SCI论文（www.lunwensci.com）
摘要：为有效对国内所有城市不同车型的地铁车辆火灾安全隐患进行检测防控， 基于火灾自动监测报警技术， 结合地铁火灾的特 点， 综合不同车型地铁参数进行技术方案对比计算， 进而完成通用化技术方案配置， 设计研发出一套能够适用于国内所有地铁的 通用化车载 FAS 系统方案 。该系统方案配置在实际应用中可满足国内不同地域使用不同地铁车型时对火灾监测防控的需求， 同时 也符合国内地铁车辆及子系统通用化 、统型化 、标准化目标的发展趋势， 通用性强， 适用性广。
关键词 ：地铁,FAS 系统,通用化,设计与研究
Design and Research on Universal Scheme of Automatic Fire Alarm System for Metro Vehicles
Zhang Li1. Zhang Ying2. Zong Qingze2. Wang Qiang1
( 1. Digital Rail (Shanghai) Transportation Technology Co., Ltd., Shanghai 201306. China;
2. CRRC Nanjing Puzhen Rolling Stock Co., Ltd., Nanjing 210031. China)
Abstract: In order to effectively detect and prevent the fire safety hazards of different types of subway vehicles in all cities in China , based on
the automatic fire monitoring and alarm technology, combined with the characteristics of subway fires, the technical scheme comparison and
calculation of different types of subway parameters are carried out, and then the general technical scheme configuration is completed . A set of
general on-board FAS system scheme applicable to all domestic subways is designed and developed . The system scheme configuration in the
application of the actual project can meet the needs of fire monitoring and prevention for different metro vehicles in different regions in China , and also meet the development trend of the goal of generalization, unification and standardization of domestic metro vehicles and subsystems, the technical scheme of the system has strong universality and wide applicability .
Key words: metro vehicle; FAS system; universal; design and research
引言：地铁作为公共交通， 其方便 、快捷给人们的出行带 来了巨大改变的同时， 其公共安全性也尤为重要[ 1] 。在 地铁车辆设计中， 车辆必须保证一定密封性， 车辆运行 在地下或隧道线路环境中， 若车厢内突发火灾， 在没有 任何火灾预警的情况下， 想要及时疏散乘客撤离的难度 不容小觑[2-3] 。因此， 在地铁火灾检测防控环节， 车载FAS 系统是保障地铁出行安全性不可或缺的系统配置之一。
