CERN - ST Division NOUVELLES TECHNOLOGIES APPLIQUEES A LA SECURITE. D. Raffourt, S. Grau. Résumé

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1 EUROPEAN ORGANIZATION FOR NUCLEAR RESEARCH ORGANISATION EUROPÉENNE POUR LA RECHERCHE NUCLÉAIRE CERN - ST Division ST-Note avril 2003 NOUVELLES TECHNOLOGIES APPLIQUEES A LA SECURITE D. Raffourt, S. Grau Résumé La détection incendie par vidéo et la mesure de la température ambiante tout au long d'une fibre optique sont deux nouveaux moyens de détection au service de la sécurité. Le premier système est composé d'une à huit caméras raccordées à un PC, qui analyse les signaux vidéo et reconnaît un début d'incendie. Le second utilise une fibre optique connectée à un générateur de lumière Laser. Le signal lumineux retourné, qui varie en fonction de la température le long de la fibre, est analysé afin de détecter et localiser une variation anormale de la température. Des installations d'importances stratégiques ou de grandes valeurs pourraient être surveillées à distance par ces nouveaux systèmes dont l'installation est simple et le coût de maintenance faible. Présenté au 6 ème ST Workshop Thoiry, France, 1-3 avril 2003

2 1 INTRODUCTION L industrie propose de nouveaux moyens techniques pour répondre aux impératifs de la sécurité des biens et des personnes, nous avons choisi d évaluer deux nouvelles solutions: La détection d incendie par vidéo et la mesure linéaire de la température ambiante qui sont complémentaires des moyens habituellement utilisés pour détecter un danger. 2 DETECTION PAR VIDEO Ce système est composé d'une caméra raccordée à un PC qui analyse les signaux vidéo et reconnaît un début d'incendie. A la différence des détecteurs habituellement installés qui doivent être imprégnés dans la fumée pour détecter un début d incendie, ce système surveille globalement une zone de l extérieur. 2.1 Principe de fonctionnement Le signal vidéo analogique est converti en numérique puis analysé et comparé avec la situation précédente normale. Trois principaux critères sont pris en compte par l algorithme d analyse: le spectre de lumière de la fumée ou de la flamme, la forme de la volute ou du panache de fumée et le déplacement de la fumée. Le niveau d implication de ces trois critères peut être ajusté pour chaque caméra en fonction du type de risque et du genre d activité dans la zone. Par exemple, si le risque est un feu ouvert avec flammes on donnera plus d importance à l analyse du spectre de lumière. Le résultat combiné de ces critères sera alors ou non interprété comme une alarme. Des zones d exclusion dans l image peuvent être programmées afin d exclure de l analyse un secteur ou l activité normale risquerait de déclencher une alarme non justifiée. 2.2 Marché actuel Plusieurs constructeurs proposent ce type de détection comme ISL (Royaume Uni), Sécuriton (Suisse), T2M (France). Les applications en service permettent de surveiller des tunnels routiers, des hangars et des forets. Pour l un des constructeurs, il est possible pour une installation simple de raccorder une à huit caméras à un PC sur lequel tourne le logiciel d analyse. Seize contacts de sorties sont disponibles, généralement utilisés pour une pré alarme et une alarme par caméra. Ces contacts peuvent alors être repris par la centrale de détection incendie de la zone afin de profiter du système de communication existant vers les pompiers. Il est également possible de sortir ces informations d alarme via le protocole TCP/IP. Seize contacts d entrées sont également prévus pour reprendre des informations extérieures. 16 contacts d alarme Alarmes via TCP/IP Ethernet 16 contacts PC1 PC2 PC contacts 1 à 8 caméras 1 à 8 caméras 1 à 8 caméras 2

3 Figure 1: Exemple d architecture Une configuration permettant de surveiller plusieurs locaux, éventuellement sur des sites différents, permet de partager les images. Un même système permet au maximum de regrouper 64 PC ayant chacun huit caméras. Le réseau Eternet est alors utilisé entre les différents PC et un SCADA qui permet de visualiser huit caméras à la fois et configurer le système (voir figure 1 & 2). Figure 2: Visualisation des caméras depuis le Scada Firevision 2.3 Performance Courant 2002, nous avons procédé à plusieurs séries de tests normalisés avec production de fumée au moyen d une bobine en court circuit placé dans un rack. Chacun de ces trois constructeurs a passé un test similaire. Nous avons constaté que les systèmes détectaient un panache de fumée d environ un mètre cube s élevant au-dessus du rack en moins de cinq minutes. La différence majeure entre ces trois produits est leur capacité à éviter les fausses alarmes. Par exemple, des personnes se déplaçant dans le champ de la caméra, un changement de luminosité ou un pont roulant en mouvement ne doivent pas être interprétés par le système comme une alarme. 2.4 Avantages et Inconvénients Les avantages : Ce système permet de fournir aux pompiers, en même temps qu une alarme, une image vidéo de la zone surveillée. Cela constitue une aide très intéressante, pour évaluer la situation, surtout dans les zones difficiles d accès ou dont l ouverture sera pénalisante. Le matériel est standard et de grande diffusion donc bon marché. Le câblage se résume au raccordement des caméras au PC par des câbles coaxiaux et au raccordement des alarmes. Il est possible de partager les images avec un système de sûreté. Cet ensemble peut s intégrer au système de détection et d alarme existant. Le système peut très facilement être adapté à un nouvel aménagement de la zone surveillée. Les inconvénients : La zone surveillée doit être en permanence éclairée. Il n est pas possible de détecter de la fumée à l intérieur d un équipement. 3

