我國高速動車組火災探測器系統應用情況及優化提升措施探討

欒 珂，劉克思，戴瑞亮，王正橋，任浩宇

(1. 中車南京浦鎮車輛有限公司，江蘇 南京 210031；2. 中國鐵路濟南局集團有限公司 青島動車段，山東 濟南 266000；3. 中國鐵路上海局集團有限公司 南京動車段，上海 200040；4. 中國鐵路北京局集團有限公司 北京動車段，北京 102600；5. 中國鐵路鄭州局集團有限公司 鄭州車輛段，河南 鄭州 453000)

自2004年起，我國通過技術引進、消化吸收再創新形成了和諧號CRH系列動車組，主要包括CRH1、CRH2、CRH3、CRH5等技術平臺，并在此基礎上繼續研制了CRH380系列動車組。自2013年起，我國開始研制CR400型和CR300型復興號系列動車組，對基本技術系統進行了統型設計，實現了互聯互通，主要包括CR400AF、CR400BF等平臺動車組。截至2017年底，我國動車組全部實現了火災監測功能。目前各平臺動車組的煙火報警系統從總體上看是有效和可靠的，在發生旅客吸煙、車內火情時均可有效報出火警，誤報警比例總體較低。但是，隨著動車組保有量不斷增加，煙火報警系統陸續暴露出因香水、灰塵干擾觸發火警導致動車組降速運行，甚至緊急停車的情況，影響了運營秩序。

為此，有必要開展技術攻關和深入分析，制定動車組煙火報警優化方案，從而進一步降低誤報率，減小對動車組運營的影響。

1 煙火報警系統拓撲結構、報警邏輯及相關標準

1.1 煙火報警系統

動車組煙火報警系統主要由火警主機和火災探測器組成，其中火災探測器按照TJ/CL 503—2016《動車組煙火報警系統暫行技術條件》要求，安裝在各車廂的電氣柜(涵蓋PIS柜等)、衛生間、客室、司機室、通過臺、廚房、機械師室、乘務員室等區域。煙火報警系統按照拓撲結構分為3種類型：

(1) 類型1：每車設置1個煙火報警主機，采集本車火災探測器信息，并將火警信息發給列車網絡；

(2) 類型2：每標準組設置1個煙火報警主機，每車設置1個車廂控制器，通過單獨組網將車廂控制器采集的火災探測器與煙火報警主機通信，同時通過煙火報警主機將火警信息發給列車網絡；

(3) 類型3：每標準組設置1個煙火報警主機，通過單獨組網將各車火災探測器與煙火報警主機通信，同時通過煙火報警主機將火警信息發給列車網絡。

1.2 火災探測器原理

目前各平臺動車組火災探測器主要有2種，分別為單光源煙溫復合探測器(以下簡稱“單光源探測器”)、雙光源煙溫復合探測器(以下簡稱“雙光源探測器”)。其中以單光源探測器為主，僅在復興號部分車組上試裝了雙光源探測器。單光源探測器通過紅外光源散射檢測空氣中煙霧顆粒濃度達到設定閾值或者通過溫度檢測達到設定閾值時(復興號動車組按照技術條件統一了溫度報警范圍為69～85 ℃，和諧號動車組未統一)，報出火警(圖1(a))；雙光源探測器通過紅外光、藍光2種光源檢測空氣中煙霧顆粒直徑及濃度或者通過溫度檢測達到設定閾值時，報出火警(圖1(b))。雙光源探測器可通過識別顆粒的直徑，區分空氣中的煙霧、灰塵、液體顆粒，有效避免誤報。其中，煙霧顆粒直徑較小，一般為0.01～1 μm；灰塵、液體顆粒直徑一般大于2 μm。

圖1 火災探測器原理示意圖

1.3 煙火報警系統相關標準

目前動車組煙火報警系統按照TJ/CL 503—2016標準執行，并在裝車前取得公安部消防產品CCCF合格認證。其中TJ/CL 503—2016標準僅規定了火災探測器的感煙和感溫的試驗要求，CCCF認證時規定了木材熱解陰燃火、棉繩陰燃火、聚氨脂塑料火、正庚烷火的試驗要求。

在機車有關標準中，TJ/JW 001C—2014《機車車載安全防護系統(6A系統)機車防火監控子系統技術條件》規定了裝車前線纜燃燒、電路板燃燒、灰塵、水蒸氣等試驗要求。

