一种新型动车烟雾监控系统的研究

摘 要：随着高速动车组运行数量的增多，对动车组安全提出更高的要求，本文对动车组消防隐患的主要特点及烟雾监控系统的研究现状进行分析，介绍了一种在长春轨道客车股份有限公司的产品基础上设计的基于ZigBee的动车烟雾监控系统，该系统通过ZigBee网络组建无线传感网，并且能够实现动车实时无线烟雾采集与监控功能。

关键词：动车组；ZigBee；无线传感网；烟雾监控

1 引言

随着高速动车组时代的到来，春运火车票一票难求已经成为历史了，长途旅游、度假等活动不再是飞机的专利了， 高速列车已经越来越受到人们的认可了，所以它的安全性问题也就成了高速列车运行中的重点问题。提高动车组的烟雾监控系统是确保动车组安全运行的一个重要版块，动车组在运行过程中一旦发生火灾将会造成惨重的损失，后果不堪设想，所以动车组的消防安全一直是动车组安全的重点问题。高速列车的消防事故率比公路交通虽然低得多的，但在控制方面却有着典型的缺点。铁路是国民经济和社会发展的主要军，高速动车组目前是运送乘客的主要途径之一。由于动车组运行的范围很广，很难确定发生消防事故的地点、时间甚至周围环境，加上大部分时间动车组都是运行在人烟稀少的地带，使得施救人员很难及时赶到，另外，动车组本身的结构特点让疏散乘客、扑救烟火等工作非常困难。

动车组消防隐患的主要特点是：

（1）动车组在运行时的速度是很高的，这种情况下就会对车内的电气设备、消防机械和防火材料的要求是很高的。由于动车组的速度快、提供动力的电压高，所以电气设备的异常都很容易引起火灾。相同的条件下，与普通火车上相同的功能装置和防护条件下，动车组更容易出现故障引起火灾。

（2）动车组是是一种高新技术产品。动车组是在普通列车的基础上采用了新技术，新材料、新结构于的产品，价值十分昂贵，一旦发生火灾将会造成巨大的经济损失。

（3）动车组运行时速度会达到200km/h以上，由空气动力学知道，高速运行的物体周围就会产生气流运动，根据科学实验知道，当动车组以时速200公里行驶时，在轨道面以上0.814米、距离动车组1.75米处的空气将会达到17m/s的运动速度。上述的气流运动很容易让车内人员因失去平衡发生安全事故，也会使得车上的设备倒塌从而导致意外事故引起火灾，这种气流还可以使邻近的火种充分燃烧。

（4）动车组采用的是密接式车钩用缓冲装置，所以动车组一旦发生火灾，由于车厢之间很难脱钩，火势就会沿着车厢扩大。此时，工作人员必须及时疏散乘客，如果车厢内的乘客行李一旦引燃，就会对人们的生命造成很大的威胁。

2 烟雾监控系统的研究现状

2.1烟雾监控系统的发展史

人类开发的烟雾监控系统至今已有160多年的历史了，它经历了4个阶段。

（1）起步阶段

自19世纪中期开始到20世纪，1890年英国研制出了第一台感热探测器，从此拉开了烟雾探测技术的篇章。在接下来的一个世纪里，感热探测器一直处于探测器的霸主地位，烟雾探测主要采用恒定的阈值处理算法，探测烟雾速度是非常缓慢的，尤其对阴燃火灾响应更慢，甚至没有响应，漏报率非常高。

（2）初级阶段

在20世纪中期，1941年的离子式感烟探测器正式问世，从而使烟雾探测技术进入到了一个新的时代，感烟探测器就此进入了人们的视野，这使得感热烟雾探测器开始走下坡路。然而，由于离子式感烟探测器内安放有具有放射性元素的媚-241，因此，在制造加工、物流运输过程中以及损坏弃置等方面都会对人体造成危害。由于离子式感烟探测器不环保、抗干扰能力差并且误报率高等不足问题，因此，在上个世纪70年代末，光电感烟探测器开始出现。这个阶段的烟雾监控系统几乎都是多线制结构的，布线的成本非常高。

（3）发展阶段

在20世纪80年代早期阶段到80年代末，总线制烟雾监控系统发展十分迅速，传统的多线制改成为两线制系统，这就是俗称的总线制系统，这可以节省大量的布线成本，但这种改变后的两线制系统最大缺点是难以调试，抗干扰能力很差。

（4）智能阶段

上个世纪80年代以来，依靠模拟寻址技术，烟雾探测技术进入到了另一个阶段即智能阶段。早期的系统多是模拟量方式，烟雾探测器实际上只是一个普通的传感器，只是将采集的模拟量信号传送给控制器，分析判断是否有烟雾的工作是由控制器完成的，这就大大提高了系统的可靠性。但是它只能是单向的智能控制，只有其中的控制器具有一定的智能功能而探测器是不具有智能功能的。

