普速客車(chē)防火監(jiān)測(cè)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(wàn)平

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 機(jī)車(chē)車(chē)輛研究所，北京100081）

普速客車(chē)防火監(jiān)測(cè)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(wàn)平

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 機(jī)車(chē)車(chē)輛研究所，北京100081）

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

普通客車(chē)；安全；防火監(jiān)測(cè)

列車(chē)安全一直是鐵路重點(diǎn)研究的課題，防火系統(tǒng)則是列車(chē)安全系統(tǒng)的重要組成部分。近幾年，普速旅客列車(chē)的火災(zāi)時(shí)有發(fā)生，給鐵路安全運(yùn)營(yíng)帶來(lái)了嚴(yán)重威脅。由于列車(chē)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(yíng)列車(chē)通常遠(yuǎn)離地方消防力量。以上兩點(diǎn)決定了列車(chē)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(lái)極大的危險(xiǎn)。因此，為列車(chē)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(chē)已安裝火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)，車(chē)輛的運(yùn)行狀況及報(bào)警信息通過(guò)客車(chē)運(yùn)行安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（Train Coach running Diagnosis System，簡(jiǎn)稱(chēng)TCDS）實(shí)時(shí)發(fā)送至地面監(jiān)控中心，能夠?qū)蛙?chē)火災(zāi)事故采取及時(shí)防范與處理，但是發(fā)電車(chē)未實(shí)現(xiàn)火災(zāi)報(bào)警監(jiān)控，鑒于發(fā)電車(chē)火災(zāi)事故的頻發(fā)，迫切需要加裝發(fā)電車(chē)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)。本文基于普速客車(chē)防火監(jiān)測(cè)的實(shí)際需求，結(jié)合發(fā)電車(chē)已有的設(shè)備，搭建了完整的普速客車(chē)防火實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(cè)體系，融合成完整的防火監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，解決歷史遺留發(fā)電車(chē)火災(zāi)監(jiān)測(cè)的盲點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)普速客車(chē)的實(shí)時(shí)全覆蓋監(jiān)測(cè)，以提高我國(guó)旅客列車(chē)安全監(jiān)測(cè)能力。

1 TCDS火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 TCDS系統(tǒng)簡(jiǎn)介

TCDS系統(tǒng)是為適應(yīng)我國(guó)客車(chē)安全運(yùn)行越來(lái)越高的要求而開(kāi)發(fā)的一種新型客車(chē)安全監(jiān)控系統(tǒng)。它通過(guò)車(chē)載安全監(jiān)控設(shè)備，對(duì)客車(chē)運(yùn)行關(guān)鍵部件進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和診斷，并通過(guò)GPRS、WLAN等通訊技術(shù)，將監(jiān)控信息向地面?zhèn)鬏敗R總，形成實(shí)時(shí)的客車(chē)運(yùn)行安全監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，使各級(jí)車(chē)輛管理部門(mén)及時(shí)掌控客車(chē)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(guò)對(duì)客車(chē)運(yùn)行中的供電、車(chē)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(chē)安全的因素進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，通過(guò)地面監(jiān)控設(shè)施的建立，實(shí)時(shí)掌握客車(chē)的運(yùn)行安全狀況，并在車(chē)輛進(jìn)庫(kù)后指導(dǎo)故障檢修，動(dòng)態(tài)控制客車(chē)應(yīng)用質(zhì)量狀態(tài)，切實(shí)保障客車(chē)運(yùn)行安全。

TCDS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸流程為車(chē)載實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)將運(yùn)行中的監(jiān)測(cè)診斷結(jié)果傳輸?shù)搅熊?chē)級(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(chē)狀態(tài)信息通過(guò)車(chē)載信息無(wú)線傳輸裝置以GPRS方式傳輸至車(chē)輛段；列車(chē)到站時(shí)，在客車(chē)列檢以WLAN方式下載列車(chē)運(yùn)行過(guò)程所記錄的數(shù)據(jù)，再傳輸?shù)娇蛙?chē)整備所及車(chē)輛段，車(chē)輛段、客車(chē)整備所對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、分析、處理。同時(shí)通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)將車(chē)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(xiě)入數(shù)據(jù)庫(kù)，可通過(guò)實(shí)時(shí)網(wǎng)頁(yè)了解當(dāng)前列車(chē)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(chē)火災(zāi)報(bào)警信息的顯示與查詢(xún)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(chē)廂內(nèi)的子系統(tǒng)設(shè)備，以便于實(shí)現(xiàn)車(chē)廂和列車(chē)的控制；遠(yuǎn)程故障診斷和維護(hù)及旅客信息服務(wù)。列車(chē)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(chē)組成的動(dòng)態(tài)性。

