我國(guó)高速動(dòng)車組火災(zāi)探測(cè)器系統(tǒng)應(yīng)用情況及優(yōu)化提升措施探討

欒 珂，劉克思，戴瑞亮，王正橋，任浩宇

(1. 中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司，江蘇 南京 210031；2. 中國(guó)鐵路濟(jì)南局集團(tuán)有限公司 青島動(dòng)車段，山東 濟(jì)南 266000；3. 中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)有限公司 南京動(dòng)車段，上海 200040；4. 中國(guó)鐵路北京局集團(tuán)有限公司 北京動(dòng)車段，北京 102600；5. 中國(guó)鐵路鄭州局集團(tuán)有限公司 鄭州車輛段，河南 鄭州 453000)

自2004年起，我國(guó)通過(guò)技術(shù)引進(jìn)、消化吸收再創(chuàng)新形成了和諧號(hào)CRH系列動(dòng)車組，主要包括CRH1、CRH2、CRH3、CRH5等技術(shù)平臺(tái)，并在此基礎(chǔ)上繼續(xù)研制了CRH380系列動(dòng)車組。自2013年起，我國(guó)開始研制CR400型和CR300型復(fù)興號(hào)系列動(dòng)車組，對(duì)基本技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)行了統(tǒng)型設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了互聯(lián)互通，主要包括CR400AF、CR400BF等平臺(tái)動(dòng)車組。截至2017年底，我國(guó)動(dòng)車組全部實(shí)現(xiàn)了火災(zāi)監(jiān)測(cè)功能。目前各平臺(tái)動(dòng)車組的煙火報(bào)警系統(tǒng)從總體上看是有效和可靠的，在發(fā)生旅客吸煙、車內(nèi)火情時(shí)均可有效報(bào)出火警，誤報(bào)警比例總體較低。但是，隨著動(dòng)車組保有量不斷增加，煙火報(bào)警系統(tǒng)陸續(xù)暴露出因香水、灰塵干擾觸發(fā)火警導(dǎo)致動(dòng)車組降速運(yùn)行，甚至緊急停車的情況，影響了運(yùn)營(yíng)秩序。

為此，有必要開展技術(shù)攻關(guān)和深入分析，制定動(dòng)車組煙火報(bào)警優(yōu)化方案，從而進(jìn)一步降低誤報(bào)率，減小對(duì)動(dòng)車組運(yùn)營(yíng)的影響。

1 煙火報(bào)警系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、報(bào)警邏輯及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

1.1 煙火報(bào)警系統(tǒng)

動(dòng)車組煙火報(bào)警系統(tǒng)主要由火警主機(jī)和火災(zāi)探測(cè)器組成，其中火災(zāi)探測(cè)器按照TJ/CL 503—2016《動(dòng)車組煙火報(bào)警系統(tǒng)暫行技術(shù)條件》要求，安裝在各車廂的電氣柜(涵蓋PIS柜等)、衛(wèi)生間、客室、司機(jī)室、通過(guò)臺(tái)、廚房、機(jī)械師室、乘務(wù)員室等區(qū)域。煙火報(bào)警系統(tǒng)按照拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分為3種類型：

(1) 類型1：每車設(shè)置1個(gè)煙火報(bào)警主機(jī)，采集本車火災(zāi)探測(cè)器信息，并將火警信息發(fā)給列車網(wǎng)絡(luò)；

(2) 類型2：每標(biāo)準(zhǔn)組設(shè)置1個(gè)煙火報(bào)警主機(jī)，每車設(shè)置1個(gè)車廂控制器，通過(guò)單獨(dú)組網(wǎng)將車廂控制器采集的火災(zāi)探測(cè)器與煙火報(bào)警主機(jī)通信，同時(shí)通過(guò)煙火報(bào)警主機(jī)將火警信息發(fā)給列車網(wǎng)絡(luò)；

(3) 類型3：每標(biāo)準(zhǔn)組設(shè)置1個(gè)煙火報(bào)警主機(jī)，通過(guò)單獨(dú)組網(wǎng)將各車火災(zāi)探測(cè)器與煙火報(bào)警主機(jī)通信，同時(shí)通過(guò)煙火報(bào)警主機(jī)將火警信息發(fā)給列車網(wǎng)絡(luò)。

