高速动车组火灾报警系统

谢冰若，赵红卫，高 枫，张顺广，张晓晋，段阳春

（1 中国铁道科学研究院 机车车辆研究所，北京100081；2 唐山轨道客车有限责任公司，河北唐山063035）

高速动车组火灾报警系统

谢冰若1，赵红卫1，高 枫1，张顺广1，张晓晋1，段阳春2

（1 中国铁道科学研究院 机车车辆研究所，北京100081；2 唐山轨道客车有限责任公司，河北唐山063035）

为预防火灾、确保乘客和列车安全，高速动车组必须具有火灾报警功能。文中分析了某型高速动车组火灾报警系统的构成和原理，介绍了比较有特色的火灾报警安全环路，从TCMS的角度对火灾报警系统的使能、测试和诊断功能进行了分析，最后总结了该型动车组火灾报警系统的特点。

高速动车组；火灾报警；安全环路；继电器；诊断

近年来，我国高速铁路产业取得了令世人瞩目的发展［1－3］。高速动车组以其舒适、便捷、经济、环保等优点成为很多人首选的出行方式。为预防火灾，确保乘客安全，高速动车组必须具有火灾报警系统，国际铁路联盟标准UIC-642对此有明确要求［4］。

以某型高速动车组为例，分析了火灾报警系统的构成和原理，介绍了比较有特色的火灾报警安全环路，从列车控制和管理系统（TCMS：Train Control and Management System）的角度对火灾报警系统的使能、测试和诊断功能进行了分析，最后总结了该型动车组火灾报警系统的特点。

1 火灾报警系统的构成和原理

该型高速动车组火灾报警系统的硬件包括烟雾探测器，火灾报警系统控制器，继电器配合电路，火灾报警安全环路，声光报警装置，110 V输入输出工作站等，这些硬件由列车中央控制单元（CCU：Central Control U-nit）的火灾报警软件功能包来管理和诊断，其主要功能如下：

（1）烟雾探测器

安装于列车上一些重要位置，如PIS柜、电气柜、卫生间、牵引变流器、辅助变流器和司机室等，通过CAN总线可与火灾报警系统控制器通讯，报告是否有火灾发生。特别指出的是安装在牵引变流器和辅助变流器的不是烟雾探测器而是线性热感应传感器，但功能与烟雾探测器相同。

（2）火灾报警系统控制器

在每个车均有安装，是单车的火灾报警控制设备。它有2种工作模式。一种是正常工作模式，这时它通过CAN总线接收各个烟雾探测器的火警信息，如果发生火灾，则断开对应火警线和集合火警线的开关，这将使得正常时得电的火警线继电器和集合火警线继电器失电。在这种模式下，任何一个或多个火警线发生火灾，集合继电器都会失电，所以称为“集合报警”。另一种是火灾报警测试模式，这种模式下，控制器不再接收烟雾探测器的火警信息，而是按固定时间序列依次断开各个火警线开关，使各个火警线继电器依次失电，判断各个火警线硬件是否正常。

（3）继电器配合电路

具有较多功能，包括通过CCU或手动方式使能各火警线和集合火警线的继电器使其得电；通过CCU或手动方式通知火灾报警系统控制器来启动火灾报警测试；与输入输出工作站配合实现各火警线和集合火警线的状态检测；火灾报警系统控制器的旁路；声光报警；蜂鸣器的抑制；发生火警后紧急关闭空调等。

（4）火灾报警系统安全环路

由各车的集合报警继电器的触点串联组成，在两个端车各有一个火警环状态继电器。任何一个车的任何一个火警线发生火灾报警，则该车的集合继电器会失电，进而断开火警环使状态继电器失电。CCU会通过输入输出工作站检测此火警环状态继电器的状态。

