1. 列车环境中存在的危险
典型的列车是具有危险性的环境，发生火灾的可能性很大，火灾的后果也非常严重。具有“危险性”是因为火灾探测、控制及响应系统的性能对生命安全、运行情况和铁路经营者的经济效益都是至关重要的。铁路服务是否能够在预算内安全、正点、完好地运送旅客和货物是极其重要的。
1.1. 起因
列车环境中存在许多火灾危险因素，并因列车的用途、设计、维护制度以及最终如何使用而不同。
在机车内，起火通常是因为意外着火、机械装置和高电流电气系统过热造成的。而低电流开关设备和电子设备同样也会引起火灾。
在旅客列车中，从配电柜和电气系统故障，到机械系统故障，都可以导致火灾的发生。事实上，因为能量很低但恒定，电气故障导致的经常是发展非常缓慢的初级火灾。这样的火灾所产生的烟雾浓度最初很低且持续时间长。极早期烟雾探测报警系统可以赢得大量时间，为火情的排查和定位提供机会，从而为这种环境提供卓越的保护。在火灾发展的早期阶段，要消除火灾危险，可以有多种选择，例如，关闭电源，切断电流。
空调系统（Heating, Ventilating and Air Conditioning - HVAC）因其高度机械化的特点，既可以对大量的热量进行处理，同时又会产生大量的热量。正是这些设备在各类机械故障中占据了很大的比例，导致了现代化旅客列车的晚点。空调系统本身就能够引起火灾。
纵火和人为破坏是迅速蔓延及缓慢发展两类火灾的主要原因。此类行为（包括恐怖行动）所造成的生命安全的危险，因近来世界各地所发生的事件而突显出来。但旅客的疏忽和误用等日常因素也是不容忽视的，虽然其结果可能不是爆炸性的，但发生的频率和影响，经过统计，在经济和社会等各方面都是非常严重的。例如，没人注意到烟头掉进了报纸里，其后果怎样我们下面将进行讨论。
1.2. 催化剂
大量无法控制的因素可以成为催化剂，使处于阴燃状态的隐患发展成真正的火灾。
过去，人们通常不在风险分析中考虑外来燃料及其对列车乘客所造成的威胁。如果没有仔细挑选家具阻燃材料，旅客面前一张破碎报纸，都必须加以认真对待。这样的无害易燃物数量多且无处不在，事实证明，它们可以产生大量的烟雾，使列车在着火后140秒内人就无法支撑下去了。
2000年11月16日，在澳大利亚Kaprun 的Kitzsteinhorn 山所发生的惨剧，以令人极其痛心的方式证明了外来易燃品存在着巨大危险性。在这个案例中，车厢内度假者的滑雪服成为火灾快速发展的助燃剂，最终致使155人死亡。
有空调系统的现代化列车中空气运动很快，经测试，行驶中的列车周围的空气运动会使火灾的发展速度大大加快。ARUP公司的测试显示，行驶中的列车的效能和气流会在跳火后4分钟内产生16MW的高峰热能。
列车上所使用的电气系统占用空间小，多为高电流、多弹性电噪和阻抗变化。例如，现代化柴油机组列车（Diesel Multiple Unit - DMU）发电机的平均最大负载电流可达180AMP，在发生故障时每相可超过恒定的1400AMP交流电和6000AMP来自电池系统的电量。电力牵引电能的列车的数值还要更大一些。此外，对所用电流和电路阻抗的监控还不具备实际意义，电气系统可以在发生故障前给火灾提供巨大的能量。
1.3. 因果关系
1.3.1. 生命安全
无疑，生命安全是安全系统首要的保护对象。 我们应对所有火灾中生命所面临的危险加以认真考虑。下面是一些近期发生的列车火灾：
·因为没有探测到卧铺车厢中的少量烟雾，导致生命安全的悲剧发生——在法国东部城市Nancy附近，一列短途卧铺列车上发生火灾导致12人死亡。加热系统故障导致阴燃，人们因吸入过量烟雾而窒息死亡。