在“以人为本， 生命第一”的今天， 保障人身安全 是火灾消防系统设计最基本的理念 。19 世纪至今， 经历 了多次发展阶段的火灾自动监测报警技术在民用工程上 使用已经相对成熟， 但面对国内各城市不同车型地铁车 辆火灾安全监测防控设计， 我国相关标准也仅对其功能 性需求简单地做了明确， 如要求车载 FAS 系统能通过无 线网络等方式将列车发生火灾的部位信息传输给地面 OCC， 以便车站及时采取相应风险应对措施， 尽可能把 火灾消灭在初期阶段， 第一时间保障人员生命安全， 切实做好地铁消防安全预防工作， 这是降低生命和财产损 失的最有效手段[4-5] 。对于地铁车载 FAS 系统具体方案及 配置， 由于现阶段国家和轨道交通行业对轨道车辆没有 统一配置标准作为参考， 不同地域不同车型不同 FAS 供 应商建议的车载 FAS 系统技术方案都大相径庭 。车载 FAS 系统配置多样性， 不仅造成系统故障点查修的多样 性， 增加了用户日常检修维护工作量， 而且备品备件也 无法规范管理， 不利于用户制定统一规范的安全应急措 施和维护作业规范， 而且随之产生的多样性变量因素， 不便于规范我国地铁车辆火灾研究的参考基准， 多样性 的系统配置研究数据短期内无法具有系统参考性， 对我 国地铁车辆火灾研究工作带来一定影响。
综上， 基于火灾自动监测报警的成熟技术， 结合地 铁车厢火灾发生和蔓延的特点[6-7]， 整合国内常用 FAS 系 统产品信息， 针对地铁交通火灾报警防控的需求， 综合 不同地铁车型技术参数， 进行 FAS 系统通用性技术方案 对比计算， 设计研发一套高通用性的车载 FAS 系统， 满足地铁车辆对火灾监测防控设计 、使用 、研究的需求， 进一步实现国内地铁车辆系统通用化 、统型化 、标准化 的发展目标， 促进轨道交通有序发展。
1 地铁车辆火灾的特点
地铁车辆与舰船 、航天舱一样， 由于其特殊密封性 设计， 在其运动时自身已然形成一个密闭运动受限空间， 若发生火灾， 即为腔室火灾[8] (如图 1 所示)。
腔室火灾初期阶段， 火源引燃其相邻可燃物， 此后 随着燃烧继续和热量聚积， 火焰以点火源为中心继续向 四周蔓延进入增长阶段 。在增长阶段， 当条件满足时发 生轰燃， 轰燃发生后整个运动受限空间内所有可燃物将 全部被引燃， 火灾进入充分发展阶段 。然后， 随着燃料 的消耗火灾逐渐衰减直至熄灭。
( 1 ) 轰燃
轰燃是腔室火灾从增长阶段向充分发展阶段演变的 一个快速转变过程， 随着轰燃的发生， 腔室内所有可燃 物都开始燃烧。
据 ARUP 公司测试， 列车行驶中若发生火灾， 其效 能和气流在 4 min 内就能达到 16 MW高峰热能输出[9] 。若 腔室环境内发生火灾， 一般在 5~7 min 内就会发生轰燃， 由于氧气供应不足， 轰燃之后燃烧速度慢， 物质燃烧不 完全， 燃烧产物中毒性成分 、一氧化碳等有毒烟雾浓度 越来越高 (如图2 所示)。 试验表明， 人们在浓烟中停留平 均超过 1~2 min 就会晕倒， 接触 4~5 min 就有窒息的危险。
( 2 ) 热反馈效应
地铁车厢发生火灾时， 火灾所产生烟气在浮力作用下， 会迅速在燃烧区上方聚积， 在客室内装顶板下方聚 积形成高温热烟气层 (如图 3 所示)。 高温烟气平均温度能够达到 600 ℃， 车厢地板获得的辐射热通量可以达到 20 kW/m2. 对客室内可燃物具有强烈热辐射作用 。这种热作用能够对未燃物质表面进行预热， 缩短其达到燃点的时间， 加速可燃物的热解， 从而产生更多可燃挥发成分， 进而促使燃烧更加强烈， 释放出大量热， 加速火灾的 蔓 延[9- 10] 。 这 种 热 反馈效应也是腔室火灾的又一显著特点。
( 3 ) 通风限制
