高速動車組火災(zāi)報警系統(tǒng)

謝冰若，趙紅衛(wèi)，高 楓，張順廣，張曉晉，段陽春

（1 中國鐵道科學(xué)研究院 機(jī)車車輛研究所，北京100081；2 唐山軌道客車有限責(zé)任公司，河北唐山063035）

高速動車組火災(zāi)報警系統(tǒng)

謝冰若1，趙紅衛(wèi)1，高 楓1，張順廣1，張曉晉1，段陽春2

（1 中國鐵道科學(xué)研究院 機(jī)車車輛研究所，北京100081；2 唐山軌道客車有限責(zé)任公司，河北唐山063035）

為預(yù)防火災(zāi)、確保乘客和列車安全，高速動車組必須具有火災(zāi)報警功能。文中分析了某型高速動車組火災(zāi)報警系統(tǒng)的構(gòu)成和原理，介紹了比較有特色的火災(zāi)報警安全環(huán)路，從TCMS的角度對火災(zāi)報警系統(tǒng)的使能、測試和診斷功能進(jìn)行了分析，最后總結(jié)了該型動車組火災(zāi)報警系統(tǒng)的特點。

高速動車組；火災(zāi)報警；安全環(huán)路；繼電器；診斷

近年來，我國高速鐵路產(chǎn)業(yè)取得了令世人矚目的發(fā)展［1－3］。高速動車組以其舒適、便捷、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保等優(yōu)點成為很多人首選的出行方式。為預(yù)防火災(zāi)，確保乘客安全，高速動車組必須具有火災(zāi)報警系統(tǒng)，國際鐵路聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn)UIC-642對此有明確要求［4］。

以某型高速動車組為例，分析了火災(zāi)報警系統(tǒng)的構(gòu)成和原理，介紹了比較有特色的火災(zāi)報警安全環(huán)路，從列車控制和管理系統(tǒng)（TCMS：Train Control and Management System）的角度對火災(zāi)報警系統(tǒng)的使能、測試和診斷功能進(jìn)行了分析，最后總結(jié)了該型動車組火災(zāi)報警系統(tǒng)的特點。

1 火災(zāi)報警系統(tǒng)的構(gòu)成和原理

該型高速動車組火災(zāi)報警系統(tǒng)的硬件包括煙霧探測器，火災(zāi)報警系統(tǒng)控制器，繼電器配合電路，火災(zāi)報警安全環(huán)路，聲光報警裝置，110 V輸入輸出工作站等，這些硬件由列車中央控制單元（CCU：Central Control U-nit）的火災(zāi)報警軟件功能包來管理和診斷，其主要功能如下：

（1）煙霧探測器

安裝于列車上一些重要位置，如PIS柜、電氣柜、衛(wèi)生間、牽引變流器、輔助變流器和司機(jī)室等，通過CAN總線可與火災(zāi)報警系統(tǒng)控制器通訊，報告是否有火災(zāi)發(fā)生。特別指出的是安裝在牽引變流器和輔助變流器的不是煙霧探測器而是線性熱感應(yīng)傳感器，但功能與煙霧探測器相同。

（2）火災(zāi)報警系統(tǒng)控制器

在每個車均有安裝，是單車的火災(zāi)報警控制設(shè)備。它有2種工作模式。一種是正常工作模式，這時它通過CAN總線接收各個煙霧探測器的火警信息，如果發(fā)生火災(zāi)，則斷開對應(yīng)火警線和集合火警線的開關(guān)，這將使得正常時得電的火警線繼電器和集合火警線繼電器失電。在這種模式下，任何一個或多個火警線發(fā)生火災(zāi)，集合繼電器都會失電，所以稱為“集合報警”。另一種是火災(zāi)報警測試模式，這種模式下，控制器不再接收煙霧探測器的火警信息，而是按固定時間序列依次斷開各個火警線開關(guān)，使各個火警線繼電器依次失電，判斷各個火警線硬件是否正常。

（3）繼電器配合電路

具有較多功能，包括通過CCU或手動方式使能各火警線和集合火警線的繼電器使其得電；通過CCU或手動方式通知火災(zāi)報警系統(tǒng)控制器來啟動火災(zāi)報警測試；與輸入輸出工作站配合實現(xiàn)各火警線和集合火警線的狀態(tài)檢測；火災(zāi)報警系統(tǒng)控制器的旁路；聲光報警；蜂鳴器的抑制；發(fā)生火警后緊急關(guān)閉空調(diào)等。

