申宇燕，關(guān)曉曄，宋 娜，戴 津，盧萬平

（中國鐵道科學(xué)研究院 機(jī)車車輛研究所，北京100081）

普速客車防火監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

申宇燕，關(guān)曉曄，宋 娜，戴 津，盧萬平

（中國鐵道科學(xué)研究院 機(jī)車車輛研究所，北京100081）

基于旅客列車防火監(jiān)測的實(shí)際需求，結(jié)合發(fā)電車已有設(shè)備，構(gòu)建了完整的普速客車防火實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)的架構(gòu)，解決了歷史遺留的發(fā)電車火災(zāi)監(jiān)測的盲點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)普速客車的實(shí)時(shí)全覆蓋監(jiān)測，以提高我國旅客列車安全監(jiān)測能力。

普通客車；安全；防火監(jiān)測

列車安全一直是鐵路重點(diǎn)研究的課題，防火系統(tǒng)則是列車安全系統(tǒng)的重要組成部分。近幾年，普速旅客列車的火災(zāi)時(shí)有發(fā)生，給鐵路安全運(yùn)營帶來了嚴(yán)重威脅。由于列車內(nèi)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(yuǎn)離城市，因此運(yùn)營列車通常遠(yuǎn)離地方消防力量。以上兩點(diǎn)決定了列車發(fā)生火災(zāi)時(shí)，不僅撲救難度較大，而且會(huì)給鐵路交通帶來極大的危險(xiǎn)。因此，為列車安裝一套可靠、高效的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)，可以在較早的時(shí)間發(fā)現(xiàn)火災(zāi)，減少損失，保障乘客的生命和財(cái)產(chǎn)安全。

目前普速客車已安裝火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)，車輛的運(yùn)行狀況及報(bào)警信息通過客車運(yùn)行安全監(jiān)測系統(tǒng)（Train Coach running Diagnosis System，簡稱TCDS）實(shí)時(shí)發(fā)送至地面監(jiān)控中心，能夠?qū)蛙嚮馂?zāi)事故采取及時(shí)防范與處理，但是發(fā)電車未實(shí)現(xiàn)火災(zāi)報(bào)警監(jiān)控，鑒于發(fā)電車火災(zāi)事故的頻發(fā)，迫切需要加裝發(fā)電車火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)。本文基于普速客車防火監(jiān)測的實(shí)際需求，結(jié)合發(fā)電車已有的設(shè)備，搭建了完整的普速客車防火實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)的架構(gòu)，其主要的出發(fā)點(diǎn)就是充分利用現(xiàn)有兩大監(jiān)測體系，融合成完整的防火監(jiān)測系統(tǒng)，解決歷史遺留發(fā)電車火災(zāi)監(jiān)測的盲點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)普速客車的實(shí)時(shí)全覆蓋監(jiān)測，以提高我國旅客列車安全監(jiān)測能力。

1 TCDS火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 TCDS系統(tǒng)簡介

TCDS系統(tǒng)是為適應(yīng)我國客車安全運(yùn)行越來越高的要求而開發(fā)的一種新型客車安全監(jiān)控系統(tǒng)。它通過車載安全監(jiān)控設(shè)備，對(duì)客車運(yùn)行關(guān)鍵部件進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和診斷，并通過GPRS、WLAN等通訊技術(shù)，將監(jiān)控信息向地面?zhèn)鬏?、匯總，形成實(shí)時(shí)的客車運(yùn)行安全監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，使各級(jí)車輛管理部門及時(shí)掌控客車運(yùn)行及安全情況。TCDS作為5T系統(tǒng)（THDS、TADS、TPDS、TFDS、TCDS）的重要組成部分，通過對(duì)客車運(yùn)行中的供電、車下電源、空調(diào)、煙火報(bào)警、軸溫報(bào)警器、防滑器、制動(dòng)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向架動(dòng)力學(xué)性能等影響行車安全的因素進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，通過地面監(jiān)控設(shè)施的建立，實(shí)時(shí)掌握客車的運(yùn)行安全狀況，并在車輛進(jìn)庫后指導(dǎo)故障檢修，動(dòng)態(tài)控制客車應(yīng)用質(zhì)量狀態(tài)，切實(shí)保障客車運(yùn)行安全。

