地铁车辆车载设备火灾状态识别报警网络系统

0引言

随着城市化进程的加速，城市流动人口巨增，地铁是缓解不堪负重的地面交通压力的有效工具，但地铁火灾时有发生，极易造成群死群伤以致巨大的生命和财产损失，引起了人们对地铁火灾的广泛重视。如果火灾前能及时准确地探测出火灾状态信息及其它相关状态信息，提前火灾预警，避免火灾发生，致损失降至最低，避免悲剧发生，由此建立一个安全可靠的火灾状态智能识别网络系统有很强的实际应用价值。

国内外文献资料记载，针对地铁火灾预警国际国内处于起步阶段，研究力度在大大加强：英国伦敦地铁采用光纤技术火灾报警网络系统；最近俄罗斯地铁车厢安装了一种称为包括“指针”装置的火灾自动探测报警网络系统；国内目前大部

分地铁都直接应用国外进口的火灾报警网络系统，广州地铁一号线火灾自动报警系统采用Simplex4120对等令牌环网(是由Simplex 公司独自开发)，该网络主要针对车厢内部或地铁车站进行火灾预报监控。

基于地铁火灾的发生呈现多样性和复杂性，一般而言，火灾的发展过程可划分为增长期、充分发展期和衰减期，在火灾的增长期内(从起火到轰燃)温度变化剧烈，进入充分发展期后，温度很高但变化较平缓，由此，温度变化状态是反映火灾发生的一个极其重要环境参数。深入分析地铁车辆车载大功率设备表面和特殊位置温度场，温度是反映大功率设备正常运行的重要参数，由此论文以地铁车辆车载大功率设备温度状态、车厢烟雾检测及新老地铁列车已存在智能模块的其它相关火灾参数状态为对象，同时结合神经网络算法知识对状

收稿日期：2008-11-21；修订日期：2009-05-19。

开发与应用

态参数进行数据融合实现火灾状态智能识别建立起分布式网络系统，该网络系统以CAN总线及Ethernet/IP以太网基础，实现了两层分布式智能网络系统对地铁车辆车载大功率用电设备进行温度状态采集与智能识别、车厢烟雾检测及其它智能模块相关火灾参数监测与状态识别。

1CAN总线突出的技术特点

CAN总线是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络，最初由德国Bosch公司80年代用于汽车内部测试和控制仪器之间的数据通信。目前CAN总线规范已被国际标准化组织ISO制订为国际标准IS011898，并得到Motorola，Intel，Philips等大型半导体器件生产厂家的支持，迅速推出各种集成有CAN协议的产品。CAN总线最初主要用于汽车自动化领域，如发动机自动点火、注油、复杂的加速刹车控制(ASC)、抗锁定刹车系统(ABS)和抗滑系统等。BENZ,BMW等著名汽车上已经采用CAN来满足上述功能。同时，在工业过程控制领域，CAN总线得到了相当广泛的应用，在于CAN总线存在以下几个主要技术特点：

(1)多主方式的面向事件传输：总线处于空闲状态，总线上任何一个节点都可能取得优先权发送信息给其它节点进行信息交换，使得总线中每一节点成为主体面向事件传输信息成为可能。

(2)帧结构：CAN总线的数据帧组成：帧起始、仲裁场、控制场、数据场、CRC场、应答场、帧尾。帧起始1bit(显性位)，仲裁场29bit，控制场6bit，数据场0~8byte，CRC场16bit，应答场2bit，帧尾7bit(隐性位)。帧存在优先权，由帧的仲裁场决定。

(3)非破坏性仲裁(CSMA/CD)方式：CAN总线访问仲裁是基于非破坏性的总线争用仲裁方案。首先，当多个节点访问总线发生冲突时，总是决定位覆盖从属位；其次，优先权高的节点优先传输，其它节点处于监听状态。非破性仲裁原则保证了最高优先权的信息帧在需要的时间内都可优先发送，同时充分利用了总线带宽。

(4)短信息帧：CAN总线使用较短的0~8字节有效数据的信息帧，保证了优先权信息帧的短延时及通信的实时性，同时，当信息受到干扰时，短的信息帧不被干扰的几率越高，节点在错误严重的情况下也会自动关闭脱离该总线，确保其它节点之间的继续通信，当发送信息受到破坏时也可以自动重发。

