普速客车防火监测系统架构设计与实现*

申宇燕，关晓晔，宋 娜，戴 津，卢万平

（中国铁道科学研究院 机车车辆研究所，北京100081）

普速客车防火监测系统架构设计与实现*

申宇燕，关晓晔，宋 娜，戴 津，卢万平

（中国铁道科学研究院 机车车辆研究所，北京100081）

基于旅客列车防火监测的实际需求，结合发电车已有设备，构建了完整的普速客车防火实时监测系统的架构，解决了历史遗留的发电车火灾监测的盲点，实现普速客车的实时全覆盖监测，以提高我国旅客列车安全监测能力。

普通客车；安全；防火监测

列车安全一直是铁路重点研究的课题，防火系统则是列车安全系统的重要组成部分。近几年，普速旅客列车的火灾时有发生，给铁路安全运营带来了严重威胁。由于列车内部空间较小，自身携带的消防灭火措施十分有限；而铁路往往远离城市，因此运营列车通常远离地方消防力量。以上两点决定了列车发生火灾时，不仅扑救难度较大，而且会给铁路交通带来极大的危险。因此，为列车安装一套可靠、高效的火灾报警系统，可以在较早的时间发现火灾，减少损失，保障乘客的生命和财产安全。

目前普速客车已安装火灾报警系统，车辆的运行状况及报警信息通过客车运行安全监测系统（Train Coach running Diagnosis System，简称TCDS）实时发送至地面监控中心，能够对客车火灾事故采取及时防范与处理，但是发电车未实现火灾报警监控，鉴于发电车火灾事故的频发，迫切需要加装发电车火灾报警系统。本文基于普速客车防火监测的实际需求，结合发电车已有的设备，搭建了完整的普速客车防火实时监测系统的架构，其主要的出发点就是充分利用现有两大监测体系，融合成完整的防火监测系统，解决历史遗留发电车火灾监测的盲点，实现普速客车的实时全覆盖监测，以提高我国旅客列车安全监测能力。

1 TCDS火灾报警系统架构

1.1 TCDS系统简介

TCDS系统是为适应我国客车安全运行越来越高的要求而开发的一种新型客车安全监控系统。它通过车载安全监控设备，对客车运行关键部件进行实时监测和诊断，并通过GPRS、WLAN等通讯技术，将监控信息向地面传输、汇总，形成实时的客车运行安全监控网络，使各级车辆管理部门及时掌控客车运行及安全情况。TCDS作为5T系统（THDS、TADS、TPDS、TFDS、TCDS）的重要组成部分，通过对客车运行中的供电、车下电源、空调、烟火报警、轴温报警器、防滑器、制动系统、转向架动力学性能等影响行车安全的因素进行实时监控，通过地面监控设施的建立，实时掌握客车的运行安全状况，并在车辆进库后指导故障检修，动态控制客车应用质量状态，切实保障客车运行安全。

TCDS系统的数据传输流程为车载实时监控系统将运行中的监测诊断结果传输到列车级主机集中显示报警，并将实时故障报告及列车状态信息通过车载信息无线传输装置以GPRS方式传输至车辆段；列车到站时，在客车列检以WLAN方式下载列车运行过程所记录的数据，再传输到客车整备所及车辆段，车辆段、客车整备所对数据进行存储、分析、处理。同时通过GPRS网络将车载数据与报警信息发送至铁路局地面数据中心，地面数据收发软件负责将数据与报警信息写入数据库，可通过实时网页了解当前列车运行状况。为配合系统的实现，在地面数据中心增加了发电车火灾报警信息的显示与查询功能。

1.2 火灾报警系统体系结构

TCDS系统通信采用Lonworks网络连接车厢内的子系统设备，以便于实现车厢和列车的控制；远程故障诊断和维护及旅客信息服务。列车通信网络的特点是工作环境恶劣，可靠性要求高；操作实时性要求高及列车组成的动态性。

列车网络控制系统主要分为列车级、车厢级两个层次，防火报警器工作在车厢级，其通过网关与车厢网络连接，进行数据交换。火灾探测器与火灾报警控制器通过CAN总线连接，火灾探测器把实时监测到的信息以数据帧的形式传递给火灾报警系统区域控制器，区域控制器通过参数的运算，判断是否发生火灾，如果发生火灾则报警，则其通过自身的终端显示模块（声光报警、液晶显示系统等）向列车员发出报警信息，并且通过Lonworks网络发送至列车级网关，向TCDS主机发送报警信息，系统结构框图见图1。

图1 TCDS火灾报警实时监控系统框图

2 发电车火灾报警系统设计

2.1 系统功能

火灾报警系统能将燃烧时物质所产生的烟雾、热辐射和光辐射，通过烟感探测器、温度探测器转化成电信号［1］，火灾报警控制器根据反馈回来的数据，做出是否发出火灾报警的判断，记录报警事件，同时发出声光报警。系统具备报警确认和取消功能。若存在火警信号，经确认为火警，显示该部位火警状态、报火警音、按确认键通知地面发生有火灾并有人在处理。若经确认火警信号为误报，则按取消键。火警状态信息通过TCDS系统实时发送至地面监控中心。

2.2 系统设计

系统设计了安装16个感温、感烟探测器、火灾报警控制器、3个声光报警器、TCDS主机。为了不破坏现有客车火灾报警系统架构，在监控车内安装了火灾报警器和声光报警器，火灾报警控制器与TCDS主机通过RS232串口通信。感温、感烟探测器安装于发电车内，每个测点各安装一对，通过CAN总线与火灾报警控制器通信。