1.2 火災(zāi)探測(cè)器原理

目前各平臺(tái)動(dòng)車組火災(zāi)探測(cè)器主要有2種，分別為單光源煙溫復(fù)合探測(cè)器(以下簡(jiǎn)稱“單光源探測(cè)器”)、雙光源煙溫復(fù)合探測(cè)器(以下簡(jiǎn)稱“雙光源探測(cè)器”)。其中以單光源探測(cè)器為主，僅在復(fù)興號(hào)部分車組上試裝了雙光源探測(cè)器。單光源探測(cè)器通過(guò)紅外光源散射檢測(cè)空氣中煙霧顆粒濃度達(dá)到設(shè)定閾值或者通過(guò)溫度檢測(cè)達(dá)到設(shè)定閾值時(shí)(復(fù)興號(hào)動(dòng)車組按照技術(shù)條件統(tǒng)一了溫度報(bào)警范圍為69～85 ℃，和諧號(hào)動(dòng)車組未統(tǒng)一)，報(bào)出火警(圖1(a))；雙光源探測(cè)器通過(guò)紅外光、藍(lán)光2種光源檢測(cè)空氣中煙霧顆粒直徑及濃度或者通過(guò)溫度檢測(cè)達(dá)到設(shè)定閾值時(shí)，報(bào)出火警(圖1(b))。雙光源探測(cè)器可通過(guò)識(shí)別顆粒的直徑，區(qū)分空氣中的煙霧、灰塵、液體顆粒，有效避免誤報(bào)。其中，煙霧顆粒直徑較小，一般為0.01～1 μm；灰塵、液體顆粒直徑一般大于2 μm。

圖1 火災(zāi)探測(cè)器原理示意圖

1.3 煙火報(bào)警系統(tǒng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

目前動(dòng)車組煙火報(bào)警系統(tǒng)按照TJ/CL 503—2016標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，并在裝車前取得公安部消防產(chǎn)品CCCF合格認(rèn)證。其中TJ/CL 503—2016標(biāo)準(zhǔn)僅規(guī)定了火災(zāi)探測(cè)器的感煙和感溫的試驗(yàn)要求，CCCF認(rèn)證時(shí)規(guī)定了木材熱解陰燃火、棉繩陰燃火、聚氨脂塑料火、正庚烷火的試驗(yàn)要求。

在機(jī)車有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中，TJ/JW 001C—2014《機(jī)車車載安全防護(hù)系統(tǒng)(6A系統(tǒng))機(jī)車防火監(jiān)控子系統(tǒng)技術(shù)條件》規(guī)定了裝車前線纜燃燒、電路板燃燒、灰塵、水蒸氣等試驗(yàn)要求。

1.4 地面模擬試驗(yàn)

本文借鑒機(jī)車技術(shù)要求，通過(guò)搭建動(dòng)車組衛(wèi)生間實(shí)物模型，開展匹配性模擬試驗(yàn)，并對(duì)單光源、雙光源探測(cè)器的檢測(cè)效果進(jìn)行對(duì)比、驗(yàn)證，主要試驗(yàn)及結(jié)果如下：

(1) 點(diǎn)燃衛(wèi)生紙模擬生活火災(zāi)工況，采用單光源、雙光源探測(cè)器在規(guī)定時(shí)間內(nèi)均發(fā)生報(bào)警；

(2) 點(diǎn)燃線纜模擬電氣火災(zāi)工況，采用單光源、雙光源探測(cè)器在規(guī)定時(shí)間內(nèi)均發(fā)生報(bào)警；

(3) 點(diǎn)燃香煙模擬乘客吸煙工況，采用單光源、雙光源探測(cè)器在1 min內(nèi)均發(fā)生報(bào)警；

(4) 在火災(zāi)探測(cè)器下部，使用水壺?zé)圃焖M廚房工況，采用單光源、雙光源探測(cè)器均未發(fā)生報(bào)警；

(5) 使用膩?zhàn)臃墼谛l(wèi)生間內(nèi)模擬灰塵工況，單光源探測(cè)器在少量膩?zhàn)臃蹏姙? min后，誤報(bào)了火災(zāi)報(bào)警；使用量為前者1倍量、2倍量、4倍量膩?zhàn)臃蹏姙⒑?，雙光源探測(cè)器均未誤報(bào)火災(zāi)報(bào)警，能有效避免灰塵誤報(bào)；