1.4 地面模擬試驗

本文借鑒機車技術要求，通過搭建動車組衛生間實物模型，開展匹配性模擬試驗，并對單光源、雙光源探測器的檢測效果進行對比、驗證，主要試驗及結果如下：

(1) 點燃衛生紙模擬生活火災工況，采用單光源、雙光源探測器在規定時間內均發生報警；

(2) 點燃線纜模擬電氣火災工況，采用單光源、雙光源探測器在規定時間內均發生報警；

(3) 點燃香煙模擬乘客吸煙工況，采用單光源、雙光源探測器在1 min內均發生報警；

(4) 在火災探測器下部，使用水壺燒水制造水汽模擬廚房工況，采用單光源、雙光源探測器均未發生報警；

(5) 使用膩子粉在衛生間內模擬灰塵工況，單光源探測器在少量膩子粉噴灑1 min后，誤報了火災報警；使用量為前者1倍量、2倍量、4倍量膩子粉噴灑后，雙光源探測器均未誤報火災報警，能有效避免灰塵誤報；

(6) 使用液體顆粒直徑較大的防曬霜模擬香水噴灑試驗，采用單光源探測器，在持續噴灑濃度較大時，誤報了火災報警；雙光源探測器在持續噴灑工況下，未發生報警，能有效避免香水誤報。

通過上述不同工況對比試驗可以得出，雙光源探測器能夠滿足火災報警要求，抗污染能力強，能有效避免香水等水霧類和灰塵的誤報，降低誤報率。

2 不同平臺動車組煙火報警系統對比分析

2.1 類型1煙火報警系統

該類型煙火報警系統以車廂為單元，獨立工作，系統信息通過MVB通信總線(或硬線)上傳TCMS系統，實現實時監控及報警。其整列架構如圖2所示，每節車廂的煙火報警系統由1臺火災報警控制器和若干火災探測器組成。火災報警控制器是煙火報警系統的控制單元，主要負責系統狀態顯示、狀態查詢、狀態設置、火災報警。火災探測器為光電式探測器，實時采集煙霧、溫度數據，通過CAN總線將采集的數據傳遞給火災報警控制器。

圖2 類型1煙火報警系統整列架構圖

火災探測器由火災報警控制器提供24 V工作電源，兩者之間通過CAN總線環網通信，具有CAN0及CAN1兩路冗余通信(圖3)。各火災探測器為網絡節點，火災報警控制器通過令牌環配置各節點地址；火災報警控制器通過其內部總線實時管理、監測各火災探測器，能夠及時探測到各位置火災探測器的故障、火警狀態和內部網絡總線狀態。

圖3 類型1煙火報警系統單車系統架構圖

2.2 類型2煙火報警系統

該系統為整車級控制系統，系統信息通過20 mA電流環上傳至車輛MON系統，實現實時監控及報警。系統架構如圖4所示，每列車(以8輛編組為例)的煙火報警系統由煙火報警主機、車廂控制器、24 V電源轉換模塊和若干火災探測器等主要部件組成。煙火報警主機是煙火報警系統的整車控制單元，主要負責系統狀態顯示、狀態查詢、狀態設置、火災報警，并通過20 mA通信總線將狀態信息上傳至MON系統。火災探測器為光電式探測器，實時采集煙霧、溫度數據，通過FSK總線將采集的數據傳遞給車廂控制器。

圖4 類型2煙火報警系統架構圖

車廂控制器實時監測所在車廂的探測器信息和回路狀態，并通過系統RS485總線將本車廂火災探測器狀態信息傳輸到煙火報警主機(圖5)。回路模塊是車廂控制器的主要工作單元，負責接收煙火報警主機發送的控制命令(如復位、靜音、屏蔽、配置更新)，同時將火災探測器狀態信息進行處理后上傳至煙火報警主機。

圖5 車廂控制器工作原理

2.3 類型3煙火報警系統

該系統由火警主機和火災探測器組成，以CRH1A-A型動車組為例，每標準列設置1個火警主機，其煙火報警系統拓撲結構如圖6所示。煙火報警系統的工作原理為：火災探測器對檢測區域的煙霧濃度和溫度進行檢測，并通過通信電纜將信息傳給火警主機，火警主機與TCMS進行通信。當某一區域的煙霧濃度或溫度達到報警閾值時，該區域的火災探測器報警燈點亮，同時火警主機上顯示報警位置、報警時間以及報警類型，并發出聲光報警。