CAN总线是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行数据通信协议，在数据通讯上具有突出的可靠性、实时性和灵活性。它可以很方便地扩充节点数，传输距离远，传输速率快。具有CRC校验，出错率极低，出错后可自动检测成功与否，并且出错后可自动重发［2］。基于以上种种优点，本系统选用CAN总线方式实现探测器和火灾报警控制器间的通信。系统框图见图2。

图2 发电车火灾报警系统框图

（1）火灾探测器选型

物质燃烧会使周围的温度发生变化，其释放出的大量热会使温度升高。在物质燃烧的不同阶段，温度的变化也是有规律可寻的。在燃烧初期，物质燃烧并不充分，因此其温度上升得非常缓慢，此时并不容易鉴别。在燃烧后期，温度才会骤然升高。但在燃烧初始阶段，由于燃烧的不充分，会产生大量的可见烟。这样我们就可以通过对可见烟的探测来判断火灾的发生。

探测器选用吸气、点型暗装感烟和感温探测器成对安装。吸气、点型感烟探测器是通过风机将被监控区域的空气吸入到探测器单元，检测空气中烟雾粒子浓度，从而达到变被动监控为主动监控。可以将探测器集中安装在隐蔽的地方或配电柜中，通过φ10软管，分别将现场进气口与吸气式探测器进气口连接，这样就可以吸入检测现场的空气。

传统的点型探测器是靠火灾形成烟雾，达到足够的浓度，自然弥漫到探测器迷宫内才能报警，适合于静态相对封闭的空间，而现在的客车车厢在运行中，都有强空调气流，一旦发生火灾，其形成的烟雾会随空调气流在回风口排出，所以，传统的被动式探测器是很难在车辆运行中捕捉到烟雾的，只有通过吸气式探测器才能变被动为主动式探测，达到早期报警的目的。在客车上，探测器明装容易被乘客损坏，暗装时，乘客接触不到探测器，探测系统运行的稳定性大大提高。

（2）火灾报警控制器设计

火灾报警控制器在整个火灾报警系统中发挥着重要的作用。它负责接收、回显、控制，并且它负责与火灾探测器之间的连通，为火灾探测器提供可靠的电源，并且实时对探测器进行巡检，检测系统实时状态；实时处理由火灾探测器传送回的报警信号，进行各种报警及连动操作；在显示器上详细记录出火灾发生的具体位置及传感器火灾报警数据，以备后期分析。

火灾报警控制器通过探测器对现场环境背景进行长时间的采样、数据分析，从而得出更加优化的报警检测阈值；排除由于灰尘、雾气等环境因素可能引起的误报。其内部采用CAN总线方式连接，与探测器间以环形结构CAN总线网络通信，火灾报警控制器负责巡回监控所有探测器，记录每个探测器状态，如有火警或故障信息，火灾报警控制器通过CAN总线上报给系统控制器进行处理，控制器主机可通过背景自学习功能、现场人工完成烟值设定功能等能力，确保系统准确报警，使系统更加可靠。

（3）通信协议设计

数据通信采用异步发送方式。火灾报警控制器每隔10 s向TCDS发送状态数据帧，探测器状态或系统状态发生改变时立即发送此数据帧。状态数据帧包括所有探测器的当前状态（故障、报警、确认、取消）信息。TCDS收到状态数据帧后给火灾报警器回复时钟数据帧，以实现火灾报警器的校时功能。

3 火灾报警试验

3.1 试验环境搭建

为了验证所开发的发电车火灾报警系统设计的合理性及功能的正确性，我们模拟车上真实环境，搭建了TCDS安全监测试验台，试验所需硬件有火灾报警控制器主机1个；感烟探测器及感温探测器各8个；声光报警器1个；TCDS主机1台；烟火模拟装置1个。

火灾报警控制器与TCDS主机均为DC 110 V供电，通讯电缆执行EIA－RS232技术标准，插头可靠连接。工作温度为0℃～＋50℃。试验环境参见图3。

图3 火灾报警试验环境

3.2 火灾报警模拟试验

在TCDS安全监测试验台上，感温、感烟探头通过端子排与火灾报警控制器CAN口相连，声光报警器通过端子排与火灾报警控制器相连，火灾报警控制器与TCDS主机串口1连接。检查所有接线正确后，给各主机通电开机，待确认火灾报警控制器面板显示一切正常，并且和TCDS主机通信正确后，通过烟火模拟装置分别给感温探头加温，给感烟探头烟雾刺激，模拟烟火环境，等待几秒钟，可以看到声光报警器鸣叫并发出闪光提示，通过TCDS地面验收软件可以查看到报警情况，试验结果见图4。

4 结束语

图4 火灾报警试验结果

通过对铁路普速客车火灾报警系统现状进行充分分析，针对现有TCDS系统架构，通过对火灾探测器的选型，对火灾报警控制器硬件结构的设计，以及对通信网络的协议设计，应用CAN总线技术，成功地实现了发电车火灾监测的集中报警和管理功能。通过搭建试验环境，验证了系统设计方案的可行性及正确性。随着防火监控及其他子系统监控技术与TCDS的一体化建设，将会使我国普速客车实时安全监测能力进一步提升。

［1］ 金 涛.铁路客车火灾报警系统的研究［D］.大连：大连交通大学，2005.

［2］ 王教蜂，幸令奇.基于CAN总线的分布式数据采集与控制系统［J］.工业控制计算机，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

*铁道部科技研究开发计划（2012J006-A）。

9—）女，助理研究员（

2013－12－16）