(6) 使用液體顆粒直徑較大的防曬霜模擬香水噴灑試驗(yàn)，采用單光源探測(cè)器，在持續(xù)噴灑濃度較大時(shí)，誤報(bào)了火災(zāi)報(bào)警；雙光源探測(cè)器在持續(xù)噴灑工況下，未發(fā)生報(bào)警，能有效避免香水誤報(bào)。

通過(guò)上述不同工況對(duì)比試驗(yàn)可以得出，雙光源探測(cè)器能夠滿足火災(zāi)報(bào)警要求，抗污染能力強(qiáng)，能有效避免香水等水霧類和灰塵的誤報(bào)，降低誤報(bào)率。

2 不同平臺(tái)動(dòng)車組煙火報(bào)警系統(tǒng)對(duì)比分析

2.1 類型1煙火報(bào)警系統(tǒng)

該類型煙火報(bào)警系統(tǒng)以車廂為單元，獨(dú)立工作，系統(tǒng)信息通過(guò)MVB通信總線(或硬線)上傳TCMS系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控及報(bào)警。其整列架構(gòu)如圖2所示，每節(jié)車廂的煙火報(bào)警系統(tǒng)由1臺(tái)火災(zāi)報(bào)警控制器和若干火災(zāi)探測(cè)器組成。火災(zāi)報(bào)警控制器是煙火報(bào)警系統(tǒng)的控制單元，主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)狀態(tài)顯示、狀態(tài)查詢、狀態(tài)設(shè)置、火災(zāi)報(bào)警?；馂?zāi)探測(cè)器為光電式探測(cè)器，實(shí)時(shí)采集煙霧、溫度數(shù)據(jù)，通過(guò)CAN總線將采集的數(shù)據(jù)傳遞給火災(zāi)報(bào)警控制器。

圖2 類型1煙火報(bào)警系統(tǒng)整列架構(gòu)圖

火災(zāi)探測(cè)器由火災(zāi)報(bào)警控制器提供24 V工作電源，兩者之間通過(guò)CAN總線環(huán)網(wǎng)通信，具有CAN0及CAN1兩路冗余通信(圖3)。各火災(zāi)探測(cè)器為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，火災(zāi)報(bào)警控制器通過(guò)令牌環(huán)配置各節(jié)點(diǎn)地址；火災(zāi)報(bào)警控制器通過(guò)其內(nèi)部總線實(shí)時(shí)管理、監(jiān)測(cè)各火災(zāi)探測(cè)器，能夠及時(shí)探測(cè)到各位置火災(zāi)探測(cè)器的故障、火警狀態(tài)和內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)總線狀態(tài)。

圖3 類型1煙火報(bào)警系統(tǒng)單車系統(tǒng)架構(gòu)圖

2.2 類型2煙火報(bào)警系統(tǒng)

該系統(tǒng)為整車級(jí)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)信息通過(guò)20 mA電流環(huán)上傳至車輛MON系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控及報(bào)警。系統(tǒng)架構(gòu)如圖4所示，每列車(以8輛編組為例)的煙火報(bào)警系統(tǒng)由煙火報(bào)警主機(jī)、車廂控制器、24 V電源轉(zhuǎn)換模塊和若干火災(zāi)探測(cè)器等主要部件組成。煙火報(bào)警主機(jī)是煙火報(bào)警系統(tǒng)的整車控制單元，主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)狀態(tài)顯示、狀態(tài)查詢、狀態(tài)設(shè)置、火災(zāi)報(bào)警，并通過(guò)20 mA通信總線將狀態(tài)信息上傳至MON系統(tǒng)。火災(zāi)探測(cè)器為光電式探測(cè)器，實(shí)時(shí)采集煙霧、溫度數(shù)據(jù)，通過(guò)FSK總線將采集的數(shù)據(jù)傳遞給車廂控制器。