TCDS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸流程為車載實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)將運(yùn)行中的監(jiān)測診斷結(jié)果傳輸?shù)搅熊嚰?jí)主機(jī)集中顯示報(bào)警，并將實(shí)時(shí)故障報(bào)告及列車狀態(tài)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(shí)，在客車列檢以WLAN方式下載列車運(yùn)行過程所記錄的數(shù)據(jù)，再傳輸?shù)娇蛙囌麄渌败囕v段，車輛段、客車整備所對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、分析、處理。同時(shí)通過GPRS網(wǎng)絡(luò)將車載數(shù)據(jù)與報(bào)警信息發(fā)送至鐵路局地面數(shù)據(jù)中心，地面數(shù)據(jù)收發(fā)軟件負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)與報(bào)警信息寫入數(shù)據(jù)庫，可通過實(shí)時(shí)網(wǎng)頁了解當(dāng)前列車運(yùn)行狀況。為配合系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，在地面數(shù)據(jù)中心增加了發(fā)電車火災(zāi)報(bào)警信息的顯示與查詢功能。

1.2 火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

TCDS系統(tǒng)通信采用Lonworks網(wǎng)絡(luò)連接車廂內(nèi)的子系統(tǒng)設(shè)備，以便于實(shí)現(xiàn)車廂和列車的控制；遠(yuǎn)程故障診斷和維護(hù)及旅客信息服務(wù)。列車通信網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)是工作環(huán)境惡劣，可靠性要求高；操作實(shí)時(shí)性要求高及列車組成的動(dòng)態(tài)性。

列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)主要分為列車級(jí)、車廂級(jí)兩個(gè)層次，防火報(bào)警器工作在車廂級(jí)，其通過網(wǎng)關(guān)與車廂網(wǎng)絡(luò)連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)交換?；馂?zāi)探測器與火災(zāi)報(bào)警控制器通過CAN總線連接，火災(zāi)探測器把實(shí)時(shí)監(jiān)測到的信息以數(shù)據(jù)幀的形式傳遞給火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)區(qū)域控制器，區(qū)域控制器通過參數(shù)的運(yùn)算，判斷是否發(fā)生火災(zāi)，如果發(fā)生火災(zāi)則報(bào)警，則其通過自身的終端顯示模塊（聲光報(bào)警、液晶顯示系統(tǒng)等）向列車員發(fā)出報(bào)警信息，并且通過Lonworks網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至列車級(jí)網(wǎng)關(guān)，向TCDS主機(jī)發(fā)送報(bào)警信息，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖見圖1。

圖1 TCDS火災(zāi)報(bào)警實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)框圖

2 發(fā)電車火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)功能

火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)能將燃燒時(shí)物質(zhì)所產(chǎn)生的煙霧、熱輻射和光輻射，通過煙感探測器、溫度探測器轉(zhuǎn)化成電信號(hào)［1］，火災(zāi)報(bào)警控制器根據(jù)反饋回來的數(shù)據(jù)，做出是否發(fā)出火災(zāi)報(bào)警的判斷，記錄報(bào)警事件，同時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警。系統(tǒng)具備報(bào)警確認(rèn)和取消功能。若存在火警信號(hào)，經(jīng)確認(rèn)為火警，顯示該部位火警狀態(tài)、報(bào)火警音、按確認(rèn)鍵通知地面發(fā)生有火災(zāi)并有人在處理。若經(jīng)確認(rèn)火警信號(hào)為誤報(bào)，則按取消鍵?；鹁癄顟B(tài)信息通過TCDS系統(tǒng)實(shí)時(shí)發(fā)送至地面監(jiān)控中心。

2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)了安裝16個(gè)感溫、感煙探測器、火災(zāi)報(bào)警控制器、3個(gè)聲光報(bào)警器、TCDS主機(jī)。為了不破壞現(xiàn)有客車火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)架構(gòu)，在監(jiān)控車內(nèi)安裝了火災(zāi)報(bào)警器和聲光報(bào)警器，火災(zāi)報(bào)警控制器與TCDS主機(jī)通過RS232串口通信。感溫、感煙探測器安裝于發(fā)電車內(nèi)，每個(gè)測點(diǎn)各安裝一對(duì)，通過CAN總線與火災(zāi)報(bào)警控制器通信。