（4）火災(zāi)報警系統(tǒng)安全環(huán)路

由各車的集合報警繼電器的觸點串聯(lián)組成，在兩個端車各有一個火警環(huán)狀態(tài)繼電器。任何一個車的任何一個火警線發(fā)生火災(zāi)報警，則該車的集合繼電器會失電，進(jìn)而斷開火警環(huán)使?fàn)顟B(tài)繼電器失電。CCU會通過輸入輸出工作站檢測此火警環(huán)狀態(tài)繼電器的狀態(tài)。

（5）聲光報警裝置

包括各車的蜂鳴器和火警指示燈，端車司機(jī)室的火警指示燈，（HMI：Human Machine Interface）顯示屏的聲光報警和故障碼的顯示。

（6）110 V輸入輸出工作站

由于火災(zāi)報警系統(tǒng)控制器沒有（MVB：Multifunction Vehicle Bus）通訊功能，故通過110 V輸入輸出工作站實現(xiàn)CCU與各車火警硬件的信息交互。一方面將CCU的控制指令轉(zhuǎn)換為電氣信號發(fā)送給火警硬件，如火警繼電器的確認(rèn)，火警系統(tǒng)的測試等。另一方面，檢測火警硬件中繼電器觸點的狀態(tài)，如各火警線、集合火警線的狀態(tài)，反饋給CCU。

該型車短編組含8輛車，圖1給出了在3車的火警線4檢測到發(fā)生火災(zāi)時，火災(zāi)報警系統(tǒng)的工作原理。首先，煙霧探測器4檢測到火災(zāi)，通過CAN總線通知3車的火災(zāi)報警系統(tǒng)控制器。隨后，控制器斷開對應(yīng)火警線4和集合火警線的開關(guān)，使得正常時得電的火警線4繼電器和集合火警線繼電器失電。集合繼電器失電，會緊急關(guān)閉空調(diào)，點亮本車火警指示燈，同時斷開火災(zāi)報警安全環(huán)路。進(jìn)而導(dǎo)致火災(zāi)報警安全環(huán)路狀態(tài)繼電器失電，整列車的蜂鳴器報警。同時，輸入輸出工作站通過檢測火警線繼電器、集合繼電器、火災(zāi)報警環(huán)路狀態(tài)繼電器的觸點狀態(tài)而得到這3種繼電器的狀態(tài)，通過MVB發(fā)送給CCU，最后CCU會點亮全列車內(nèi)部照明，點亮司機(jī)室火警指示燈，并通知HMI顯示屏進(jìn)行聲光報警和顯示火災(zāi)報警故障碼。

2 火災(zāi)報警安全環(huán)路

火災(zāi)報警安全環(huán)路是與列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)相獨立的報警硬線，在列車范圍報告火警。它由各車集合繼電器的常開觸點串聯(lián)組成。

在未發(fā)生火災(zāi)時，集合繼電器得電，常開觸點閉合，此時火警環(huán)路是閉合的，火警環(huán)路狀態(tài)繼電器得電；在發(fā)生火災(zāi)時，集合繼電器失電，常開觸點斷開，此時火警環(huán)路斷開，火警環(huán)路狀態(tài)繼電器失電，火警環(huán)路狀態(tài)繼電器的觸點會點亮司機(jī)室火警指示燈和觸發(fā)全列車蜂鳴器報警。此外，CCU也可以通過輸入輸出工作站讀取環(huán)路狀態(tài)繼電器的狀態(tài)，如果失電，CCU會通知HMI顯示屏發(fā)出聲光報警。

如果在除占用端頭車之外的其他車廂內(nèi)火警安全環(huán)路存在故障而一直斷開，可以通過占用端頭車司機(jī)室的“火災(zāi)報警安全環(huán)路”的故障隔離開關(guān)將其隔離，這樣火警環(huán)路從全列8個車的范圍縮小到占用端頭車范圍。這種情況下，CCU會產(chǎn)生相關(guān)的日志和報文，并顯示在HMI顯示屏上。