圖4 類型2煙火報(bào)警系統(tǒng)架構(gòu)圖

車廂控制器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)所在車廂的探測(cè)器信息和回路狀態(tài)，并通過(guò)系統(tǒng)RS485總線將本車廂火災(zāi)探測(cè)器狀態(tài)信息傳輸?shù)綗熁饒?bào)警主機(jī)(圖5)?；芈纺K是車廂控制器的主要工作單元，負(fù)責(zé)接收煙火報(bào)警主機(jī)發(fā)送的控制命令(如復(fù)位、靜音、屏蔽、配置更新)，同時(shí)將火災(zāi)探測(cè)器狀態(tài)信息進(jìn)行處理后上傳至煙火報(bào)警主機(jī)。

圖5 車廂控制器工作原理

2.3 類型3煙火報(bào)警系統(tǒng)

該系統(tǒng)由火警主機(jī)和火災(zāi)探測(cè)器組成，以CRH1A-A型動(dòng)車組為例，每標(biāo)準(zhǔn)列設(shè)置1個(gè)火警主機(jī)，其煙火報(bào)警系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖6所示。煙火報(bào)警系統(tǒng)的工作原理為：火災(zāi)探測(cè)器對(duì)檢測(cè)區(qū)域的煙霧濃度和溫度進(jìn)行檢測(cè)，并通過(guò)通信電纜將信息傳給火警主機(jī)，火警主機(jī)與TCMS進(jìn)行通信。當(dāng)某一區(qū)域的煙霧濃度或溫度達(dá)到報(bào)警閾值時(shí)，該區(qū)域的火災(zāi)探測(cè)器報(bào)警燈點(diǎn)亮，同時(shí)火警主機(jī)上顯示報(bào)警位置、報(bào)警時(shí)間以及報(bào)警類型，并發(fā)出聲光報(bào)警。

2.4 既有復(fù)興號(hào)雙光源探測(cè)器與單光源探測(cè)器差異

通過(guò)對(duì)不同類型的煙火報(bào)警系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、硬件配置、通信方式等進(jìn)行對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，在探測(cè)回路通信方式上存在差異。如將單光源探測(cè)器改造為雙光源探測(cè)器，需要對(duì)不同平臺(tái)使用的單光源探測(cè)器與雙光源探測(cè)器差異性進(jìn)行分析。表1從電氣接口與機(jī)械接口等方面進(jìn)行了對(duì)比分析。

表1 既有復(fù)興號(hào)雙光源探測(cè)器與現(xiàn)有單光源探測(cè)器對(duì)比

通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，部分車型與既有復(fù)興號(hào)雙光源探測(cè)器的機(jī)械接口、電氣接口和通信方式一致，可以直接替換；而部分車型的機(jī)械接口、電氣接口和通信方式不一致，無(wú)法直接替換。

3 衛(wèi)生間雙光源探測(cè)器改造思路

由前文故障統(tǒng)計(jì)結(jié)果可見，煙火報(bào)警誤報(bào)區(qū)域以衛(wèi)生間為主，因此通過(guò)對(duì)衛(wèi)生間探測(cè)器進(jìn)行改造可大大降低煙火報(bào)警誤報(bào)率。通過(guò)對(duì)CR400AF平臺(tái)動(dòng)車組衛(wèi)生間進(jìn)行雙光源探測(cè)器試裝改造，在運(yùn)用考核中未發(fā)生誤報(bào)警問(wèn)題，具備了雙光源探測(cè)器在各平臺(tái)推廣應(yīng)用的基礎(chǔ)，改造思路如下：

(1) 對(duì)于與既有復(fù)興號(hào)雙光源探測(cè)器機(jī)械接口、電氣接口和通信方式一致的部分車型，可將單光源探測(cè)器直接更換為既有雙光源探測(cè)器。改造時(shí)保持線纜、火災(zāi)報(bào)警控制器不變，將衛(wèi)生間、PIS柜區(qū)域單光源探測(cè)器直接更換為既有雙光源探測(cè)器，對(duì)煙火報(bào)警系統(tǒng)軟件配置進(jìn)行更新。用煙霧發(fā)生器噴射新安裝的衛(wèi)生間雙光源探測(cè)器，確認(rèn)在火災(zāi)報(bào)警控制器和網(wǎng)絡(luò)TCMS顯示屏上能夠正常報(bào)警。

