列車網絡控制系統研究

程廣洋,王云飛,周 洋,劉力豪

(中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島 266000 )

0 引言

城市軌道交通是一個國家的重要設施，是城市公共交通的骨干，具有節能、省地、運量大等優勢[1]。隨著全球各地區國家經濟、城鎮區域、人口基數的增長擴大，各國家、地區的日常交通變得十分擁堵，越來越多的發達國家開始通過發展城市軌道交通來緩解各城市的交通緊張的問題[2]。1863年1月，英國大都會地區鐵路正式開始營業到現在，城市軌道交通行業已經有了近兩百年的歷史，世界各國基本都修建了城市軌道交通[3]。本文針對公司生產的海外某項目的網絡控制系統的硬件組成、軟件功能進行簡要分析介紹。

1 系統結構及原理

列車網絡控制系統(TCMS)系統是一列車的神經中樞，負責完成與各個子系統之間的數據傳輸、邏輯控制、故障診斷等工作，是一列車能夠安全運行的保障[4]?，F在世界各國軌道交通行業中，TCN網絡無論是在動車組、地鐵還是輕軌，都得到了廣泛的應用[5]。TCMS具有信息傳輸、邏輯控制、畫面顯示、故障診斷和用戶支持五大功能。

本項目采用符合IEC61375標準[6]的TCN網絡，拓撲結構由列車級WTB總線、車輛級MVB總線兩級總線構成。整列車分為兩個單元，每4節車為一個單元,單元內采MVB-EMD 總線。主要組成設備為車輛控制單元(VCU)、人機交互接口(HMI)、遠程輸入輸出模塊(RIOM)、中繼器(REP)。

連接到多功能車輛總線MVB上的各個子系統包括：旅客服務系統、制動系統、牽引系統、空調系統、廣播系統、煙火系統、車門系統、信號系統等。TCMS網絡拓撲如圖1所示。

圖1 網絡拓撲圖

列車編組為4M4T，即4輛動車4輛拖車。VCU負責組織所有數據的交換，并且進行車輛邏輯控制及車輛診斷；RIOM模塊采集車輛各系統模擬信號、數字信號，通過MVB總線、REP中繼器進行數據交互。HMI負責顯示各系統狀態以及故障信息及處理方法，并進行車輛級及各個子系統的網絡集控指令的輸入。

2 系統硬件分析

2.1 列車級通信

WTB(Wire Train Bus)絞線式列車總線是專為鐵路機車(車輛)重聯而開發的高可靠和實時的現場總線，當列車進行連掛等需要改變車輛組成時，列車總線各節點執行初運行過程，連接并分配連續的地址給各節點[7]。

1)傳輸周期：

CPU程序執行周期暫定為50 ms，WTB過程數據的特征周期設置為50 ms，過程數據報文長度為128字節，即在50 ms內所有WTB節點的過程數據至少發送一次，WTB過程數據通信時序示意圖如圖2所示。

圖2 WTB過程數據時序

2)數據類型：

P1端口數據由主節點編排發出，其中主節點發送控制指令，速度等數據，每個周期不分時發送；

P2端口數據由從節點發送本單元關鍵信號給主節點，使主節點可進行列車級的控制。P1端口與P2端口通過“主節點標志”信號進行區分。

P3端口數據由編組中的所有單元編排發出，主要為車輛關鍵設備狀態；端口傳輸示意圖如圖3所示。

圖3 端口傳輸示意圖

消息數據采用分頁方式，每50 ms發送一次，每500 ms數據更新一次。消息數據主要用來傳輸狀態數據和故障數據及軟件版本等。

2.2 車輛級通信

MVB總線是TCN的重要組成部分，用于列車內各子系統之間的串口通信。傳輸距離的需求不同，選擇的總線的物理層介質類型也有所不同[8]。MVB物理層介質類型根據傳輸距離可分3類：短距離電氣介質ESD、中距離電氣介質EMD、長距離光纖介質OGF[9]。本項目采用電氣中距離EMD電介質。

它的拓撲結構是固定的，不能動態改變，4輛車一起構成一個MVB單元。每輛車都有一個MVB分段，并通過中繼器連接到整個MVB單元上，并且在每個分段的兩端都接有終端電阻。

2.3 列車控制單元(VCU)

VCU是整個列車的控制中樞，與列車的運行安全息息相關。在列車網絡控制系統中，每一列車上安裝有2臺VCU，互為冗余[10]。VCU通過多功能車輛總線與HMI、RIOM等設備通信。列車控制單元主要包括電源模塊、CPU模塊、WTB、MVB模塊、數字量采集模塊、模擬量采集模塊。各模塊通過背板總線進行連接，集中式的設備總成大大減少了各模塊間的連接器的數量，降低了設備的故障率。

2.4 輸入輸出模塊(RIOM)