·城铁车厢内大量的烟雾可以导致严重的人身伤害，并使服务中断，损失巨大——2005年5月，奥克兰列车发生火灾，火灾始于空调系统，造成了主要线路的延误。
·列车中的明火会导致生命惨剧的发生——2002年2月埃及列车火灾中死亡100多人，其中许多是跳下飞驰的列车摔死的。
1.3.2. 旅客乘坐的舒适性
乘坐的舒适性是旅客选择（或不选择）某个公共交通工具的首要条件。下面列举了消费者对铁路服务是否满意的各种因素：
·无烟列车；
·盥洗室；
·CCTV闭路电视安防系统；
·空调。
将这些消费者的要求综合起来就能发现一些有趣的驱动力：
·讨厌吸烟的人可能会让吸烟的人去盥洗室吸烟，这显而易见会造成火灾风险——这无疑意味着盥洗室内需要对抽烟造成的烟雾进行可靠的探测。
·CCTV闭路电视系统提供了对某些远程火灾进行验证和阻止纵火行为的视频方式。
·使用空调系统帮助烟雾进入烟雾探测系统可以获得极好的烟雾探测效果。
·本文中使用的案例研究讲解了这些解决方案的协同作用。
1.3.3. 运行情况与经济效益
服务的短暂中断也会严重影响铁路经营者的收益。严重的火灾会导致生命安全的损失，当然，这是悲剧性的，所以必须尽量避免火灾的发生。如果对法律责任心存怀疑，铁路经营者、相关系统及服务商的声誉和财政前景都会受到严重影响。
2. 列车环境的火灾管理问题
列车环境中存在方方面面的因素，使火灾危险管理在火灾的各个阶段都存在困难。
2.1. 早期探测的重要性
烟雾探测是防火系统最关键的组成部分，它决定了响应程序的开始。烟雾探测系统的基本功能是对旅客、工作人员（车上的，也可能是车下的）和响应人员发出火灾危险的警告，使大家做好行动准备。 探测越早，风险管理和损失预防的机会越大。早期探测可以做到：
·时间——进行排查，确定烟雾来源；
·时间——确认危险的严重程度，评估可能的后果并决定最适当的响应级别；
·时间——采取逐级递增程序，尽可能地避免因误报而导致不必要的应急响应费用；
·时间——将列车驶离存在其它危险的区域，例如，地下车站和隧道；
·时间——将列车停在可以安全疏散旅客的所在，应急响应人员能够快速接近，这样才是最有效的；
·时间——当火灾尚处于微小状态时，可以通过排查，在还有更多选择的情况下决定如何采用何种方式进行控制；
·时间——转换冗余系统和服务的模式，确保服务的持续性；
·时间——处理情况。
在火灾发展周期的后期，将探测系统用于烟雾管理，在一些情况中，用于启动灭火装置。
2.2. 探测的难点
2.2.1. 空间狭小
当烟雾源于狭小空间时，及时探测到烟雾来源就变的非常困难，例如，电缆管道、开关柜或通风管道。这样一来，就无法探测到由于电气或机械/电气故障等原因引起的初级火灾，直至火灾发展到非常明显的程度。而且，在狭小的空间内查找根源并采取适当的补救措施也是非常困难的。
2.2.2. 强气流运动
在空调列车中，空气的快速运动会妨碍烟雾来源的确定。车厢中的换气率通常超过每小时20次。即便是中等强度的火灾产生的烟雾，传统探测系统都可能无法探测到。所以，对处于阴燃状态的初级火灾的探测在空调系统的环境下就不可能完成。
2.2.3. 误报
误报是由真实的事件引起的，但这些事件都是些不会导致严重后果的情况。例如，与尾气严重的柴油货车交会时，城铁车厢中的空调系统可能会处于烟雾笼罩之中。如果能够分辨这一情况并非能够对旅客安全形成实质性的威胁的事件，就超越了传统火灾探测系统的性能。
误报是由设备故障引起的，如果探测技术对环境的抗干扰性较差或辨别真实火灾危险和其它环境危险的能力较差，就会经常发生误报。在列车中，对电噪、振动的抗干扰差，刹车时产生的气载尘埃和粒子对传统探测器长时间的污染都会导致误报。