地铁车窗玻璃属典型脆性材料， 玻璃本身属于热的 不良导体， 在热辐射作用下， 车窗玻璃内侧部分被迫接 收到大量热量， 不能快速将热传递到玻璃背火侧， 背火 侧温度上升较慢， 使得车窗玻璃在不同部位 、厚度方向 上形成较大温差， 从而产生热应力效应 。当达到破裂临 界温差时 (钢化玻璃临界温差约为 600℃)， 玻璃随时发 生破裂， 此时大量新鲜空气涌入车厢内， 加剧火势[ 11] 。 2 FAS 系统通用化方案设计
火灾自动报警系统 ( FAS 系统)， 究其本质是将火灾 发生时燃烧物质所产生的烟雾 、热辐射和光辐射等， 通 过探测器 SHD 采样后将数据转化为电信号发送至火灾报 警控制器 FCU， FCU 收到 SHD 反馈信号， 对是否发出火 灾报警作出判断和报警， 并通过显示屏显示报警信息， 提醒人们火灾的发生。
2.1 地铁车载 FAS 系统的特点
使用在轨道交通车辆上的 FAS 系统与民用建筑用 FAS 系统相比， 除原理外两者之间各自具备自身特性， 前者应用环境和工况更为恶劣和复杂， 因此对车载 FAS 系统技术要求更加苛刻， 主要体现在以下几个方面。
( 1 ) 标准化设计 。车载 FAS 系统既要求适应轨道车 辆运营过程中恶劣的工作环境， 还要求它必须满足与列 车控制系统进行可靠通信 。因此， 车载 FAS 系统必须满 足轨道交通行业更为严苛的要求标准， 如： EN 50155、 EN 50121 、IEC 61373 等。
( 2 ) 安装布置讲究 。 由于地铁车辆的密封性设计， 火灾探测器的安装位置也很讲究， 须结合车厢内气流组 织分析， 安装于车载空调的回风路径上， 利用空调回风 气流将火灾发生时产生的烟雾颗粒带入回风路径， 经探 测器采样检测。
( 3 ) 总线技术， 多点通信 。地铁列车相邻车厢之间并未设置隔门， 一旦发生火灾， 将给火延提供良好的灾 蔓环境 。车载 FAS系统监控探测器采用多点式安装布置， 实现列车各车厢火灾覆盖探测， 贯通道区域将同时被包 含到相邻车厢监控区域范围内 。车载 FAS 系统采用总线 技术， 为多点分布的探测器自动分配通信地址， 满足多 点通信， 以便及时为司乘人员提供准确的火警位置信息。
( 4) 接口简洁， 独立供电 。车载 FAS 系统内部设备， 供电电路设计相对独立， 与车辆之间接口尽可能减少电 源 、信号转换等中间环节， 从而减少故障点， 提高系统 使用可靠性。
( 5) 车辆单元式探测保护 。车载 FAS 系统的通用化 统型设计将单节车辆作为独立探测和保护的单元， 能够 满足地铁列车编组形式多样性。
2.2 探测器选型
根据腔室火灾的特性 (如图 1所示)， 火灾阴燃阶段 会产生大量烟， 环境温升并不明显， 若火灾发生点在内 装与车体夹缝或电气箱柜内， 很难在第一时间被发现， 此时若能通过烟感探测到火灾的发生并报警， 完全可以 将火势和可能造成的损失控制在最小范围[12]。
倘若火灾发生初期没有被及时控制， 火灾发展迅速， 燃烧过程会释放大量的热能， 环境温度会逐渐升高， 火 灾发展进入增长阶段 。此时若探测到温度变化并进行报 警， 也可对火灾及早进行控制， 降低火灾造成的损失。
如果任由火灾发展至火焰阶段， 车厢内燃烧产生大 量火焰， 火焰释放大量红外与紫外辐射， 此时可通过常 规火焰探测器探测火灾并报警， 但此阶段才发现火灾， 对于乘客人身和财产安全的转移已经没有太大意义。
结合地铁火灾初期火源产生烟和热的特性， 可对火 灾探测器进行烟温复合探测需求的选型[12] 。为全面保障 地铁车辆安全， 针对车辆火灾隐患评估风险较高其他部 位， 还可增加设置匹配使用场景的报警探测器， 如根据 车辆设备布置和气流组织环境分析， 车厢内电气柜内可 考虑在顶部设置烟温复合探测器; 密封电气箱中由于设 备和电缆布置复杂， 可考虑设置感温电缆等。
2.3 客室探测器配置计算
针对我国地铁车辆主要技术参数[5]， 可以根据以下 公式[4]计算出国内 A、B型地铁车辆探测器配置情况。
N =S/KA
式中： N 为探测器的数量 (取整数)， 只; S 为探测保护 区域的面积， m2; K 为修正系数， 取 1.0; A 为探测器的 保护面积， m2.