RIOM模塊主要功能為采集列車數字量，并將該信號轉換為MVB數據發送至VCU，同時該模塊還可以接受來自主VCU的控制命令，對外進行相應的輸出指令操作。RIOM將具有串行和數字輸入和輸入和輸出通道(共計24路DI+8路DIO)，數量滿足車輛設備的需要，并有10%的備用量。

2.5 中繼模塊(REP)

每列車裝有8個中繼模塊REP，每節車配備一個中繼器設備。中繼器用于連接MVB各區段，完成信號轉發功能[11]。中繼器REP還可以實現信號的中繼放大，以及傳輸通道的隔離，將故障點造成的影響降到最低。中繼器可以識別數據傳輸方向[12]。每節車的所有設備通過MVB總線互連成車輛級通信網絡并通過REP與列車級網絡進行互聯互通。

2.6 人機交互顯示器

人機交互顯示器(HMI)是司機與車輛之間的可視化界面。顯示車輛狀態和故障信息，使司機能實時掌握車輛情況[13]。HMI根據從總線上的獲取的數據對車輛所有設備狀態進行監視，同時可以根據畫面的控制功能實現對子系統的控制，例如空調、PIDS、牽引的復位等。HMI可以為司機或檢修人員提供故障幫助以及操作提示等信息。

3 軟件功能分析

TCMS軟件系統十分復雜，與外界環境以及操作者關系密切。是一個在功能、行為、結構上呈現出層次性、開放性、非線性的軟件系統[14]。

3.1 邏輯控制

3.1.1 列車級功能

實現的主要列車級主要功能項點如下。

1)司機室激活端選擇：

(1)只有一端 “本車激活”信號有效，則以本車為激活端，輸出激活端有效信號；(2)兩端“本車激活”信號都有效時，輸出激活端故障給HMI，以故障提示形式提醒操作人員同時做相應的處理。此時激活端默認上一次狀態。

2)列車方向信號:

ATO模式時，方向指令選取激活端ATO輸出；在非ATO模式下，方向指令選取主控端方向手柄的信號輸出。

3)方向控制:

(1)列車在零速狀態時且激活端故障信號無效時，可以更改方向；(2)在零速時若有且僅有一個方向輸入則認為方向可用，以輸入方向為列車方向；同時接收到“前向”和“后向”指令信號，輸出“方向錯誤”信號給HMI，默認無方向；(3)在非零速時，默認上一次方向，同時接收到“前向”和“后向”指令信號或前后向同時丟失時，輸出“方向錯誤”信號給HMI。

4)牽引制動狀態:

(1)當緊急制動繼電器失電時，TCMS輸出緊急制動狀態：(2)當司控器制動位或ATO模式下ATO制動指令有效或非緊急制動狀態時，TCMS輸出常用制動狀態：(3)當司控器牽引位或在ATO模式下ATO牽引指令有效或非制動位時，TCMS輸出牽引狀態；(4)非1～3時，默認為惰行狀態。

5)司控器牽引制動力大小:

司控器電位器輸出理論值：

eb：8±0.15 VDC；bmax：8±0.15 VDC；n:3±0.15 VDC；pmax：8±0.15 VDC。

無司控器牽引位、制動位、非緊急制動狀態時，牽引力大小、制動力大小為零。

6)速度計算:

首先將8編組車分為2個單元：計算每個單元的速度，速度為拖車用制動速度，動車用牽引速度，計算方法：(1)牽引時本單元車速度：所有有效軸速中第二低軸速值；(2)制動時本單元車速度：所有有效軸速中第二高軸速值；(3)惰行時按照上次列車牽引、制動狀態執行計算。(4)取兩個單元的最高值作為整車速度。

7)牽引封鎖控制:

TCMS通過通訊向DCU、BCU通訊牽引指令，以下情況將封鎖牽引：(1)牽引命令無效；(2)無激活端有效指令；(3)無方向有效指令；(4)制動不緩解反饋信號有效；(5)門全關信號無效；(6)停放制動不緩解反饋信號有效；(7)緊急制動狀態；(8)列車超速；(9)應急開關有效；(10)所有高速斷路器斷開。

8)時間設置、時間同步:

TCMS檢測到激活端側顯示器時間設置界面設置位高電平時，將設置命令及設定值發送給所有系統；TCMS上電1分鐘后自動發出時間設置命令以及系統時間值。時間控制流程如圖4所示。

圖4 時間控制流程圖

9)通訊狀態判斷:

任一子系統所有的端口在連續8次通訊周期內內生命信號都沒有變化則輸出該系統與TCMS通訊故障。連續3次生命信號有變化輸出通訊正常信號；

某個設備只要有一個端口通訊故障，就認定該設備通訊故障，該設備所有端口通訊正常，才認定該設備通訊正常。

TCMS發送給子系統的生命信號從0到65535，其每次增加計數值的周期為端口的輪詢周期。子系統狀態判斷流程如圖5所示。

圖5 子系統狀態判斷流程圖

10)保持制動緩解:

以下條件只要有一條滿足則輸出保持制動緩解：(1)牽引使能有效，且有效牽引力值大于A=130 kN；(2)牽引使能有效，且列車速度高于1 km/h。

3.1.2 牽引系統

1)總牽引力：VCU計算4個動車的實際力之和發個DCU。

2)總載荷：VCU計算8個車的實際載荷之和發個DCU。

3.1.3 輔助系統監控

車輛控制單元(VCU)通過MVB總線向本地牽引單元輔助控制單元傳輸指令信息，同時輔助控制單元通過MVB總線將輔助系統的狀態信息、故障信息傳遞給本地車輛控制單元(VCU)，非主控端VCU通過WTB總線將本單元內輔助變流器的信息傳遞給主控VCU。從而實現列車控制與監視系統對整車輔助系統的監視、控制、診斷和記錄。

3.1.4 制動系統監控

制動系統控制單元EBCU具有MVB通信功能并連接車輛網，實現的制動監控項點如下。

1)EBCU與TCMS通信狀態監測：

列車控制與監視系統對制動控制單元(EBCU)與TCMS系統的通信狀態進行監測，并在HMI上進行顯示。

2)制動指令監測：

網絡系統通過網絡輸入輸出模塊對列車施加的制動指令進行實時的監測及診斷。列車制動指令包括：司控器發出的制動指令、ATC發出的制動指令、停放制動指令等，并通過車輛總線MVB發送到本地的VCU，VCU通過邏輯判斷后識別為列車所要施加的制動指令，結合EBCU反饋的制動狀態進行診斷。

3)制動指令傳輸：

司控器發出的制動指令通過硬線發送給主控車EBCU，同時網絡輸入輸出模塊采集指令信號至VCU，通過MVB總線和WTB總線傳送至各車的EBCU。EBCU根據該信號和硬線信號對比后執行制動命令。車輛行駛過程的制動指令施加狀態如圖6所示。

圖6 制動指令施加波形圖

4)主風管壓力監測：

制動控制單元(EBCU)可以通過壓力傳感器監測主風管壓力，通過車輛總線MVB將壓力信息發送到本地的VCU，VCU通過邏輯判斷將計算后得到的準確壓力值傳送至列車總線WTB，最終發送到顯示屏用于顯示主風管壓力。主風管壓力波形如圖7所示。

圖7 主風管壓力波形圖

5)停放制動監測：

當停放制動施加或緩解時，停放制動缸壓力開關會動作，停放制動壓力開關控制車輛繼電器，輸入輸出模塊采集停放制動環路繼電器的輔助觸點狀態，通過車輛總線MVB將信息發送到本地的VCU；制動控制單元同時通過壓力傳感器監測停放制動狀態，通過車輛總線MVB將停放制動是否施加的狀態發給VCU。

將牽引手柄推到牽引位，由TCMS檢測牽引狀態后，當列車速度大于3km/h，通過WTB總線將坡起制動緩解指令發給各車EBCU，EBCU進行停放制動緩解。行駛過程總的停放制定緩解狀態波形如圖8所示。

圖8 停放制動緩解波形圖

6)制動故障檢測：

當EBCU檢測到制動系統工作異常時，對產生診斷信息通過車輛總線MVB發送至本地VCU，VCU將診斷信息發送至列車總線WTB，形成列車級診斷信息，顯示屏接收該信息實現報警提示。

3.1.5 空調監控

空調系統控制單元(VAC)具有MVB通信功能并連接車輛網。實現的空調監控項點如下。

1)空調控制器與TCMS通信狀態的診斷和顯示：

TCMS監視列車所有空調控制器的狀態。在某一空調控制器由于通信故障而離線后，本牽引單元的車輛控制單元(VCU)通過生命信號判斷出與空調控制器的通信出現故障，并判斷發生故障的車輛號，通過WTB總線將此診斷信息發送給其它牽引單元的車輛控制單元(VCU)。

2)客室空調控制：

通過激活端司機室的顯示器可以將全列客室空調集控開啟或關閉工作模式等控制指令通過MVB總線傳遞給本單元的VCU，VCU通過邏輯判斷將客室空調控制信號通過MVB傳遞給本單元內的客室空調控制器，同時主控端VCU通過WTB總線將控制指令發送給其它牽引單元的VCU，進而控制其它牽引單元內的客室空調的啟動和關閉。