4 La précision de la localisation de l alarme ne peut être inférieure à la surface couverte par une caméra. 2.5 Applicabilité au CERN Ce système permet de surveiller de grands volumes tels que des halls d expériences ou de montages. Des cavernes du LHC pourraient également être équipées en ciblant avec les caméras les zones les plus propices à un début d incendie. Le fait de pouvoir visualiser en temps réel la zone en alarme est très intéressant car cela permet une première évaluation de la situation instantanément et d ajuster les moyens à mettre en œuvre pour intervenir. Si les performances en matière de détection de fumée ont été testées, nous ne connaissons pas encore la stabilité du produit et surtout nous n avons pas assez de recul pour évaluer les fausses alarmes susceptibles d être provoquées par l activité humaine dans la zone surveillée. 3 DETECTION LINEAIRE DE CHALEUR OU FROID L utilisation de systèmes de détection linéaire de température est une technique relativement nouvelle qui utilise une fibre optique comme élément sensible, à la différence des thermocouples habituellement utilisés jusqu'à présent. 3.1 Principe de fonctionnement La mesure linéaire de la température avec une fibre optique consiste à générer une impulsion lumineuse avec une source laser, couplée au noyau d une fibre optique, au travers d un diviseur de faisceaux. L impulsion de lumière injectée, voyage tout au long de la fibre, en se réfléchissant sur la surface noyau revêtement. Au fur et à mesure que cette impulsion avance, une partie de la lumière sera dispersée et retournée via le diviseur de faisceaux. Le spectre de cette lumière dispersée est alors filtré puis analysé par un processeur de signal. (voir figure 3, gauche) Source Laser Diviseur de faisceaux Câble de Fibre Optique Lumière incidente, Bande de Rayleigh Filtre optique Dispersion Ligne de Brillouin Ligne de Brillouin Traitement des signaux Bande de Raman Bande de Raman Longueur d'onde Figure 3: Principe de détection linéaire de température et spectre de la lumière dispersée retournée Sous l effet de changements de température, la structure du réseau cristallin à l intérieur de la fibre optique se modifie. La lumière dispersée diffère en fonction de la température ambiante et pourra alors être utilisée pour déterminer la température tout au long du câble. Le spectre de lumière dispersée obtenu est composé de trois différentes composantes: une composante Rayleigh, une composante Brillouin et une composante Raman. Les composantes avec une longueur d onde différente de l impulsion incidente, ont une dépendance directe avec la température. Elles seront donc analysées pour déterminer la température de la fibre optique (voir figure 3 droite). Dans une fibre optique homogène, l intensité de la lumière dispersée retournée s affaiblie exponentiellement avec le temps. Comme la rapidité de propagation de la lumière dans la fibre optique est connue, la distance peut être déterminée à partir de l atténuation de l intensité de cette lumière. De cette façon, température et distance sont connues simultanément. 4

