CRH380CL型動(dòng)車(chē)組網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)與功能簡(jiǎn)析

李強(qiáng)+劉國(guó)梁

摘 要：文章描述了CRH380CL型動(dòng)車(chē)組網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的系統(tǒng)組成和總線架構(gòu)，詳細(xì)闡述了網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能，歸納了該網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)融從理論角度分析了該網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的可靠性、安全性和可維護(hù)性。

關(guān)鍵詞：CRH380CL；網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)；列車(chē)總線；車(chē)輛總線

中圖分類(lèi)號(hào)：U266 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）31-0049-03

1 概述

CRH380CL型動(dòng)車(chē)組網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)是采用日立公司基于ISO/IEC 13239（HDLC）標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)發(fā)的ATI-C（Autonomous Train Integration-Control）系統(tǒng)。該系統(tǒng)與車(chē)載主要設(shè)備之間進(jìn)行串口通信，I/O信號(hào)收發(fā)，并在車(chē)輛間實(shí)現(xiàn)信息高速傳輸。實(shí)現(xiàn)列車(chē)狀態(tài)、故障信息顯示，控制指令傳輸、診斷指令輸出，并將其結(jié)果進(jìn)行記錄等功能。能夠?qū)?chē)上的司機(jī)、乘務(wù)員以及維修保養(yǎng)人員的業(yè)務(wù)進(jìn)行支持[1]。

2 系統(tǒng)組成

列車(chē)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)硬件由安裝在兩端頭車(chē)的中央單元、安裝在中間車(chē)的終端單元、安裝在每節(jié)車(chē)的輸入輸出接口單元（IFU）、安裝在頭車(chē)和9車(chē)的顯示屏組成[2]。

司機(jī)室占用端的中央單元負(fù)責(zé)全列車(chē)的邏輯控制。中間車(chē)的終端單元負(fù)責(zé)本車(chē)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的發(fā)送和接收，保證列車(chē)總線的正常通信。在必要時(shí)，可以由終端單元直接控制本車(chē)的重要設(shè)備。各車(chē)的輸入輸出接口單元具有數(shù)字量和模擬量的輸入輸出接口，進(jìn)行信號(hào)的采集和發(fā)送。整車(chē)包括司機(jī)室和機(jī)械師室在內(nèi)的共5臺(tái)顯示器，能夠指導(dǎo)司機(jī)和乘務(wù)人員進(jìn)行正確的行車(chē)操作。

3 主要功能

CRH380CL型動(dòng)車(chē)組的列車(chē)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的主要功能可分為三大類(lèi)：控制邏輯的處理與傳輸，設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)視，異常、故障的檢測(cè)與處理[3，4]。

3.1 牽引控制指令的傳輸

網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)根據(jù)牽引手柄、方向手柄的輸入信號(hào)，將牽引級(jí)位、牽引力大小、行駛方向、恒速控制等信息傳送給牽引變流器，用于網(wǎng)絡(luò)整車(chē)的牽引控制。

網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)將高壓部件的復(fù)位指令傳輸至各車(chē)牽引變流器和輔助變流器，用于對(duì)故障高壓部件進(jìn)行復(fù)位處理。

3.2 設(shè)備的監(jiān)視信息的控制與傳輸

網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)負(fù)責(zé)受電弓的優(yōu)先弓選擇，發(fā)出升降弓命令；負(fù)責(zé)主斷路器的閉合使能，并通過(guò)斷開(kāi)主斷實(shí)現(xiàn)牽引變壓器的油流、油溫、油位、油壓的保護(hù)。

網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)控制牽引變流器和牽引電機(jī)的冷卻風(fēng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)高低速轉(zhuǎn)換，為牽引系統(tǒng)在正常溫度范圍內(nèi)提供保障。

網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)根據(jù)速度設(shè)定值、車(chē)輛運(yùn)行坡道等外部信息，調(diào)節(jié)牽引力或電制動(dòng)力的輸出百分比，實(shí)現(xiàn)整車(chē)的恒速控制。

網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行全列中壓負(fù)載和低壓負(fù)載的順序啟動(dòng)和負(fù)荷管理，當(dāng)輔助變流器輸出總功率降低時(shí)，自動(dòng)切除部分負(fù)載，保持整車(chē)能夠以最優(yōu)的方案為各負(fù)載供電。

網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)控制主空壓機(jī)工作，實(shí)現(xiàn)全列總風(fēng)壓力在正常范圍內(nèi)。當(dāng)列車(chē)檢測(cè)到需要限速運(yùn)行的故障發(fā)生時(shí)，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)自動(dòng)發(fā)出最大常用制動(dòng)命令或緊急制動(dòng)命令，保證列車(chē)在預(yù)先設(shè)定的安全速度范圍內(nèi)運(yùn)行。

