普速客車防火監測系統架構設計與實現*

申宇燕，關曉曄，宋 娜，戴 津，盧萬平

（中國鐵道科學研究院 機車車輛研究所，北京100081）

普速客車防火監測系統架構設計與實現*

申宇燕，關曉曄，宋 娜，戴 津，盧萬平

（中國鐵道科學研究院 機車車輛研究所，北京100081）

基于旅客列車防火監測的實際需求，結合發電車已有設備，構建了完整的普速客車防火實時監測系統的架構，解決了歷史遺留的發電車火災監測的盲點，實現普速客車的實時全覆蓋監測，以提高我國旅客列車安全監測能力。

普通客車；安全；防火監測

列車安全一直是鐵路重點研究的課題，防火系統則是列車安全系統的重要組成部分。近幾年，普速旅客列車的火災時有發生，給鐵路安全運營帶來了嚴重威脅。由于列車內部空間較小，自身攜帶的消防滅火措施十分有限；而鐵路往往遠離城市，因此運營列車通常遠離地方消防力量。以上兩點決定了列車發生火災時，不僅撲救難度較大，而且會給鐵路交通帶來極大的危險。因此，為列車安裝一套可靠、高效的火災報警系統，可以在較早的時間發現火災，減少損失，保障乘客的生命和財產安全。

目前普速客車已安裝火災報警系統，車輛的運行狀況及報警信息通過客車運行安全監測系統（Train Coach running Diagnosis System，簡稱TCDS）實時發送至地面監控中心，能夠對客車火災事故采取及時防范與處理，但是發電車未實現火災報警監控，鑒于發電車火災事故的頻發，迫切需要加裝發電車火災報警系統。本文基于普速客車防火監測的實際需求，結合發電車已有的設備，搭建了完整的普速客車防火實時監測系統的架構，其主要的出發點就是充分利用現有兩大監測體系，融合成完整的防火監測系統，解決歷史遺留發電車火災監測的盲點，實現普速客車的實時全覆蓋監測，以提高我國旅客列車安全監測能力。

1 TCDS火災報警系統架構

1.1 TCDS系統簡介

TCDS系統是為適應我國客車安全運行越來越高的要求而開發的一種新型客車安全監控系統。它通過車載安全監控設備，對客車運行關鍵部件進行實時監測和診斷，并通過GPRS、WLAN等通訊技術，將監控信息向地面傳輸、匯總，形成實時的客車運行安全監控網絡，使各級車輛管理部門及時掌控客車運行及安全情況。TCDS作為5T系統（THDS、TADS、TPDS、TFDS、TCDS）的重要組成部分，通過對客車運行中的供電、車下電源、空調、煙火報警、軸溫報警器、防滑器、制動系統、轉向架動力學性能等影響行車安全的因素進行實時監控，通過地面監控設施的建立，實時掌握客車的運行安全狀況，并在車輛進庫后指導故障檢修，動態控制客車應用質量狀態，切實保障客車運行安全。

TCDS系統的數據傳輸流程為車載實時監控系統將運行中的監測診斷結果傳輸到列車級主機集中顯示報警，并將實時故障報告及列車狀態信息通過車載信息無線傳輸裝置以GPRS方式傳輸至車輛段；列車到站時，在客車列檢以WLAN方式下載列車運行過程所記錄的數據，再傳輸到客車整備所及車輛段，車輛段、客車整備所對數據進行存儲、分析、處理。同時通過GPRS網絡將車載數據與報警信息發送至鐵路局地面數據中心，地面數據收發軟件負責將數據與報警信息寫入數據庫，可通過實時網頁了解當前列車運行狀況。為配合系統的實現，在地面數據中心增加了發電車火災報警信息的顯示與查詢功能。

1.2 火災報警系統體系結構

TCDS系統通信采用Lonworks網絡連接車廂內的子系統設備，以便于實現車廂和列車的控制；遠程故障診斷和維護及旅客信息服務。列車通信網絡的特點是工作環境惡劣，可靠性要求高；操作實時性要求高及列車組成的動態性。

