上海13号线列车网络控制系统设计与研究

徐红星，张 晓

（1 中国南车集团 南京浦镇车辆有限公司 动车设计部，江苏南京210031；2 南京林业大学 研究生院 机电系，江苏南京210037）

上海13号线列车控制系统包括列车控制和子系统控制，采用列车通信网络（TCN）控制。其中TCN是一种专门为2级网络而开发出来的通信网络，这2级被称为MVB车辆总线和WTB列车总线［1］。这种总线概念理论上完全适用于那些为了在铁路运行时彼此连接，并且有一个贯通全车的供电等级。MVB是为了车辆内部的通信，而WTB是为了车辆间的通信以及在运营过程中车辆编组的动态变化。

对于上海13号线具有相同结构的车辆组成的列车，并且仅仅在车间进行编组的列车而言，TCN系统中已不需要WTB总线，贯通所有车辆的MVB是组成列车的各车间用来通信的媒介，它被称为MVB－M（M指的是多单元车辆）。采用西门子的MVB－M分布式总线控制方式，整个网络由每节车上子系统间的MVB车辆总线和车辆间的MVB主干线组成，没有MVB接口的外围设备通过远程数字、模拟输入、输出接口－SIBAS R○KLIP与MVB网络相连接。通过诊断属性和人机通讯等，SIBAS R○可有效地将部件和子系统的故障和状态信息提供给司机和维护人员。

1 TCN系统结构

1.1 网络拓扑结构

列车控制网络只有一个层级，由MVB－M总线连接列车的所有网络设备，没有 WTB列车总线。MVB－M分布式总线由每节车上子系统间的MVB车辆总线和车辆间的MVB主干线组成，上海13号线列车网络拓扑结构如图1所示。

1.2 网络设备及功能

上海13号线网络系统设备主要包括了连接MVB车辆总线和MVB主干线的MVB中继器、总线管理器SKS及MVB维护接口（MVB－Ser vice）等设备。

（1）中继器（MVB－Repeater）用于连接 MVB各区段，完成信号转发功能。

（2）外设接口智能终端（SIBAS®KLIP Station）不仅是硬件信号和MVB信号的接口，还是TCN网络的总线管理器，控制总线通信。作为总线管理器的SKS，每列车有6个，以令牌传递的方式轮流行使总线管理权。

上海13号线SKS由6个模块组成，分别是电源模块、AS 318模块、总线模块、数字量输入模块、数字量输出模块及模拟量输入模块。电源模块负责提供24 V DC电源。AS 318模块是SKS的核心部件，有SKS唯一的MVB接口，它通过内部总线（总线模块）与输入、输出模块通信，并对其进行监视和控制。作为MVB接口设备，AS 318模块通过下载节点监测数据库（NSDB）文件来定义其通信，包括其在TCN网络中设备地址的实现。总线模块用于安装输入、输出模块，并通过内部总线将输入、输出模块和AS 318模块相连。输入和输出模块分别用作模拟或数字硬线信号的输入和输出接口。

1.3 系统冗余结构

TCN网络控制系统通常采用主控制器冗余、总线冗余及I／0口冗余来保证系统运行的可靠性，上海13号线TCN系统采用了总线冗余和主控制器（VCU）冗余［3］。

（1）总线冗余

总线具备高冗余性，主要包括总线的可用性（A－vailability）和数据传输的完整性（Integrity）。针对数据传输的完整性，MVB数据传输采用了曼彻斯特编码；针对总线可用性，MVB采用了以下冗余机制：

①MVB采用了总线物理介质机制。如图2、图3所示，总线A、B为冗余结构。数据同时从A、B两个通道发送，从其中一通道接收，协议控制器监视正在使用的通道 ，若通道长时间无响应，则协议控制器自动切换到另一通道，确保总线的可用性。

图1 上海13号线列车控制网络拓扑图

②总线主冗余，即总线管理器监视总线活动，若当前总线主无活动，则进入总线主仲裁过程，若成功，则获得总线控制。

图2 MVB总线介质冗余机制

图3 冗余的EMD双线连接

（2）VCU 冗余

每列车拥有两个VCU，分别为主VCU和从VCU，两者互相冗余。当从VCU故障时，主VCU可以承担起管理列车的责任，列车运行不受影响；当主VCU故障时，从VCU将转为主VCU，此过程仅需要500 ms。

2 TCN系统设计

2.1 网络拓扑设计

网络为2级结构，分为列车级网络和车辆级网络。列车级网络为MVB主干线，与MVB主干线有物理连接的设备仅有MVB中继器。MVB中继器负责将主干线上的信息转发到车辆级网络上。

车辆级网络为总线形式，所有需要与MVB连接的系统都并行的连接在总线上，网络拓扑方案的设计考虑以下几点：

（1）总线的长度尽量短；

（2）由于制动供应商和信号供应商的链接要求，把制动控制单元和信号主机分别布置在Tc车的MVB网络的末端；

（3）根据西门子的要求，牵引箱不能布置在MVB网络的末端；

（4）考虑到施工的方便，不同车型的网络线布置尽量保持一致。

2.2 设备供电设计

车辆控制单元VCU、显示控制器、MVB中继器以及SKS站都使用DC110 V供电。其中VCU的供电由于供应商的要求需要使用屏蔽线，屏蔽层采用两端接地；显示器控制器的供电也采用屏蔽线，并需要为其提供使能信号。

MVB中继器的供电受SKS控制。根据西门子的MVB－M网络的特点，在网络第一次使用或重新配置时需要对网络进行重新配置。在重新配置的过程中，需要将每节车的网络与MVB主干线分离开。为此，要求SKS有断开MVB中继器电源的能力。而为了保证网络的全冗余，MVB中继器内部为2个独立的模块，需要分别供电。因此，在每一路供电的前端都串有一个继电器的常闭触点，这2个继电器的线圈通过SKS站的2个输出分别控制，在进行网络配置时，SKS输出断开电源命令，线圈得电后中继器断电。