(2) 對(duì)于機(jī)械接口、電氣接口和通信方式不一致的部分車型，因無(wú)法直接替換，需重新研發(fā)新型雙光源探測(cè)器后再進(jìn)行更換。改造需使用重新研發(fā)的機(jī)械尺寸一致的新型雙光源探測(cè)器，保持線纜、火災(zāi)報(bào)警控制器不變，將衛(wèi)生間、PIS柜區(qū)域單光源探測(cè)器直接更換為新型雙光源探測(cè)器。

(3) 此外，還有一部分車型動(dòng)車組因裝用的進(jìn)口煙火報(bào)警系統(tǒng)與既有國(guó)產(chǎn)雙光源探測(cè)器不兼容，但誤報(bào)率不高，綜合考慮煙火報(bào)警系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性、可靠性、安全性等方面，后續(xù)可結(jié)合煙火報(bào)警系統(tǒng)壽命到限更新時(shí)使用新研發(fā)的雙光源探測(cè)器。新研發(fā)雙光源探測(cè)器除符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)外還應(yīng)滿足如下條件：(a) 能夠有效降低灰塵、香水等非煙霧顆粒引起的煙火報(bào)警誤報(bào)率；(b) 探測(cè)器是可編址光學(xué)感煙/感溫探測(cè)器，感煙和感溫功能是獨(dú)立的，便于獨(dú)立或組合使用，探測(cè)器地址的設(shè)置采用DIP撥碼開關(guān)；(c) 探測(cè)器與現(xiàn)車煙火報(bào)警系統(tǒng)的單光源探測(cè)器在機(jī)械接口、電氣接口和通信協(xié)議上保持一致；(d) 改造后的煙火報(bào)警系統(tǒng)功能與改造前功能完全一致，煙火報(bào)警主機(jī)上可正常查看衛(wèi)生間雙光源探測(cè)器的煙霧值和溫度值等參數(shù)。

(4) 改造后運(yùn)維要求。實(shí)施衛(wèi)生間雙光源探測(cè)器后，對(duì)司機(jī)及機(jī)械師操作、應(yīng)急處置、運(yùn)用修及高級(jí)修均為無(wú)影響。對(duì)于備品備件，造修單位和使用單位需根據(jù)不同車型配備相應(yīng)的雙光源探測(cè)器。

4 建議

(1) 對(duì)于進(jìn)口煙火報(bào)警系統(tǒng)(含雙光源探測(cè)器)，原供應(yīng)商重新開發(fā)周期長(zhǎng)且不確定性高，可進(jìn)行整套煙火報(bào)警系統(tǒng)國(guó)產(chǎn)化，并研發(fā)國(guó)產(chǎn)化雙光源探測(cè)器，替換原進(jìn)口煙火報(bào)警系統(tǒng)，衛(wèi)生間采用雙光源探測(cè)器，車輛原線纜及安裝接口不變；

(2) 可結(jié)合運(yùn)用修及高級(jí)修，將衛(wèi)生間單光源探測(cè)器全部更換為雙光源探測(cè)器，更換下的單光源探測(cè)器檢修合格后，可用于新造或高級(jí)修車輛衛(wèi)生間以外的火災(zāi)探測(cè)區(qū)域；

(3) 后續(xù)新造動(dòng)車組，可從招標(biāo)文件、技術(shù)合同等層面明確要求，對(duì)于衛(wèi)生間、PIS柜等容易發(fā)生誤報(bào)的區(qū)域采用雙光源探測(cè)器，從源頭設(shè)計(jì)保證；

(4) 動(dòng)車組制造單位和使用單位應(yīng)共同深入開展煙火報(bào)警系統(tǒng)試驗(yàn)技術(shù)和試驗(yàn)規(guī)范研究，進(jìn)一步指導(dǎo)新造產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，制定煙火報(bào)警系統(tǒng)統(tǒng)型統(tǒng)圖技術(shù)條件，實(shí)現(xiàn)不同廠家主要維護(hù)單元的通用互換，有效降低全壽命周期維護(hù)成本。