3 火警線繼電器和集合繼電器的使能

火災(zāi)報警系統(tǒng)控制器在某火警線發(fā)生火災(zāi)時，斷開該火警線和集合火警線開關(guān)，如果火災(zāi)消失，開關(guān)會重新閉合。但每個車的火警線繼電器和集合繼電器具有斷電自保持功能，在發(fā)生火災(zāi)，火警繼電器失電后，即使火災(zāi)消失，繼電器也不會重新得電。需要列車機(jī)械師核實火災(zāi)情況確保安全后，進(jìn)行手動使能才可以重新得電。另外，在列車剛上電時，CCU通過110 V輸入輸出工作站發(fā)出全列車的火警繼電器使能信號使其得電，火災(zāi)報警電路才可以正常投入工作。

以某車火警線4和集合火警線為例，圖2所示為火警繼電器使能電路。其中，49－K04、49－K11是火警線4繼電器和集合火警繼電器，49－K09是火警使能繼電器，A1－A2表示繼電器線圈，觸點13－14、23－24為各繼電器的常開觸點?；鹁鼓芾^電器49－K09有2種得電方式：一種是由列車機(jī)械師按下自復(fù)位按鈕49－S11得電；另一種是CCU通過110 V輸入輸出工作站使得脈沖繼電器49－K16得電，這時49－K16的觸點15－18會閉合2 s，隨后會斷開。

在列車剛上電時，沒有發(fā)生火災(zāi)，火警控制器的火警線4開關(guān)和集合火警線開關(guān)均閉合，繼電器49－K04，49－K09和49－K11均不得電，如圖2所示。一旦CCU通過110 V輸入輸出工作站進(jìn)行火警電路自動使能，49－K16的觸點15－18會閉合2 s，這樣使能繼電器49－K09線圈得電2 s，故其常開觸點13－14、23－24閉合2 s，這將使火警線4繼電器49－K04和集合火警繼電器49－K11線圈得電，進(jìn)而其常開觸點23－24閉合。2 s后，雖然49－K09的常開觸點13－14和23－24再次斷開，但49－K04和49－K11仍可通過自己已經(jīng)閉合的常開觸點23－24維持得電。

如果火警線4發(fā)生火災(zāi)，火警控制器的火警線4開關(guān)和集合火警線開關(guān)斷開，火警繼電器49－K04和49－K11會失電，這樣其常開觸點23－24也會立即斷開。即使火災(zāi)消失，火警控制器的火警線4開關(guān)和集合火警線開關(guān)重新閉合，火警繼電器49－K04和49－K11仍將保持失電狀態(tài)。只有在列車機(jī)械師核實火災(zāi)情況確保安全后，按下自復(fù)位開關(guān)49－S11，火警繼電器49－K04和49－K11才可以重新得電，恢復(fù)火災(zāi)報警功能。

4 發(fā)生火災(zāi)后采取的措施

在某車的某火警線發(fā)生火災(zāi)后，該型車采取的措施包括：

（1）集合繼電器失電，通過集合繼電器的觸點，緊急關(guān)閉該車的空調(diào)。

（2）集合繼電器失電，通過集合繼電器的觸點，點亮本車火警指示燈。

（3）火警安全環(huán)路斷開，火警環(huán)狀態(tài)繼電器失電，通過其觸點，觸發(fā)全列蜂鳴器報警30 s。

（4）CCU通過110 V輸入輸出工作站檢測到某火警線和集合火警線斷開，或檢測到火警環(huán)路狀態(tài)繼電器失電，則會打開全列照明。

（5）火警安全環(huán)路斷開，火警環(huán)狀態(tài)繼電器失電，通過其觸點，或者通過CCU檢測到某火警線或集合火警線斷開，或CCU檢測到火警環(huán)路狀態(tài)繼電器失電，則會打開司機(jī)室火警指示燈。

（6）CCU通過110 V輸入輸出工作站檢測到某火警線和集合火警線斷開，或檢測到火警環(huán)路狀態(tài)繼電器失電，則會通知HMI顯示火警圖標(biāo)并觸發(fā)聲音報警30 s，并產(chǎn)生故障碼。

運用IBM SPSS 19統(tǒng)計軟件進(jìn)行分析，計量資料以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示，教學(xué)效果評價采用兩獨立樣本W(wǎng)ilcoxon秩和檢驗，考核成績采用兩獨立樣本t檢驗，以P<0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

