高速公路隧道光纤火灾检测报警系统方案.docx
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高速公路隧道光纤火灾检测报警系统方案
隧道火灾分布式光纤监测报警系统方案
设计:
袁娜娜
核对:
刘志锋
审核:
张碧华
单位:
北京盛世同升科技发展有限公司
地址:
北京市大兴区天华大街5号院启航国际3号楼
电话:
010-8
传真:
010-
系统设计准则
1.1设计目标
Ø实时在线的温度监测;
Ø提供火灾危险的早期探测;
Ø清楚指示火灾危险地点;
Ø将报警信号传送至火灾报警控制系统,供火灾报警控制系统采取关闭防火门、灭火等应急、联动控制。
1.2设计原则
本系统严格按国家相关法律、法规、消防管理条例和相关规范、标准进行设计,保证系统设备的可用性和可靠性。
本系统所选用设备均满足并且优于国家相关产品标准,通过国家规定的各项强制性认证。
系统符合中国有关法律法规,符合消防管理条例和标准。
系统设计选用产品全部获得中国国家规定的各项强制性认证。
遵照安全第一、预防为主的原则,系统严格保证设备可靠性和系统可靠性。
系统具有先进性和适用性:
系统的技术性能和质量指标均达到国际先进水平,
且在安装调试、软件编程和操作使用各方面均简便易行,并适合项目特点,达到最佳的性能价格比。
在系统细化设计时明确与总监控系统之间的接口界面,且系统的各项技术指标均符合相应要求。
在系统设计时尽量优化设备配置,考虑整个系统的统筹配置,避免设备的重复购置和管线的混乱局面。
1.3设计依据
GB/T21197-2007线型光纤感温火灾探测器
JTGD71-2004公路隧道交通工程设计规范
GA173-1998计算机信息系统防雷保安器
GB50166-92火灾自动报警系统施工及验收规范
GB50116-98火灾自动报警系统设计规范
GB14287.1-2005电气火灾监控系统
GB50140-2005建筑灭火器配置设计规范
GB50058—92爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范
GB50016-2006建筑设计防火规范
GB50168-2006电气装置安装工程施工及验收规范
GB4942.2—85低压电气外壳防护等级
GB50303-2002建筑电气工程施工质量验收规范
GB8566-88计算机软件开发规范
GB8567-88计算机软件开发文件编制指南
GB50057-94(2000)建筑物防雷设计规范
GB50343-2004建筑物电子信息系统防雷技术规范
GB2423电工电子产品基本环境试验规程
GB4890电气设备抗干扰特性
GB7450电气设备雷击报护导则
GB/T17626.2-1998电磁兼容试验和测量技术静电放电抗扰度试验
GB/T17626.12-1998电磁兼容试验和测量技术振荡波抗扰度试验
相关的安装工程质量检验评定标准。
其它与本合约工作内容有关的国家、地方或国际标准。
概述
2.1工程概况
卫星路隧道图纸如上,隧道全长1900米,分为东西两侧车道,东西两侧车道中间为隔墙隔断,每侧车道为三车道,K0+910到K1+150出为露天部分,为敞开路段,故隧道分为两节,第一节为K0-030到K0+910,第二节为K1+150到K1+600.74。
分布式光纤测温系统是本征安全,分布式测量,适用于大空间场所、线型物体(如隧道)及危险场所的理想监测系统,系统可通过探测隧道内引发引起周围温度变化来判断及定位故障位置并提供预报警。
正是在此技术背景下通过分布式光纤测温系统对该项目的5条隧道进行火灾光纤测温监测系统。
2.2使用产品
隧道提供的火灾监测与报警系统是由北京盛世同升科技有限公司生产的FAS-D-2000型光纤测温主机。
