CRH2与CRH5动车组列车信息控制网络比较

张 玮

（西安铁路职业技术学院，讲师，陕西 西安 710014）

列车信息控制网络的信息传输是由逻辑控制电路和列车控制微机网络系统两部分组合完成，也可仅由列车控制微机网络系统完成。

动车组列车信息控制网络的主要作用是，实现各动力车的重联控制；实现全车所有由计算机控制的部件联网通信和资源共享；实现全列车的制动控制、自动门控制、轴温监测和空调控制等功能；实现全列车的自检及故障诊断决策〔1〕。要实现上述功能，控制网络的结构设计显得非常重要。需要考虑结构、介质、信号编码、数据格式、容错技术和通信协议等多方面要求和实现方式，以适应现代列车对控制网络系统的技术要求〔2〕。

列车控制网络采用的网络结构方式主要有，基于LONWORKS列车总线技术的内燃动车组；基于ARCNET的列车总线和基于HDLC的车辆总线的CRH2型动车组；基于TCN标准的CRH1，CRH3和CRH5等。现以CRH2和CRH5为例，对它们的控制网络结构方式进行比较研究。

1 CRH2动车组

1.1 网络结构 CRH2动车组列车信息控制装置采用贯穿全列车的总线来传送信息，从而减轻了列车的重量，并且通过对列车运行及车载设备动作的相关信息进行集中管理，列车信息控制网络具有控制指令传输、设备状态监视和故障诊断三大功能。

CRH2动车组列车信息控制网络主要由列车信息中央装置、列车信息终端装置、列车监控显示器、显示控制装置、IC卡读写装置及服务乘客的信息显示器等组成。在网络构成上，中央装置和终端装置通过光纤双重环路和自诊断传输线连接。具体网络结构如图1所示。

图1 CRH2列车信息控制网络结构示意图

光节点之间通过光纤双重环路结构传输，双向，主要实现控制指令传输。传输采用应答方式，其中中央装置可以同时向2个方向发送信息。传输控制采用令牌传递方式，传输周期10 ms，传输速度2.5 Mbps。

光节点与设备之间采用点对点通信，控制方式为轮询方式，传输周期10 ms，传输速度192 kbps。

自我诊断信息通过段站总线结构进行单向传输，采用固定长度的循环传输方式，传输周期为10 ms，传输速度为38.4 kbps。

设备与监视器部之间、显示器与监视器部之间、距离监测装置与监视器部之间、广播装置与监视器部之间均采用点对点2线单向传输，20 mA或30 mA电流环路方式，传输速率9 600 bps。

传输线有列车信息传输线（光纤）及自我诊断信息传输线（双绞线）2种。列车信息传输线为环形结构环路，如果在环路的一个方向没有检测到应答时，就向环路的另一个方向发送信息，因此能够避开故障部位。

中央装置和终端装置由光纤连接，采用不易发生故障的双向环形环路传输信息。当发生2处以上的线路故障时，可以继续由其他连接线路进行传输。另外，还设有备份传输线（自我诊断传输线），当环形网络发生故障时可以传输控制指令，对各设备进行控制。

1.2 通信协议 CRH2型动车组采用ARCNET网络标准。ARCNET网络访问规程，由Datapoint公司制定，是一种应用广泛的嵌入式网络技术。ARC⁃NET是一种面向数据链路层的协议，且是一个真正开放的协议。设计者可以针对具体应用自行设计应用层。

ARCNET采用令牌传递实现介质访问，令牌从低位地址节点向高位地址节点传递，当一个节点获得令牌则有权发送信息，而网络上每个节点的MAC地址由管理员制定。在ARCNET中，所有总线上的站是平等的，共享总线带宽。每个站得到令牌后只能发送1包信息，设计者可以方便地预测每个站发送消息的时间。因此，ARCNET很适合实时、小批量数据传输的场合。

2 CRH5动车组

2.1 网络结构 在CRH5动车组建立一个列车总线（Train Bus），又称为WTB总线。动车组每4节为一个动力单元，每个动力单元为一个网段，每个网段建立车辆总线（Vehicle Bus），又称MVB总线。3条MVB总线连接，分别为信号线、牵引线和旅客服务线，连接相应的系统设备，此外还有一个CAN总线标准的车辆总线，用于充电机、自动车钩、厕所单元的互连。

MVB总线通过网关和WTB总线连接，并通过WTB总线实现信息交互。根据设备数量和线路长度，可在必要处增加中继器。列车总线使用冗余双绞线为传输介质，信息速率约为1 Mbps。列车总线的长度可以因为连挂/摘解操作而发生变化，可以实现网络的动态重组。车辆总线通信介质采用双绞线和光纤，通信速率为1.5 Mbps。具体网络结构如图2所示。

图2 CRH5列车信息控制网络结构示意图

动车组控制与监测系统TCMS（Train Control and Monitor System）的信息传输结构主要基于TCN标准（IEC 61375-1），具有WTB总线和MVB总线串行接口，使用冗余的微处理器单元MPU（Micro Pro⁃cessing Unit）模块，每个动力单元2对。2个动力单元通过网关进行动力单元间和连挂列车间的通讯。系统具有完善的冗余和控制、诊断、监视以及故障存储功能〔3〕。其通过2个冗余设计的MPU对每条总线进行控制。根据设备的数量或线路的长度，可利用“中继器”来增加MVB总线的长度。MPU有2个车辆总线接口，第二个接口将2条总线的微处理器单元和列车/车辆总线、网关、司机台显示器及司机室远程输入输出模块连接在一起。网关被用于动力单元之间的信息传输。主要设备如牵引控制单元（TCU）、辅助控制单元（ACU）被连接在MVB总线上。非智能设备通过远程输入/输出模块（RIOMS）与动车组控制与监测系统（TCMS）系统接口。远程输入输出单元（RIOM）被分布在每辆车中，从而减少配线和相应的重量。