網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)對(duì)部分車(chē)輛服務(wù)設(shè)施進(jìn)行控制，例如控制空調(diào)的開(kāi)、關(guān)及溫度調(diào)節(jié)。

3.3 司乘人員支持功能

當(dāng)發(fā)生故障或異常時(shí)，在占用端司機(jī)室顯示屏和乘務(wù)員室顯示屏上顯示報(bào)警及應(yīng)急處理指導(dǎo)信息。

網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通過(guò)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸裝置（GSM/WLAN）發(fā)送運(yùn)行故障信息至地面應(yīng)急指揮中心，指揮中心人員可以更直觀、更便捷的獲取列車(chē)當(dāng)前狀態(tài)，能夠及時(shí)指導(dǎo)司機(jī)、機(jī)械師處理當(dāng)前的故障，維持車(chē)輛繼續(xù)運(yùn)行。

機(jī)械師通過(guò)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的人工故障錄入功能，可以在車(chē)輛未回庫(kù)前，就把一些故障發(fā)送至動(dòng)車(chē)所，以便于動(dòng)車(chē)所的地面維護(hù)人員提前準(zhǔn)備好相關(guān)的測(cè)試儀器、工具、料件等，節(jié)省動(dòng)車(chē)組在庫(kù)內(nèi)的維修檢查時(shí)間。

3.4 數(shù)據(jù)記錄功能

動(dòng)車(chē)組發(fā)生影響行車(chē)安全的1級(jí)、2級(jí)故障時(shí)，中央單元能夠?qū)崟r(shí)將其寫(xiě)入自身的存儲(chǔ)器中進(jìn)行記錄。當(dāng)發(fā)生不影響行車(chē)安全，只需回庫(kù)處理的3級(jí)故障時(shí)，中央單元通過(guò)列車(chē)總線/車(chē)輛總線將故障信息發(fā)送給GSM/WLAN并記錄。

網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)能夠計(jì)算并記錄牽引變流器、輔助變流器的電力消耗，列車(chē)行駛距離，及各系統(tǒng)軟件版本。

3.5 特殊模式的控制

網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)具有網(wǎng)絡(luò)、牽引、制動(dòng)、輔助、空調(diào)等系統(tǒng)的車(chē)上檢查功能，能夠在車(chē)輛靜止?fàn)顟B(tài)下，測(cè)試這些系統(tǒng)的工作狀態(tài)和性能。

網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)具有整備模式功能，能夠在無(wú)司機(jī)控車(chē)且車(chē)輛未上線運(yùn)營(yíng)前，對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，對(duì)空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)溫，使得司機(jī)控車(chē)時(shí)已經(jīng)自動(dòng)完成例行檢查，盡快投入運(yùn)營(yíng)。

網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)具有出庫(kù)檢查功能，能夠提示司機(jī)完成牽引系統(tǒng)、門(mén)系統(tǒng)的相關(guān)測(cè)試，并將測(cè)試結(jié)果發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)顯示屏，便于司機(jī)判斷列車(chē)狀態(tài)是否具備出庫(kù)條件。

4 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

CRH380CL型動(dòng)車(chē)組采用兩層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，上層網(wǎng)絡(luò)為連接各編組車(chē)輛的列車(chē)級(jí)通信網(wǎng)絡(luò)，下層為連接每節(jié)車(chē)輛內(nèi)固定設(shè)備的車(chē)輛級(jí)通信網(wǎng)絡(luò)。列車(chē)級(jí)網(wǎng)絡(luò)以冗余主干網(wǎng)連接各中央單元和終端單元。下層網(wǎng)絡(luò)用于各車(chē)廂，是面向各子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)。

4.1 列車(chē)總線

列車(chē)總線采用ATI總線，傳輸速率是3.2Mbps，控制指令的傳輸周期是10ms，監(jiān)視信息的傳輸周期是200ms。如圖1所示，ATI總線作為列車(chē)總線采用了雙重冗余的屏蔽雙絞線，同時(shí)控制單元的傳送系也采用了冗余設(shè)計(jì)，因此當(dāng)其中的一條ATI總線發(fā)生故障或控制單元的某個(gè)傳送系發(fā)生故障時(shí)，不會(huì)影響網(wǎng)絡(luò)信息的正常傳輸。

ATI總線可以被看作是梯形連接的節(jié)點(diǎn)傳送系統(tǒng)，總線上所有單元都帶有微秒級(jí)延遲的傳輸中繼器，可以傳送數(shù)據(jù)到下一單元。因此，在每一傳輸周期內(nèi)，只有一個(gè)單元可以發(fā)送數(shù)據(jù)到傳輸干線上，并且傳輸干線上的數(shù)據(jù)能夠被所有的單元接收。endprint