北京盛世同升科技有限公司研制的FAS系列光纤测温火灾预警监测系统已在国内外众多公路隧道、火电厂、变电所、电缆桥架、夹层、电缆和廊道火情监测及消防工程中成功应用,并多次成功预报了隧道火情,为隧道救援赢得了宝贵的时间。
线型光纤感温火灾监测系统,可实现对隧道全区域进行火灾报警监控,按“无人值班”设计,实时将报警信息上传至火灾报警控制器或通过通讯接口上传至监控中心,可大大减少日常系统运行的管理人员。
经过我公司多年的努力,我公司提供的FAS-D-2000光纤测温系统已能与国内外主要的火灾报警系统实现信息对接功能。
方便用户对系统的管理。
用户至上,合作互利是公司的服务准则。
分布式光纤测温系统测量机理
3.1测量原理
分布式光纤测温系统(DTS)中光纤既是传输媒体又是传感媒体,主要由光纤测温主机及感温光缆组成。
依据不同的监测环境选用不同类型的感温光缆。
测温控制主机可通过PC机在WINDOWS环境下由工程师调试编程完成,设定区域长度及报警点以及系统校定等均可采用Windows软件来完成。
测温主机可在显示器上实时显示光缆的温度轨迹,报警信号能突出显示,并能确定及显示光缆受损点实际位置。
分布式光纤传感系统(DTS)是利用激光在光纤中传输能够产生背向散射,在光纤中注入一定能量和宽度的激光脉冲,它在光纤中传输的同时不断产生背向拉曼散射,即反斯托克斯光和斯托克斯光,其中背向反斯托克斯光的强度会受到所在光纤散射点的温度影响而有所改变。
依据背向反斯托克斯光强度的解调,产生了拉曼型分布式光纤测温系统(DTS)。
分布式光纤测温系统是通过将散射回来的拉曼光波经波分复用、光电转换、放大、解调后,送入信号处理系统便可将温度信号实时显示出来;并且由光纤中光波的传输速度和背向光回波的时间对这些信息定位。
该设备探测无盲区,每1秒种即可通过数千个温度点对长达数千米的光缆进行测量,并获得一个精确的温度分布。
分布式光纤测温系统的原理图如下所示:
分布式光纤测温系统原理示意图
3.2系统的组成结构
系统的组成结构框图
根据前面理论知识的可知,光纤所在区域的温度信息与反斯托克斯的光功率有关,并通过反斯托克斯光与斯托克斯光的比值来解调出温度。
分布式光纤测温系统可划分为四个子系统:
控制触发子系统,光信号采集子系统,光电转换子系统和电信号处理子系统。
控制触发子系统是指同步脉冲发生器,产生具有一定宽度和重复频率的脉冲;光信号采集子系统主要是由脉冲激光器,光波分复用器和传感光纤构成。
脉冲激光器需要产生脉宽较窄且功率较大的光脉冲,光波分复用器集成了薄膜干涉滤波片,能够滤出斯托克斯和反斯托克斯这两种特定波长的光;光电转换子系统是由光电检测器和主放大器组成,把微弱光信号转换成适合数据采集卡处理的电压信号。
光电检测器一般采用具有内部增益的雪崩二极管(APD),主放大器一般由多级组成,要求宽带,高增益,低噪声;电信号处理子系统由数据采集卡和计算机组成,数据采集卡要有较高的数据采集速度和采集位数,从而有效的进行数据累加和平均处理。
3.3系统的测量机理
计算机控制同步脉冲发生器产生具有一定重复频率的脉冲,这个脉冲一方面调制脉冲激光器,使之产生一系列大功率光脉冲,同时向高速数据采集卡提供同步脉冲,进入数据采集状态。
光脉冲经过波分复用器的一个端口进入到传感光纤,并在光纤中各点处产生后向散射光,返回到波分复用器。
后向散射光通过薄膜干涉滤光片分别滤出斯托克斯光和反斯托克斯光,经波分复用器的令外两个端口输出,并分别进入到光电检测器(APD)和主放大器中进行光电转换和放大,将信号放大到数据采集卡能够有效的采集范围上。
此时数据采集卡将传感光纤各点散射回来的光电信号进行采集和存储,产生一条光纤温度曲线,并等待后续光脉冲产生的散射光电信号进行累加和平均等数据处理。
最终由计算机通过编译好的软件进行温度解调和显示。
3.4分布式光纤传感系统特点
(1)快速性:
系统测温、定位速度非常高。
为了提高测量时间,北京盛世同升科技有限公司采用了高速数据滤波技术,以解决海量数字滤波优化问题;
