160 km/h動力集中動車組煙火報警系統(tǒng)誤報警故障分析

王 路 中國鐵路上海局集團有限公司合肥車輛段

1 引言

160 km/h動力集中動車組煙火報警器采用雙光源探測迷宮技術(shù)、智能算法及感溫電纜復(fù)合傳感器等新技術(shù)，安裝在拖車的硬座客室、軟臥包間、硬臥間、四合一柜、衛(wèi)生間等部位，由各個防控區(qū)間的探測器與火災(zāi)報警控制器組成了分布智能的煙火報警系統(tǒng)，為動車組的電氣防火運用安全提供了有效保障。但在實際運用中，出現(xiàn)了少量的誤報警，即無實際煙火而系統(tǒng)出現(xiàn)報警。本文從煙火報警系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)、工作方式、報警原理、誤報案例等方面，對誤報警故障進行了分析，提出了改進措施，并對雙光源粒子感煙探測器運用在普通25T型客車上的可能性進行了探討。

2 煙火報警系統(tǒng)的組成和工作原理

2.1 本車報警組成和報警機制

本車火災(zāi)報警系統(tǒng)由1個火災(zāi)報警控制器、17個（最多）感煙探測器、一個感溫電纜火災(zāi)探測器及感溫電纜組成，其中感煙探測器及感溫電纜火災(zāi)探測器由火災(zāi)報警控制器供電，感溫電纜火災(zāi)探測器可接感溫電纜。

當設(shè)置在防控區(qū)域的探測器感知到火情時，將火災(zāi)信號傳送至火災(zāi)報警控制器，控制器會自動判斷是否為本次火災(zāi)的首次報警，如果是首次報警，首先對火警信號進行確認處理，經(jīng)循環(huán)確認后，若火警信號仍然存在，則顯示該部位火警狀態(tài)、亮火警燈、顯示首次報警時間、響火警音，并且實時將本節(jié)火警狀態(tài)上傳網(wǎng)關(guān)及其它車廂控制器。

當火災(zāi)報警控制器檢測到探測器發(fā)生故障、連線發(fā)生開路/短路時，顯示屏顯示故障信息、開啟液晶屏背光源及故障燈、響故障音，并且實時將本節(jié)火警狀態(tài)上傳網(wǎng)關(guān)及其它車廂控制器。

2.2 全列聯(lián)網(wǎng)報警系統(tǒng)的組成和報警機制

當某一車廂有火警時，全列車廂火災(zāi)報警控制器都鳴火災(zāi)報警音、亮火警指示燈并顯示火警車廂號、火災(zāi)報警部位（即探測器編號）及火災(zāi)報警時間等。在此次火警之后，該車廂其他部位或其它車廂有火警時，全列車廂火災(zāi)報警控制器同樣都鳴火災(zāi)報警音、亮火警指示燈，并在前一條火警信息后按照統(tǒng)一格式顯示本次火警信息。

當火警車廂進行消音時，火警車廂的火災(zāi)報警聲消除并向外發(fā)送消音信息，對整列車火警系統(tǒng)進行消音；當火警車廂進行復(fù)位時，火警車廂的火災(zāi)報警聲、火災(zāi)報警指示燈顯示消除并向外發(fā)送復(fù)位信息，對整列車火警系統(tǒng)進行復(fù)位。任意非報警車廂進行復(fù)位或消音時，只能復(fù)位或消音非報警車廂。

當某一車廂有故障時，如探測器與控制器之間有接觸不良或發(fā)生開路、短路故障，故障所在車廂的火災(zāi)報警控制器鳴故障音、亮故障指示燈并顯示故障車廂號、故障報警部位（即探測器編號）及故障報警時間等相關(guān)信息，其余非故障車廂的火災(zāi)報警控制器都亮故障指示燈并顯示故障報警信息，但不啟動報警音。

整列火災(zāi)報警系統(tǒng)原理如圖1所示，通過RS485通訊將每節(jié)的火警系統(tǒng)連接，單節(jié)自成體系，可以互聯(lián)互通，可以自由編組，任意一個火警或故障全列都清楚并可查歷史記錄。

圖1 整列火災(zāi)報警系統(tǒng)原理圖

2.3 煙火報警系統(tǒng)與動車組安全環(huán)路的關(guān)系和影響

火災(zāi)報警系統(tǒng)觸發(fā)報警后，可使本車火警安全環(huán)觸點閉合，接通動力車安全環(huán)繼電器、蜂鳴器、指示燈得電回路，觸發(fā)動力車的火災(zāi)報警；同時火災(zāi)報警控制器通過列車Lonworks總線，將火災(zāi)報警信息傳送給動力車司機操縱臺顯示屏，提示司機發(fā)生火警?；馂?zāi)報警環(huán)路及網(wǎng)絡(luò)信號原理如圖2所示。