設(shè)計(jì)采用總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使得結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、布線容易、可靠性較高，任一節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)信息以廣播形式發(fā)送到總線上，能夠被其他所有節(jié)點(diǎn)接收，實(shí)現(xiàn)信息的充分共享。

4.2 車(chē)輛總線

車(chē)輛總線采用RS-485總線，帶有RS-485串行接口的子系統(tǒng)通過(guò)RS-485總線與控制單元直接相連，即中央單元（終端單元）與各子系統(tǒng)通過(guò)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方式（或一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)方式）構(gòu)成星型結(jié)構(gòu)?？刂茊卧c車(chē)輛某一設(shè)備之間通信發(fā)生故障時(shí)，不會(huì)對(duì)其他設(shè)備的通信造成影響。如果通信發(fā)生異常，查找異常根源也較為容易。

RS-485總線的傳輸速率是38.4kbps、76.8kbps、115.2kbps，控制指令的傳輸周期是10ms，監(jiān)視信息的傳輸周期是200ms。

5 列車(chē)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)

5.1 可靠性

任何單點(diǎn)故障不會(huì)影響到網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的正常運(yùn)行：

（1）ATI列車(chē)總線采用冗余的屏蔽雙絞線。

（2）中央單元、終端單元的中繼傳送器互為冗余；司控器的級(jí)位信息等控制指令，通過(guò)中央單元的傳送部的1系和2系，經(jīng)由兩系的傳送線路并聯(lián)傳送。

（3）兩端頭車(chē)的中央單元互為冗余。

（4）司機(jī)室顯示屏雙重備份。

（5）RS-485車(chē)輛總線采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備與車(chē)輛某一設(shè)備間通信異常時(shí)，不會(huì)對(duì)其他設(shè)備的通信造成影響。

5.2 安全性

（1）各車(chē)的制動(dòng)系統(tǒng)通過(guò)WTB/MVB連接，如圖2所示。制動(dòng)系統(tǒng)單獨(dú)成網(wǎng)保證了在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)傳輸異常時(shí)，制動(dòng)系統(tǒng)的所有信息仍能夠傳輸至中央單元。同時(shí)也減小了網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的帶寬占用率。

（2）門(mén)系統(tǒng)采用硬線控制及網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視，ATP與網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)也通過(guò)硬線連接，減少網(wǎng)絡(luò)信息傳輸可能受到的干擾。

（3）重要的輸入輸出信號(hào)采用多路冗余的DI/DO進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制，邏輯處理時(shí)根據(jù)安全需求或冗余需求進(jìn)行。

5.3 可維護(hù)性

（1）診斷信息完善，減少故障的判斷處理時(shí)間。故障診斷功能對(duì)故障的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行劃分，并針對(duì)司機(jī)和維護(hù)人員分別給出處理提示內(nèi)容。

（2）顯示信息全面，所有I/O信息和RS-485接口信息都能在兩端頭車(chē)的司機(jī)室顯示屏上顯示，減少診斷時(shí)間。

（3）具有車(chē)上檢查功能，能夠?qū)恳?、輔助、制動(dòng)、空調(diào)等系統(tǒng)進(jìn)行全面的功能檢查。

（4）具有變量的追蹤記錄功能。當(dāng)牽引變流器或輔助變流器出現(xiàn)異常時(shí)，通過(guò)TCU或ACU追蹤異常發(fā)生時(shí)的RS-485接口的輸入信息，采樣周期是10ms；對(duì)于電流、電壓的瞬時(shí)值的記錄，采樣周期可以達(dá)到200？滋s；對(duì)于門(mén)極信號(hào)的發(fā)出和反饋的記錄，采樣周期可以達(dá)到1？滋s。這些異常信息的追蹤記錄可以直接進(jìn)行下載，或經(jīng)由GSM/WLAN直接發(fā)送到地面維護(hù)站，便于分析故障，查找原因。

6 結(jié)束語(yǔ)

CRH380CL型動(dòng)車(chē)組自2011年投入京滬高鐵的載客運(yùn)營(yíng)以來(lái)，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)工作穩(wěn)定，其良好的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和完善的控制功能保障了該型動(dòng)車(chē)組的可靠運(yùn)行，帶來(lái)了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

參考文獻(xiàn)：

[1]常振臣.列車(chē)通信網(wǎng)絡(luò)研究現(xiàn)狀及展望[J].電力機(jī)車(chē)與城軌車(chē)輛，2005（3）：5-7.

[2]常振臣，李強(qiáng).CH380CL高速列車(chē)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)[J].電力機(jī)車(chē)與城軌車(chē)輛，2017（3）：1-5.

[3]倪文波，王雪梅.高速列車(chē)網(wǎng)絡(luò)與控制技術(shù)[M].成都：西南交通大學(xué)出版社，2010.

[4]陶艷，龔娟.列車(chē)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)原理與應(yīng)用[M].北京：中國(guó)電力出版社，2010.endprint