Zigbee无线火灾自动报警系统在铁路隧道中的应用探讨

秦宁然

（1.成都铁路公安局，四川 成都 610081；2.中国人民警察大学，河北 廊坊 065000）

近年来我国铁路处于快速建设阶段，我国多山岭等复杂地形地质，不仅增加了铁路建设的难度，也给铁路隧道消防安全提出了难题。我国多次发生铁路隧道火灾，造成了大量经济财产损失和人员伤亡，如1991年京广复线大瑶山隧道火灾，造成了12人死亡20人受伤的惨剧。铁路运输线长、隧道空间密闭、疏散条件差、施救条件不利，一旦发生火灾，大量的有毒烟气会聚集在隧道内导致重大人员伤亡［1］，所以铁路隧道消防安全一直是铁路行业研究的重点。

一、铁路隧道自动报警系统设计现状

由于我国铁路隧道自动报警系统的研究较晚，目前多数铁路隧道内没有设置任何火灾自动报警系统。隧道紧急出口、避难所，以及紧急救援站内的防烟风机、应急照明和疏散指示等消防设施要依靠隧道内的手动启动按钮、工区或调度所远程控制才能启动，消防设施无法实现联动启动。一旦列车失火后出现停车断电的情况，而应急照明、疏散指示未正常远程开启时，隧道内将一片漆黑。漆黑的环境将造成严重的人员恐慌和混乱，极易导致二次事故的发生。在慌乱中工作人员更加难以找到手动启动按钮，可能严重延误消防设施的启动时间。为了探索适用于铁路隧道的火灾自动报警系统，就要研究参考轨道交通隧道常用的火灾探测器［2］，常见的几种探测器及其各自特点见表1。

现在新建的铁路隧道多采用线型感温探测器（感温光纤或缆式感温探测器）［3］。但事实上，列车停车后的一段时间内，隧道会受到较强的列车活塞风作用，烟气在短时间内并没有像常规火灾一样升到隧道顶部，活塞风还会同时带走大量的热量［4］，这都不利于线型感温探测器原件的启动。而且这种探测器无法探测列车车厢内部初起火灾，不能实现尽早报警和联动启动隧道消防设施的目的。

表1 轨道交通隧道工程中常见的火灾探测器

还有很多新建客运专线铁路隧道采用了列车速度监控装置代替火灾自动报警系统，其原理是采集CRH高速动车组车厢内发生火灾报警后列车减速运行的信号作为报警信号。具体是在隧道两侧安装无线信号发射和接收装置（如图1所示）。当列车以正常速度通过时，装置不会启动报警；当列车因车厢内的火灾探测器报警（或触发手动报警按钮）后减速运行时，列车速度监控装置会引发报警。列车速度监控装置以每列列车的长度作为速度监控装置的设置间距，大大降低了成本，且安装简单、维护成本低、响应速度快。但由于该系统不是靠感知火灾产生的烟气、温度或者火焰实现报警的，非火警引起的减速、停车都可能引发装置报警，故可靠度稍差。

图1 某铁路隧道壁上安装的列车速度监控装置

二、基于Zigbee技术的铁路隧道无线火灾自动报警系统

（一）Zigbee火灾自动报警系统组成

Zigbee是一种基于IEEE802.15.4无线通信协议标准的新兴无线双向通信技术［5］，是一种介于WIFI和蓝牙之间的技术，主要适用于短距离、低数据传输速率无线通信。它由于具有功耗低、成本低、网络容量大、低延时、自组网、自适应、嵌入性强等优点［6］，在短时间内获得了快速发展。

基于Zigbee技术的无线火灾报警系统主要有三种设备：一是协调器。一个Zigbee网络只允许有一个协调器，主要是启动和配置网络，负责维护网络正常工作、保持同其他网络设备的通信。二是路由器。这是一种支持关联的设备，能够将消息转发到其他设备。Zigbee网络可以有多个路由器。三是终端设备。该设备完成报警探测功能，并和Zigbee网络上其他设备通信［7］。Zigbee无线火灾报警系统组成如图2所示，终端节点和探测器连接如图3所示。

图2 Zigbee无线火灾自动报警系统结构图

图3 终端节点传感器连接模块连接示意图

（二）Zigbee火灾报警系统和光纤火灾报警系统对比

Zigbee火灾自动报警系统融合了火灾探测、无线通信和单片机等技术。与目前轨道交通隧道中普遍使用的光纤感温火灾探测系统相比，Zigbee火灾报警系统在传输距离方面稍逊，但其他技术参数均占优势［8］，两种系统的性能比较见表2。除此之外，Zigbee技术的拓扑结构使其具有较强的扩展性（如图4所示）。

表2 Zigbee火灾报警系统与光纤感温报警系统的比较

图4 Zigbee的网络拓扑结构

三、铁路隧道Zigbee无线火灾报警系统应用

（一）铁路隧道防灾救援疏散系统简介

随着铁路的快速建设和对隧道安全的不断重视，我国在2012年实施了《铁路隧道防灾救援疏散工程设计规范》（TB10020），其中指明了长大铁路隧道人员疏散和救援的指导思想：列车在隧道内发生火灾事故后，首先应将事故列车拉到洞外进行疏散；如果事故列车不能驶出洞外，应控制列车停靠在最近的紧急救援站进行疏散［9］；当无法行驶至紧急救援站时，应当停靠在紧急出口或避难所进行疏散和救援［10］。