系统主机内的激光发射装置每秒钟发射上万次的光脉冲,并将取样温度的平均值输出到显示系统,基本消除误差。
(2)分布特性:
分布式光纤传感系统为分布式光纤测温系统,可提供连续动态监测长达十几公里范围内每隔1米各点的温度变化信号,可任意设置各级温度报警值。
(3)先进性:
该系统是世界上目前性能指标最高、功能性最强、可靠性最高、技术最先进的产品。
采用的光元器件是通过纳米技术生产出来的进口器件。
(4)准确性:
该系统的取样间隔1m,温度分辨率0.1℃,温度精度±1℃;定位精度达±1m。
(5)灵活性:
分布式光纤传感系统是在线监测方式;
监测范围内任何一点的报警信号上传至综合监控系统的时间不大于10秒;
本系统的主机可提供继电器接口(无源干接点)在火灾报警控制器上进行报警,可按区间提供一组干接点报警信号;
监测系统提供的是一个连续的动态监测信号,系统可设置多级温度点报警即系统支持多级报警,如40℃预报警,50℃采取措施等,并且可以根据环境不同进行报警点温度参数设定;
为避免误报发生,针对事故发生前的温度变化率大的特点,在报警设置中可设置温升速率进行监测,当监测到温升速率大于该值时发出报警信号,并提供相应的信号输出;
多种报警条件,只要满足一条,系统就会立即产生报警。
可根据现场要求对取样间隔进行调整,最短取样间隔为1米;
报警控制区可编程,并可按照用户的要求进行灵活设计,每一系统可针对环境变化可设置每公里不小于300个不同报警控制区域。
针对隧道的特殊需求,系统可将每50米设置为一个分区,当某一分区出现异常情况时,DTS系统会自动将此分区报警信息(如位置、报警类型、温度值等)上传至集中监控系统。
(6)兼容性:
分布式光纤传感系统的主机为开放通信协议,提供与工作站联接的通信接口,在中央控制室防灾报警工作站以汉化的图文方式显示温度曲线、报警位置、报警温度等全部信息;
系统可以通过RS232、RS485、内置继电器、RJ45或其它工业协议等输出形式与PC、消防报警系统等其它控制设备进行连动,进行声光报警,信号输出准确、完整;
分布式光纤传感系统可根据不同报警区分段、分级输出信号,以适应不同控制盘的需要;
(7)安全性:
系统软件授权管理,安全可靠;
用户可以对系统今后的升级和维护进行更新;
分布式光纤传感系统具备安全记录功能,可储存系统运行以来的所有历史数据,并可使用便携式计算机下载有关数据;
如果光纤受损,系统可以定位受损点,具有自诊断功能,并通过光纤熔接机对其进行熔接,这对于有效的实施在线监测是非常重要的;
激光安全等级符合Class1(激光暴露时对人体无伤害);
探测光纤本征安全、可靠,采用光信号,不会与电之间产生相互电磁干扰。
3.5分布式光纤传感系统优点
分布式光纤传感系统与传统传感器比较具有许多天然的优势,主要包括:
(1)连续分布式测量
分布式光纤传感器是真正的分布式测量,可以连续的得到沿着探测光缆几十公里的测量信息,误报和漏报率大大降低。
同时实现实时监测。
(2)抗电磁干扰,在高电磁环境中可以正常的工作
光纤本身是由石英材料组成的,完全的电绝缘;同时光纤传感器的信号是以光纤为载体的,本征安全,不受任何外界电磁环境的干扰。
(3)本征防雷
雷电经常破坏大量的电测传感器。
光纤传感器由于完全的电绝缘,可以抵抗高电压和高电流的冲击。
(4)本征防爆
采用防静电阻燃型PVC作为外护套,防水防潮性能良好,能够避免光缆因摩擦而产生静电,完全满足防爆、工程安装需要和长期运行的需要。
(5)测量距离远,适于远程监控
光纤的两个突出优点就是传输数据量大和损耗小,在无需中继的情况下,可以实现几十公里的远程监测。
(6)灵敏度高,测量精度高
理论上上大多数光纤传感器的灵敏度和测量精度都优于一般的传感器,实际已成熟的产品也证明了这一点。
(7)寿命长,成本低,系统简单