圖2 火災(zāi)報警環(huán)路及網(wǎng)絡(luò)信號原理圖

3 雙光源粒子感煙探測器在160 km/h動力集中動車組成功應(yīng)用

3.1 光電感煙探測器防誤報迭代優(yōu)化過程

目前，火災(zāi)報警系統(tǒng)使用的感煙探測器為光電感煙探測器（單光），利用火災(zāi)煙霧對光產(chǎn)生的散射作用來探測火災(zāi)，響應(yīng)靈敏度高，可以迅速發(fā)現(xiàn)火情，但其缺點是不能區(qū)分火災(zāi)煙霧和灰塵、油霧等顆粒物，極易引起誤報警。針對誤報警問題開展了大量的研究和試驗，不斷進行產(chǎn)品的持續(xù)優(yōu)化改進。

基本過程可分為以下4個階段：

第一階段，通過防火系統(tǒng)的軟件設(shè)計，使防火系統(tǒng)具備環(huán)境自適應(yīng)功能，隨著環(huán)境中的灰塵量緩慢增加，逐步提升防火系統(tǒng)的判定底值；

第二階段，調(diào)整防火探測器靈敏度及延長判斷時間；第三階段，加裝防灰塵過濾裝置；

第四階段，使用抗灰塵、水霧的新型雙光源粒子感煙探測器。經(jīng)過以上階段不斷迭代優(yōu)化，煙霧光電傳感器開始采用雙光源粒子感煙探測器。

3.2 雙光源粒子感煙探測器

3.2.1 煙霧粒子與灰塵粒子區(qū)別

煙顆粒是指人的肉眼可見的燃燒生成物，其粒子直徑為0.01μm~2μm液體或固體微粒，大部分低于1μm，具有很大的流動性和凝并性；灰塵粒子全部大于2μm，一般在10μm以上。

根據(jù)理論測試結(jié)果，煙霧粒子的聚合體分布直徑見圖3，煙霧粒子的尺寸分布直徑以0.2μm~2μm為主。

圖3 煙霧粒子分形凝并尺寸分布

3.2.2 雙光源探測器報警機理

圖4 探測器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

雙光源探測器采用獨特的光學(xué)迷宮設(shè)計，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示，迷宮內(nèi)部設(shè)有紅外發(fā)光管、藍光發(fā)光管和光敏接收管，利用藍光（可見光）與紅外光兩種光的波長不同而對不同顆粒的散射不同，1μm以下粒子對兩種光的散射積分數(shù)據(jù)會隨著粒子濃度的增加而比值增加，當1μm以下粒子濃度達到m=0.16 dB/m時，兩種光的散射積分數(shù)據(jù)比值大于測量設(shè)置初始值，隨著1μm以下粒子濃度增加積分數(shù)據(jù)比值會進一步加大；灰塵顆粒是超過2μm以上的粒子，在藍光（可見光）與紅外光兩種光中散射的積分數(shù)據(jù)比值基本為1：1，隨顆粒濃度增加采集的積分數(shù)值都在增加，比值基本沒有變化，一般在一定范圍以下（不同設(shè)計方案數(shù)值不同但都有相對關(guān)系），以此通過兩種光散射的數(shù)值比例變化來區(qū)分煙霧及灰塵顆粒。

160 km/h動力集中動車組使用的雙光源感煙探測器，m值的取值范圍為0.11 dB/m～0.21 dB/m，既提高現(xiàn)有動車組探測器的靈敏度，達到早期迅速報警，又可以防止灰塵等引起的誤報警。與早期型號單光源傳感器比較，性能在以下方面有顯著改善：

