列車系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)功能開發(fā)初探討

王愛美

【提要】目前，隨著鐵路運(yùn)輸業(yè)的快速發(fā)展，列車控制和管理系統(tǒng)也在不斷更新以保證列車安全、高效地運(yùn)行【1】。文章主要講解了TCMS（列車控制和管理系統(tǒng)），詳細(xì)分析了該系統(tǒng)的系統(tǒng)構(gòu)成、功能、以及初步的開發(fā)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，聯(lián)系學(xué)生已學(xué)習(xí)課程，結(jié)合現(xiàn)在地鐵單位對(duì)人才的能力需求，淺談基于列車控制和管理系統(tǒng)的開發(fā)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目。

【關(guān)鍵詞】軌道交通 TCMS 構(gòu)架組成 實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目

隨著各個(gè)城市交通壓力的增大，為緩解交通壓力，現(xiàn)在越來(lái)越多的城市著力于發(fā)展軌道交通，其中，修建地鐵成為緩解交通壓力的首選。目前已知在建地鐵城市有：長(zhǎng)春、大連、重慶、武漢、杭州、哈爾濱、西安、蘇州、青島、長(zhǎng)沙、無(wú)錫、福州、東莞、寧波、濟(jì)南、廈門、常州、鄭州、南昌等城市，地鐵具有快速、大運(yùn)量、大眾化、用電力牽引、線路全封閉的一種軌道交通方式。目前地鐵運(yùn)行已經(jīng)不局限于在地下隧道中的這種形式，運(yùn)行線路多樣化，可采用地下、地面、高架三者有機(jī)結(jié)合的建造方式，并且泛指采用高規(guī)格電客列車同時(shí)高峰小時(shí)單向運(yùn)輸能力達(dá)到3萬(wàn)至7萬(wàn)人的大容量城市軌道交通系統(tǒng)。地鐵具有自身的特點(diǎn)，與其它類型的交通方式相比具有以下特點(diǎn)（1） 地鐵交通是大型城市基礎(chǔ)設(shè)施，為社會(huì)生產(chǎn)和生活提供基礎(chǔ)服務(wù)，具有顯著的公益性 。（2） 地鐵交通基礎(chǔ)設(shè)施的線路、車站、通信和車輛等，具有資產(chǎn)專用性，一經(jīng)完成不能它用。（3） 地鐵交通建設(shè)成本高，規(guī)模大，回收周期長(zhǎng)。地鐵網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)規(guī)模的擴(kuò)大，可以降低成本。（4） 地鐵交通項(xiàng)目的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建設(shè)和運(yùn)營(yíng)等各階段，需多專業(yè)、多行業(yè)、多企業(yè)間相互配合[2]。

隨著地鐵技術(shù)的發(fā)展，修建地鐵城市增多，對(duì)人才需求越來(lái)越多，如何在校期間實(shí)施列車網(wǎng)絡(luò)方面的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，為地鐵公司培養(yǎng)急需人才，是現(xiàn)在各個(gè)高職院校一直在努力的方向。隨著越來(lái)越多地鐵訂單班的組建，需要對(duì)人才進(jìn)行定向培養(yǎng)，因此針對(duì)駕駛專業(yè)方向的學(xué)生，需要將列車系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)提到日程，現(xiàn)淺談一下地鐵列車系統(tǒng)的實(shí)訓(xùn)開發(fā)過(guò)程。

一、熟悉系統(tǒng)框架及組成分析

1、TCMS【3】系統(tǒng)框架組成

現(xiàn)研究的城軌地鐵列車模型主要采用的是TCMS（Train Control and Management System）系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要有6個(gè)部分組成，即列車信息顯示、列車功能控制、列車維護(hù)管理、列車故障分析、列車故障記錄、列車信息管理。如圖1-1所示。

TCMS系統(tǒng)組成

2、TCMS系統(tǒng)框架組成分析

TCMS系統(tǒng)主要設(shè)備包括VTCU、DDU、RIOM、（RS485/CAN）網(wǎng)關(guān)、PCE、ACE、BCE、EDCU、ACV、PA/PIS、ATC。

VTCU：作為列車的主控制單元，每列車上配置2個(gè)互為冗余的VTCU；當(dāng)強(qiáng)主VTCU故障時(shí)，弱主VTCU馬上自動(dòng)接替強(qiáng)主VTCU工作，保證列車正常運(yùn)行，運(yùn)行TCMS的主要應(yīng)用程序，監(jiān)控列車狀態(tài)，并進(jìn)行相關(guān)的信息存儲(chǔ)，管理CAN網(wǎng)絡(luò)的通訊。

DDU：司機(jī)顯示單元，每個(gè)司機(jī)室配置1個(gè)。作為人機(jī)接口，方便司機(jī)了解列車的狀態(tài)，指導(dǎo)司機(jī)處理相關(guān)故障，駕駛列車。

RIOM：遠(yuǎn)程輸入/輸出單元，在Tc車的一位端設(shè)一套R(shí)IOM（RIOM10），每個(gè)客室二位端各設(shè)一套R(shí)IOM（RIOM11或RIOM21）。采集和控制非微機(jī)控制子系統(tǒng)的相關(guān)信號(hào)。