将模糊控制和神经网络控制这两种智能控制技术与烟雾探测技术相结合之后，使得烟雾探测技术真真正正地进入到了智能阶段。智能系统有很强的适应能力、学习能力、容错能力和并行处理能力，接近人类的神经思维。另外，它也是一种分布式控制系统，控制面板和探测器都具有智能化的功能，从而提高了整个系统的响应速度，误报率几乎为零，运行能力也有了很大的提高。

2.2烟雾监控系统的发展趋势

近些年来，由于中国加入WTO以后使得电子行业竞争日益激烈，同时电子行业技术的日新月异，使得烟雾监控系统发展的速度十分迅速，纵观目前市场上行情来看，这类系统主要是朝着以下几个方向来发展。

（1）设备小型化

随着电子行业技术的日益更新，市场上大量的出现了很多新的检测技术和新的生产工艺以及新材料的出现，这些新技术的出现使的现有的烟雾监控系统开始向小型化方向发展了。

（2）探测技术的多样化

目前，烟雾探测器的分类很多，通常我们研究的探测器是按照其工作原理来划分的，包括复合型烟雾探测器、可燃气体探测仪、感热探测器、感光探测器以及感烟式探测器等。所有这些烟雾探测器中，市场上最常见的当属感烟式探测器。国外也是一直致力于烟雾探测器的研究工作，按照工作原理，国外的探测器主要分为光纤感温探测技术、气体检测技术、静电检测技术和复合式检测技术等。

（3）系统的智能化

烟雾监控系统主动是通过采集烟雾浓度、环境温度等信息的模拟量，将这些模拟量转换为计算机能够识别的数字信号，并充分利用智能控制中的一些先进算法对采集的数据进行计算、处理以及对采集的各项环境数据进行比较和判断，为准确地探测到烟雾的出现时间及地点，避免出现误报和漏报的现象提供保障。

（4）系统无线化

烟雾监控从出现到现在经历了已经有160多年的历史了，而传统的烟雾监控系统都是通过有线进行传输数据的，这种有线监控系统适合于工程项目还在处于设计建设时期就要进行安装，一旦工程项目建成以后，新增安装的有线烟雾监控系统的布线就会破坏了建筑物，并且还存在系统装卸不方便等一系列问题。而无线传输的烟雾监控系统正好有效地避免了这些问题，它不仅具有装卸灵活、使用方便、很容易实现网络化、扩展功能强等这些特点外，并且对建筑物的表面不会造成毁坏，所以现已经广泛应用于各行各业。目前，用于烟雾监控系统常用的无线传输的技术有ZigBee技术、ISM射频技术、蓝牙技术等等。

（5）高灵敏化

目前市场上广泛应用的烟雾探测器往往只能够发现初期的火情，还不能完全达到让人们及时地发现火灾的隐患。国外现在已经开发出一种新技术，它通过主动空气采样技术，采用吸气式烟雾探测器对环境中的气体进行采样，这种探测器的灵敏度比传统的烟雾探测监控系统高了将近1000倍，并且融合了模糊神经网络技术，通过计算机计算、分析能极早地探测到环境中的物体通过加热而分解出来分解颗粒的浓度，能够在火灾发生前就启动报警系统装置。

3 基于ZigBee的动车烟雾监控系统的介绍

ZigBee技术是当今世界发展最快，最具市场前景的十大新技术之一。基于ZigBee动车烟雾监控系统是在长春轨道客车股份有限公司的产品基础上设计的，该系统将ZigBee技术与当前动车应用的感烟探头相结合，利用TI（德克萨斯仪器）公司的CC2430芯片与LM2576单片机构成的可以实现无线传输的控制系统。尽管CC2430自身带有51的处理器，但是为了更好更快地处理信号，烟雾监控选用了PIC系列的PIC16F630单片机作为微处理器。烟雾监控单元通过无线接收由烟雾探测器发送的信号，并对信号做出相应的处理。通过烟雾监控单元的电路对接收的信号做出响应，如报警、显示等，其中无线ZigBee的传输是通过串口实现的。该系统将系统抗干扰措施分为两种，分别是硬件抗干扰措施盒软件抗干扰措施，从这两个方面来抑制外界信号对系统的干扰。硬件抗干扰措施主要是从电路设计，PCB布局、布线，增加屏蔽材料等方面入手；软件抗干扰措施是通过单片机软件来处理抗干扰的措施，主要从数字滤波、软件防抖、看门狗定时器等方面实现抗干扰。具体介绍如下：