(5)信息传输方式：CAN总线任何节点是根据报文ID决定接收或屏蔽该报文，而不是根据节点地址进行识别，CAN报文中指示功能、优先级信息等只通过信息标识ID来指示，可实现时间同步多点接收，提高总线利用率。

(6)高速的数据传输速率：CAN总线数据传输速率最高可达1Mbit/s，当传输距离达10km时，速度也可达50kbps。

2以太网(Ethernet/IP)总线关键性技术研究

以太网是一种架构LAN组网的一种技术方式，由于以太网是一种随机性网络，技术比较简单，完全公开，通过不断改进、提升市场占有率(特别是办公自动化OA领域)已经越来越大，成本越来越低，进而变成主流很快被大家接受即使IBM力推的令牌环网(Token Ring)架构也已难挡此潮流。据美国VDC (venture development crop)调查报告如今已有约93%以上的网络节点的LAN都具有Ethernet接口，以太网总线具有以下几个关键性技术特点：

(1)通信的确定性：以太网采用多路存取载波侦听碰撞检测(CSMA/CD)的介质访问控制方式使得网络传输延时和通信响应存在“不确定性”，当网络负荷较高时，存在碰撞报文可能会丢失，无法保障节点与节点之间的通信。由此，在数据吞吐量相同的情况下，当以太网的通信速率达到1000M/10G，同时，交换机引入网络拓扑结构使得网络负荷减轻、网络传输延时减小、网络碰撞机率大大降低；并且全双工通信方式的采用可以使得端口间两对双绞线或两根光纤分别同时接收和发送报文帧也不会发生冲突。

(2)传输通信协议：以太网指基于TCP/IP协议的以太网，即Ethernet/IP，Ethernet/IP就是标准以太网+TCP/UDP/IP+CIP协议。

(3)通信响应的实时性：实时性通常指通过响应时间和循环时间满足对象的要求，针对以太网，网络中任何节点在任何负载情况下都能在规定的时间内得到数据传输的机会，任何节点都不能独占传输媒介。

(4)网络可靠性：可采用冗余技术及其它技术提高网络的可靠性。

(5)传输速率及抗干扰性：遵循IEEE802.3u的100base-T光纤传输介质，速度及抗干扰性大大提高，增强了网络的可靠性，具有较大的带宽，易于网络的扩展及速度的提升。

3地铁车辆车载设备火灾状态智能识别网络系统方案设计

为便于上海地铁列车新老列车的互换性和易扩展性，保证该网络系统应用于上海地铁列车与其它通信模块相互通信监测已存在模块的其它相关火灾参数实时状态，同时也为了实现对地铁车辆车载大功率设备温度状态火灾智能识别的分布式智能节点的远程实时监测，通过前面的分析与比较，CAN 总线与Ethernet/IP以太网突出的技术特点可充分应用于该网络建立起一个分布式智能网络系统，网络系统如图1所示上层采用Ethernet/IP以太网连接地铁新老列车车载各智能模块模块节点如：多功能车辆总线模块(MVB)、Profibus模块、无线通讯模块(IEEE802.11)及未来可扩展的其它模块、列车管理计算机系统(TMS)。列车管理计算机系统具有友好的人机界面，车头(A车)和车尾(A车)各一个列车管理计算机系统通过以太网冗余通道相互备份通讯，列车管理计算机系统采用RS485总线与键盘、显示器通讯，便于列车驾驶员监测现场远程智能节点的数据状态及其它智能模块节点数据状态，实现实时交互。底层采用CAN总线连接各车的大功率设备火灾状态智能识别模块(ARM7单片机)节点，现场设备通过感烟、感温探测器等智能传感器将各大功率设备的温度状态及车厢烟雾传送到ARM7单片机智能模块节点，单片机通过内置的人工神经网络算法软件对各参数进行数据融合实现火灾状态智能识别。根据列车的编组方式，我们以6节车厢编组(ABCCBA车)大功率设备在地铁车辆的分布情况：A车(拖车)蓄电池一组(80节)按车型不一，有些是分两组放在车头车尾，有些是放在车头，辅助逆变器4个；B车(动车)辅助逆变器4