11、制限速度表示盤12、
避難誘導表示盤13の制御回路（図示せず）へ入力されト
ンネル歩行者へ火災発生の通報が行なわれる。

以下、異常通報手段の詳細について述べる。

先ず、異常検出信号は交通信号機７の制御回路へ入力さ
れ、青であつた信号を火災発生現場８に近い所から時間
的にずらして順番に、黄色を経由して赤色に変え車輛を
強制的に停止させる。交通信号機７を青→黄→赤の順に
変えるのは運転者が急ブレーキをかけて追突事故が発生
するのを防止するためである。

トンネルの前方のどの辺迄赤信号に変えるかは、火災発
生時の道路の交通量などを考慮して決める。トンネルが
上り下り専用でなく両方向通行するものであれが上り下
り両側について停止信号とする。

なお信号機の青色、黄色、赤色を光で伝送することは損
失が大きくて実用的でないので、周知の電気による信号
機を用い、制御用信号の伝送は金属伝送路を用いる。

次に、トンネル１の入口に設けられた文字表示盤11には
「火災発生」などの文字が表示されトンネル通行者に、
トンネル内で火災が発生していることを通報する。

道路わきに設置された制限速度表示盤12は、例えば通常
100kmと表示されている所であれば、40kmと表示を変更
して車輛のスピードを落とさせ、火災の発生しているト
ンネル１の方向へ移動する車輛の全体量が少なくなるよ
うにする。この制限速度の変更はトンネル１のはるか前
方の距離の所で行なうようにする。

トンネル内には、トンネルの見取図と、現在位置と、そ
こから何ｍ先に火災が発生しているかの表示と、どちら
の方向へ避難したらよいかを指示した避難誘導表示盤13
を、一定距離毎に数個所設置しておき、前記信号処理回
路20の出力により表示を出して、トンネル通行者の避難
方向を指示する。なお、この避難誘導表示盤の設置位置
は火災による煙の影響をなるべく少なくするためトンネ
ル１の下側に設けるのがよい。

上り下り別々のトンネルが設けらている所では、例えば
トンネル１の出口付近、上り車線で火災が発生したとき
は、下り車線へまわる経路があれば、下りにまわつて避
難する指示を与えると共に下り車線の信号を赤にして車
輛の通行を停止させて避難させることもできる。

インターチエンジ15の付近では迂回表示盤16により「前
方トンネルで火災が発性しているのでこのインターチエ
ンジから出る」旨の指示を与えることもできる。

トンネル内にラジオ放送する設備があれば、信号処理回
路20の出力により、火災発生をラジオで放送することも
できる。

第９図ははセンサ５の他の例を示し、パイプ状の形状記
憶合金製センサ５で、温度が予め設定した温度以上にな
ると５′の様に波形を変形し、これにともない光フアイ
バー４も波形を変形するものである。

第10図はセンサの更に他の例を示し、非常通報用押ボタ
ン5aとして動作するものである。

101及び102は表面が波形をした一対の板状体で、一方の
板状体101は固定され、これに対し光フアイバ４をはさ
んで通常は三者が接するか接しないかの状態を保つて他
方の板状体102が配置されている。103は押ボタンで、こ
の押ボタン103を押すと板状体102も押され、したがつて
光フアイバー４にはマイクロベンドが支えられる。そし
て押ボタン103は、上記状態でロツクされる構造になつ
ている。

この非常通報押ボタン5aは第１図に示すように、トンネ
ル内にセンサ５と直列に、かつ人の手の届く高さの位置
に設置されている。したがつて、例えば、事故車９の運
転者が近くの押ボタン5aを押すことにより、火災が発生
する前に、また火災に至らない場合でも事故を管理セン
ター31へ通報することができる。

さらに、非常通報用押ボタン5aの付近に、通行者と管理
者（管理センター員）との通話用にマイクロフオンやス
ピーカを設置し、またトンネル内監視用にはテレビカメ
ラ等を設置し、光通信を利用して情報を伝達することに
より二次災害の防止に役立てることができる第11図は光フアイバー４の布設の他の例を示し、平行に
数本の独立な光フアイバーをトンネル内に布設し、両端
で検出するものである。

