160 km/h动力集中动车组烟火报警系统误报警故障分析

王 路 中国铁路上海局集团有限公司合肥车辆段

1 引言

160 km/h动力集中动车组烟火报警器采用双光源探测迷宫技术、智能算法及感温电缆复合传感器等新技术，安装在拖车的硬座客室、软卧包间、硬卧间、四合一柜、卫生间等部位，由各个防控区间的探测器与火灾报警控制器组成了分布智能的烟火报警系统，为动车组的电气防火运用安全提供了有效保障。但在实际运用中，出现了少量的误报警，即无实际烟火而系统出现报警。本文从烟火报警系统的组成结构、工作方式、报警原理、误报案例等方面，对误报警故障进行了分析，提出了改进措施，并对双光源粒子感烟探测器运用在普通25T型客车上的可能性进行了探讨。

2 烟火报警系统的组成和工作原理

2.1 本车报警组成和报警机制

本车火灾报警系统由1个火灾报警控制器、17个（最多）感烟探测器、一个感温电缆火灾探测器及感温电缆组成，其中感烟探测器及感温电缆火灾探测器由火灾报警控制器供电，感温电缆火灾探测器可接感温电缆。

当设置在防控区域的探测器感知到火情时，将火灾信号传送至火灾报警控制器，控制器会自动判断是否为本次火灾的首次报警，如果是首次报警，首先对火警信号进行确认处理，经循环确认后，若火警信号仍然存在，则显示该部位火警状态、亮火警灯、显示首次报警时间、响火警音，并且实时将本节火警状态上传网关及其它车厢控制器。

当火灾报警控制器检测到探测器发生故障、连线发生开路/短路时，显示屏显示故障信息、开启液晶屏背光源及故障灯、响故障音，并且实时将本节火警状态上传网关及其它车厢控制器。

2.2 全列联网报警系统的组成和报警机制

当某一车厢有火警时，全列车厢火灾报警控制器都鸣火灾报警音、亮火警指示灯并显示火警车厢号、火灾报警部位（即探测器编号）及火灾报警时间等。在此次火警之后，该车厢其他部位或其它车厢有火警时，全列车厢火灾报警控制器同样都鸣火灾报警音、亮火警指示灯，并在前一条火警信息后按照统一格式显示本次火警信息。

当火警车厢进行消音时，火警车厢的火灾报警声消除并向外发送消音信息，对整列车火警系统进行消音；当火警车厢进行复位时，火警车厢的火灾报警声、火灾报警指示灯显示消除并向外发送复位信息，对整列车火警系统进行复位。任意非报警车厢进行复位或消音时，只能复位或消音非报警车厢。

当某一车厢有故障时，如探测器与控制器之间有接触不良或发生开路、短路故障，故障所在车厢的火灾报警控制器鸣故障音、亮故障指示灯并显示故障车厢号、故障报警部位（即探测器编号）及故障报警时间等相关信息，其余非故障车厢的火灾报警控制器都亮故障指示灯并显示故障报警信息，但不启动报警音。

整列火灾报警系统原理如图1所示，通过RS485通讯将每节的火警系统连接，单节自成体系，可以互联互通，可以自由编组，任意一个火警或故障全列都清楚并可查历史记录。

图1 整列火灾报警系统原理图

2.3 烟火报警系统与动车组安全环路的关系和影响

火灾报警系统触发报警后，可使本车火警安全环触点闭合，接通动力车安全环继电器、蜂鸣器、指示灯得电回路，触发动力车的火灾报警；同时火灾报警控制器通过列车Lonworks总线，将火灾报警信息传送给动力车司机操纵台显示屏，提示司机发生火警。火灾报警环路及网络信号原理如图2所示。

图2 火灾报警环路及网络信号原理图

3 双光源粒子感烟探测器在160 km/h动力集中动车组成功应用

3.1 光电感烟探测器防误报迭代优化过程

目前，火灾报警系统使用的感烟探测器为光电感烟探测器（单光），利用火灾烟雾对光产生的散射作用来探测火灾，响应灵敏度高，可以迅速发现火情，但其缺点是不能区分火灾烟雾和灰尘、油雾等颗粒物，极易引起误报警。针对误报警问题开展了大量的研究和试验，不断进行产品的持续优化改进。

基本过程可分为以下4个阶段：

第一阶段，通过防火系统的软件设计，使防火系统具备环境自适应功能，随着环境中的灰尘量缓慢增加，逐步提升防火系统的判定底值；

第二阶段，调整防火探测器灵敏度及延长判断时间；第三阶段，加装防灰尘过滤装置；

第四阶段，使用抗灰尘、水雾的新型双光源粒子感烟探测器。经过以上阶段不断迭代优化，烟雾光电传感器开始采用双光源粒子感烟探测器。

3.2 双光源粒子感烟探测器

3.2.1 烟雾粒子与灰尘粒子区别

烟颗粒是指人的肉眼可见的燃烧生成物，其粒子直径为0.01μm~2μm液体或固体微粒，大部分低于1μm，具有很大的流动性和凝并性；灰尘粒子全部大于2μm，一般在10μm以上。

