Zigbee無(wú)線火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)在鐵路隧道中的應(yīng)用探討

秦寧然

（1.成都鐵路公安局，四川 成都 610081；2.中國(guó)人民警察大學(xué)，河北 廊坊 065000）

近年來(lái)我國(guó)鐵路處于快速建設(shè)階段，我國(guó)多山嶺等復(fù)雜地形地質(zhì)，不僅增加了鐵路建設(shè)的難度，也給鐵路隧道消防安全提出了難題。我國(guó)多次發(fā)生鐵路隧道火災(zāi)，造成了大量經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡，如1991年京廣復(fù)線大瑤山隧道火災(zāi)，造成了12人死亡20人受傷的慘劇。鐵路運(yùn)輸線長(zhǎng)、隧道空間密閉、疏散條件差、施救條件不利，一旦發(fā)生火災(zāi)，大量的有毒煙氣會(huì)聚集在隧道內(nèi)導(dǎo)致重大人員傷亡［1］，所以鐵路隧道消防安全一直是鐵路行業(yè)研究的重點(diǎn)。

一、鐵路隧道自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)現(xiàn)狀

由于我國(guó)鐵路隧道自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)的研究較晚，目前多數(shù)鐵路隧道內(nèi)沒(méi)有設(shè)置任何火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)。隧道緊急出口、避難所，以及緊急救援站內(nèi)的防煙風(fēng)機(jī)、應(yīng)急照明和疏散指示等消防設(shè)施要依靠隧道內(nèi)的手動(dòng)啟動(dòng)按鈕、工區(qū)或調(diào)度所遠(yuǎn)程控制才能啟動(dòng)，消防設(shè)施無(wú)法實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)啟動(dòng)。一旦列車失火后出現(xiàn)停車斷電的情況，而應(yīng)急照明、疏散指示未正常遠(yuǎn)程開(kāi)啟時(shí)，隧道內(nèi)將一片漆黑。漆黑的環(huán)境將造成嚴(yán)重的人員恐慌和混亂，極易導(dǎo)致二次事故的發(fā)生。在慌亂中工作人員更加難以找到手動(dòng)啟動(dòng)按鈕，可能嚴(yán)重延誤消防設(shè)施的啟動(dòng)時(shí)間。為了探索適用于鐵路隧道的火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)，就要研究參考軌道交通隧道常用的火災(zāi)探測(cè)器［2］，常見(jiàn)的幾種探測(cè)器及其各自特點(diǎn)見(jiàn)表1。

現(xiàn)在新建的鐵路隧道多采用線型感溫探測(cè)器（感溫光纖或纜式感溫探測(cè)器）［3］。但事實(shí)上，列車停車后的一段時(shí)間內(nèi)，隧道會(huì)受到較強(qiáng)的列車活塞風(fēng)作用，煙氣在短時(shí)間內(nèi)并沒(méi)有像常規(guī)火災(zāi)一樣升到隧道頂部，活塞風(fēng)還會(huì)同時(shí)帶走大量的熱量［4］，這都不利于線型感溫探測(cè)器原件的啟動(dòng)。而且這種探測(cè)器無(wú)法探測(cè)列車車廂內(nèi)部初起火災(zāi)，不能實(shí)現(xiàn)盡早報(bào)警和聯(lián)動(dòng)啟動(dòng)隧道消防設(shè)施的目的。

表1 軌道交通隧道工程中常見(jiàn)的火災(zāi)探測(cè)器

還有很多新建客運(yùn)專線鐵路隧道采用了列車速度監(jiān)控裝置代替火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)，其原理是采集CRH高速動(dòng)車組車廂內(nèi)發(fā)生火災(zāi)報(bào)警后列車減速運(yùn)行的信號(hào)作為報(bào)警信號(hào)。具體是在隧道兩側(cè)安裝無(wú)線信號(hào)發(fā)射和接收裝置（如圖1所示）。當(dāng)列車以正常速度通過(guò)時(shí)，裝置不會(huì)啟動(dòng)報(bào)警；當(dāng)列車因車廂內(nèi)的火災(zāi)探測(cè)器報(bào)警（或觸發(fā)手動(dòng)報(bào)警按鈕）后減速運(yùn)行時(shí)，列車速度監(jiān)控裝置會(huì)引發(fā)報(bào)警。列車速度監(jiān)控裝置以每列列車的長(zhǎng)度作為速度監(jiān)控裝置的設(shè)置間距，大大降低了成本，且安裝簡(jiǎn)單、維護(hù)成本低、響應(yīng)速度快。但由于該系統(tǒng)不是靠感知火災(zāi)產(chǎn)生的煙氣、溫度或者火焰實(shí)現(xiàn)報(bào)警的，非火警引起的減速、停車都可能引發(fā)裝置報(bào)警，故可靠度稍差。