2.2.4. 维护
列车的内部构造不适用传统烟雾探测技术。其性能会因灰尘浓度的增加（源于人的活动和刹车系统等）、烟雾（来自柴油发电机）和纤维（来自毛毯、座椅和衣物）而大受影响。
如果传统探测设备缺乏维护，常常会导致性能降低而不受监控，甚至探测器彻底故障而不被发觉。烟雾探测器的维护周期必须符合或超过正常的类似设备的维护周期，这样才不会增加业主新的费用，或在需要使用设备时，在出现疏忽的情况下不会出现性能变差的危险。探测器还应针对所安装的特定环境就维护频率提供自己的建议，并在必要时报告需要进行特别维护。
2.3. 人员疏散
从高速行驶的列车上疏散人群会对生命安全造成严重威胁。在列车有限的空间内不能避免烟雾致人窒息的情况是最大的威胁，好的防火系统需要避免这一情况的发生。但是，还应考虑到逃离列车不一定能保证生命安全，尤其是在地下或铁路隧道火灾中，因为列车外部的烟雾无法散开。
2.4. 人为
逻辑上或完全不能依赖旅客在紧急情况下做出响应。通常，他们对列车内部和外部的环境和安全系统并不熟悉，也不会马上得到经过培训的工作人员的支持和帮助，也不会得到任何避免危险、风险管理或应急程序（除了飞机上的旅客）的培训。面对着烟雾浓度的不断增加，人们一般情况下或者把危险当成“别人”的事（可能在下一站就下车），或者感到恐慌并猜想自动系统会处理这一情况，使其处于危险中。其实，旅客对下列情况一无所知：
·应该向谁报告危险情况的发生，如何着手报告危险情况；
·如何自行处理危险情况；
·他们是否应该停下列车，如何停下列车；
·他们是否应该离开列车，如何离开列车。
在设计性能优越的防火系统和程序时，不能假设无动于衷的和处于紧张状态的旅客能够了解和处理火灾危险，保护财产、其他旅客甚至其自身的安全。
3. 向性能化设计转变
不管当前行业的大环境情况如何，一些铁路经营者已经领先世界潮流，尝试在列车上应用性能化设计方法，这得到了消防工程咨询公司和一些领先的列车生产商的有力支持。他们已开始着手进行火灾风险的评估，包括火灾起因模型。同时还在进行火灾影响和响应方式选项的调研。
通过新技术的应用，业内人士发现了一种新的方法来确认和处理列车上的火灾危险。而且，新技术已经成为高科技的范例，以极高的投资回报引领了火灾安全领域的最佳应用，其结果是带动了说明性规范和标准开始向性能化设计发展。
性能化设计被进一步认可也引导了不同设计性能的测试和验证工具的创新和发展，计算机流体力学（Computational Fluid Dynamics - CFD）有时就被用于开发烟雾运动模型。在关键性的环境中，CFD对缓慢发展的初级火灾的模拟，近来已被用于模拟这里所开发的解决方案：这些解决方案经过经验测试已证明是行之有效的。
4. 烟雾探测解决方案
4.1. 传统烟雾探测技术
传统烟雾探测技术，都是传统点式探测器，通常为离子式或光电式。离子探测器的设计是用于探测易燃液体等物质所产生的微小粒子，光电探测器是用于探测PVC等人工合成材料所产生的较大粒子。
传统点式探测器通常被用来保护办公大楼，也常常未经广泛筛选或作为周密设计的一部分，没有经过充分考虑而被当作列车上默认的设备。这样的点式探测器有很多特有的设计方法，使其不适用于列车的特殊环境。点式探测器的灵敏度较低，这意味着它们无法提供早期报警（或“预警”信号）。这样一来，就不可能提供具有实际意义的阶段性响应，也就没有时间进行排查。它所提供的第一个信号是报告高烟雾浓度。
点式探测器在空气快速运动的环境中不能发挥功效，例如空调环境。因为它们不具备预过滤功能，也不能处理空气样品以保护其光学表面不被污染，所以柴油机的浓烟常常会导致其发生误报。