5 3.2 Marché actuel Plusieurs entreprises européennes développent aujourd hui des modules dédiés à la détection linéaire de température, appelés habituellement DTS (Distributed Temperature Sensing). Par exemple: SMARTEC (Suisse), SENSA (Royaume Uni), et CERBERUS/SIEMENS (Suisse). Il existe déjà plusieurs installations avec des modules DTS dans des tunnels routiers, tunnels ferroviaires, métros, tapis roulants, mines, câbles à haute tension, installations pétrochimiques, installations nucléaires, etc. Concernant l architecture du système, la majorité des fournisseurs proposent la connexion d un module DTS à deux câbles de fibre optique de quelques kilomètres. La mesure de température ainsi que sa position sur la fibre optique, permet au système de produire en temps réel un graphique, qui sera visualisé à partir d un système de contrôle connecté grâce à une ligne série au module DTS. Ces modules offrent aussi la possibilité de générer des alarmes et asservissements à travers des relais. La communication vers l extérieur peut aussi se faire avec un bus de terrain. Les modules de détection linéaire de température utilisés pour la détection incendie, sont aujourd hui en cours d homologation CE. L installation d un tel système est relativement simple: il s agit principalement de tirer une fibre optique tout au long de la zone à surveiller. La maintenance est réduite car même s il faut vérifier régulièrement l état mécanique du câble de la fibre optique, toute détérioration est immédiatement perçue. A la différence des systèmes de détection habituels, on évite l étalonnage et la maintenance individuelle de chaque détecteur. 3.3 Performances Les modules DTS actuellement proposés sur le marché, ont différentes façons d opérer: des balayages de la fibre optique pour obtenir son profil de température, des balayages pour déterminer et localiser uniquement des points ou la fibre dépasse certains seuils de température ou des balayages pour déterminer et localiser des points ou un changement de température se produit rapidement. Des fibres standards multi modes sont utilisées pour cette application. Elles permettent de travailler dans des gammes de températures qui vont de 40 C à +90 C en continu, et davantage pour des périodes de quelques heures. En ce qui concerne les temps de réponses, il faut quelques minutes pour obtenir le profil complet de température d une fibre mais seulement quelques secondes dans les deux autres types de balayages. La précision de la mesure est autour de +/- 1 o C et +/- 1 m. 3.4 Avantages et Inconvénients Cette technique de détection linéaire de température présente plusieurs avantages: Détermination de l état d avancement d un incendie et en principe d une fuite de liquide cryogénique tout en précisant l ampleur, la position et la direction du sinistre. Cela permet d organiser au mieux les interventions des services d urgence. Mesure de température continue tout au long de la fibre optique à la différence des systèmes avec thermocouples qui donnent une information par élément. Les signaux sont insensibles aux perturbations électromagnétiques, ce qui permet de réduire les fausses alarmes. Le système surveille sans interruption l intégrité de la fibre et est capable de déterminer et localiser une blessure. Les inconvénients : Les modules DTS sont onéreux, on ne pourra utiliser cette technique que lorsque la taille et l importance de l installation à surveiller justifieront cet investissement. Le câble de fibre optique est fragile, il faut donc veiller à l installer à l abri des coups ou à le protéger mécaniquement afin qu il ne subisse aucun dommage. 5

6 3.5 Applicabilité au CERN dans le domaine de la détection Cette technique pourrait être appliquée, par exemple, dans le tunnel LHC, pour détecter des fuites de liquide cryogénique. Une fuite majeure d hélium liquide conduirait à une atmosphère déficiente en oxygène. Ce pourrait être une alternative aux capteurs de manque d oxygène qui comportent de l électronique car ils ne pourront supporter les radiations dans le LHC. Trois scénarios de défaillance du système de cryogénie du LHC, associés à une analyse préliminaire de risques, ont été identifiés. Les deux premiers cas seraient détectés car ils impliquent une décharge rapide d hélium dans le tunnel et conduiraient à des atmosphères appauvries en oxygène au-dessous de 18% et à une chute de la température ambiante généralement au-dessous de 0 o C. Dans le troisième cas, l hélium serait déchargé à température ambiante et ne serait donc pas détecté par ce système. Par contre, cette nouvelle technique pourrait être utilisée pour compléter la détection incendie. En effet, elle permettrait de détecter une élévation anormale de la température dans un tunnel et indiquer la position, la direction et l ampleur d un éventuel début d incendie. Par exemple, seulement trois modules DTS, qui permettent chacun de couvrir jusqu à 10 Km grâce à deux câbles de fibre optique, seraient nécessaires pour couvrir l anneau LHC. Plusieurs points ouverts sur cette application sont actuellement en cours d analyse: Quelle est la durée de vie d une fibre optique soumise au rayonnement ionisant dans l environnement du LHC? En d autre terme, à quelle fréquence faudrait-il la remplacer? Quelle est la position idéale de la fibre dans le tunnel afin quelle mesure dans les meilleures conditions à la fois les hausses de température (feu) et les baisses (fuite d hélium), et en même temps qu elle reste à l abri des coups. 4 LE FUTUR DE CES TECHNOLOGIES AU CERN L utilisation de fibres optiques comme moyen de détection de fuites d hélium et de détection d incendie est actuellement en cours d analyse. L installation d un tel système demanderait sûrement de passer par un prototypage pour vérifier ces questions ouvertes, particulièrement la localisation de la fibre dans le tunnel. La mise en œuvre de ce prototype devra surtout pouvoir reproduire les différents scénarios de fuites d hélium. L installation de systèmes de détection incendie par vidéo ne pourra être envisagée qu après une deuxième phase de test. Si la première phase nous à permis de valider les performances du système en matière de détection de fumée, il nous reste à tester sur une période de plusieurs mois, une installation pilote afin d évaluer la stabilité du produit et surtout sa capacité à éviter les fausses alarmes dues à l activité humaine dans la zone surveillée. 5 REFERENCES [R1] [R2] [R3] [R3] [R4] [R5] [R5] M. Chorowski, W.Erdt and others, Oxygen Deficient Hazard (ODH) Monitoring System in the LHC Tunnel, LHC Project Report 523, December CERBERUS, Fibro Laser II brochure d information. SENSA, Linear heat detection system brochure d information. TYCO, MXF100 Optical Fibre Temperature Sensing Technology brochure d information. SECURITON, brochure d information. T2M, Artis Fire brochure d information. ISL, VSD system brochure d information. 6