2.3.1 A型车客室探头配置计算
( 1) 无司机室车辆
S=68.4 m2<80 m2 、hmax=2 150 mm<12 m、A=80 m2 、R=6.7 m、N=0.855. N 取整为 1.单只探测器保护直径 D= 2R=13.4 m<22.8 m (不满足车辆长度要求)， 单只探测器 保护面积A=80 m2>68.4 m2 (满足客室面积要求)。
为满足无司机室车辆 22.80 m长度保护要求， 应采用 2 只感烟火灾探测器进行探测器保护 。2 只探测器保护直 径 2D=26.8 m>22.8 m (满足车辆长度要求)。 2 只探测器 保护面积 2A=160 m2>68.4 m2 (满足客室面积要求)。
( 2) 单司机室车辆
S=73.2 m2<80 m2 、hmax=2 150 mm<12 m、A=80 m2 、R =6.7 m、N=0.915. N 取整为 1.单只探测器保护直径 D= 2R=13.4 m<24.4 m (不满足车辆长度要求)， 单只探测器 保护面积A=80 m2>73.2 m2 (满足客室面积要求)。
为满足单司机室车辆 24.4 m 长度保护要求， 应采用 2 只感烟火灾探测器进行探测器保护 。2 只探测器保护直 径 2D=2×2R=26.8 m>24.4 m (满足车辆长度要求)， 2只探 测器保护面积 2A=160 m2>73.2 m2 (满足客室面积要求)。
( 3) 结论
A 型车客室探头配置 2 只感烟火灾探测器即能满足 要求。
2.3.2 B型车客室探头配置计算
( 1) 无司机室车辆
S=54.66 m2<80 m2 、hmax=2 150 mm<12 m、A=80 m2、 R=6.7 m、N=0.683. N 取整为 1.单只探测器保护直径 D =2R=13.4 m<19.52 m (不满足车辆长度要求)， 单只探测 器保护面积径A=80 m2>54.66 m2 (满足客室面积要求)。
为满足无司机室车辆 19.52 m长度保护要求， 应采用 2 只感烟火灾探测器进行探测器保护 。2 只探测器保护直 径 2D=2×2R=26.8 m>19.52 m (满足车辆长度要求)， 2 只 探测器保护面积 2A=160 m2>54.66 m2 (满足客室面积要 求)。
( 2) 单司机室车辆
S=56.34 m2<80 m2 、hmax=2150 mm<12 m、A=80 m2. R=6.7 m、N=56.34 /( 1.0× 80) =0.704. N取整为 1.单只探 测器保护直径 D=2R=13.4 m<20.12 m (不满足车辆长度要 求)， 单只探测器保护面积 A=80 m2>56.34 m2 (满足客室 面积要求)。
为满足单司机室车辆 20.12 m长度保护要求， 应采用 2 只感烟火灾探测器进行探测器保护 。2 只探测器保护直 径 2D=2×2R=26.8 m>20.12 m (满足车辆长度要求)， 2只探 测器保护面积 2A=160 m2>56.34 m2 (满足客室面积要求)。
( 3) 结论
B 型车客室探头配置 2 只感烟火灾探测器即能满足 要求。
2.4 接口设计
地铁车载 FAS 系统拓扑结构如图 4所示。
2.4. 1 火灾报警控制器 FCU 接口
( 1 ) 系统内部接口
火灾报警控制器 FCU 作为系统的大脑， 内部通过 CAN 总线方式与远端车另一台控制器 FCU 进行通信， 通 过探测器总线与列车所有探测器连接， 为探测器供电并 实时获取列车所有探测器状态信息。
( 2 ) 系统外部接口
①与 TCMS 的通信接口
FCU 与 TCMS 之间的信息交换可采用 RS485 、CAN BUS、MVB、以太网 、TRDP、I/O 等通信方式 。FCU 可将 每个 SHD 的火警监测和故障监测状态信息报告给 TCMS。
②I/O 接口
FCU 配置两路火警继电器触点输出和一路故障继电 器触点输出 。火警触点输出用于指示车内/外探测器或感 温电缆报出的火警 。故障触点输出指示火灾报警系统报 出的故障。
③专家系统以太网接口
FCU 主机可配置独立通信维护接口， 经列车维护网 络将系统内维护用数据传输到地面专家系统 。地面 OCC 可直接读取 FAS 系统工作状态数据信息， 以及远程控制 车载 FAS 系统相关操作。
④感温电缆 LHD 接口
FCU 提供多路感温电缆接入接口， 用于采集接入感 温电缆的工作状态。
2.4.2 烟温复合探测器 SHD 接口
烟温复合探测器 SHD 总线由电源线和通信线组成， 若有需要， 可接入一路感温电缆接口 。SHD 核心由烟温 传感器 、信号处理和双独立通信接口等部分组成。
3 车载 FAS 系统方案通用化统型设计结论
通过技术参数计算与对比分析， 得到无论用户选择 A 型地铁或是 B 型地铁， 对于作为独立探测和保护单元 的单节车辆， 车载 FAS 系统均可采用通用化配置方案， 即可满足车辆火灾检测和报警功能需求 。A 、B 型地铁车 型火灾自动报警系统具体方案配置如表 1 所示。