3.1.6 煙火報警

煙火報警主機通過MVB總線與TCMS進行通信。全車在司機室、客室、配電柜等區域設置煙火報警探測器。當車輛某部位發生火警時，火警信息通過MVB總線發給本單元的車輛控制單元(VCU)，車輛控制單元將火警信息通過司機臺顯示器、機械師室顯示器及蜂鳴器通知司機及隨車機械師。煙火報警主機通過MVB總線發送給VCU，VCU按照故障等級對火警系統的診斷信息進行報警和存儲。

VCU收到本網絡單元FAS報警后，進行預處理，之后向本單元對應報警車廂的HVAC發送報警信息，控制空調停機。

3.2 畫面顯示

1)HMI布置：

每個司機室設置1個HMI，顯示屏屏幕規格為10.4寸，分辨率為800*600，操作方式為觸摸式顯示屏，顯示屏內置蜂鳴器，出現故障時鳴動報警。

2)HMI顯示界面：

HMI設置司機模式、維護模式，司機和檢修人員能觀測整車運行狀態，或通過顯示屏控制相關系統的運行狀態，如圖9所示。

圖9 HMI各界面關系圖

3)顯示信息：

HMI主界面內容如圖10所示。

圖10 HMI主界面

3.3 故障診斷

車載故障診斷系統是TCMS的一個重要組成部分，完成車載各部件故障數據的采集、顯示功能。故障信息在司機臺上通過HMI顯示，并且通過車地無線系統上傳到地面維修和服務系統中，供長期的儲存和深入的地面分析。

診斷功能可以協助司機和檢修人員進行工作。當列車發生故障，將以顯示器的文本信息和蜂鳴器的嗚叫同時警示司機。故障等級和純文本信息顯示在HMI界面上。此外，故障提示信息可以協助司機采取適當的操作，并使維護人員更容易地查找并解決故障[15]。

3.3.1 故障等級劃分

TCMS將故障劃分為3個等級，如表1所示。

表1 故障等級劃分

3.3.2 故障信息顯示

歷史故障界面顯示TCMS檢查到的歷史故障列表。此界面信息影響列車運行的故障將給出提示，如圖11所示。

圖11 歷史故障界面

3.3.3 故障記錄功能

VCU存儲板實現故障記錄功能。當車載診斷系統診斷出列車故障后，VCU存儲板將對故障的相關信息進行記錄。通過把診斷信息存儲在診斷系統中且盡可能多的定期預防性維護[16]，列車的可用性總是能夠得到提高。VCU存儲板故障記錄功能如表2所示。

表2 VCU存儲板功能

3.3.4 診斷數據分析

ERM記錄列車運行過程中各子系統發生的故障情況[17]。PTU使用有線以太網下載存儲于車載事件記錄儀中的列車運行參數和故障數據，并通過列車數據分析軟件對下載的數據進行解碼處理，最終以波形或者圖表等易于理解的形式進行顯示，用于詳細的故障分析。

PTU采用SQL數據庫系統對下載的列車數據進行存儲和管理，可以方便的實現多種檢索、分類、統計等功能。PTU提供SQL數據庫導出和導入接口，用以實現列車數據的共享、備份和還原功能。

1)在線監測功能：

通過各車廂配置的以太網控制單元，利用定制的PTU軟件，在列車運行過程中可對連接到以太網上的各子系統的狀態、運行參數、故障等進行實時監測，如圖12所示。

圖12 在線監測列表展示界面

2)數據下載分析：

通過PTU下載的故障數據，可以通過PTU軟件進行解析，以列表的形式進行展示，如圖13所示。

圖13 故障信息示意圖

4 實驗結果與分析

1)產品裝車必須滿足列車環境和電磁兼容實驗要求，到第三方實驗室進行產品型式試驗，以確保產品符合裝車要求。電磁兼容測試波形如圖14所示。

圖14 電磁兼容測試波形圖

網絡控制系統在設計完成后，在實驗室搭建測試臺進行產品性能、功能等測試，以及長時間通訊考核，從而確保網絡產品通訊質量符合裝車要求。

2)網絡控制系統會與列車各子系統在實驗室進行網絡通訊協議測試，確保網絡與各子系統通訊數據的正確性。

為了滿足軟件、硬件要求。按照相關標準流程，系統進行了模塊級試驗、電磁兼容試驗、型式試驗、軟件集成試驗、軟硬件集成試驗、接口試驗、車載靜動調試驗，測試結果符合設計預期。確保了系統裝車后的正常運營。

5 結束語

車輛網絡系統作為現代城市軌道交通的核心技術，其功能的先進性和可靠性直接影響著車輛的性能與安全[18]。列車網絡系統是計算機領域、通信領域、控制理論等多學科的組成[19]。TCN標準已在國內外的城軌項目上廣泛應用了20多年[20]。隨著5G通訊、大數據、無線傳輸的應用，現有數據帶寬已越來越無法滿足使用需求，相信在不久的將來TCN網絡將迎來一場重要變革，讓我們拭目以待。