CAN總線是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制的串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議，在數(shù)據(jù)通訊上具有突出的可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性。它可以很方便地?cái)U(kuò)充節(jié)點(diǎn)數(shù)，傳輸距離遠(yuǎn)，傳輸速率快。具有CRC校驗(yàn)，出錯(cuò)率極低，出錯(cuò)后可自動(dòng)檢測成功與否，并且出錯(cuò)后可自動(dòng)重發(fā)［2］?；谝陨戏N種優(yōu)點(diǎn)，本系統(tǒng)選用CAN總線方式實(shí)現(xiàn)探測器和火災(zāi)報(bào)警控制器間的通信。系統(tǒng)框圖見圖2。

圖2 發(fā)電車火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)框圖

（1）火災(zāi)探測器選型

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

探測器選用吸氣、點(diǎn)型暗裝感煙和感溫探測器成對(duì)安裝。吸氣、點(diǎn)型感煙探測器是通過風(fēng)機(jī)將被監(jiān)控區(qū)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(dá)到變被動(dòng)監(jiān)控為主動(dòng)監(jiān)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(xiàn)場進(jìn)氣口與吸氣式探測器進(jìn)氣口連接，這樣就可以吸入檢測現(xiàn)場的空氣。

傳統(tǒng)的點(diǎn)型探測器是靠火災(zāi)形成煙霧，達(dá)到足夠的濃度，自然彌漫到探測器迷宮內(nèi)才能報(bào)警，適合于靜態(tài)相對(duì)封閉的空間，而現(xiàn)在的客車車廂在運(yùn)行中，都有強(qiáng)空調(diào)氣流，一旦發(fā)生火災(zāi)，其形成的煙霧會(huì)隨空調(diào)氣流在回風(fēng)口排出，所以，傳統(tǒng)的被動(dòng)式探測器是很難在車輛運(yùn)行中捕捉到煙霧的，只有通過吸氣式探測器才能變被動(dòng)為主動(dòng)式探測，達(dá)到早期報(bào)警的目的。在客車上，探測器明裝容易被乘客損壞，暗裝時(shí)，乘客接觸不到探測器，探測系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性大大提高。

（2）火災(zāi)報(bào)警控制器設(shè)計(jì)

火災(zāi)報(bào)警控制器在整個(gè)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)中發(fā)揮著重要的作用。它負(fù)責(zé)接收、回顯、控制，并且它負(fù)責(zé)與火災(zāi)探測器之間的連通，為火災(zāi)探測器提供可靠的電源，并且實(shí)時(shí)對(duì)探測器進(jìn)行巡檢，檢測系統(tǒng)實(shí)時(shí)狀態(tài)；實(shí)時(shí)處理由火災(zāi)探測器傳送回的報(bào)警信號(hào)，進(jìn)行各種報(bào)警及連動(dòng)操作；在顯示器上詳細(xì)記錄出火災(zāi)發(fā)生的具體位置及傳感器火災(zāi)報(bào)警數(shù)據(jù)，以備后期分析。

火災(zāi)報(bào)警控制器通過探測器對(duì)現(xiàn)場環(huán)境背景進(jìn)行長時(shí)間的采樣、數(shù)據(jù)分析，從而得出更加優(yōu)化的報(bào)警檢測閾值；排除由于灰塵、霧氣等環(huán)境因素可能引起的誤報(bào)。其內(nèi)部采用CAN總線方式連接，與探測器間以環(huán)形結(jié)構(gòu)CAN總線網(wǎng)絡(luò)通信，火災(zāi)報(bào)警控制器負(fù)責(zé)巡回監(jiān)控所有探測器，記錄每個(gè)探測器狀態(tài)，如有火警或故障信息，火災(zāi)報(bào)警控制器通過CAN總線上報(bào)給系統(tǒng)控制器進(jìn)行處理，控制器主機(jī)可通過背景自學(xué)習(xí)功能、現(xiàn)場人工完成煙值設(shè)定功能等能力，確保系統(tǒng)準(zhǔn)確報(bào)警，使系統(tǒng)更加可靠。