圖1 某鐵路隧道壁上安裝的列車速度監(jiān)控裝置

二、基于Zigbee技術(shù)的鐵路隧道無(wú)線火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)

（一）Zigbee火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)組成

Zigbee是一種基于IEEE802.15.4無(wú)線通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的新興無(wú)線雙向通信技術(shù)［5］，是一種介于WIFI和藍(lán)牙之間的技術(shù)，主要適用于短距離、低數(shù)據(jù)傳輸速率無(wú)線通信。它由于具有功耗低、成本低、網(wǎng)絡(luò)容量大、低延時(shí)、自組網(wǎng)、自適應(yīng)、嵌入性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)［6］，在短時(shí)間內(nèi)獲得了快速發(fā)展。

基于Zigbee技術(shù)的無(wú)線火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)主要有三種設(shè)備：一是協(xié)調(diào)器。一個(gè)Zigbee網(wǎng)絡(luò)只允許有一個(gè)協(xié)調(diào)器，主要是啟動(dòng)和配置網(wǎng)絡(luò)，負(fù)責(zé)維護(hù)網(wǎng)絡(luò)正常工作、保持同其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的通信。二是路由器。這是一種支持關(guān)聯(lián)的設(shè)備，能夠?qū)⑾⑥D(zhuǎn)發(fā)到其他設(shè)備。Zigbee網(wǎng)絡(luò)可以有多個(gè)路由器。三是終端設(shè)備。該設(shè)備完成報(bào)警探測(cè)功能，并和Zigbee網(wǎng)絡(luò)上其他設(shè)備通信［7］。Zigbee無(wú)線火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)組成如圖2所示，終端節(jié)點(diǎn)和探測(cè)器連接如圖3所示。

圖2 Zigbee無(wú)線火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖3 終端節(jié)點(diǎn)傳感器連接模塊連接示意圖

（二）Zigbee火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)和光纖火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)對(duì)比

Zigbee火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)融合了火災(zāi)探測(cè)、無(wú)線通信和單片機(jī)等技術(shù)。與目前軌道交通隧道中普遍使用的光纖感溫火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)相比，Zigbee火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)在傳輸距離方面稍遜，但其他技術(shù)參數(shù)均占優(yōu)勢(shì)［8］，兩種系統(tǒng)的性能比較見(jiàn)表2。除此之外，Zigbee技術(shù)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)使其具有較強(qiáng)的擴(kuò)展性（如圖4所示）。

表2 Zigbee火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)與光纖感溫報(bào)警系統(tǒng)的比較

圖4 Zigbee的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

三、鐵路隧道Zigbee無(wú)線火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)應(yīng)用

（一）鐵路隧道防災(zāi)救援疏散系統(tǒng)簡(jiǎn)介

隨著鐵路的快速建設(shè)和對(duì)隧道安全的不斷重視，我國(guó)在2012年實(shí)施了《鐵路隧道防災(zāi)救援疏散工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB10020），其中指明了長(zhǎng)大鐵路隧道人員疏散和救援的指導(dǎo)思想：列車在隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)事故后，首先應(yīng)將事故列車?yán)蕉赐膺M(jìn)行疏散；如果事故列車不能駛出洞外，應(yīng)控制列車停靠在最近的緊急救援站進(jìn)行疏散［9］；當(dāng)無(wú)法行駛至緊急救援站時(shí)，應(yīng)當(dāng)?？吭诰o急出口或避難所進(jìn)行疏散和救援［10］。