铁路隧道紧急出口、避难所和紧急救援站的疏散通道上均设有防烟系统、应急照明、疏散指示系统等消防设施，这些消防设施均可实现工务级和调度所级远程控制，但正线隧道和防灾救援疏散通道现场控制方式有所不同。正线铁路隧道安装的应急照明、疏散指示标志现场级控制主要有三种方式：一是现场控制柜启动，二是通过正线隧道两侧内壁上的按钮启动，三是通过隧道安装的列车速度监控装置或火灾自动报警系统联动启动。紧急出口、避难所、紧急救援站疏散通道中的疏散指示、应急照明及防排烟系统等消防设施，现场级控制有两种方式：一是现场控制柜启动；二是手动启动正线隧道进入疏散通道的防护门入口处设置的一键启动按钮，此按钮不具备联动启动的功能［11］。例如某双洞单线铁路隧道互为疏散紧急出口及风机分布如图5所示，该隧道长度为19981米，隧道内设置5处互为疏散的横通道，当右线隧道发生火灾时，监控装置在收到列车减速信号或接收火灾报警信号后，会即刻启动正线隧道照明和疏散指示标志。但是需要人员下车到横通道入口处触发启动按钮，方可开启左线隧道两端正压送风机（各设置6台SLFJ-100型射流风机），使各疏散横通道内产生正压风速，阻止烟气窜入疏散通道，保证人员迎着新风行走，实现人员的安全疏散。

铁路隧道疏散通道的安全是确保旅客逃生的基本保证，疏散通道中应急照明和防排烟系统都是人员疏散的必要条件。尤其是在空间闭塞的隧道，必须保证烟气的有效控制方可确保人员安全。由于防排烟风机启动时间较长，对于某些长大隧道要使疏散通道入口处、防护门处产生稳定的正压风速，风机需要提前开启，否则横通道防护门断面处的防烟风速不能满足疏散条件，将对隧道内人员的安全疏散带来巨大的隐患。例如图5所示的某双洞单线隧道紧急救援站，从防烟风机开始启动至各横通道门洞断面处产生大于2米/秒的风速的时间如图6所示，可以看出从风机开始启动到产生符合规范要求的正压风速需要3分钟左右的时间，在此之前是不能保证隧道横通道人员安全疏散环境的，因此风机尽早进入工作状态对人员安全疏散至关重要。这就要求自动报警系统尽早报警，并联动开启防排烟风机。

图5 某双洞单线铁路隧道紧急出口及风机布置图

图6 某铁路隧道紧急出口防护门处的正压风速

（二）铁路隧道Zigbee无线火灾报警系统设计方案

动车组车厢内设有火灾自动报警系统，能第一时间探测火灾实现报警，在列车头部加装和列车火灾自动报警系统关联的无线火警发射装置，可以作为Zigbee网络终端节点。该终端节点可实现列车起火后，列车火灾报警控制器报警，同时向周边发射无线火灾报警信号。铁路正线隧道内可按照Zigbee网络传输距离的要求，利用隧道应急照明和疏散指示标志的电源（为双电源供电加备用蓄电池供电的可靠电源），每间隔30米设置一个路由节点，采集动车组发出的火灾信号。将火灾报警信号作为联动开启隧道内消防设施的触发信号，可实现列车车厢内起火第一时间的火灾报警。

动车组内违章吸烟等其他因素引发的报警器误动作时有发生，会影响火灾报警系统的可靠性，现行《火灾自动报警系统设计规范》（GB50116-2013）也要求消防设施的联动触发信号采用两个独立的报警触发信号，将隧道内设置的列车速度监控装置纳入Zigbee无线火灾报警系统，使得隧道内消防设施在同时接到列车无线火警信号和列车速度监控装置报警信号后，联动开启隧道消防设施，如图7所示。为了进一步提高系统可靠度，还可在列车司机室和监控室内设置直接启动隧道消防设施的一键启动按钮，该按钮通过独立的网络终端节点进行控制。在系统联动启动隧道消防设施失败时，司机或随车机械师可在车内手动开启隧道消防设施。

由于列车发生火灾后处置的原则是使列车停留在便于疏散和救援的场所进行处置，因此列车在隧道内发生火灾后仍可能会行驶一段距离。若列车通过多个不能满足疏散条件的隧道时，将引起驶过途径隧道消防设施全部启动，给电力系统带来较大的负担。为保证电力系统的稳定和疏散场地消防设施的正常工作，同时确保系统工作的可靠性，Zigbee无线火灾自动报警系统触发启动的消防设施应在列车无线火警信号和列车速度监控装置报警信号均消失后自动关闭，以保证列车驶经隧道的消防设施处于关闭状态。

此外，在轨道检测列车安装Zigbee网络监控计算机，可以收集Zigbee无线火灾自动报警系统报警控制器和各节点及模块等关键设备的工作状态、运行记录和故障信息，还可并入目前正在建设中的“铁路智慧消防”系统，减少工作人员在隧道内排查设备故障的烦琐工作。

图7 Zigbee无线火灾自动报警系统设计方案

五、小结

通过对比传统火灾自动报警装置，Zigbee无线火灾自动报警技术在铁路长大隧道方面的应用具有以下显著优势：

第一，隧道利用Zigbee技术直接采集列车火灾信号，可大大缩短隧道内消防设施联动开启时间，使隧道在列车停车前提前达到人员疏散的条件。

第二，将隧道速度监控装置纳入Zigbee火灾报警系统，可有效消除消防设施的误动作，实现事故列车驶经隧道消防设施的自动启停。

第三，在轨道检测列车安装Zigbee网络监控计算机，可收集大量设备信息，提升工作效率。

基于Zigbee的无线技术，同样可将隧道瓦斯探测装置、隧道环境监测装置、隧道电力监控装置、涌水监测装置、塌方落石监控装置等纳入监控网络，进一步保证隧道内行车安全。