RS485/CAN網(wǎng)關(guān)：與具有串行接口的設(shè)備（ATC）進(jìn)行通訊。

PCE：牽引電子控制單元，位于Mp車，管理牽引系統(tǒng)。通過(guò)CAN網(wǎng)的通訊僅限于監(jiān)測(cè)和非安全控制功能。

ACE：輔助電子控制單元，位于Tc車，管理輔助供電系統(tǒng)。通過(guò)CAN網(wǎng)的

通訊僅限于監(jiān)測(cè)和非安全控制功能。

BCE：制動(dòng)電子控制單元，位于每節(jié)車的每個(gè)轉(zhuǎn)向架旁，控制制動(dòng)系統(tǒng)以及供風(fēng)系統(tǒng)。通過(guò)CAN網(wǎng)的通訊僅限于監(jiān)測(cè)和非安全控制功能。

EDCU：車門電子控制單元，用于監(jiān)測(cè)車門狀態(tài)。不同車輛的車門控制單元交叉連掛在車內(nèi)兩路CAN總線上，確保一條總線有斷點(diǎn)故障時(shí)，不會(huì)丟失同一側(cè)所有車門的狀態(tài)信息。

ACV：客室空調(diào)控制單元，位于每輛車，控制空調(diào)系統(tǒng)工作。通過(guò)與CAN網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的集中控制功能，并監(jiān)測(cè)空調(diào)系統(tǒng)的狀態(tài)。

PA/PIS：乘客信息系統(tǒng)控制單元，位于Tc車，將作為一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)，單獨(dú)控制音頻系統(tǒng)、乘客信息顯示系統(tǒng)。直接與CAN網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)對(duì)音頻和乘客信息顯示的控制，并監(jiān)測(cè)PIS系統(tǒng)的狀態(tài)。

ATC：車載列車自動(dòng)控制設(shè)備，在Tc車通過(guò)獨(dú)立的RS485/CAN轉(zhuǎn)換模塊與CAN網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊，與VTCU交換列車的狀態(tài)信息和ATC的控制信息。主要架構(gòu)如圖1-2所示。

二、系統(tǒng)功能分析

TCMS系統(tǒng)框架組成主要分析的是地鐵車C1、C2、C5、C6車的設(shè)計(jì)方式，TCMS（列車控制和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)）用于監(jiān)測(cè)列車所有子系統(tǒng)的狀態(tài)和列車運(yùn)行狀態(tài)，并執(zhí)行部分控制功能，不進(jìn)行緊急制動(dòng)或車門控制等，這些控制功能僅由硬線控制實(shí)現(xiàn)。

微機(jī)控制單元數(shù)據(jù)通過(guò)CAN總線或串行總線傳輸，非微機(jī)控制單元狀態(tài)通過(guò)RIOM（遠(yuǎn)程輸入輸出模塊）采集，發(fā)送到VTCU進(jìn)行收集和管理。

TCMS列車網(wǎng)絡(luò)采用CANopen協(xié)議進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通訊，符合ISO11898和EN50325-4標(biāo)準(zhǔn)。

1、TCMS由3路CAN總線組成。

1）采用一路CAN總線連接ACE、PCE、BCE等車下網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。

2）采用兩路CAN總線連接了ATC、PA/PIS、 RIOM、DDU、車門、空調(diào)等其他車內(nèi)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備子系統(tǒng)的。ATC、PA/PIS、RIOM、DDU、車門和空調(diào)等其他子系統(tǒng)合理地分布在車內(nèi)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)的兩路CAN總線上，兩路總線相互間不影響，并且任一節(jié)點(diǎn)的故障也不影響系統(tǒng)的工作，有效提高列車的可靠性和列車的數(shù)據(jù)傳輸速度。

其中3路CAN總線的傳輸速度均為250Kbit/s。

具有串行接口的設(shè)備通過(guò)RS485/CAN模塊與列車網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊。

本實(shí)例中的ATC控制單元將通過(guò)此設(shè)備與VTCU進(jìn)行通信。

制動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)部具有一個(gè)冗余的Echelon網(wǎng)絡(luò)，連接各節(jié)車上的BCE，用于實(shí)現(xiàn)制動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)部信號(hào)通訊和制動(dòng)力的分配控制。

2、接口類型

TCMS系統(tǒng)接口具有下列三種類型：

1）CAN接口設(shè)備直接連接到CAN網(wǎng)上；

2）RS485接口設(shè)備通過(guò)RS485/CAN模塊連接到CAN網(wǎng)上；

3）I/O信號(hào)通過(guò)RIOM連接到CAN網(wǎng)上。

CAN連接插座類型：D-Sub 9針（公/母）。如下圖1-3所示。

RS485連接插座類型：D-Sub 9針（公/母）。如下圖1-4所示。

三、實(shí)訓(xùn)功能開發(fā)

項(xiàng)目一 系統(tǒng)運(yùn)行

TCMS 主要負(fù)責(zé)監(jiān)視列車和所有微機(jī)控制子系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)也進(jìn)行PIS報(bào)站控制。