（7）如果發(fā)生火災(zāi)的是牽引變流器火警線，則切除該車牽引控制單元。

（8）如果發(fā)生火災(zāi)的是輔助變流器火警線，則封鎖直流母線開關(guān)。

如果列車機(jī)械師確定火警為誤報，則以上的聲光報警均可以被屏蔽。

5 火災(zāi)報警系統(tǒng)測試

火災(zāi)報警系統(tǒng)測試是由火災(zāi)報警系統(tǒng)控制器和CCU軟件配合完成，通過火警測試可以檢測火災(zāi)報警系統(tǒng)控制器、繼電器配合電路、110 V輸入輸出工作站等硬件功能是否正常。CCU可以通過110 V輸入輸出工作站通知火警系統(tǒng)控制器啟動火警測試，也可以通過各車的火警測試開關(guān)手動啟動單車的火警測試。火警測試時要求火災(zāi)報警系統(tǒng)控制器未被旁路。

動車組的每個車都安裝有火災(zāi)報警系統(tǒng)控制器，它實時檢測火警測試硬線是否被激活，一旦激活，將啟動火警測試?；馂?zāi)報警系統(tǒng)控制器會依據(jù)固定的時序依次斷開自己管理的11個開關(guān)，包括顯示自身是否就緒和故障的2個開關(guān)，1個集合火警線開關(guān)和8個火警線開關(guān)，如圖3所示。

圖3中，火警測試分為10個步驟，周期均為T1。在火警測試啟動之前，假設(shè)沒有發(fā)生火災(zāi)，各開關(guān)狀態(tài)中，除了“就緒”為1是有效的，其他10個開關(guān)，包括“故障”、“集合火警線”和8個“火警線”均為0是無效的。在火警測試啟動后，這11個開關(guān)進(jìn)入測試狀態(tài)，將不再具有原來的檢測功能。以“故障”開關(guān)為例，在測試過程中，無論其為1或為0，都不能表示火災(zāi)報警系統(tǒng)控制器是否故障，而只是使用該信號的下降沿作為測試步驟2～10的啟始時刻。

下面簡要介紹一下火災(zāi)報警控制器與CCU軟件配合的測試過程：

以火警測試開始作為0時刻，經(jīng)過T4時間，“就緒”開關(guān)從1變?yōu)?，“故障”開關(guān)從0變?yōu)?，隨后經(jīng)過T5時間，“故障”開關(guān)出現(xiàn)下降沿，作為測試步驟2的0時刻。

測試步驟2的0時刻，“集合火警線”開關(guān)輸出上升沿變?yōu)?，持續(xù)T2時刻后，輸出下降沿變?yōu)?，同時“故障”開關(guān)出現(xiàn)上升沿變?yōu)?，在經(jīng)過T3時間，“故障”開關(guān)再次輸出下降沿，作為測試步驟3的0時刻。

后邊依次類推。

在測試步驟1內(nèi)，CCU要檢測到“就緒”開關(guān)的上升沿和“故障”開關(guān)的下降沿，則測試步驟1通過；在測試步驟2內(nèi)，CCU要檢測到集合火警線有效（還需要檢測到集合繼電器失電后導(dǎo)致的空調(diào)緊急關(guān)閉和火警環(huán)路狀態(tài)繼電器失電），則測試步驟2通過，后邊依次類推。

特別注意的是各車實際使用的火警線一般少于8條，但火警測試時是固定的時序，8個火警線開關(guān)會依次動作，對于實際沒有的火警線測試步驟，CCU直接判斷測試通過即可。

6 火災(zāi)報警系統(tǒng)診斷

該型動車組遵循“故障導(dǎo)向安全”原則，診斷系統(tǒng)考慮得非常全面，僅火災(zāi)報警子系統(tǒng)涉及的診斷碼就多達(dá)50余個。限于篇幅，這里不再論述，僅以典型的故障碼為例，進(jìn)行說明，以了解該動車組的診斷思路。

故障1：無集合報警的某火警線報警

集合火警線可看作是各火警線的一種冗余火警線，在任何一個或多個火警線發(fā)生火災(zāi)后，集合火警線都會報警。對于這種某火警線報警但沒有集合火警線報警的情況，一種可能是并沒有發(fā)生火災(zāi)而是火警線繼電器故障造成的誤報，也有可能是發(fā)生了火災(zāi)但集合報警出現(xiàn)故障而沒有報出，不管是哪種情況CCU都會報出故障碼，并進(jìn)行聲光報警，需要列車機(jī)械師核實該火警線是否發(fā)生火災(zāi)，并進(jìn)行相關(guān)處理。