（1）火災(zāi)靈敏度高

在火災(zāi)陰燃階段就可以報警，無需采用延時、降低靈敏度手段；

（2）防誤報能力強

粒子感煙探測器具備抗灰塵、水霧及其他液體顆粒干擾功能；

（3）環(huán)境適應(yīng)性強

粒子感煙探測器的工作溫度為-40℃~+85℃，相對于一般感煙探測器-40℃~+70℃的工作溫度來說更耐高溫；

（4）安全環(huán)路控車穩(wěn)定

單光源感煙探測器總是誤報，無法進行安全環(huán)路控車，雙光源粒子感煙探測器解除了這方面的憂慮。

4 典型誤報警故障分析

4.1 因煙火報警器主機傳感器探頭不適應(yīng)新的工作環(huán)境引起的誤報警

在160 km/h動力集中動車組中某些探測器位于空調(diào)口等容易產(chǎn)生水蒸氣的位置易誤報警，用空氣加濕器產(chǎn)生水蒸氣進行反復(fù)試驗，發(fā)現(xiàn)如下規(guī)律：

（1）探頭越靠近加濕器，水蒸氣濃度越大的地方反而不容易報警，探頭離加濕器較遠，水蒸氣濃度低的地方容易報警，說明加濕器產(chǎn)生的水蒸氣粒子大小在變化，離出口近的地方水蒸氣粒子直徑大，探頭可以區(qū)分出而不易產(chǎn)生誤報火警。

（2）隨著水蒸氣遠離加濕器噴口，水蒸氣粒子的直徑在變小，接近煙霧的粒子大小，探頭難以區(qū)分，易發(fā)生誤報火警現(xiàn)象。

因此，應(yīng)科學(xué)合理布局傳感器安裝位置，確保工作環(huán)境符合工況要求。

4.2 因傳感器探頭安裝不當引起的誤報警

配屬某局的160 km/h動力集中動車組，發(fā)生臥車包間4位煙火探頭誤報警。對事件進行分析發(fā)現(xiàn)臥車包間回風裝置結(jié)構(gòu)如圖5所示，其中最左邊的就是回風腔，右邊是十個包間前走廊進風口，除了進風口和回風口外，整個回風裝置是長度為22 m的玻璃鋼密封通道。當空調(diào)工作時，從進風口進入的空氣溫度和回風裝置內(nèi)的空氣溫度存在較大差值，會產(chǎn)生冷凝水，并隨著氣流流向回風腔處，從而導(dǎo)致安裝在回風腔內(nèi)的煙火探頭出現(xiàn)誤報警。

圖5 拖車風道布置示意圖

因此，應(yīng)重新科學(xué)布局拖車煙火報警器探頭位置，將4位傳感器移出回風腔。

4.3 因報警協(xié)議不兼容使數(shù)據(jù)無篩選引起的誤報警

160 km/h動力集中動車組開行以來，TCDS系統(tǒng)頻發(fā)傳遞煙火報警信息。2019年1月23日至2月23日，合肥車輛段支配使用的6005、6006兩列動車組TCDS系統(tǒng)煙火誤報警達119次，分析發(fā)現(xiàn)監(jiān)控軟件對持續(xù)不到20 ms的突發(fā)報警信號沒有過濾，直接傳遞給車電網(wǎng)關(guān)和TCDS監(jiān)控主機，被TCDS系統(tǒng)不經(jīng)篩選以報警信息的形式傳遞給平臺網(wǎng)頁造成虛警。因此，可借鑒軸溫報警器的報警模式，修改煙火報警器監(jiān)控軟件，統(tǒng)一通訊協(xié)議，從而進行三次信號持續(xù)確認并以消除閃報。

5 現(xiàn)有25T型客車火災(zāi)報警系統(tǒng)改進措施

160 km/h動力集中動車組火災(zāi)報警系統(tǒng)是基于25T型客車火災(zāi)報警系統(tǒng)，進一步優(yōu)化改進：

一是增加安全環(huán)路控車功能、車輛授時功能，保持與列車時間同步；

二是采用雙光源感煙探測器，有效降低誤報警；

三是增加了探測器數(shù)量，由原來12個（最多）增加到現(xiàn)在17個（最多）；

四是在四合一電器柜里安裝了1個感溫電纜復(fù)合探測器，在柜內(nèi)安裝了105度的感溫電纜。

對于25T型客車改造可以借鑒160 km/h動力集中動車組火災(zāi)報警系統(tǒng)，該系統(tǒng)是向下兼容的，符合TJ/CL 425-2014鐵道客車火災(zāi)報警系統(tǒng)暫行技術(shù)條件，控制器不需要更換，僅更換探測器即可。

6 結(jié)束語

160 km/h動力集中動車組火災(zāi)報警系統(tǒng)因探測器采用了雙光源光學(xué)迷宮設(shè)計，有效提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性，降低了誤報率，且可兼容25T型客車火災(zāi)報警系統(tǒng)，為旅客列車及動車組的電氣防火運用安全提供了有效保障。