（3）通信協(xié)議設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)通信采用異步發(fā)送方式?；馂?zāi)報(bào)警控制器每隔10 s向TCDS發(fā)送狀態(tài)數(shù)據(jù)幀，探測器狀態(tài)或系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生改變時(shí)立即發(fā)送此數(shù)據(jù)幀。狀態(tài)數(shù)據(jù)幀包括所有探測器的當(dāng)前狀態(tài)（故障、報(bào)警、確認(rèn)、取消）信息。TCDS收到狀態(tài)數(shù)據(jù)幀后給火災(zāi)報(bào)警器回復(fù)時(shí)鐘數(shù)據(jù)幀，以實(shí)現(xiàn)火災(zāi)報(bào)警器的校時(shí)功能。

3 火災(zāi)報(bào)警試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)環(huán)境搭建

為了驗(yàn)證所開發(fā)的發(fā)電車火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性及功能的正確性，我們模擬車上真實(shí)環(huán)境，搭建了TCDS安全監(jiān)測試驗(yàn)臺(tái)，試驗(yàn)所需硬件有火災(zāi)報(bào)警控制器主機(jī)1個(gè)；感煙探測器及感溫探測器各8個(gè)；聲光報(bào)警器1個(gè)；TCDS主機(jī)1臺(tái)；煙火模擬裝置1個(gè)。

火災(zāi)報(bào)警控制器與TCDS主機(jī)均為DC 110 V供電，通訊電纜執(zhí)行EIA－RS232技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，插頭可靠連接。工作溫度為0℃～＋50℃。試驗(yàn)環(huán)境參見圖3。

圖3 火災(zāi)報(bào)警試驗(yàn)環(huán)境

3.2 火災(zāi)報(bào)警模擬試驗(yàn)

在TCDS安全監(jiān)測試驗(yàn)臺(tái)上，感溫、感煙探頭通過端子排與火災(zāi)報(bào)警控制器CAN口相連，聲光報(bào)警器通過端子排與火災(zāi)報(bào)警控制器相連，火災(zāi)報(bào)警控制器與TCDS主機(jī)串口1連接。檢查所有接線正確后，給各主機(jī)通電開機(jī)，待確認(rèn)火災(zāi)報(bào)警控制器面板顯示一切正常，并且和TCDS主機(jī)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(huán)境，等待幾秒鐘，可以看到聲光報(bào)警器鳴叫并發(fā)出閃光提示，通過TCDS地面驗(yàn)收軟件可以查看到報(bào)警情況，試驗(yàn)結(jié)果見圖4。

4 結(jié)束語

圖4 火災(zāi)報(bào)警試驗(yàn)結(jié)果

通過對(duì)鐵路普速客車火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)現(xiàn)狀進(jìn)行充分分析，針對(duì)現(xiàn)有TCDS系統(tǒng)架構(gòu)，通過對(duì)火災(zāi)探測器的選型，對(duì)火災(zāi)報(bào)警控制器硬件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，以及對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議設(shè)計(jì)，應(yīng)用CAN總線技術(shù)，成功地實(shí)現(xiàn)了發(fā)電車火災(zāi)監(jiān)測的集中報(bào)警和管理功能。通過搭建試驗(yàn)環(huán)境，驗(yàn)證了系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的可行性及正確性。隨著防火監(jiān)控及其他子系統(tǒng)監(jiān)控技術(shù)與TCDS的一體化建設(shè)，將會(huì)使我國普速客車實(shí)時(shí)安全監(jiān)測能力進(jìn)一步提升。

［1］ 金 濤.鐵路客車火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的研究［D］.大連：大連交通大學(xué)，2005.

［2］ 王教蜂，幸令奇.基于CAN總線的分布式數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)［J］.工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，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(fā)計(jì)劃（2012J006-A）。

9—）女，助理研究員（

2013－12－16）