因为点式探测器是被动地探测空气中的烟雾，需要安装在列车的天花板上，由于尺寸较大，很容易引起破坏者的注意。此外，其外形也不符合审美观。 由于点式探测器既不能对空气样品进行处理也不能保护其内部光学元件不受污染，大量的日常维护将产生高额费用。
4.2. 极早期烟雾探测报警系统
在消防行业内，探测器分为传统烟雾探测报警和极早期烟雾探测报警两类。传统探测器的特点是可以对已产生的人眼易于识别的可见烟的火灾进行探测，例如，在办公室里废纸篓中的纸张着火，产生了热量和烟雾，最终进入到点式探测器的烟雾探测腔内，引发报警，警告办公室里的人有火灾发生。与此形成对比的是，如果在同一个房间内计算机终端的电子元件发生故障导致发热，在点燃明火前可能阴燃数小时。阴燃阶段被认为是火灾的初级阶段，在初级阶段中，人可能会闻到气味但不会看见烟雾粒子。EWSD的灵敏度不够，不能在电气火灾的初级阶段进行探测。只有VEWSD能够探测初级火灾，做到“极早期报警”。火灾的初级阶段可能持续数小时甚至数天，图1显示了此类火灾的发展趋势。阴燃阶段产生的烟雾量很少，而列车上的气流很强，烟雾的运动受到空调系统气流的控制，无法到达安装在天花板上的点式探测器。
图1 典型的火灾发展趋势，初级阶段漫长
4.2.1. 吸气式烟雾探测
空气采样式（或“吸气式”）烟雾探测系统（Aspirating Smoke Detection - ASD）的形式非常简单，它不断地从需要保护的设备或区域采集空气样品，并对这些样品进行分析，确定是否存在烟雾。这种探测器是一种浊度计——一种空气污染监测装置，具有极高的灵敏度，数百倍于传统烟雾探测器。
对于因材料过热产生的气载粒子或悬浮物，需要利用这样的高灵敏度对极早期的征兆进行探测。在这样的环境中，烟雾的浓度和热度会大大降低，使传统探测技术不能有效地发挥作用。空气采样式烟雾探测系统能够主动累计来自众多采样点的低浓度烟雾，最大限度地降低了稀释的影响。空气采样烟雾探测系统的典型安装，是在整个天花板层面（上方或下方）分散布置多根小口径采样管，采样管上以适当的间距钻采样孔。这样，空气就会通过这些采样孔被吸气泵不断地吸入采样管网，并传送至中央探测器。这一过程在图2中进行了示意。
图2 通过毛细管和采样点采集空气样品的示例
在传统样式的大房间应用中，采样管和采样孔依照网格形式布置，即将每个采样孔布置在传统点式探测器所应在的位置上，以便满足说明性规范的要求。空气采样系统的实际功效来自其灵活的应用。将采样孔布置在烟雾最可能的发源地（接近高危设备）或最可能传播的路径（空调影响）上，这样就能提供极早期烟雾探测报警最有效的方式。
空气采样系统有多灵敏？烟雾浓度通常是以每米遮光率（%obs/m）来进行测算，遮光率是指烟雾对能见度降低的影响。较高浓度的烟雾对应较高的遮光率，即能见度较低。高品质空气采样烟雾探测系统的报警级别可达0.005%obs/m到20%obs/m。下面的数字显示了相对烟雾浓度及其对“出口”指示牌能见度的影响。在遮光率为3%obs/m时， “出口”指示牌的能见度已经受到影响。
图3 在1000平方米的房间内电缆燃烧时所记录的遮光率显示出相应的能见度的降低
空气采样系统可以在遮光率为0.005%obs/m时提供报警信号，是传统探测系统灵敏度的数百倍。分级报警和相关的延时可以确保系统不会发生误报。