4 未来车载 FAS 系统发展形态探讨
未来城市轨道交通的发展趋势必然是全自动无人驾驶， 车载 FAS 系统的未来发展形态将会更加智能化和交 融化。
( 1 ) 未来车载 FAS 系统应具有更高兼容性， 即 FAS 系统控制主机实现板卡化或芯片化设计， FAS 系统便可 集成到任意车载系统中， 与该系统融合设计， FCU 显示 功能可直接通过车辆已有的显示器实现， 简化了 FAS 系 统设备配置和与车辆之间相关接口， 优化了车载设备电 气和机械的安装空间， 降低了采购成本。
( 2 ) 未来车载 FAS 系统与其他车载系统交互糅合设 计 。当火灾发生时， PIS 系统接收 FAS 系统的火灾报警信 号， 除了现有的 PIS 联动控制功能外， 还可将车厢探测器 报警位置分布情况进行可视化显示， 提醒乘客远离火灾发 生点; 车内照明系统可根据本车厢火灾报警信号进行联动 报警变色显示， 从正常照明转换显示特有火灾警示颜色， 以提醒乘客远离火灾车厢， 请往正常照明车厢疏散撤离。
( 3 ) 未来车载 FAS 系统的发展应不再只是车辆独立 的子系统而存在， 车辆消防人人有责， 车辆其他系统也 应共同承担车辆消防安全的责任， 例如： 地铁车厢内饰 材质亦可考虑研发带有烟温反应显色的材料， 在火灾发生时， 结合车厢探测器报警信号， 能够直观准确判定火 灾源头位置， 及时疏散乘客， 降低损失。
5 结束语
研究国内相关同类车型地铁车载 FAS 系统方案配置后， 本文结合常规 A、B型地铁车辆项目中车载 FAS 系统 实际需求， 设计研发出一套能够适用于国内所有地铁的 通用化车载 FAS 系统方案 。通过对其系统配置方案设计、 计算 、校验等进行对比分析， 充分验证了所提方案的可 行性和可靠性 。采用该方案， 能够规范地铁车载 FAS 系 统的主要基本配置， 仅针对车辆特殊需求调整相应配置 即可完成系统初步技术方案， 减少了重复性的基础计算 验证工作， 缩短了前期制定技术方案的周期; 规避了各 城市地铁同类别车型地铁 FAS 系统由于配置多样化， 系 统设备配置型号不一， 故障点排查及相关应急措施不统 一等问题， 有效降低了用户的系统采购成本和维护成本; 同时， 可有效减少由此带来的研究变量多样化， 风险变 量不确定等问题， 简化和统一了轨道交通车辆火灾研究 数据来源的基本背景条件， 为我国在这种特殊运动腔室 火灾研究工作中提供基础保障。
参考文献：
[1] 朱奥妮 . 2000—2019 年国内外地铁火灾事故统计分析[J]. 城 市轨道交通研究,2020.3(8):148-150.
[2] 裴江林 . 地铁火灾自动报警系统设计与应用[J]. 消防界,2021 (2):75-76.
[3] 林晓飞 . 地铁乘客火灾应激反应及干预研究[D]. 北京:北京交 通大学,2020.
[4] GB 50116—2013.火灾自动报警系统设计规范[S]. [5] GB 50157—2013.地铁设计规范[S].
[6] 陈斯,苏钊颐,陶涛,等 . 多区域地铁车厢火灾烟气蔓延特性的 数值仿真研究[J]. 铁路计算机应用,2020.29(7):5-10.
[7] Hansen R. Design of fire scenarios for Australian underground hard rock mines-Applying data from full-scale fire experiments [J]. Journal of Sustainable Mining, 2019. 18(4):163-173.
[8] 戚宜欣,杜红兵,周心权,等 . 运动受限空间内火灾研究的现状 与展望[J]. 中国安全科学学报,2000.10(4):6-10.
[9] 苟琦林 . 高速列车客室火灾蔓延特性研究[D]. 成都:西南交通 大学,2018.
[10] 朱中杰 .地铁车辆火灾热释放速率计算方法研究[D].成都:西 南交通大学,2016.
[11] MAO S H,LI Y Z. Experiment study on burning rate in a full- scale train model[C]//Proceedings of Fourth International Symposium on Tunnel Safety and Security,2012.
[12] 金涛 .铁路客车火灾报警系统的研究[D]. 大连 :大连交通大 学,2012.
关注SCI论文创作发表，寻求SCI论文修改润色、SCI论文代发表等服务支撑，请锁定SCI论文网！
文章出自SCI论文网转载请注明出处：https://www.lunwensci.com/ligonglunwen/63764.html