鐵路隧道緊急出口、避難所和緊急救援站的疏散通道上均設(shè)有防煙系統(tǒng)、應(yīng)急照明、疏散指示系統(tǒng)等消防設(shè)施，這些消防設(shè)施均可實(shí)現(xiàn)工務(wù)級(jí)和調(diào)度所級(jí)遠(yuǎn)程控制，但正線隧道和防災(zāi)救援疏散通道現(xiàn)場(chǎng)控制方式有所不同。正線鐵路隧道安裝的應(yīng)急照明、疏散指示標(biāo)志現(xiàn)場(chǎng)級(jí)控制主要有三種方式：一是現(xiàn)場(chǎng)控制柜啟動(dòng)，二是通過(guò)正線隧道兩側(cè)內(nèi)壁上的按鈕啟動(dòng)，三是通過(guò)隧道安裝的列車速度監(jiān)控裝置或火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)啟動(dòng)。緊急出口、避難所、緊急救援站疏散通道中的疏散指示、應(yīng)急照明及防排煙系統(tǒng)等消防設(shè)施，現(xiàn)場(chǎng)級(jí)控制有兩種方式：一是現(xiàn)場(chǎng)控制柜啟動(dòng)；二是手動(dòng)啟動(dòng)正線隧道進(jìn)入疏散通道的防護(hù)門入口處設(shè)置的一鍵啟動(dòng)按鈕，此按鈕不具備聯(lián)動(dòng)啟動(dòng)的功能［11］。例如某雙洞單線鐵路隧道互為疏散緊急出口及風(fēng)機(jī)分布如圖5所示，該隧道長(zhǎng)度為19981米，隧道內(nèi)設(shè)置5處互為疏散的橫通道，當(dāng)右線隧道發(fā)生火災(zāi)時(shí)，監(jiān)控裝置在收到列車減速信號(hào)或接收火災(zāi)報(bào)警信號(hào)后，會(huì)即刻啟動(dòng)正線隧道照明和疏散指示標(biāo)志。但是需要人員下車到橫通道入口處觸發(fā)啟動(dòng)按鈕，方可開(kāi)啟左線隧道兩端正壓送風(fēng)機(jī)（各設(shè)置6臺(tái)SLFJ-100型射流風(fēng)機(jī)），使各疏散橫通道內(nèi)產(chǎn)生正壓風(fēng)速，阻止煙氣竄入疏散通道，保證人員迎著新風(fēng)行走，實(shí)現(xiàn)人員的安全疏散。

鐵路隧道疏散通道的安全是確保旅客逃生的基本保證，疏散通道中應(yīng)急照明和防排煙系統(tǒng)都是人員疏散的必要條件。尤其是在空間閉塞的隧道，必須保證煙氣的有效控制方可確保人員安全。由于防排煙風(fēng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)，對(duì)于某些長(zhǎng)大隧道要使疏散通道入口處、防護(hù)門處產(chǎn)生穩(wěn)定的正壓風(fēng)速，風(fēng)機(jī)需要提前開(kāi)啟，否則橫通道防護(hù)門斷面處的防煙風(fēng)速不能滿足疏散條件，將對(duì)隧道內(nèi)人員的安全疏散帶來(lái)巨大的隱患。例如圖5所示的某雙洞單線隧道緊急救援站，從防煙風(fēng)機(jī)開(kāi)始啟動(dòng)至各橫通道門洞斷面處產(chǎn)生大于2米/秒的風(fēng)速的時(shí)間如圖6所示，可以看出從風(fēng)機(jī)開(kāi)始啟動(dòng)到產(chǎn)生符合規(guī)范要求的正壓風(fēng)速需要3分鐘左右的時(shí)間，在此之前是不能保證隧道橫通道人員安全疏散環(huán)境的，因此風(fēng)機(jī)盡早進(jìn)入工作狀態(tài)對(duì)人員安全疏散至關(guān)重要。這就要求自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)盡早報(bào)警，并聯(lián)動(dòng)開(kāi)啟防排煙風(fēng)機(jī)。

圖5 某雙洞單線鐵路隧道緊急出口及風(fēng)機(jī)布置圖

圖6 某鐵路隧道緊急出口防護(hù)門處的正壓風(fēng)速

（二）鐵路隧道Zigbee無(wú)線火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

動(dòng)車組車廂內(nèi)設(shè)有火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)，能第一時(shí)間探測(cè)火災(zāi)實(shí)現(xiàn)報(bào)警，在列車頭部加裝和列車火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)關(guān)聯(lián)的無(wú)線火警發(fā)射裝置，可以作為Zigbee網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)。該終端節(jié)點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)列車起火后，列車火災(zāi)報(bào)警控制器報(bào)警，同時(shí)向周邊發(fā)射無(wú)線火災(zāi)報(bào)警信號(hào)。鐵路正線隧道內(nèi)可按照Z(yǔ)igbee網(wǎng)絡(luò)傳輸距離的要求，利用隧道應(yīng)急照明和疏散指示標(biāo)志的電源（為雙電源供電加備用蓄電池供電的可靠電源），每間隔30米設(shè)置一個(gè)路由節(jié)點(diǎn)，采集動(dòng)車組發(fā)出的火災(zāi)信號(hào)。將火災(zāi)報(bào)警信號(hào)作為聯(lián)動(dòng)開(kāi)啟隧道內(nèi)消防設(shè)施的觸發(fā)信號(hào)，可實(shí)現(xiàn)列車車廂內(nèi)起火第一時(shí)間的火災(zāi)報(bào)警。