光纤的材料一般皆为石英玻璃,其具有不腐蚀、耐火、耐水及寿命长的特性,通常可以服役30年。
综合考虑传感器的自身成本以及以后的维护费用,使用光纤传感器可以大大降低整个工程的最终经营成本。
3.6分布式光纤与同类产品比较
3.6.1分布式光纤测温与双波长火焰探测器比较
分布式光纤测温系统
双/三波长火焰探测器
报警方式
可综合设置多级温度报警/温差/差温来进行连续监测,可在任何时间准确显示任何一点的温度状态,在火灾发生前早期预警,并准确地定位事故发生地点,实时显示并跟踪火势蔓延情况。
被动等待,必须在火焰形成时才能报警,无法实时反映温度值,对于空间较狭小的空间,受成本制约无法做到监控。
报警全面性
分布式测温,全程监控
以点测温,无法全程监控
测量内容
温度
火焰
使用及维护
长距离监测(最长可至30公里)用一根光缆即可完成,利用软件分区和设定报警值,系统非常简单可靠,免维护。
与双波长、光纤光栅、感温电缆相比,系统成本主要在主机上,长度大于1km的隧道性价比最高
监测长度有限(<50米),需多探头配置,布线较复杂,探头易污染需定期维护。
对于长隧道、大空间场所,系统成本高。
对于长度大于500米隧道而言,系统成本远远超过分布式光纤测温系统。
安全可靠性
光纤本征安全,不受电磁干扰,综合智能判断,无误报。
又因其不带电,故特别适用于特殊危险场合
因其绝缘皮老化和易受电磁干扰,探头受烟气、蒸汽、灰尘、油污影响失去判断力,故障率较高等诸多因素使系统容易产生问题,并因其带电,故不适用于特殊危险场合
长期使用
达到报警点后软件复位,不损伤光缆,使用寿命可达30年,光缆意外断裂时,直接熔接,维护成本低
受所采用材料的限制,使用寿命短(连续约1万小时,间断小于10年),部件易损坏,维护、更换成本高。
安装
抗拉伸/抗冲击强度极高的光缆,安装极为方便,可悬吊直线敷设,扩容简单
安装较方便,与摄像机、手报等等同,扩容简单
应用行业
主要应用于隧道、高压电力线路、地铁、炼油厂、井下等大空间场所和环境恶劣的场所,特别是需要无电流监测、强电磁场干扰、爆炸环境等场所;测量大型工业变压器线圈、铁芯及其他复杂结构的温度场;需提供早期火灾预警的场所。
主要用于工厂厂区、油气灌区、石化、隧道、仓库、物流区,等大空间场所,及短期火灾不会引起严重火灾事故的场所
3.6.2分布式光纤测温与感温电缆比较
DTS光纤监测系统
线性感温产品
报警方式
可综合设置多级温度报警/温升速率/温升趋势来进行连续监测,可在任何时间准确显示任意点温度状态,在火灾发生前早期预警
固定单点阀值报警点;被动等待设定的报警温度;报警时往往已形成火灾
事故判断
智能化的系统,准确及时判断温度变化的类型,显示事故点温度读数及位置。
精度高,响应时间快。
不能准确确定事故点位置,只能判断火警区域。
无法实时反映温度值
使用及维护
长距离监测(最长可至30公里)用一根光缆即可完成,利用软件分区和设定报警值,系统非常简单可靠,免维护。
系统成本主要在主机上,长度大于1km的隧道性价比最高。
监测长度有限,多路布线分区,系统相当复杂,故障率高,难以维护。
对于长度大于1km隧道而言,系统成本超过分布式光纤测温系统。
长期使用
达到报警点后软件复位,不损伤光缆,使用寿命可达30年
报警后系统损伤,不可重复使用以及采用的材料的原因,使其寿命短
安全可靠性
光纤本征安全,不受电磁干扰,综合智能判断,无误报。
又因其不带电,故特别适用于特殊危险场合
因其绝缘皮老化和易受电磁的干扰等诸多因素的缘故,容易产生误报,并因其带电,故不适用于特殊危险场合
安装
抗拉伸/抗冲击强度极高的光缆,安装极为方便,可悬吊直线敷设,不影响新增设备的安装与扩容
需与被测体以正弦波紧贴的方式进行多路敷设,安装相当复杂。
新增设备无法扩容,安装难度大
系统方案设计
4.1应用范围
