160 km/h動力集中動車組煙火報警系統誤報警故障分析

王 路 中國鐵路上海局集團有限公司合肥車輛段

1 引言

160 km/h動力集中動車組煙火報警器采用雙光源探測迷宮技術、智能算法及感溫電纜復合傳感器等新技術，安裝在拖車的硬座客室、軟臥包間、硬臥間、四合一柜、衛生間等部位，由各個防控區間的探測器與火災報警控制器組成了分布智能的煙火報警系統，為動車組的電氣防火運用安全提供了有效保障。但在實際運用中，出現了少量的誤報警，即無實際煙火而系統出現報警。本文從煙火報警系統的組成結構、工作方式、報警原理、誤報案例等方面，對誤報警故障進行了分析，提出了改進措施，并對雙光源粒子感煙探測器運用在普通25T型客車上的可能性進行了探討。

2 煙火報警系統的組成和工作原理

2.1 本車報警組成和報警機制

本車火災報警系統由1個火災報警控制器、17個（最多）感煙探測器、一個感溫電纜火災探測器及感溫電纜組成，其中感煙探測器及感溫電纜火災探測器由火災報警控制器供電，感溫電纜火災探測器可接感溫電纜。

當設置在防控區域的探測器感知到火情時，將火災信號傳送至火災報警控制器，控制器會自動判斷是否為本次火災的首次報警，如果是首次報警，首先對火警信號進行確認處理，經循環確認后，若火警信號仍然存在，則顯示該部位火警狀態、亮火警燈、顯示首次報警時間、響火警音，并且實時將本節火警狀態上傳網關及其它車廂控制器。

當火災報警控制器檢測到探測器發生故障、連線發生開路/短路時，顯示屏顯示故障信息、開啟液晶屏背光源及故障燈、響故障音，并且實時將本節火警狀態上傳網關及其它車廂控制器。

2.2 全列聯網報警系統的組成和報警機制

當某一車廂有火警時，全列車廂火災報警控制器都鳴火災報警音、亮火警指示燈并顯示火警車廂號、火災報警部位（即探測器編號）及火災報警時間等。在此次火警之后，該車廂其他部位或其它車廂有火警時，全列車廂火災報警控制器同樣都鳴火災報警音、亮火警指示燈，并在前一條火警信息后按照統一格式顯示本次火警信息。

當火警車廂進行消音時，火警車廂的火災報警聲消除并向外發送消音信息，對整列車火警系統進行消音；當火警車廂進行復位時，火警車廂的火災報警聲、火災報警指示燈顯示消除并向外發送復位信息，對整列車火警系統進行復位。任意非報警車廂進行復位或消音時，只能復位或消音非報警車廂。

當某一車廂有故障時，如探測器與控制器之間有接觸不良或發生開路、短路故障，故障所在車廂的火災報警控制器鳴故障音、亮故障指示燈并顯示故障車廂號、故障報警部位（即探測器編號）及故障報警時間等相關信息，其余非故障車廂的火災報警控制器都亮故障指示燈并顯示故障報警信息，但不啟動報警音。

整列火災報警系統原理如圖1所示，通過RS485通訊將每節的火警系統連接，單節自成體系，可以互聯互通，可以自由編組，任意一個火警或故障全列都清楚并可查歷史記錄。

圖1 整列火災報警系統原理圖

2.3 煙火報警系統與動車組安全環路的關系和影響

火災報警系統觸發報警后，可使本車火警安全環觸點閉合，接通動力車安全環繼電器、蜂鳴器、指示燈得電回路，觸發動力車的火災報警；同時火災報警控制器通過列車Lonworks總線，將火災報警信息傳送給動力車司機操縱臺顯示屏，提示司機發生火警。火災報警環路及網絡信號原理如圖2所示。

圖2 火災報警環路及網絡信號原理圖

3 雙光源粒子感煙探測器在160 km/h動力集中動車組成功應用

3.1 光電感煙探測器防誤報迭代優化過程

目前，火災報警系統使用的感煙探測器為光電感煙探測器（單光），利用火災煙霧對光產生的散射作用來探測火災，響應靈敏度高，可以迅速發現火情，但其缺點是不能區分火災煙霧和灰塵、油霧等顆粒物，極易引起誤報警。針對誤報警問題開展了大量的研究和試驗，不斷進行產品的持續優化改進。

基本過程可分為以下4個階段：

第一階段，通過防火系統的軟件設計，使防火系統具備環境自適應功能，隨著環境中的灰塵量緩慢增加，逐步提升防火系統的判定底值；

第二階段，調整防火探測器靈敏度及延長判斷時間；第三階段，加裝防灰塵過濾裝置；

第四階段，使用抗灰塵、水霧的新型雙光源粒子感煙探測器。經過以上階段不斷迭代優化，煙霧光電傳感器開始采用雙光源粒子感煙探測器。

3.2 雙光源粒子感煙探測器

3.2.1 煙霧粒子與灰塵粒子區別

煙顆粒是指人的肉眼可見的燃燒生成物，其粒子直徑為0.01μm~2μm液體或固體微粒，大部分低于1μm，具有很大的流動性和凝并性；灰塵粒子全部大于2μm，一般在10μm以上。