列車網絡控制系統主要分為列車級、車廂級兩個層次，防火報警器工作在車廂級，其通過網關與車廂網絡連接，進行數據交換?；馂奶綔y器與火災報警控制器通過CAN總線連接，火災探測器把實時監測到的信息以數據幀的形式傳遞給火災報警系統區域控制器，區域控制器通過參數的運算，判斷是否發生火災，如果發生火災則報警，則其通過自身的終端顯示模塊（聲光報警、液晶顯示系統等）向列車員發出報警信息，并且通過Lonworks網絡發送至列車級網關，向TCDS主機發送報警信息，系統結構框圖見圖1。

圖1 TCDS火災報警實時監控系統框圖

2 發電車火災報警系統設計

2.1 系統功能

火災報警系統能將燃燒時物質所產生的煙霧、熱輻射和光輻射，通過煙感探測器、溫度探測器轉化成電信號［1］，火災報警控制器根據反饋回來的數據，做出是否發出火災報警的判斷，記錄報警事件，同時發出聲光報警。系統具備報警確認和取消功能。若存在火警信號，經確認為火警，顯示該部位火警狀態、報火警音、按確認鍵通知地面發生有火災并有人在處理。若經確認火警信號為誤報，則按取消鍵。火警狀態信息通過TCDS系統實時發送至地面監控中心。

2.2 系統設計

系統設計了安裝16個感溫、感煙探測器、火災報警控制器、3個聲光報警器、TCDS主機。為了不破壞現有客車火災報警系統架構，在監控車內安裝了火災報警器和聲光報警器，火災報警控制器與TCDS主機通過RS232串口通信。感溫、感煙探測器安裝于發電車內，每個測點各安裝一對，通過CAN總線與火災報警控制器通信。

CAN總線是一種有效支持分布式控制或實時控制的串行數據通信協議，在數據通訊上具有突出的可靠性、實時性和靈活性。它可以很方便地擴充節點數，傳輸距離遠，傳輸速率快。具有CRC校驗，出錯率極低，出錯后可自動檢測成功與否，并且出錯后可自動重發［2］。基于以上種種優點，本系統選用CAN總線方式實現探測器和火災報警控制器間的通信。系統框圖見圖2。

圖2 發電車火災報警系統框圖

（1）火災探測器選型

物質燃燒會使周圍的溫度發生變化，其釋放出的大量熱會使溫度升高。在物質燃燒的不同階段，溫度的變化也是有規律可尋的。在燃燒初期，物質燃燒并不充分，因此其溫度上升得非常緩慢，此時并不容易鑒別。在燃燒后期，溫度才會驟然升高。但在燃燒初始階段，由于燃燒的不充分，會產生大量的可見煙。這樣我們就可以通過對可見煙的探測來判斷火災的發生。

探測器選用吸氣、點型暗裝感煙和感溫探測器成對安裝。吸氣、點型感煙探測器是通過風機將被監控區域的空氣吸入到探測器單元，檢測空氣中煙霧粒子濃度，從而達到變被動監控為主動監控?？梢詫⑻綔y器集中安裝在隱蔽的地方或配電柜中，通過φ10軟管，分別將現場進氣口與吸氣式探測器進氣口連接，這樣就可以吸入檢測現場的空氣。

傳統的點型探測器是靠火災形成煙霧，達到足夠的濃度，自然彌漫到探測器迷宮內才能報警，適合于靜態相對封閉的空間，而現在的客車車廂在運行中，都有強空調氣流，一旦發生火災，其形成的煙霧會隨空調氣流在回風口排出，所以，傳統的被動式探測器是很難在車輛運行中捕捉到煙霧的，只有通過吸氣式探測器才能變被動為主動式探測，達到早期報警的目的。在客車上，探測器明裝容易被乘客損壞，暗裝時，乘客接觸不到探測器，探測系統運行的穩定性大大提高。

（2）火災報警控制器設計

火災報警控制器在整個火災報警系統中發揮著重要的作用。它負責接收、回顯、控制，并且它負責與火災探測器之間的連通，為火災探測器提供可靠的電源，并且實時對探測器進行巡檢，檢測系統實時狀態；實時處理由火災探測器傳送回的報警信號，進行各種報警及連動操作；在顯示器上詳細記錄出火災發生的具體位置及傳感器火災報警數據，以備后期分析。