3.1系统的设计要求

基于ZigBee动车烟雾监控系统是在长春轨道客车股份有限公司的产品基础上设计的，该系统也可以用在现有的普通的列车上。其系统示意图如图3.1所示。

图3.1基于ZigBee动车烟雾监控系统示意图

（1）DC110V电源线、（2）DC24V电源线、（3）ZigBee传输、（4）信号回路、（5）公共信号线，其中，动车组提供给烟雾监控系统的电源为110V的直流电，烟雾探测器的电源是由烟雾监控单元提供的24V的直流电

动车组有着自身的特点，所以在设计该系统时需要结合动车组的自身特点设计，需要满足下列要求：

（1）系统需要使用的无线电频率要严格执行由中华人民共和国国家无线管理委员会与铁道部联合的《铁路无线电管理规则》，必须使用规定的铁路专用频率，参考国无管[1996]6号文件，并且发射功率能够调节；

（2）因为动车组分为全动、4动4拖、8动8拖等不同类型，所以系统应该具有装卸方便，操作简单特点，既可以整列动车组安装，又可以单车安装；

（3）系统的无线发射和接收模块是低功耗模块，一般采用的是电池供电，因此信号发射/接收模块使用的普通的干电池；

（4）系统是基于ZigBee技术设计的，避免了在车厢内大量布线的缺点；

（5）ZigBee技术传输信号快速、安全、稳定，传输距离可以通过扩展可以达到几千米，隧道里面的传输距离也可以达到500米，完全满足动车组的任何情况下的需要；

（6）系统设计之初就借鉴了国外的同类产品的优点，具备了采集、处理、储存、查询、报警等于一体的设计特性，因此，可以在无人巡视下对列车烟雾进行监控；

（7）秉承了目前市场上烟雾监控系统一贯的漏报率、误报率极低的优点，系统可靠；

（8）系统基于ZigBee技术传输信号的，信号传输是通过无线传感网的，所以车厢内的检测点可以根据需要随时进行调整；

（9）系统的功耗很低，一节普通的干电池可以使用半年以上，一般是半年检查一次电池的使用情况；

（10）系统一开始是为烟雾监控设计的但是它的功能具有很强的扩展性，可以预留其他接口，同时对车厢内的其他环境进行监控，如温度、湿度等。

3.2 动车烟雾监控系统的总体结构

动车组的网络控制系统按级别主要分为列车级、车辆级及设备级三个不同的层次，系统的工作就是第三层次的设备级，通过网关与车辆总线连接，进行数据交换。烟雾监控单元与列车控制与监测系统以总线的方式连接，烟雾探测器把实时监测到的信息以数据帧的形式传递给烟雾报警系统区域控制器，区域控制器通过参数的运算，判断是否有烟雾发生，如果产生报警，则其通过自身的终端显示模块（声光报警、液晶显示系统等）发出报警信息，并且通过通信网关向列车控制与监测系统（TCMS）及车辆总线（MVB）发送报警信息。

说明： LHD：线性热探测器；---：无线数据流；KLIP：分散式输入输出接口

3.3烟雾监控系统的网络结构

系统是对动车组内的各个死角进行监控，同时每个乘务员室的监控情况通过通信网关向列车控制与监测系统（TCMS）及车辆总线（MVB）发送信息，由列车控制与监测系统集中管理。所以设计采用的是分布式控制方式。系统设计时假设每节车厢是由四个探测器和一个烟雾监测控制单元组成节点烟雾监控系统，探测器采用感烟与感温相结合的复式探测技术，分布在卫生、车厢和走廊等动车组的关键地点。烟雾监控单元通常安装在乘务员室边的操作面板上，方便工作人员能及时处理烟雾报警。下面重点介绍组成系统的各个模块进行硬件设计和实现，主要包括传感器模块、电源、数据处理模块、ZigBee 通信模块、无线传感网、蜂鸣器、LCD、LED模块。如图3.3所示。

4 结论

ZigBee技术在动车上应用目前不是很多但是这项技术在2004年，就被列为当今世界发展最快，最具市场前景的十大新技术之一，该系统的设计旨在替代现有动车上的烟雾报警控制器，并在原有系统之上进行改进，实现国产化，所以在设计上与现有的动车组用的烟雾报警控制器完全兼容，在技术要求上要能够超过达到现有的系统标准。经测试，该烟雾监控系统实现以下功能：

（1）能够及时、快速的探测车厢、卫生间、走廊等监控区的烟雾；

（2）能够将监控到的异常情况实现乘务员室报警后，通过通信网关向列车控制与监测系统（TCMS）及车辆总线（MVB）发送报警信；

（3）能够对报警过的每次现象做记录、统计、分析和存储；

（4）系统具有数据备份功能；

（5）能够实现自我检测功能。■

参考文献

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作者简介：

黄亚菲（1990年10月-），大连交通大学，籍贯：四川，学历：硕士。