根據理論測試結果，煙霧粒子的聚合體分布直徑見圖3，煙霧粒子的尺寸分布直徑以0.2μm~2μm為主。

圖3 煙霧粒子分形凝并尺寸分布

3.2.2 雙光源探測器報警機理

圖4 探測器內部結構圖

雙光源探測器采用獨特的光學迷宮設計，內部結構如圖4所示，迷宮內部設有紅外發光管、藍光發光管和光敏接收管，利用藍光（可見光）與紅外光兩種光的波長不同而對不同顆粒的散射不同，1μm以下粒子對兩種光的散射積分數據會隨著粒子濃度的增加而比值增加，當1μm以下粒子濃度達到m=0.16 dB/m時，兩種光的散射積分數據比值大于測量設置初始值，隨著1μm以下粒子濃度增加積分數據比值會進一步加大；灰塵顆粒是超過2μm以上的粒子，在藍光（可見光）與紅外光兩種光中散射的積分數據比值基本為1：1，隨顆粒濃度增加采集的積分數值都在增加，比值基本沒有變化，一般在一定范圍以下（不同設計方案數值不同但都有相對關系），以此通過兩種光散射的數值比例變化來區分煙霧及灰塵顆粒。

160 km/h動力集中動車組使用的雙光源感煙探測器，m值的取值范圍為0.11 dB/m～0.21 dB/m，既提高現有動車組探測器的靈敏度，達到早期迅速報警，又可以防止灰塵等引起的誤報警。與早期型號單光源傳感器比較，性能在以下方面有顯著改善：

（1）火災靈敏度高

在火災陰燃階段就可以報警，無需采用延時、降低靈敏度手段；

（2）防誤報能力強

粒子感煙探測器具備抗灰塵、水霧及其他液體顆粒干擾功能；

（3）環境適應性強

粒子感煙探測器的工作溫度為-40℃~+85℃，相對于一般感煙探測器-40℃~+70℃的工作溫度來說更耐高溫；

（4）安全環路控車穩定

單光源感煙探測器總是誤報，無法進行安全環路控車，雙光源粒子感煙探測器解除了這方面的憂慮。

4 典型誤報警故障分析

4.1 因煙火報警器主機傳感器探頭不適應新的工作環境引起的誤報警

在160 km/h動力集中動車組中某些探測器位于空調口等容易產生水蒸氣的位置易誤報警，用空氣加濕器產生水蒸氣進行反復試驗，發現如下規律：

（1）探頭越靠近加濕器，水蒸氣濃度越大的地方反而不容易報警，探頭離加濕器較遠，水蒸氣濃度低的地方容易報警，說明加濕器產生的水蒸氣粒子大小在變化，離出口近的地方水蒸氣粒子直徑大，探頭可以區分出而不易產生誤報火警。

（2）隨著水蒸氣遠離加濕器噴口，水蒸氣粒子的直徑在變小，接近煙霧的粒子大小，探頭難以區分，易發生誤報火警現象。

因此，應科學合理布局傳感器安裝位置，確保工作環境符合工況要求。

4.2 因傳感器探頭安裝不當引起的誤報警

配屬某局的160 km/h動力集中動車組，發生臥車包間4位煙火探頭誤報警。對事件進行分析發現臥車包間回風裝置結構如圖5所示，其中最左邊的就是回風腔，右邊是十個包間前走廊進風口，除了進風口和回風口外，整個回風裝置是長度為22 m的玻璃鋼密封通道。當空調工作時，從進風口進入的空氣溫度和回風裝置內的空氣溫度存在較大差值，會產生冷凝水，并隨著氣流流向回風腔處，從而導致安裝在回風腔內的煙火探頭出現誤報警。

圖5 拖車風道布置示意圖

因此，應重新科學布局拖車煙火報警器探頭位置，將4位傳感器移出回風腔。

4.3 因報警協議不兼容使數據無篩選引起的誤報警

160 km/h動力集中動車組開行以來，TCDS系統頻發傳遞煙火報警信息。2019年1月23日至2月23日，合肥車輛段支配使用的6005、6006兩列動車組TCDS系統煙火誤報警達119次，分析發現監控軟件對持續不到20 ms的突發報警信號沒有過濾，直接傳遞給車電網關和TCDS監控主機，被TCDS系統不經篩選以報警信息的形式傳遞給平臺網頁造成虛警。因此，可借鑒軸溫報警器的報警模式，修改煙火報警器監控軟件，統一通訊協議，從而進行三次信號持續確認并以消除閃報。

5 現有25T型客車火災報警系統改進措施

160 km/h動力集中動車組火災報警系統是基于25T型客車火災報警系統，進一步優化改進：

一是增加安全環路控車功能、車輛授時功能，保持與列車時間同步；

二是采用雙光源感煙探測器，有效降低誤報警；

三是增加了探測器數量，由原來12個（最多）增加到現在17個（最多）；

四是在四合一電器柜里安裝了1個感溫電纜復合探測器，在柜內安裝了105度的感溫電纜。

對于25T型客車改造可以借鑒160 km/h動力集中動車組火災報警系統，該系統是向下兼容的，符合TJ/CL 425-2014鐵道客車火災報警系統暫行技術條件，控制器不需要更換，僅更換探測器即可。

6 結束語

160 km/h動力集中動車組火災報警系統因探測器采用了雙光源光學迷宮設計，有效提高了系統穩定性，降低了誤報率，且可兼容25T型客車火災報警系統，為旅客列車及動車組的電氣防火運用安全提供了有效保障。