（5）声光报警装置

包括各车的蜂鸣器和火警指示灯，端车司机室的火警指示灯，（HMI：Human Machine Interface）显示屏的声光报警和故障码的显示。

（6）110 V输入输出工作站

由于火灾报警系统控制器没有（MVB：Multifunction Vehicle Bus）通讯功能，故通过110 V输入输出工作站实现CCU与各车火警硬件的信息交互。一方面将CCU的控制指令转换为电气信号发送给火警硬件，如火警继电器的确认，火警系统的测试等。另一方面，检测火警硬件中继电器触点的状态，如各火警线、集合火警线的状态，反馈给CCU。

该型车短编组含8辆车，图1给出了在3车的火警线4检测到发生火灾时，火灾报警系统的工作原理。首先，烟雾探测器4检测到火灾，通过CAN总线通知3车的火灾报警系统控制器。随后，控制器断开对应火警线4和集合火警线的开关，使得正常时得电的火警线4继电器和集合火警线继电器失电。集合继电器失电，会紧急关闭空调，点亮本车火警指示灯，同时断开火灾报警安全环路。进而导致火灾报警安全环路状态继电器失电，整列车的蜂鸣器报警。同时，输入输出工作站通过检测火警线继电器、集合继电器、火灾报警环路状态继电器的触点状态而得到这3种继电器的状态，通过MVB发送给CCU，最后CCU会点亮全列车内部照明，点亮司机室火警指示灯，并通知HMI显示屏进行声光报警和显示火灾报警故障码。

2 火灾报警安全环路

火灾报警安全环路是与列车网络控制系统相独立的报警硬线，在列车范围报告火警。它由各车集合继电器的常开触点串联组成。

在未发生火灾时，集合继电器得电，常开触点闭合，此时火警环路是闭合的，火警环路状态继电器得电；在发生火灾时，集合继电器失电，常开触点断开，此时火警环路断开，火警环路状态继电器失电，火警环路状态继电器的触点会点亮司机室火警指示灯和触发全列车蜂鸣器报警。此外，CCU也可以通过输入输出工作站读取环路状态继电器的状态，如果失电，CCU会通知HMI显示屏发出声光报警。

如果在除占用端头车之外的其他车厢内火警安全环路存在故障而一直断开，可以通过占用端头车司机室的“火灾报警安全环路”的故障隔离开关将其隔离，这样火警环路从全列8个车的范围缩小到占用端头车范围。这种情况下，CCU会产生相关的日志和报文，并显示在HMI显示屏上。

3 火警线继电器和集合继电器的使能

火灾报警系统控制器在某火警线发生火灾时，断开该火警线和集合火警线开关，如果火灾消失，开关会重新闭合。但每个车的火警线继电器和集合继电器具有断电自保持功能，在发生火灾，火警继电器失电后，即使火灾消失，继电器也不会重新得电。需要列车机械师核实火灾情况确保安全后，进行手动使能才可以重新得电。另外，在列车刚上电时，CCU通过110 V输入输出工作站发出全列车的火警继电器使能信号使其得电，火灾报警电路才可以正常投入工作。

以某车火警线4和集合火警线为例，图2所示为火警继电器使能电路。其中，49－K04、49－K11是火警线4继电器和集合火警继电器，49－K09是火警使能继电器，A1－A2表示继电器线圈，触点13－14、23－24为各继电器的常开触点。火警使能继电器49－K09有2种得电方式：一种是由列车机械师按下自复位按钮49－S11得电；另一种是CCU通过110 V输入输出工作站使得脉冲继电器49－K16得电，这时49－K16的触点15－18会闭合2 s，随后会断开。

在列车刚上电时，没有发生火灾，火警控制器的火警线4开关和集合火警线开关均闭合，继电器49－K04，49－K09和49－K11均不得电，如图2所示。一旦CCU通过110 V输入输出工作站进行火警电路自动使能，49－K16的触点15－18会闭合2 s，这样使能继电器49－K09线圈得电2 s，故其常开触点13－14、23－24闭合2 s，这将使火警线4继电器49－K04和集合火警继电器49－K11线圈得电，进而其常开触点23－24闭合。2 s后，虽然49－K09的常开触点13－14和23－24再次断开，但49－K04和49－K11仍可通过自己已经闭合的常开触点23－24维持得电。