實(shí)訓(xùn)過(guò)程包括查看系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，可以進(jìn)行報(bào)站操作（學(xué)生之間相互操作）。

其中，TCMS運(yùn)行模式分為三種：初始化模式（上電模式）；正常模式（基本模式）；降級(jí)模式；

具體操作過(guò)程：

1）TCMS上電后，設(shè)備進(jìn)行初始化階段，主要是設(shè)備自身進(jìn)行的包括硬件及軟件的自檢。

2）當(dāng)設(shè)備初始化完成之后，TCMS有以下兩種正常運(yùn)行模式：

?激活：接收來(lái)自主控鑰匙的激活信號(hào)后，司機(jī)可以通過(guò)激活司機(jī)室的DDU輸出控制指令；非激活司機(jī)室的DDU可以查看列車狀態(tài)，進(jìn)入維護(hù)界面；“故障警報(bào)界面”僅在激活司機(jī)室的DDU顯示，維護(hù)界面僅在非激活司機(jī)室可以進(jìn)入。

?待機(jī)：未選擇主控鑰匙，TCMS等待列車激活或斷電，可以通過(guò)兩端的DDU查看列車狀態(tài)，進(jìn)入維護(hù)界面。

3）當(dāng)TCMS系統(tǒng)發(fā)生某些比較嚴(yán)重的故障影響到列車正常運(yùn)行時(shí)，TCMS進(jìn)入降級(jí)模式。

2、系統(tǒng)管理

TCMS執(zhí)行三級(jí)基本管理功能：

?1級(jí)：應(yīng)用管理，管理邏輯輸入/輸出、串行連接、設(shè)備控制和與DDU的數(shù)據(jù)交換。

?2級(jí)：系統(tǒng)管理，管理CAN網(wǎng)、系統(tǒng)時(shí)鐘和故障信息。

?3級(jí)：通訊管理，在CAN網(wǎng)上傳輸?shù)倪^(guò)程數(shù)據(jù)和信息。

TCMS的基本管理功能可分為：CAN網(wǎng)管理， CAN網(wǎng)上的設(shè)備可用性檢查，時(shí)間管理，故障管理，二進(jìn)制I/O管理。

3、駕駛操作輔助功能

DDU顯示器為觸摸屏，作為TCMS系統(tǒng)人機(jī)接口，輔助司機(jī)完成列車操作功能。

駕駛?cè)藛T可以通過(guò)DDU了解列車的當(dāng)前狀態(tài)信息及歷史故障信息，如下圖1-5所示：

DDU界面顯示界面分為門控系統(tǒng)、制動(dòng)供風(fēng)單元、牽引系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、PIS系統(tǒng)、歷史故障信息等，上圖1-5顯示為牽引頁(yè)面，顯示線電壓為1500V，牽引電流分別為450A、111A，并且顯示列車車次號(hào)、當(dāng)前站、終點(diǎn)站，列車狀態(tài)為牽引狀態(tài)，此時(shí)列車的當(dāng)前狀態(tài)為10km/h等狀態(tài)信息。

若操作過(guò)程中，列車發(fā)生故障時(shí)，TCMS系統(tǒng)會(huì)將相關(guān)的故障信息存儲(chǔ)在故障記錄儀中，同時(shí)發(fā)送到DDU界面上進(jìn)行顯示。通過(guò)DDU當(dāng)前故障清單界面可以查看相關(guān)故障信息，同時(shí)通過(guò)查看TO/ETO指示信息進(jìn)行故障處理。

四、總結(jié)

列車控制和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能較多，原理較為復(fù)雜，系統(tǒng)的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目開發(fā)過(guò)程任重而道遠(yuǎn)，結(jié)合所學(xué)課程，從系統(tǒng)組成到模塊功能分析，再到初步設(shè)計(jì)可進(jìn)行的實(shí)訓(xùn)課程開發(fā)，包含的項(xiàng)目為系統(tǒng)的初運(yùn)行、系統(tǒng)模塊管理，最后涉及到駕駛操作過(guò)程，進(jìn)行初步的實(shí)訓(xùn)功能項(xiàng)目開發(fā)，當(dāng)然，若將TCMS系統(tǒng)應(yīng)用到后續(xù)實(shí)際教學(xué)過(guò)程中，會(huì)安排增加相應(yīng)具體實(shí)訓(xùn)細(xì)節(jié)。后續(xù)會(huì)考慮增加關(guān)于數(shù)據(jù)記錄功能、故障設(shè)置及排查等功能的實(shí)訓(xùn)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]列車通信網(wǎng)絡(luò)研究現(xiàn)狀及展望，常振臣，北京交通大學(xué) ，電力機(jī)車與城軌車輛，2005.3

[2]我國(guó)地鐵的發(fā)展現(xiàn)狀及展望，張國(guó)碧，山西建筑，2010.11。

[3] CRH5A型動(dòng)車組TCMS系統(tǒng)控制邏輯與故障導(dǎo)向安全的研究，李忠喜，碩士論文，2015。