火災報警控制器通過探測器對現場環境背景進行長時間的采樣、數據分析，從而得出更加優化的報警檢測閾值；排除由于灰塵、霧氣等環境因素可能引起的誤報。其內部采用CAN總線方式連接，與探測器間以環形結構CAN總線網絡通信，火災報警控制器負責巡回監控所有探測器，記錄每個探測器狀態，如有火警或故障信息，火災報警控制器通過CAN總線上報給系統控制器進行處理，控制器主機可通過背景自學習功能、現場人工完成煙值設定功能等能力，確保系統準確報警，使系統更加可靠。

（3）通信協議設計

數據通信采用異步發送方式。火災報警控制器每隔10 s向TCDS發送狀態數據幀，探測器狀態或系統狀態發生改變時立即發送此數據幀。狀態數據幀包括所有探測器的當前狀態（故障、報警、確認、取消）信息。TCDS收到狀態數據幀后給火災報警器回復時鐘數據幀，以實現火災報警器的校時功能。

3 火災報警試驗

3.1 試驗環境搭建

為了驗證所開發的發電車火災報警系統設計的合理性及功能的正確性，我們模擬車上真實環境，搭建了TCDS安全監測試驗臺，試驗所需硬件有火災報警控制器主機1個；感煙探測器及感溫探測器各8個；聲光報警器1個；TCDS主機1臺；煙火模擬裝置1個。

火災報警控制器與TCDS主機均為DC 110 V供電，通訊電纜執行EIA－RS232技術標準，插頭可靠連接。工作溫度為0℃～＋50℃。試驗環境參見圖3。

圖3 火災報警試驗環境

3.2 火災報警模擬試驗

在TCDS安全監測試驗臺上，感溫、感煙探頭通過端子排與火災報警控制器CAN口相連，聲光報警器通過端子排與火災報警控制器相連，火災報警控制器與TCDS主機串口1連接。檢查所有接線正確后，給各主機通電開機，待確認火災報警控制器面板顯示一切正常，并且和TCDS主機通信正確后，通過煙火模擬裝置分別給感溫探頭加溫，給感煙探頭煙霧刺激，模擬煙火環境，等待幾秒鐘，可以看到聲光報警器鳴叫并發出閃光提示，通過TCDS地面驗收軟件可以查看到報警情況，試驗結果見圖4。

4 結束語

圖4 火災報警試驗結果

通過對鐵路普速客車火災報警系統現狀進行充分分析，針對現有TCDS系統架構，通過對火災探測器的選型，對火災報警控制器硬件結構的設計，以及對通信網絡的協議設計，應用CAN總線技術，成功地實現了發電車火災監測的集中報警和管理功能。通過搭建試驗環境，驗證了系統設計方案的可行性及正確性。隨著防火監控及其他子系統監控技術與TCDS的一體化建設，將會使我國普速客車實時安全監測能力進一步提升。

［1］ 金 濤.鐵路客車火災報警系統的研究［D］.大連：大連交通大學，2005.

［2］ 王教蜂，幸令奇.基于CAN總線的分布式數據采集與控制系統［J］.工業控制計算機，2000，13（5）：34-38.

Fire Monitoring System Architecture Design and Implementation for Passenger Train

SHEN Yuyan，GUAN Xiaoye，SONG Na，DAI Jin，LU Wanping
（Locomotive＆Car Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China）

In this work，according to the actual requirements of the passenger train fire monitoring，based on the existing equipments of the power car，a new framework of real-time fire monitoring system has been built to solve the car’s blind spots of current fire alarm，which can achieve real-time full-range monitoring and improve our ability to protect the safety of passengers.

passenger train；safety；fire monitoring

U270.4

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2014.02.07

1008－7842（2014）02－0031－03

*鐵道部科技研究開發計劃（2012J006-A）。

9—）女，助理研究員（

2013－12－16）