《TUNNELLING AND UNDERGROUND SPACE TECHNOLOGY》：Intelligent monitoring and reconstruction of fire-induced temperature fields in utility tunnels using acoustic computed tomography
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声学CT技术用于地下隧道火灾温度场重构与优化，通过FDS模型验证和SART算法分析，16个传感器的7×7网格布局精度达（Emse=1.496，R=0.995），布局优化提升23%，为实时监测和智能防灾提供技术支持。
高子赫|张新如|秦恒杰|赵鹏举|严长斌
郑州大学土木工程学院，中国河南省郑州市450001
摘要
准确描述封闭式公用隧道中的热能演变对于公共安全和能源管理至关重要。本研究提出了一种基于声学计算机断层扫描（CT）的框架，用于重建和优化隧道火灾中的温度场。建立了一个经过验证的火灾动力学模拟器（FDS）模型，以生成一个120米×5米×5米的公用隧道的热环境，并将模拟数据与实验结果进行了对比验证。使用同时代数重建技术（SART）系统地研究了收发器数量、横截面位置和布局优化对隧道横截面温度场重建精度的影响。结果表明，增加声学收发器的数量可以增加有效传播路径的数量，从而提高重建精度。16个收发器的配置在7×7网格下取得了最佳性能（E_e = 1.496，R_e = 0.995），进一步的验证确认这种配置对于距离火源不同距离的横截面仍然有效。此外，优化的无角点布局增加了有效声学路径的数量，使精度提高了23%。所提出的方法能够实现地下火灾场景中热能分布的非接触式实时监测，为封闭式基础设施中的智能能源管理提供技术支持，并有望为智能隧道灾害预防系统提供可扩展的技术路径。
引言
在封闭式基础设施中高效监测和管理热能对于确保能源利用效率和公共安全至关重要（Mi等人，2020年；Wu等人，2026年）。公用隧道将电力、电信、燃气和水管线集成到一个地下走廊中，是现代城市能源分配网络的关键组成部分（Gao等人，2024年）。然而，由于它们的封闭几何形状、复杂的能源系统以及有限的通风条件，这些隧道极易发生火灾和热失控事件（Pan等人，2023年；Yang等人，2025年）。此类事件不仅会导致严重的能源损失和结构损坏，还会中断城市能源传输的连续性。几起严重的火灾事件已经证明了这一点的潜在后果。例如，2016年10月17日，德国路德维希港的一个化学公用隧道发生火灾（Li，2017年），造成2人死亡、8人重伤和22人轻伤。2014年8月1日，台湾高雄市前镇区的一条地下管道发生燃气爆炸（Cao等人，2025年），造成大量人员伤亡并损坏了大约6公里的道路。1994年至1997年间，韩国的综合性公用隧道因电缆故障引发短路而发生了四起火灾（Yang等人，2021年），导致了严重的经济损失。这些案例表明，综合性公用隧道极易发生火灾，造成人员伤亡和重大经济损失。因此，在火灾期间获取准确及时的火灾相关信息对于有效的火灾救援行动、防止火灾蔓延以及最小化基础设施损坏至关重要。
在公用隧道内检测温度是火灾安全管理的关键组成部分。它可以降低事故发生的可能性，并在火灾发生时实现及时干预。已有大量研究致力于隧道环境中的温度监测和检测。Liang等人（2018年）在隧道内部署了热电偶来记录温度数据，并研究了不同长宽比下的油池火灾情况下的温度分布。Liu等人（2018年）模拟了公用隧道电力舱内的电缆火灾，评估了点火方式、环境风速和电缆数量对温度场分布的影响。Yang等人（2018年）建立了一个地下公用隧道模型，研究了不同水平和垂直火源位置下的温度场的时间演变，进一步分析了电缆层之间的火灾蔓延和火灾传播范围。Wang等人（2019年）研究了综合性公用隧道电缆舱内的温度场，开发了一个将最大天花板温度升高与火源位置相关联的模型。Zhang等人（2020年）模拟了公用隧道电缆舱内电缆燃烧的整个过程，分析了火焰和烟雾的传播模式、氧气浓度的变化，并确定了电力舱内火灾发展的四个阶段。Huang等人（2021年）使用一个一端封闭一端开放的隧道模型研究了由电缆火灾引起的封闭空间内的温度分布，并提出了一个用于预测两侧天花板温度的纵向衰减模型。Li等人（2024年）数值构建了一个化学走廊管道，研究了火灾条件下石油化工管道的热响应，并为防止公用隧道中的火灾引起的管道故障提供了理论指导。尽管有这些贡献，但大多数先前的研究依赖于传统的基于传感器的检测方法，即使用热电偶来获取温度场数据。这些传统的监测方法在空间覆盖范围上存在固有限制（Xie等人，2017年），因为它们依赖于有限的监测点数量，只能反映局部温度信息，无法实现整个公用隧道的实时温度监测。