如果經(jīng)過核實確是誤報，列車機(jī)械師可以按下該車的火警確認(rèn)自復(fù)位開關(guān)49－S11，看能否復(fù)位該火警線。如果無法復(fù)位，則可以通過火警旁路開關(guān)49－S13旁路該車的火災(zāi)報警系統(tǒng)控制器，取消誤報導(dǎo)致的聲光報警。這種操作只是將該車的火警功能旁路，其他車的火警功能仍可正常工作。

故障2：執(zhí)行火警確認(rèn)操作和火警確認(rèn)結(jié)果不一致

如前述圖2所示，按下火警確認(rèn)自復(fù)位按鈕49－S11將使得火警確認(rèn)繼電器49－K09得電，然后通過49－K09的常開觸點使能各火警線繼電器和集合火警繼電器得電。CCU會通過110 V輸入輸出站檢測49－S11和49－K09的狀態(tài)，在CCU不進(jìn)行火警自動確認(rèn)的前提下，未按下49－S11而49－K09得電或者按下49－S11而49－K09不得電的情況都是錯誤的，CCU會報出診斷碼，但此時并不需要觸發(fā)火警聲光報警。這種詳細(xì)的診斷可以在列車維修時快速定位故障，提高維修效率減小維修時間。

通過以上2例，可以發(fā)現(xiàn)該型動車組診斷系統(tǒng)的兩個特點：

（1）強(qiáng)調(diào)“故障導(dǎo)向安全”的設(shè)計原則，對于某些可能是誤報的故障，也會導(dǎo)致列車采取保護(hù)性措施，以確保乘客和列車安全。

（2）診斷信息豐富、詳細(xì)，可以幫助列車維修人員快速定位故障，提高維修效率。

7 結(jié) 論

總結(jié)前文所述，該型動車組火災(zāi)報警系統(tǒng)特點如下：

（1）火警子系統(tǒng)的關(guān)鍵數(shù)字量電路部分采用110 V供電，抗干擾能力強(qiáng)。另外，關(guān)鍵數(shù)字量的MVB通訊是雙回路冗余的，可靠性高；

（2）按“故障導(dǎo)向安全”原則，允許火警誤報，但盡可能防止火警漏報，因此除各火警線報警外，還增加了集合報警；

（3）由集合報警繼電器的觸點串聯(lián)構(gòu)成純硬線的火災(zāi)報警安全環(huán)路，在CCU、HMI或MVB通訊出現(xiàn)故障的情況下，仍可以發(fā)出聲光報警；

（4）冗余、多層次的聲光報警通知司機(jī)、機(jī)械師、乘務(wù)員和乘客，在機(jī)械師確定是誤報情況下，這些聲光報警均可以被旁路，避免干擾列車正常運行；

（5）豐富、詳細(xì)的診斷信息，便于故障定位，提高維修效率。

［1］ 李 軍.中國鐵路新讀［M］.北京：中國鐵道出版社，2009.

［2］ 薛戰(zhàn)軍.展望中國高速鐵路發(fā)展的戰(zhàn)略意義［J］.科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2008，（21）：55.

［3］ 周 菲.中國高鐵產(chǎn)業(yè)的國際化起步及其影響［J］.對外經(jīng)貿(mào)實務(wù)，2011，（7）：21-24.

［4］ UIC-642：2001.國際運輸機(jī)車、動車及控制拖車的防火和消防特殊規(guī)定［S］.

Fire Alarm System for High-speed EMU

XIE Bingruo1，ZHAO Hongwei1，GAO Feng1，ZHANG Shunguang1，ZHANG Xiaojin1，DUAN Yangchun2
（1 Locomotive＆Car Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China；2 Tangshan Railway Vehicle Co.，Ltd.，Tangshan 063035 Hebei，China）

High-speed EMUs must have fire alarm function for fire prevention and ensuring passengers safe.The structure and principle of the fire alarm system of a certain type of high-speed EMU is analyzed in this paper，and the featured fire alarm safety loop is introduced.Moreover，the enabling，testing and diagnostic functions of the fire alarm system are analyzed in detail from the point of TCMS.Finally，the characteristics of fire alarm system of this type of EMU are summarized.

high-speed EMU；fire alarm；safety loop；relay；diagnosis

U266

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2014.06.24

1008－7842（2014）06－0094－04

1—）男，助理研究員（

2014－08－11）