如果火警线4发生火灾，火警控制器的火警线4开关和集合火警线开关断开，火警继电器49－K04和49－K11会失电，这样其常开触点23－24也会立即断开。即使火灾消失，火警控制器的火警线4开关和集合火警线开关重新闭合，火警继电器49－K04和49－K11仍将保持失电状态。只有在列车机械师核实火灾情况确保安全后，按下自复位开关49－S11，火警继电器49－K04和49－K11才可以重新得电，恢复火灾报警功能。

4 发生火灾后采取的措施

在某车的某火警线发生火灾后，该型车采取的措施包括：

（1）集合继电器失电，通过集合继电器的触点，紧急关闭该车的空调。

（2）集合继电器失电，通过集合继电器的触点，点亮本车火警指示灯。

（3）火警安全环路断开，火警环状态继电器失电，通过其触点，触发全列蜂鸣器报警30 s。

（4）CCU通过110 V输入输出工作站检测到某火警线和集合火警线断开，或检测到火警环路状态继电器失电，则会打开全列照明。

（5）火警安全环路断开，火警环状态继电器失电，通过其触点，或者通过CCU检测到某火警线或集合火警线断开，或CCU检测到火警环路状态继电器失电，则会打开司机室火警指示灯。

（6）CCU通过110 V输入输出工作站检测到某火警线和集合火警线断开，或检测到火警环路状态继电器失电，则会通知HMI显示火警图标并触发声音报警30 s，并产生故障码。

运用IBM SPSS 19统计软件进行分析，计量资料以均数±标准差表示，教学效果评价采用两独立样本Wilcoxon秩和检验，考核成绩采用两独立样本t检验，以P<0.05为差异有统计学意义。

（7）如果发生火灾的是牵引变流器火警线，则切除该车牵引控制单元。

（8）如果发生火灾的是辅助变流器火警线，则封锁直流母线开关。

如果列车机械师确定火警为误报，则以上的声光报警均可以被屏蔽。

5 火灾报警系统测试

火灾报警系统测试是由火灾报警系统控制器和CCU软件配合完成，通过火警测试可以检测火灾报警系统控制器、继电器配合电路、110 V输入输出工作站等硬件功能是否正常。CCU可以通过110 V输入输出工作站通知火警系统控制器启动火警测试，也可以通过各车的火警测试开关手动启动单车的火警测试。火警测试时要求火灾报警系统控制器未被旁路。

动车组的每个车都安装有火灾报警系统控制器，它实时检测火警测试硬线是否被激活，一旦激活，将启动火警测试。火灾报警系统控制器会依据固定的时序依次断开自己管理的11个开关，包括显示自身是否就绪和故障的2个开关，1个集合火警线开关和8个火警线开关，如图3所示。

图3中，火警测试分为10个步骤，周期均为T1。在火警测试启动之前，假设没有发生火灾，各开关状态中，除了“就绪”为1是有效的，其他10个开关，包括“故障”、“集合火警线”和8个“火警线”均为0是无效的。在火警测试启动后，这11个开关进入测试状态，将不再具有原来的检测功能。以“故障”开关为例，在测试过程中，无论其为1或为0，都不能表示火灾报警系统控制器是否故障，而只是使用该信号的下降沿作为测试步骤2～10的启始时刻。

下面简要介绍一下火灾报警控制器与CCU软件配合的测试过程：

以火警测试开始作为0时刻，经过T4时间，“就绪”开关从1变为0，“故障”开关从0变为1，随后经过T5时间，“故障”开关出现下降沿，作为测试步骤2的0时刻。

测试步骤2的0时刻，“集合火警线”开关输出上升沿变为1，持续T2时刻后，输出下降沿变为0，同时“故障”开关出现上升沿变为1，在经过T3时间，“故障”开关再次输出下降沿，作为测试步骤3的0时刻。

