基于實時以太網的列車網絡控制系統(tǒng)設計

諶育民 張楊 葉鋒 彭冬良

摘要：隨著通信技術的不斷發(fā)展，實時以太網以高速率、高帶寬的優(yōu)勢成為國內外軌道交通行業(yè)網絡通信發(fā)展應用的趨勢。本文介紹了一種基于實時以太網通信的列車網絡控制系統(tǒng)方案，為軌道交通車輛列車網絡控制系統(tǒng)設計提供一種選擇。

關鍵詞：軌道交通;實時以太網通信;網絡控制

1 概述

列車網絡控制系統(tǒng)（TCMS）是車輛的神經中樞，實現(xiàn)列車控制、診斷和監(jiān)視。TCMS有多種網絡通信方式，如MVB、CANOpen、LonWork、以太網等。隨著軌道交通車輛智能化、舒適化、高速化需求的提高，列車網絡通信需要更多、更快、更好地進行數(shù)據(jù)通信。實時以太網以高速率、高帶寬等優(yōu)勢成為國內外軌道交通行業(yè)網絡通信發(fā)展方向。基于IEC61375的實時以太網列車通信網絡標準已于2014年發(fā)布并開始逐步應用到市場中。

2 系統(tǒng)構成

2.1 通信網絡

實時以太網通信基本特性：

（1）實用波特率：100Mbps;

（2）過程數(shù)據(jù)最小循環(huán)周期：20ms;

（3）最大數(shù)據(jù)大?。?500字節(jié);

（4）交換機星型結構連接節(jié)點，點對點通訊距離不大于100米;

（5）以太網編組網有直線、雙路連接直線、環(huán)形、雙路連接環(huán)形、雙路連接梯形等結構，在設計與應用時從系統(tǒng)可靠性、設備重要性、通信冗余性等角度綜合考慮。

2.2 網絡拓撲

本文設計的列車通信網絡采用環(huán)形拓撲結構，以4編組車輛設計為例：

（1）整車配置2個列車骨干網節(jié)點、冗余雙線連接構成列車骨干網;

（2）各節(jié)車以太網交換機以環(huán)形結構連接構成列車編組網;

（3）每節(jié)車的終端設備節(jié)點與以太網交換機采用星型連接。

2.3 設備組成

2.3.1 列車骨干網節(jié)點TBN

每節(jié)Mc車配置1個TBN，建立列車重聯(lián)網絡通信，整車兩個TBN互為熱備冗余。TBN通過冗余雙通道連接其他骨干網節(jié)點、通過單網口接入ECN。采用管理型以太網路由器，具備DHCP、LLDP、VLAN、SNMP、RSTP、鏈路聚合等功能。

2.3.2 以太網交換機CS

每節(jié)車配置一定數(shù)量的CS，以環(huán)形拓撲結構連接實現(xiàn)列車編組網數(shù)據(jù)交互。交換機數(shù)量根據(jù)終端設備數(shù)量、冗余設計情況確定。采用管理型交換機，具備DHCP、LLDP、VLAN、SNMP、RSTP、鏈路聚合等功能。

2.3.3 車輛控制單元VCU

每節(jié)Mc車配置1個VCU，實現(xiàn)整車邏輯功能控制。VCU是TCMS的核心設備，通過雙網口分別接入2個CS。兩個VCU互為熱備冗余，通過ECN和ETB與車輛其他設備進行通信，執(zhí)行列車控制、顯示數(shù)據(jù)控制、故障診斷等功能。

2.3.4 人機交互界面HMI

每節(jié)Mc車司機臺配置1個HMI（司機顯示器），是TCMS的顯示終端設備，是司機和維護人員操作車輛的窗口。HMI通過雙網口冗余接入2個CS，實現(xiàn)信息顯示、參數(shù)設置、功能測試。

2.3.5 事件記錄模塊ERM

每節(jié)Mc車配置1個ERM，對列車運行狀態(tài)及故障信息進行記錄。ERM通過單網口接入ECN，兩個ERM同時記錄相同數(shù)據(jù)，實現(xiàn)設備級冗余。

2.3.6 輸入/輸出模塊IOM

每節(jié)車根據(jù)IO數(shù)量需求配置一定數(shù)量的輸入/輸出模塊IOM，完成對數(shù)字量/模擬量數(shù)據(jù)電氣信號與控制信號的轉換，實現(xiàn)硬線數(shù)據(jù)采集和輸出。每個IOM通過單網口接入ECN。