列車(chē)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)主要分為列車(chē)級(jí)、車(chē)廂級(jí)兩個(gè)層次，防火報(bào)警器工作在車(chē)廂級(jí)，其通過(guò)網(wǎng)關(guān)與車(chē)廂網(wǎng)絡(luò)連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。火災(zāi)探測(cè)器與火災(zāi)報(bào)警控制器通過(guò)CAN總線連接，火災(zāi)探測(cè)器把實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(guò)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(guò)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(chē)員發(fā)出報(bào)警信息，并且通過(guò)Lonworks網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至列車(chē)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(jiàn)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(chē)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(guò)煙感探測(cè)器、溫度探測(cè)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(lái)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。火警狀態(tài)信息通過(guò)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(cè)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(chē)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)架構(gòu)，在監(jiān)控車(chē)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(guò)RS232串口通信。感溫、感煙探測(cè)器安裝于發(fā)電車(chē)內(nèi)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)各安裝一對(duì)，通過(guò)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(cè)成功與否，并且出錯(cuò)后可自動(dòng)重發(fā)［2］。基于以上種種優(yōu)點(diǎn)，本系統(tǒng)選用CAN總線方式實(shí)現(xiàn)探測(cè)器和火災(zāi)報(bào)警控制器間的通信。系統(tǒng)框圖見(jiàn)圖2。

圖2 發(fā)電車(chē)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)框圖

（1）火災(zāi)探測(cè)器選型

物質(zhì)燃燒會(huì)使周?chē)臏囟劝l(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(jiàn)煙。這樣我們就可以通過(guò)對(duì)可見(jiàn)煙的探測(cè)來(lái)判斷火災(zāi)的發(fā)生。

探測(cè)器選用吸氣、點(diǎn)型暗裝感煙和感溫探測(cè)器成對(duì)安裝。吸氣、點(diǎn)型感煙探測(cè)器是通過(guò)風(fēng)機(jī)將被監(jiān)控區(qū)域的空氣吸入到探測(cè)器單元，檢測(cè)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。可以將探測(cè)器集中安裝在隱蔽的地方或配電柜中，通過(guò)φ10軟管，分別將現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)氣口與吸氣式探測(cè)器進(jìn)氣口連接，這樣就可以吸入檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的空氣。

傳統(tǒng)的點(diǎn)型探測(cè)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(cè)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(chē)車(chē)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(cè)器是很難在車(chē)輛運(yùn)行中捕捉到煙霧的，只有通過(guò)吸氣式探測(cè)器才能變被動(dòng)為主動(dòng)式探測(cè)，達(dá)到早期報(bào)警的目的。在客車(chē)上，探測(cè)器明裝容易被乘客損壞，暗裝時(shí)，乘客接觸不到探測(cè)器，探測(cè)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(cè)器之間的連通，為火災(zāi)探測(cè)器提供可靠的電源，并且實(shí)時(shí)對(duì)探測(cè)器進(jìn)行巡檢，檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)狀態(tài)；實(shí)時(shí)處理由火災(zāi)探測(cè)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(guò)探測(cè)器對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境背景進(jìn)行長(zhǎng)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(cè)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(cè)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(cè)器，記錄每個(gè)探測(cè)器狀態(tài)，如有火警或故障信息，火災(zāi)報(bào)警控制器通過(guò)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(guò)背景自學(xué)習(xí)功能、現(xiàn)場(chǎng)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。火災(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(cè)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(cè)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(kāi)發(fā)的發(fā)電車(chē)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(chē)上真實(shí)環(huán)境，搭建了TCDS安全監(jiān)測(cè)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(cè)器及感溫探測(cè)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(jiàn)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(cè)試驗(yàn)臺(tái)上，感溫、感煙探頭通過(guò)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(guò)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(kāi)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(guò)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(guò)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(jiàn)圖4。

4 結(jié)束語(yǔ)

圖4 火災(zāi)報(bào)警試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)對(duì)鐵路普速客車(chē)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(guò)對(duì)火災(zāi)探測(cè)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(chē)火災(zāi)監(jiān)測(cè)的集中報(bào)警和管理功能。通過(guò)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(guó)普速客車(chē)實(shí)時(shí)安全監(jiān)測(cè)能力進(jìn)一步提升。

［1］ 金 濤.鐵路客車(chē)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(kāi)發(fā)計(jì)劃（2012J006-A）。

9—）女，助理研究員（

2013－12－16）