根据理论测试结果，烟雾粒子的聚合体分布直径见图3，烟雾粒子的尺寸分布直径以0.2μm~2μm为主。

图3 烟雾粒子分形凝并尺寸分布

3.2.2 双光源探测器报警机理

图4 探测器内部结构图

双光源探测器采用独特的光学迷宫设计，内部结构如图4所示，迷宫内部设有红外发光管、蓝光发光管和光敏接收管，利用蓝光（可见光）与红外光两种光的波长不同而对不同颗粒的散射不同，1μm以下粒子对两种光的散射积分数据会随着粒子浓度的增加而比值增加，当1μm以下粒子浓度达到m=0.16 dB/m时，两种光的散射积分数据比值大于测量设置初始值，随着1μm以下粒子浓度增加积分数据比值会进一步加大；灰尘颗粒是超过2μm以上的粒子，在蓝光（可见光）与红外光两种光中散射的积分数据比值基本为1：1，随颗粒浓度增加采集的积分数值都在增加，比值基本没有变化，一般在一定范围以下（不同设计方案数值不同但都有相对关系），以此通过两种光散射的数值比例变化来区分烟雾及灰尘颗粒。

160 km/h动力集中动车组使用的双光源感烟探测器，m值的取值范围为0.11 dB/m～0.21 dB/m，既提高现有动车组探测器的灵敏度，达到早期迅速报警，又可以防止灰尘等引起的误报警。与早期型号单光源传感器比较，性能在以下方面有显著改善：

（1）火灾灵敏度高

在火灾阴燃阶段就可以报警，无需采用延时、降低灵敏度手段；

（2）防误报能力强

粒子感烟探测器具备抗灰尘、水雾及其他液体颗粒干扰功能；

（3）环境适应性强

粒子感烟探测器的工作温度为-40℃~+85℃，相对于一般感烟探测器-40℃~+70℃的工作温度来说更耐高温；

（4）安全环路控车稳定

单光源感烟探测器总是误报，无法进行安全环路控车，双光源粒子感烟探测器解除了这方面的忧虑。

4 典型误报警故障分析

4.1 因烟火报警器主机传感器探头不适应新的工作环境引起的误报警

在160 km/h动力集中动车组中某些探测器位于空调口等容易产生水蒸气的位置易误报警，用空气加湿器产生水蒸气进行反复试验，发现如下规律：

（1）探头越靠近加湿器，水蒸气浓度越大的地方反而不容易报警，探头离加湿器较远，水蒸气浓度低的地方容易报警，说明加湿器产生的水蒸气粒子大小在变化，离出口近的地方水蒸气粒子直径大，探头可以区分出而不易产生误报火警。

（2）随着水蒸气远离加湿器喷口，水蒸气粒子的直径在变小，接近烟雾的粒子大小，探头难以区分，易发生误报火警现象。

因此，应科学合理布局传感器安装位置，确保工作环境符合工况要求。

4.2 因传感器探头安装不当引起的误报警

配属某局的160 km/h动力集中动车组，发生卧车包间4位烟火探头误报警。对事件进行分析发现卧车包间回风装置结构如图5所示，其中最左边的就是回风腔，右边是十个包间前走廊进风口，除了进风口和回风口外，整个回风装置是长度为22 m的玻璃钢密封通道。当空调工作时，从进风口进入的空气温度和回风装置内的空气温度存在较大差值，会产生冷凝水，并随着气流流向回风腔处，从而导致安装在回风腔内的烟火探头出现误报警。

图5 拖车风道布置示意图

因此，应重新科学布局拖车烟火报警器探头位置，将4位传感器移出回风腔。

4.3 因报警协议不兼容使数据无筛选引起的误报警

160 km/h动力集中动车组开行以来，TCDS系统频发传递烟火报警信息。2019年1月23日至2月23日，合肥车辆段支配使用的6005、6006两列动车组TCDS系统烟火误报警达119次，分析发现监控软件对持续不到20 ms的突发报警信号没有过滤，直接传递给车电网关和TCDS监控主机，被TCDS系统不经筛选以报警信息的形式传递给平台网页造成虚警。因此，可借鉴轴温报警器的报警模式，修改烟火报警器监控软件，统一通讯协议，从而进行三次信号持续确认并以消除闪报。

5 现有25T型客车火灾报警系统改进措施

160 km/h动力集中动车组火灾报警系统是基于25T型客车火灾报警系统，进一步优化改进：

一是增加安全环路控车功能、车辆授时功能，保持与列车时间同步；

二是采用双光源感烟探测器，有效降低误报警；

三是增加了探测器数量，由原来12个（最多）增加到现在17个（最多）；

四是在四合一电器柜里安装了1个感温电缆复合探测器，在柜内安装了105度的感温电缆。

对于25T型客车改造可以借鉴160 km/h动力集中动车组火灾报警系统，该系统是向下兼容的，符合TJ/CL 425-2014铁道客车火灾报警系统暂行技术条件，控制器不需要更换，仅更换探测器即可。

6 结束语

160 km/h动力集中动车组火灾报警系统因探测器采用了双光源光学迷宫设计，有效提高了系统稳定性，降低了误报率，且可兼容25T型客车火灾报警系统，为旅客列车及动车组的电气防火运用安全提供了有效保障。