在CRH5的动车组控制和检测系统中，采用了冗余设计。WTB和MVB总线都是采用双通道冗余设计，GW网关、MPU微处理器单元和中继器也均采用完全冗余设计。冗余设备采用热备方式，无需手动切换。对于重要设备的RIOM也采用了冗余设计。

2.2 通信协议 CRH5型动车组采用TCN网络标准。TCN（列车通信与微机控制网络）于1999年6月正式成为国际标准，即IEC61735。该标准对列车通信与微机控制网络的总体结构、连接各车辆的列车总线、连接车辆内部各智能设备的车辆总线及过程数据等内容进行了详细的规定。

在TCN通信标准中，列车总线和车辆总线是2个独立的通信子网，有不同的通信协议。通过网关实现节点的协议转换。

WTB为一种串行通行总线，其通信标准为TCN标准。WTB数据帧遵循HDLC标准，每次通信均由主节点建立，被选择节点对主节点的命令帧回复应答帧。总线上有主节点采用轮询方式实现通信控制〔4〕。

在列车的组成改变时，即进行连挂、摘解时，主设备需要重新组织总线，该过程称为列车初运行。

MVB车辆总线用于连接位于同一节车辆内或不同车辆内的标准设备，构成列车通信网，其标准设备包括可编程控制器、智能传感器和执行器。

MVB提供3种通信介质，分别为标准RS-485收发器，屏蔽双绞线和光纤。MVB上连接的设备都有一总线控制器，设备通过它来控制总线访问。总线控制器以定时轮询方式发送主控帧，其他设备需要根据收到的主控帧来回送从属帧〔5〕。

3 网络比较

3.1 协议标准 CRH2型动车组采用的控制网络标准为通用的工业网络标准ARCNET，具有完全开放，简单易用，通用性好，二次开发方便等优势。

CRH5采用的是TCN标准，该标准为专用的列车通信与微机控制网络标准，具有功能强，实用性好，运用灵活等优点。

3.2 总线层次 从总线层次上看，CRH5采用非常明晰的双层总线系统，列车总线和车辆总线在网络拓扑结构上非常清晰，连接到总线上的设备可以在初运行时自动发现。

CRH2采用双环网，加自我诊断信息传输线方式，加上光节点与设备和设备之间的链接，网络拓扑结构复杂。

3.3 传输介质 CRH2采用的传输介质为光纤和双绞线。双环网采用光纤介质，自我诊断传输线采用双绞线，光节点与设备之间亦采用光纤点对点连接。光纤作为传输介质传输可靠性高，但是通信设备构成略复杂。

CRH5列车总线和车辆总线均采用屏蔽双绞线，设备连接方便，传输性能也可以满足列车控制的基本要求。

3.4 经济性 由于CRH2采用的是开放的工业标准ACRNET，因此其芯片生产、产品研发等方面具有更好的市场环境，控制系统总体经济性要好于基于专用的TCN标准的CRH5，也更利于设备的国产化。

4 结束语

日系CRH2动车组中央装置和终端装置由光纤连接，采用不易发生故障的双向环形环路传输信息。当发生2处以上的线路故障时，可以继续由其他连接线路进行传输。另外，还设有备份传输线（自我诊断传输线），当环形网络发生故障时可以传输控制指令，对各设备进行控制。因此出现2处以上网络故障时仍能保证基本的列车控制，充分体现了机控优先的总体系统设计思想。

欧洲系列CRH5动车组中，2个动车组之间的连接通过穿过头车自动车钩的WTB总线型冗余链路来实现。此总线是TCN网络的一部分，它的长度因连挂/摘解操作而发生变化时可以实现网络的动态重组（网关重新编号）。车辆总线MVB（Multifunc⁃tion Vehicle Bus，多功能车辆总线）使用阻抗受控的冗余介质，每个车组有3条总线：牵引、车内设施和信号。专用协议应用性能稳定完备，系统组织灵活，功能强大。

通过对CRH2与CRH5动车组的信息控制网络的比较表明，这2种动车组通信网络的运用性能各有优势，但整体的应用效果比较及进一步的技术消化和研发还有待实践过程的研究和验证。

〔1〕张曙光.构建动车组自主创新体系推动铁路技术装备现代化快速发展〔J〕.中国铁路，2007（9）：35-38.

〔2〕刘子建，桂武鸣，丁荣军.基于Lonworks技术的动车组计算机网络控制系统〔J〕.工业仪表与自动化装置，2003（6）：55-56.

〔3〕严云升.列车计算机网络控制〔J〕.电力机车技术，1999（3）：6-8.

〔4〕常振臣，牛得田，王立德，田永洙.基于TCN技术的内燃动车组列车通信网络〔J〕.铁道车辆，2006（5）：31-33.

〔5〕奚国华，路向阳，夏寅.我国列车通信网络的实践与开发探讨〔J〕.机车电传动，2000（1）：2-5.