多级报警可以为用户提供极宽的时间范围，使之有机会对火灾危险进行排查和响应，利用额外获得的时间，就有可能采取受控的和逐级递增的响应措施。例如，可以使用预警（或“警告”）信号通知铁路员工对反常情况进行排查。如果烟雾浓度持续升高，就可以通过第二个报警信号（“行动”）启动烟雾控制程序，通过疏散系统并通知其他工作人员开始警告。“火警1”（或“火警”）（第三级报警）信号显示出火灾近在眼前或已经开始，在这一阶段，响应程 序可能需要停车并开始疏散人群。通过“火警2”（第四级报警）的信号，空气采样系统可以启动灭火系统。
典型的烟雾探测器的烟雾探测等级如下：
·光电式探测器= 3.0 -12%obs/m
·对射式探测器= 3.0 - 7.0%obs/m
·吸气式探测器= 0.005 - 20%obs/m
已进行的测试显示，在受控房间内，标准长度的电缆燃烧，其遮光率可以确定。房间面积1000平方米，天花板高4.5米，一根长480米、18AWG的绝缘电缆燃烧，可以在整个房间内产生13 obs/m 的烟雾（图3）。反之，只燃烧0.3米同样的绝缘电缆只会在房间内产生大约0.0156%obs/m的烟雾。即使烟雾量如此之少，极早期烟雾探测报警系统也可以探测到烟雾的存在。
传统火灾探测报警技术和极早期火灾探测系统的功效如何？ NFPA 76 - 通讯设施防火应用的建议，于1996年首先开始着手研究，建议针对关键性通讯设施采用早期和极早期火灾探测报警的性能化设计。自1997年开始，美国的统计数字表明，此类环境中所报告的火灾数量呈持续下降趋势。同时，其总的财产损失为1998年第二低的行业。这一趋势呈继续发展的态势。
4.2.2. 目前吸气式烟雾探测技术的应用
列车对于火灾探测来说是极具挑战性的环境，需要采用极早期烟雾探测报警系统，但列车不是唯一需要加以关注的场所。例如，电子数据处理场所气流强大，冷库设施中存在极端的温度条件和冷凝现象，这些都是具有挑战性的因素，需要认真考虑。生产制造业环境中的气载污染物的浓度可能很高，传统烟雾探测技术不适用于这样的恶劣环境，NFPA72（1999年版）等标准也不建议在此类环境中使用传统探测器。实际上，空气采样式极早期烟雾探测系统已成功地在全世界众多行业安装使用，烟草仓库、造纸厂、半导体生产、通讯设施、食品加工、高架仓库、电缆隧道、空管指挥塔，等等。对于地面上的各种环境，极早期报警解决方案已被高洁净度场所和污染严重的恶劣环境所广泛认可。
4.3. 吸气式探测系统在轨道交通业的部分用户
吸气式烟雾探测系统已在欧洲、中国及澳大利亚的很多列车上安装使用，包括：
·马德里地铁；
·澳大利亚佩斯XPT城铁高速列车（包括升级部分）；RailCorp铁路公司探险者号列车及Endeavour列车；
·南太平洋大型特快列车；
·中华之星高速列车；
·昆士兰铁路电气化高速列车；昆士兰铁路柴油机高速列车；
·昆士兰铁路3厢EMU电动列车（研发中）；RailCorp铁路公司猎手号列车；
·RailCorp铁路公司远郊列车（研发中）。
吸气式探测技术为设计人员提供了极大的灵活性：
·探测范围从微小的初级阴燃火情到大规模的明火；
·可以安装在天花板上、天花板内夹层、电缆管道内、横跨空调回风格栅、设备机柜内或围绕在目标设备周围。
利用多级报警来提供：
·可靠的极早期报警通讯（至铁路员工、营运中心员工、消防队等）；
·启动分阶段疏散；
·清除空气污染（通过自动启动排气（除烟）系统）；
·启动顺序关闭程序，关闭系统、程序及电源；
·启动自动灭火系统。
吸气式烟雾探测系统与智能应急响应系统之间可以很好地配合。
5. 设计
5.1. 设计所面临的挑战
列车开放区域的环境中，存在很多探测上极具挑战性的难题。下面是一些主要的危险所在：
·灰尘浓度高（钢质铁轨上的钢质车轮，刹车导致的扬尘，人来人往）。