后边依次类推。

在测试步骤1内，CCU要检测到“就绪”开关的上升沿和“故障”开关的下降沿，则测试步骤1通过；在测试步骤2内，CCU要检测到集合火警线有效（还需要检测到集合继电器失电后导致的空调紧急关闭和火警环路状态继电器失电），则测试步骤2通过，后边依次类推。

特别注意的是各车实际使用的火警线一般少于8条，但火警测试时是固定的时序，8个火警线开关会依次动作，对于实际没有的火警线测试步骤，CCU直接判断测试通过即可。

6 火灾报警系统诊断

该型动车组遵循“故障导向安全”原则，诊断系统考虑得非常全面，仅火灾报警子系统涉及的诊断码就多达50余个。限于篇幅，这里不再论述，仅以典型的故障码为例，进行说明，以了解该动车组的诊断思路。

故障1：无集合报警的某火警线报警

集合火警线可看作是各火警线的一种冗余火警线，在任何一个或多个火警线发生火灾后，集合火警线都会报警。对于这种某火警线报警但没有集合火警线报警的情况，一种可能是并没有发生火灾而是火警线继电器故障造成的误报，也有可能是发生了火灾但集合报警出现故障而没有报出，不管是哪种情况CCU都会报出故障码，并进行声光报警，需要列车机械师核实该火警线是否发生火灾，并进行相关处理。

如果经过核实确是误报，列车机械师可以按下该车的火警确认自复位开关49－S11，看能否复位该火警线。如果无法复位，则可以通过火警旁路开关49－S13旁路该车的火灾报警系统控制器，取消误报导致的声光报警。这种操作只是将该车的火警功能旁路，其他车的火警功能仍可正常工作。

故障2：执行火警确认操作和火警确认结果不一致

如前述图2所示，按下火警确认自复位按钮49－S11将使得火警确认继电器49－K09得电，然后通过49－K09的常开触点使能各火警线继电器和集合火警继电器得电。CCU会通过110 V输入输出站检测49－S11和49－K09的状态，在CCU不进行火警自动确认的前提下，未按下49－S11而49－K09得电或者按下49－S11而49－K09不得电的情况都是错误的，CCU会报出诊断码，但此时并不需要触发火警声光报警。这种详细的诊断可以在列车维修时快速定位故障，提高维修效率减小维修时间。

通过以上2例，可以发现该型动车组诊断系统的两个特点：

（1）强调“故障导向安全”的设计原则，对于某些可能是误报的故障，也会导致列车采取保护性措施，以确保乘客和列车安全。

（2）诊断信息丰富、详细，可以帮助列车维修人员快速定位故障，提高维修效率。

7 结 论

总结前文所述，该型动车组火灾报警系统特点如下：

（1）火警子系统的关键数字量电路部分采用110 V供电，抗干扰能力强。另外，关键数字量的MVB通讯是双回路冗余的，可靠性高；

（2）按“故障导向安全”原则，允许火警误报，但尽可能防止火警漏报，因此除各火警线报警外，还增加了集合报警；

（3）由集合报警继电器的触点串联构成纯硬线的火灾报警安全环路，在CCU、HMI或MVB通讯出现故障的情况下，仍可以发出声光报警；

（4）冗余、多层次的声光报警通知司机、机械师、乘务员和乘客，在机械师确定是误报情况下，这些声光报警均可以被旁路，避免干扰列车正常运行；

（5）丰富、详细的诊断信息，便于故障定位，提高维修效率。

［1］ 李 军.中国铁路新读［M］.北京：中国铁道出版社，2009.

［2］ 薛战军.展望中国高速铁路发展的战略意义［J］.科技创新导报，2008，（21）：55.

［3］ 周 菲.中国高铁产业的国际化起步及其影响［J］.对外经贸实务，2011，（7）：21-24.

［4］ UIC-642：2001.国际运输机车、动车及控制拖车的防火和消防特殊规定［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，助理研究员（

2014－08－11）