为了解决这些限制，提出了结合数学反演方法的计算机断层扫描（CT），即声学CT温度测量技术（Qin等人，2024年）。该方法利用声学收发器测量声波的传播时间，并利用声波在较高温度气体介质中传播更快的原理。通过反演测量数据，可以获得重建的温度场图像。它实现了隧道内的全区域温度监测，从而消除了传统基于传感器系统的覆盖不足问题。此外，声学CT温度场重建技术（Ostashev等人，2009年）是一种非接触式温度测量方法，具有广泛的检测范围、实时能力和多个领域的应用。Mao等人（2010年）利用声学CT测量了深海热液温度场，通过理论和工程应用证明了使用最小二乘法进行基于声学的温度场重建的可行性。Cai等人（2012年）介绍了海底热液喷口原位声学温度测量的基本原理，并使用最小二乘重建方法成功重建了湖底温泉的温度分布。Yan等人（2015年）对三维声学CT重建进行了模拟研究，以监测谷物储存温度。他们的工作表明，该技术可以检测到由霉菌或害虫侵扰引起的局部温度升高（热点）。An等人（2015年）使用两种CT算法ART和SART对不同炉火分布模型进行了温度场重建模拟，为具有复杂燃烧条件的电厂锅炉中的温度场重建提供了参考。Wan等人（2016年）重建了炉内的三维温度场，实现了炉火的全面可视化，这可以为燃烧器调整提供技术支持，并确保设备的长期稳定运行。Deng等人（2023年）将声学CT温度测量应用于采矿业，为矿山中温度异常的实时信息获取和监测提供了参考。Qin等人（2023年）使用声学CT监测重建了建筑火灾的温度场。通过将重建结果与原始数据进行比较，他们评估了重建精度，并展示了其在此类环境中可视化温度分布的潜力。此外，传统隧道内的噪声水平通常约为90分贝（Huang等人，2021年）。公用隧道仅包含电力、电信、燃气和水管线，可能表现出更低的噪声水平。现有的关于噪声影响的研究主要集中在高温工业环境中，如锅炉房，那里的背景噪声可以达到116–120分贝（Zhang等人，2011年）。先前的研究已经确认，噪声对温度场重建的影响仍在可接受范围内，不会导致重建失败（Wu等人，2021年；Zhong等人，2022年）。因此，本工作中没有明确考虑噪声效应。
基于此，本研究将声学CT技术应用于综合性公用隧道火灾中的温度场检测。使用声学收发器记录声波的传播时间，并采用重建算法生成温度场。这项工作的结果有望提高实时火灾监测能力，支持快速应急响应，并提高公用隧道的安全性和可靠性。具体组织结构如下：第2节描述了模型配置、数据可靠性验证以及声学CT重建的原理和算法。第3节展示了结果和讨论，包括收发器数量、横截面位置和布局优化对重建精度的影响。最后，第4节总结了本研究的主要结论。
章节摘录
模型配置
火灾动力学模拟器（FDS）是一种广泛用于模拟火灾发展、烟雾传输和火灾工程应用中热传递的CFD工具（Gao等人，2024年）。在本研究中，构建了一个狭窄且延长的公用隧道FDS模型，尺寸为长120米、宽5米、高5米，如图1a所示。模型的左侧配置为封闭结构，而右侧采用开放配置。一个2米×2米的方形燃烧器被
结果与讨论
准确重建封闭式公用隧道火灾中的温度场对于获得可靠的火灾现场信息至关重要，因此已成为相关研究的重要焦点。声学CT温度场重建的矩阵方程是从声学收发器阵列中推导出来的，其中收发器的数量和布局决定了有效声学路径的数量、相应的飞行时间，以及最终的重建质量。
结论
本研究开发了一种基于声学计算机断层扫描（CT）的框架，用于重建和优化封闭式公用隧道火灾中的温度场。结果表明，所提出的方法可以准确捕捉火灾事件期间隧道横截面热场的空间演变，主要结论如下：
(1)重建精度与声学收发器的数量有很强的相关性，增加收发器数量可以同时提高
作者贡献声明
高子赫：资金获取、概念构思。张新如：写作——审稿与编辑、初稿撰写。秦恒杰：可视化、方法论。赵鹏举：验证。严长斌：项目管理。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（52576144）、河南省自然科学基金（262300421773）和河南省自然科学委员会优秀青年基金（222300420078）的财政支持。