·环境烟雾浓度高（引入新风时进行过滤，但列车使用的是柴油动力，并行驶在林火多发地区）。
·纤维多（人来人往，布艺装饰的表面）。
5.2. 解决方案的优越性
可以预知，在这个独特的设计中使用吸气式烟雾探测系统，就能够提供下列显著的优越性：
1.对初级火灾（尤其是始于空调系统的）采取极早响应；
2.将烟雾主动地传送到探测器，从而对快速发展的火灾做出快速响应；
3.尖端的、已证明行之有效的探测技术，在不断变化的环境下误报率极低；
4.主动过滤采样空气，确保使用寿命比点式探测长久的多，尤其是在高压回风装置的强气流环境中。ICAM独特的洁净空气吹洗技术（保护探测腔的光学表面）使之可以在环境污染相对较重的列车中保证合理的使用寿命；
5.将探测器放置在高压回风装置内可以保护探测器不受极端温度（温和的23°C）和湿度（假设没有冷凝现象）条件的损害；
6.将探测器放置在高压回风装置内还可以保护探测器不受纤维、大量灰尘和烟雾的影响，尤其是在回风过滤器吸满灰尘的情况下；
7.ICAM探测器可以提供尖端的故障报告功能，可以减少故障维修和服务的费用；
8.ICAM系统有多个额外接口可供选择，包括用于串口数据交换的RS232端口（例如，烟雾浓度、探测器状态、调试/设置、解除报警锁定、从设备上下载数据记录、完成各种指令等远程检索）以及对设施进行复位（解除报警锁定）；
9.多个报警输出，用户可以获得逐级递增的智能响应程序。可以使用软件对探测器的“预警”烟雾浓度阈值进行编程，使RailCorp铁路公司可以灵活地探测多种类型的危险并以希望的方式做出响应。
10. 探测器与空调系统的连接将其接入了列车操作系统（Train Operation Syestem - TOS），简化了通讯集成工作。
11. 吸气式烟雾探测系统被完全隐藏在高压回风装置内，唯一可以看到的采样点（在盥洗室内）采用了独立的防破坏盖帽，从而大大降低了人为破坏的可能。
12. 所有报警、故障和用户操作的全部历史记录都保存在非易失性事件记录中，可以登录事件记录获取证据。
“火警”向驾驶员和保安人员发出逐级递增的听觉和视觉警告，并通过TOS列车操作系统的内在联系关闭空调系统。这种自动响应的设计可限制烟雾的扩散，降低向明火发展的可能性。 所有报警和故障都以文字形式记录在计算机控制及通报系统中，为事件管理、故障诊断和保存证据提供了帮助。
5.3. 系统安装、调试和维护
对所选吸气式系统进行集成，其独特的优越性之一是可以在工厂里作为空调系统的一部分进行安装，再发到列车生产商那里，作为空调系统的一部分进行预调试。如果需要，这种吸气式烟雾探测系统还可以在高压回风装置内通过DB9 RS232串口完全利用软件在现场进行编程，方便控制、设置和调试等。这种吸气式烟雾探测系统只需很少的维护，如果需要更换，可以从空调装置的入口处进入，用几秒钟的时间就可完成。
5.4. 性能的可靠性和确定性
吸气式烟雾探测系统可以不间断地监测气流的变化，检查自身的运行状况。它可以监测内置过滤系统的寿命和所有关键性的功能，以确保对探测和报告的可靠性的监控。
6. 结 论
在保护人身安全、保持第一个对任何火灾做出响应的同时，使用极早期烟雾探测报警技术不仅可以降低风险，还能够保护关键性的财产并确保业务持续运营。
吸气式烟雾探测系统的使用证明了使用这种技术是聪明的做法，它可以防止任何人身伤害和损失的发生。从降低维护费用、降低维修损耗和“服务标准”上规定维护工作量上我们可以计算出经济效益。这证明了，采用极早期烟雾探测报警，为对潜在火灾危险做出响应赢得时间，是预防服务中断、避免潜在损失、改善业务的生产力水平的最佳方法。