動(dòng)車組內(nèi)違章吸煙等其他因素引發(fā)的報(bào)警器誤動(dòng)作時(shí)有發(fā)生，會(huì)影響火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的可靠性，現(xiàn)行《火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50116-2013）也要求消防設(shè)施的聯(lián)動(dòng)觸發(fā)信號(hào)采用兩個(gè)獨(dú)立的報(bào)警觸發(fā)信號(hào)，將隧道內(nèi)設(shè)置的列車速度監(jiān)控裝置納入Zigbee無(wú)線火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)，使得隧道內(nèi)消防設(shè)施在同時(shí)接到列車無(wú)線火警信號(hào)和列車速度監(jiān)控裝置報(bào)警信號(hào)后，聯(lián)動(dòng)開(kāi)啟隧道消防設(shè)施，如圖7所示。為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)可靠度，還可在列車司機(jī)室和監(jiān)控室內(nèi)設(shè)置直接啟動(dòng)隧道消防設(shè)施的一鍵啟動(dòng)按鈕，該按鈕通過(guò)獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行控制。在系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)啟動(dòng)隧道消防設(shè)施失敗時(shí)，司機(jī)或隨車機(jī)械師可在車內(nèi)手動(dòng)開(kāi)啟隧道消防設(shè)施。

由于列車發(fā)生火災(zāi)后處置的原則是使列車停留在便于疏散和救援的場(chǎng)所進(jìn)行處置，因此列車在隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)后仍可能會(huì)行駛一段距離。若列車通過(guò)多個(gè)不能滿足疏散條件的隧道時(shí)，將引起駛過(guò)途徑隧道消防設(shè)施全部啟動(dòng)，給電力系統(tǒng)帶來(lái)較大的負(fù)擔(dān)。為保證電力系統(tǒng)的穩(wěn)定和疏散場(chǎng)地消防設(shè)施的正常工作，同時(shí)確保系統(tǒng)工作的可靠性，Zigbee無(wú)線火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)觸發(fā)啟動(dòng)的消防設(shè)施應(yīng)在列車無(wú)線火警信號(hào)和列車速度監(jiān)控裝置報(bào)警信號(hào)均消失后自動(dòng)關(guān)閉，以保證列車駛經(jīng)隧道的消防設(shè)施處于關(guān)閉狀態(tài)。

此外，在軌道檢測(cè)列車安裝Zigbee網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控計(jì)算機(jī)，可以收集Zigbee無(wú)線火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)報(bào)警控制器和各節(jié)點(diǎn)及模塊等關(guān)鍵設(shè)備的工作狀態(tài)、運(yùn)行記錄和故障信息，還可并入目前正在建設(shè)中的“鐵路智慧消防”系統(tǒng)，減少工作人員在隧道內(nèi)排查設(shè)備故障的煩瑣工作。

圖7 Zigbee無(wú)線火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

五、小結(jié)

通過(guò)對(duì)比傳統(tǒng)火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警裝置，Zigbee無(wú)線火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警技術(shù)在鐵路長(zhǎng)大隧道方面的應(yīng)用具有以下顯著優(yōu)勢(shì)：

第一，隧道利用Zigbee技術(shù)直接采集列車火災(zāi)信號(hào)，可大大縮短隧道內(nèi)消防設(shè)施聯(lián)動(dòng)開(kāi)啟時(shí)間，使隧道在列車停車前提前達(dá)到人員疏散的條件。

第二，將隧道速度監(jiān)控裝置納入Zigbee火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)，可有效消除消防設(shè)施的誤動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)事故列車駛經(jīng)隧道消防設(shè)施的自動(dòng)啟停。

第三，在軌道檢測(cè)列車安裝Zigbee網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控計(jì)算機(jī)，可收集大量設(shè)備信息，提升工作效率。

基于Zigbee的無(wú)線技術(shù)，同樣可將隧道瓦斯探測(cè)裝置、隧道環(huán)境監(jiān)測(cè)裝置、隧道電力監(jiān)控裝置、涌水監(jiān)測(cè)裝置、塌方落石監(jiān)控裝置等納入監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)一步保證隧道內(nèi)行車安全。