第12図は光フアイバー４の布設の更に他の例を示し、１
本の光フアイバー４をジグザグに広い面積をカバーしな
がら布設したものである。

第13図はループ状に布設した例を示すものである。な
お、この例では光フアイバー４の端部は同じ信号処理装
置で接続されているが、光パルスは何れか一方の端部か
ら送り出すものである。

〔発明の効果〕

以上の説明からわかるように、この発明によれば火災な
どの異常を検出すると共に、トンネル通行者に火災発生
を通報するから、火災発生を知らずにトンネル内へ侵入
することがなくなり、避難誘導も効果的に行われるか
ら、二次災害を防止することができる。

また、光ファイバー側及びセンサ側は無電源とすること
ができ、無加害性、無誘導性を有し、絶縁不良などもな
く信頼性が高い。

また、本発明では、変形前にコイル形状、所定温度以上
では直線状となる形状記憶合金製のセンサを光ファイバ
の複数の所定部分に巻つけてセンサの両端を光ファイバ
に固定するので、センサの取り付けが簡単である上、温
度上昇時に形状記憶合金製のセンサが直線状に変形する
ことによって光ファイバがねじり返されて小さな曲げ率
で曲げられ、確実に後方レイリー散乱光の損失が増加す
る。即ち、温度上昇時にセンサだけが変形したり、変形
が阻止されたりするということがなく、確実に異常が検
出される。

また、本発明では、微弱なレイリー散乱光を加算平均し
て強度波形を求めると共に、正常時（光ファイバのーマ
イクロベンドが生じていない状態）における基準強度波
形を求めておき、両者の差分をとってこれを距離微分す
ることによって温度異状を検出するので、信頼性が高
く、かつ、同時に２箇所以上で異状が生じても確実に各
々の発生位置を特定することができる。即ち、異常発生
位置によって適切な情報をトンネル通行者に知らせるこ
とができるから、二次災害を確実に防止することができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例を示す概念図、第２図は形
状記憶合金製センサの一例を示す斜視図、第３図は信号
処理装置の動作の原理を説明するための正常時の波形
図、第４図は信号処理装置の動作の原理を説明するため
の異常時の波形図、第５図は１個所の異常を検出する原
理を説明する説明図で、第５図（ａ）は異常波形βを示
す波形図、第５図（ｂ）はα−βの差分を示す波形図、
第５図（ｃ）はα−βの距離微分を示す波形図、第６図
は２個所の異常を検出する原理の説明図で、第６図
（ａ）は異常波形β′を示す波形図、第６図（ｂ）はα
−β′の差分を示す波形図、第６図（ｃ）はα−β′の
距離微分を示す波形図、第７図は信号処理装置の構成の
一例を示す構成図、第８図は信号処理装置の動作を示す
フローチヤート、第９図は形状記憶合金製センサの他の
例を示す斜視図、第10図は非常通報用押ボタンを示す概
念図、第11図は光フアイバーの布設方法の一例を示す概
念図、第12図は光フアイバーの布設方法の他の例を示す
概念図、第13図は光フアイバーの布設方法の更に他の例
を示す概念図である。図中、1:トンネル、2:道路、4:光フアイバー、5:セン
サ、7:交通信号機、8:火災発生現場、11:文字表示盤、1
2:制限速度表示盤、13:避難誘導表示盤、14:迂回表示
盤、51:発光手段、53:方向性結合器、55:光電変換素
子、56:A/D変換器、60:バツフアメモリ。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】トンネル内に布設された光ファイバーと、該光ファイバー複数の所定部分に配置され、所定温度未
満の正常時においてはコイル形状をなす一方、所定温度
以上の異常時には直線状に変形することにより該光ファ
イバーにマイクロベンドを与えて伝送損失を発生させる
形状記憶合金性のセンサと、前記光ファイバーに光パルスを送り出す発光手段と、この発光手段から送り出された光パルスの戻り光を光電
変換する光電変換手段と、この光電変換手段からの出力信号を加算平均して、レイ
リー散乱光の強度波形βを求めると共に、正常時におけ
る前記レイリー散乱光の基準強度波形αとの差分を取
り、更にこの差分（α−β）の距離微分を求め、この微
分結果に基づいて前記トンネル内の異常発生及び異常発
生位置を検出する異常検出手段と、この異常検出手段の出力信号に基づいて前記異状の発生
をトンネル通行者に通報する異常通報手段とを備えたこ
とを特徴とするトンネル内異常通報装置。