因本项目2条隧道位于卫星路上,设计感温光纤系统外,还设计手报、温感和烟感火灾自动报警系统用于隧道火灾探测,但因隧道内灰尘和油烟很大,较长时间就会导致温感和烟感灵敏度降低或失效,这样无形中增加了隧道可靠运行的风险。
本设计方案是采用分布式光纤测温系统用于此隧道的火情自动监控。
4.2光纤测温系统
依据本项目2条隧道实际长度并考虑到实际监测铺设需求,为此项目配套了高性能的FSA-D-2000型4km、4通道光纤测温系统1套对该项目的2条隧道进行有效监控。
感温光缆选用美国康宁光纤制成的高灵敏度感温光缆。
4.2.1光线测温主机技术指标(为此项目配套主机)
Ø型号:
FAS-D-2000;
Ø产地:
中国、北京;
Ø探测距离:
4km/4km;
Ø适用光纤类型:
62.5/125
Ø通道数:
4通道;
Ø与光纤连接方式:
FC/APC;
Ø测量时间:
1.5秒/通道;
Ø取样间隔:
1米;
Ø定位精度:
1米;
Ø测温精度:
±1℃;
Ø温度分辨率:
±0.1℃;
Ø主机测温范围:
-45℃~700℃(依据所选用光缆);
Ø继电器:
24路;
Ø通讯接口:
RJ45、RS232/RS485、USB;
Ø通信协议:
TCP/IP、OPC、MODBUS等;
Ø报警方式:
定温﹑差温报警;
Ø工业计算机:
内置、在间隔小于10分钟情况下保存记录大于10年;
Ø操作系统:
WindowsXP中文版,可远程维护;
Ø最大报警分区:
300个/km,每个区域任意设定长度与温度报警线,光纤受损后可自动检测并定位受损点,并且探测光缆的采集信号不会丢失;
Ø系统的激光安全等级满足:
IEC60825-1(2007)Class1级,达到激光等级最高级,对人眼完全无伤害;
Ø产品符合电磁兼容要求
Ø工作电压:
DC24V或AC220V;
Ø使用环境:
-0℃~40℃;
Ø存储温度:
-20℃~+60℃;
Ø相对湿度:
<95%RH(无凝露);
Ø模块化设计(激光发射、接收、控制及通讯、电源做成功能式模块);
Ø产品尺寸:
482mm(宽)*176mm(高)*400mm(深)
Ø产品净重:
8kg
Ø安装方式:
19"机架式;
4.2.2感温光缆(为此项目配套主机)
传感光纤为多模62.5/125(纤芯/包层/丙烯酸酯涂层)圆形渐变折射多模光纤,光纤损耗:
≤3.0dB/km(波长850nm),0.7dB/km(波长1300nm),光缆内置凯芙拉纤维、不锈钢软管、不锈钢编织网,外披防静电阻燃型PVC外护套,具有良好阻燃和防静电特性。
此传感器为非电产品,本征安全,无电源,无发热源,无静电。
Ø光纤型号:
GTH-01;
Ø光纤类型:
62.5/125
Ø光纤芯数:
单芯
Ø绝缘护套直径:
0.9mm
Ø金属护套材料:
采用Ф2.1mm不锈钢螺纹软管铠装护套。
该护套使其在安装时操作更为简便并且提高机械稳定性;
Ø外护套材料:
采用Ф3.0m防静电阻燃型低烟无卤材料作为外护套,具有较高热幅射灵敏性,防水防潮性能良好,能够避免光缆因摩擦而产生静电,完全满足防爆、工程安装需要和长期运行的需要;
Ø最小弯曲半径:
小于60mm;
Ø防护等级级别:
≥IP67;
Ø拉伸强度:
安装过程中最大500N;使用过程中最大300N;
Ø抗压强度:
安装过程中最大1000N/10cm;使用过程中最大600N/10cm;
Ø线性碾压力:
300N/cm引起~0.3mm的变形;
Ø探测温度:
-30℃到+90℃(长期),120℃(>120小时);
Ø光缆工作寿命:
大于30年;
Ø防冲击、反复弯曲、扭转、曲绕、弯折、卷绕、渗水性能等均符合IEC794-1标准。
光缆本征安全,具有抗电磁干扰、抗机械冲击、抗腐蚀,耐压绝缘强度高等特性。
4.3系统设计
光缆铺设示意图如下:
隧道全长1900米,分别为3车道,每条隧道顶部两侧各铺设1条感温光纤,光纤铺设每1M固定Z型安装支架,镀锌钢绞线和感温光纤并排固定一起,铺设在安装支架。