2.4 既有復興號雙光源探測器與單光源探測器差異

通過對不同類型的煙火報警系統的拓撲結構、硬件配置、通信方式等進行對比分析發現，在探測回路通信方式上存在差異。如將單光源探測器改造為雙光源探測器，需要對不同平臺使用的單光源探測器與雙光源探測器差異性進行分析。表1從電氣接口與機械接口等方面進行了對比分析。

表1 既有復興號雙光源探測器與現有單光源探測器對比

通過對比發現，部分車型與既有復興號雙光源探測器的機械接口、電氣接口和通信方式一致，可以直接替換；而部分車型的機械接口、電氣接口和通信方式不一致，無法直接替換。

3 衛生間雙光源探測器改造思路

由前文故障統計結果可見，煙火報警誤報區域以衛生間為主，因此通過對衛生間探測器進行改造可大大降低煙火報警誤報率。通過對CR400AF平臺動車組衛生間進行雙光源探測器試裝改造，在運用考核中未發生誤報警問題，具備了雙光源探測器在各平臺推廣應用的基礎，改造思路如下：

(1) 對于與既有復興號雙光源探測器機械接口、電氣接口和通信方式一致的部分車型，可將單光源探測器直接更換為既有雙光源探測器。改造時保持線纜、火災報警控制器不變，將衛生間、PIS柜區域單光源探測器直接更換為既有雙光源探測器，對煙火報警系統軟件配置進行更新。用煙霧發生器噴射新安裝的衛生間雙光源探測器，確認在火災報警控制器和網絡TCMS顯示屏上能夠正常報警。

(2) 對于機械接口、電氣接口和通信方式不一致的部分車型，因無法直接替換，需重新研發新型雙光源探測器后再進行更換。改造需使用重新研發的機械尺寸一致的新型雙光源探測器，保持線纜、火災報警控制器不變，將衛生間、PIS柜區域單光源探測器直接更換為新型雙光源探測器。

(3) 此外，還有一部分車型動車組因裝用的進口煙火報警系統與既有國產雙光源探測器不兼容，但誤報率不高，綜合考慮煙火報警系統的經濟性、可靠性、安全性等方面，后續可結合煙火報警系統壽命到限更新時使用新研發的雙光源探測器。新研發雙光源探測器除符合相關標準外還應滿足如下條件：(a) 能夠有效降低灰塵、香水等非煙霧顆粒引起的煙火報警誤報率；(b) 探測器是可編址光學感煙/感溫探測器，感煙和感溫功能是獨立的，便于獨立或組合使用，探測器地址的設置采用DIP撥碼開關；(c) 探測器與現車煙火報警系統的單光源探測器在機械接口、電氣接口和通信協議上保持一致；(d) 改造后的煙火報警系統功能與改造前功能完全一致，煙火報警主機上可正常查看衛生間雙光源探測器的煙霧值和溫度值等參數。

(4) 改造后運維要求。實施衛生間雙光源探測器后，對司機及機械師操作、應急處置、運用修及高級修均為無影響。對于備品備件，造修單位和使用單位需根據不同車型配備相應的雙光源探測器。

4 建議

(1) 對于進口煙火報警系統(含雙光源探測器)，原供應商重新開發周期長且不確定性高，可進行整套煙火報警系統國產化，并研發國產化雙光源探測器，替換原進口煙火報警系統，衛生間采用雙光源探測器，車輛原線纜及安裝接口不變；

(2) 可結合運用修及高級修，將衛生間單光源探測器全部更換為雙光源探測器，更換下的單光源探測器檢修合格后，可用于新造或高級修車輛衛生間以外的火災探測區域；

(3) 后續新造動車組，可從招標文件、技術合同等層面明確要求，對于衛生間、PIS柜等容易發生誤報的區域采用雙光源探測器，從源頭設計保證；

(4) 動車組制造單位和使用單位應共同深入開展煙火報警系統試驗技術和試驗規范研究，進一步指導新造產品的設計，制定煙火報警系統統型統圖技術條件，實現不同廠家主要維護單元的通用互換，有效降低全壽命周期維護成本。