2.3.7 其它網絡設備

如有個別系統(tǒng)無法實現(xiàn)以太網通信，可增加協(xié)議轉換模塊將設備連入ECN。

3 系統(tǒng)功能

TCMS通過ECN/ETB網絡與車輛其他系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)通信，主要實現(xiàn)控制、診斷和監(jiān)視功能。

3.1 控制功能

TCMS綜合車輛運行工況及各設備的工作狀態(tài)，主要完成以下控制：

（1）司機室激活：激活判斷，司機室激活聯(lián)鎖報警;

（2）方向控制：對牽引電機的“正向”和“反向”控制;

（3）駕駛模式：根據(jù)優(yōu)先級對各個模式控制，在同一時刻只執(zhí)行一種模式;

（4）牽引封鎖：監(jiān)視影響列車運行的條件，判斷并封鎖列車牽引;

（5）緊急制動：監(jiān)視影響列車運行的條件，判斷并觸發(fā)緊急制動;

（6）空壓機管理：按單雙日控制不同的空壓機啟停，確保其損耗均勻;

（7）空調啟動控制：對空調機組壓縮機進行錯時啟動控制，避免交流負載嚴重過載;

（8）空電/液聯(lián)合制動控制：與BCU、DCU協(xié)調進行混合制動控制;

（9）超速保護：對列車速度進行監(jiān)視、報警和保護;

（10）其他功能。

3.2 診斷功能

TCMS完成車載系統(tǒng)事件&故障數(shù)據(jù)的采集、分析、轉儲和顯示，VCU診斷、ERM記錄、HMI顯示;并可通過便攜式測試單元（PTU）下載、或通過WTD無線網絡實時上傳到地面，供數(shù)據(jù)實時分析、健康管理、智能運維和數(shù)據(jù)長期儲存。

（1）故障等級：

故障等級

故障描述

嚴重故障

嚴重影響運行的故障，可能導致乘客和車輛危險，需立即處理。如不能及時排除，列車需在運行的下一站清客，空車回庫處理。

中等故障

影響運行的故障，需立即處理。如不能及時排除，列車需在完成本次單程運營后退出運行，空車回庫處理。

輕微故障

不影響運行的故障，可以在列車運營結束后回庫再處理。

（2）故障信息：故障名稱、故障車號、故障設備、故障代碼、故障產生/消除時間、故障處理說明。

（3）記錄類型：觸發(fā)型和持續(xù)型。

（4）記錄模式：先入先出（FIFO），數(shù)據(jù)記滿后自動覆蓋以前的數(shù)據(jù)。

（5）PTU分析：采用PTU對診斷數(shù)據(jù)進行下載、顯示和作進一步分析研究。

（6）無線上傳：通過WTD的無線網絡將車輛狀態(tài)、故障信息實時發(fā)送至地面。

3.3 監(jiān)視功能

HMI提供兩種用戶模式：運行模式和檢修模式，提供車輛的狀態(tài)、故障和事件信息監(jiān)視：

（1）車輛狀態(tài)顯示：運行模式、速度、網壓、通信、旁路、各系統(tǒng)狀態(tài);

（2）廣播控制：報站模式選擇、緊急廣播、緊急對講;

（3）空調啟動：空調啟停、工作模式、溫度;

（4）維護信息：IO、牽引、制動、輔助電源系統(tǒng)的詳細數(shù)據(jù);

（5）累計數(shù)據(jù)：里程、牽引/制動能耗、空壓機運行時間;

（6）參數(shù)設置：時間、車號、輪徑;

（7）性能測試：加減速度測試、制動距離測試等。

4 結語

基于實時以太網的列車網絡控制系統(tǒng)通信數(shù)據(jù)量大、實時性高、可用性強，可靠性和安全性也在逐步地提高和優(yōu)化;隨著多網融合、健康管理、智慧運維等列車智能化應用，基于實時以太網的列車網絡控制系統(tǒng)具有較高的優(yōu)勢為列車智能化提供基礎，適用于地鐵、有軌電車、動車等多種軌道交通車輛。

參考文獻：

[1]王濤，王立德，周潔瓊，申萍.基于交換式以太網的列車通信網絡實時性研究[J].鐵道學報，2015，37（4）：3945.

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