露天隧道路段和其他通信光缆通过PVC管穿越装饰墙里面隔。
设计供货清单如下表:
序号
产品名称
型号
数量
1
温度监测主机
(4通道,4KM)
FAS-D-2000
1台
2
感温光缆
T-SENSOR60
8600米
设备附件及安装附件
编号
产品名称
型号
数量
1
温度监测基础软件
SOFT
1套
2
光缆终端盒
410-A
1个
3
尾纤
FAS-02
4支
4
分区继电器报警模块
24路
1台
5
镀锌钢绞线
Φ5.4
6680米
6
Z型安装支架
6680套
说明:
1、表格中所列测温软件为基础软件,与该方案内容中图注的组态软件有所区别
2、甲方需自备用一套工控机作为上位机主机,还需自备标准机柜一台,如消防报警主机机柜有空余可放置光纤系统测温主机。
4.4铺设方案
该隧道项目常用对隧道空间的温度探测方法是将感温光缆吊装于隧道顶部两端,可以保证感温光纤至两根3车道上的行驶车辆相等,也就是说,可以保证分布式感温光纤对3车道空间的探测灵敏度一致,光缆的安装位置如下图所示:
Z型支架安装简图隧道光缆安装截面图
隧道内的光缆安装方便,悬吊安装在隧道顶部,为了保证良好的通风与快速响应时间,将光缆安装在隧道的最高点上的距离为10cm;感温光纤与侧壁的距离应不大于5m且不小于0.2m;感温光缆的安装净高应不大于8m。
光缆吊装方式示意图如右所示:
安装时每隔1m使用线夹固定在支架上,感温光缆安装完毕记录好每个分区、光缆头尾端对应的光缆标记。
4.5系统通讯
4.5.1火灾报警系统内连接
光纤分布式温度监测系统与火灾报警控制器之间是通过RS232口或者继电器方案连接起来的,光纤分布式温度监测系统把实时收到的火灾报警信号发送给火灾报警控制器。
同时,火灾报警控制器收到报警信号后,启动相应的联动措施。
当光纤感温隧道火灾探测系统的分区报警信息传送至火灾报警控制器后,火灾报警控制器自行组网将其通过串口(RS232/485)传输至隧道监控所火灾工作站进行显示。
除此之外,火灾报警主机同时通过RS232口将自身的报警信息上传给分布式光纤测温主机,由分布式光纤测温主机通过以太网上传给隧道监控所火灾工作站,作为通讯冗余备份,光纤测温系统一大优势就是在于系统可以提供感温光缆全线的温度分布曲线实时显示,通过此通讯链路使操作人员可以对隧道温度分布一目了然,通过中文图形软件,可以实现对本隧道群所辖隧道的所有温度曲线显示。
火灾报警系统内连接示意图
软件介绍
监测数据管理软件系统
5.1监测软件系统
本软件为用户提供一个简便、实用、高效的工程平台,可实现用户的各种监测功能。
1、监测软件系统的特点:
实用性
组态范围极其广阔,从数据库组态到工况图形组态到报表组态,都可方便地实现。
通过组态工作,绝大多数过程监测场合的方案及功能需求都可实现。
高效性
该软件采用了国际上先进的组态思想,在工况图形和报表的生成过程中,采用所见即所得方式,直接描绘出所需的报表及图形形态。
方便性
该软件为基于MS-Windows界面,用户可利用鼠标,通过菜单操作,对话框的使用、窗口操作、工具箱操作、图符的拾取等标准的Windows操作方式,操作极为方便。
本软件的界面为全汉字提示,方便中国用户。
2、软件的基本功能:
数据库组态
用来定义各项数据,在线运行软件中的信号采集与转换、报警、显示等任务依赖这部分数据运行。
图形组态
图形组态工具软件可方便地绘制出应用系统所需的各种总貌图、流程图和工况图。
图形组态软件可灵活地生成多种动态显示方式。
报表组态
报表组态提供了一个图形化的报表生成工具软件,提供静态制表和动态打印功能。
报表的组态过程采用“所见即所得”方式,可方便地生成汉字的班
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- 高速公路 隧道 光纤 火灾 检测 报警 系统 方案