显示器H MI的供电由显示控制器通过特殊电缆提供，不需要车辆供电。MVB维护接口不需要供电。

SKS的电源模块能将DC110 V逆变为DC24 V，再给其他模块供电，需要24 V供电的模块有：

（1）数字输出模块；

（2）模拟量输入模块；

（3）接口模块。

同时，主控器模拟量参考值的24 V电源也由SKS电源模块提供。

2.3 MVB配置设计

根据西门子的MVB－M网络的特点，在网络第一次使用或重新配置时需要对网络进行重新配置。重新配置需要车辆提供2个信号给TCMS：

（1）单元侧信号；

（2）网络重新配置信号。

其中网络重新配置信号为列车线，将此信号给所有的SKS站，让SKS开始重新配置。单元侧信号区分两个单元，在M车的短接线只有单元1才会短接，单元2不进行短接。

3 MVB－M总线技术

3.1 应用条件

由于上海13号线列车具备以下特点：

（1）车辆由中间车和末端车组成。中间车都有相同的结构，末端车的通信是相同的；

（2）车辆很少重联并且只在车间进行；

（3）列车不连挂运行，特殊情况下列车连挂用于救援。

在列车网络控制技术设计阶段，采用了西门子先进的MVB－M总线技术，也就是说MVB－M概念是建立在上述初始情形的基础上的。单个车辆中的MVBs形成MVB段，这些段在MVB中继器的转换下通过主干线彼此连接，主干线连接了车辆的所有部分［1］。

3.2 MVB段

MVB－M的基础是主干线，单独的 MVB段通过MVB中继器被连接到主干线上。除了MVB中继器之外，再没有别的MVB－M节点被连接到主干线。在主干线的末端，主干线总线通常通过末端车的终止模块（T M）电力终止。

每辆车形成它自己的MVB段。在每个MVB段，有一个特殊的节点——车辆配置器（WK）。它能连接和解连MVB中继器，并且通过一种特殊的被称为配置端口（KP）报文的方式将配置数据报告给MVB－M从节点，MVB－M总线拓扑见图4所示。

图4 MVB－M总线拓扑图

车辆在车间内以一个特定的顺序排列，并且这个顺序在操作过程不会改变。为了使总线终止，尽管中间车的数量可变，但是末端车总是必需的。MVB－M总线拓扑图最大支持10辆相同的中间车（M1～M10）和2辆末端车（E1～E2），末端车在通信上也是相同的。

3.3 MVB中继器

MVB中继器通过主干线连接单个的MVB段。MVB中继器是连接到主干线的唯一物理设备。

MVB段的长度禁止超过200 m。因为主干线是个不受约束的MVB段，它必须贯穿所有的车辆，因此这个限制有时会被超过。在这种情况下，最好的解决方法是在链路中的一个特定区域安装一个更远的MVB中继器。这里只有一个问题就是会导致产生拥有不同总线结构的列车。

每个信号绝对禁止通过MVB上3个以上的MVB中继器。通过在链路中设置单独一个MVB中继器不会违反这个规则。

3.4 地址段

通信用一个已经定义好的基本地址段中的地址设定，这些地址也被称作基本地址，它们被用来配置但并不在正常通信中使用。除了基本地址段以外，还为每辆车定义了专用的地址段。在车辆的操作中，通信在这些地址段中进行。通过添加一个车辆专用地址变化值到设定的基本地址上去，得到正常通信的地址。地址段根据它们的宽度而不相同，由于拥有大量的设备，末端车的地址段宽度是中间车的两倍。

每辆车都有一个指定的总线节点，即车辆配置者。这个节点有硬件输入设备，车辆位置号码可以在上面被设置和重置。段中所有其他的总线节点被定义为MVB－M从节点，在配置过程中，车辆配置器将要设置的车辆位置号码报告给它段中的所有从节点，然后每个从节点知道了当前的工作范围，并且将初始的相对地址转化为绝对地址。实际上，地址转换的意思是将一个相对设备地址或者端口地址转换为一个绝对地址。在MVB－M从节点配置完之后，只有绝对地址用来进行数据交换。

这样一个编址方法的优点是MVB节点的配置数据（NSDB）不需要包括所有可能的车辆配置。相反，节点用包括基本地址的普通NSDB来配置。在配置过程中，普通NSDB被用来计算“操作NSDB”，在操作NSDB中，取决于车辆位置号码的必要地址转换被添加到配置基本地址上去。

MVB－M总线上的网络设备地址主要通过下载NSDB文件以软件配置为主。在设备互换前必需根据不同的地址需求更新相应的NSDB文件。

3.5 网络配置

在配置过程中一个段的所有设备被配置。配置是由WK开始的，每个段中WK只恰好出现一次。在配置中，所有设备必须启动。在输入时，WK已经设置好了车辆类型和车辆位置号码，同时通过硬件输入接收配置请求（KA）。在一个指定的时间之后，WK从主干线分离它的段，通过切断供应给MVB－Repeater的供电。WK然后利用MVB上的配置端口报文将车辆类型和它自己所在车的号码告知段中的所有设备。从这些数据中，设备为设备地址和端口计算偏离量，每个MVBM段都有它自己的配置端口。

3.6 数据段

MVB－M总线用来传送3种类型的数据，包括进程数据，消息数据及监视数据。针对3种不同数据采用了3种不同的通讯方式：

（1）周期性通讯：主要用于过程数据（典型的值：32 ms，64 ms，128 ms，…，1 024 ms），如总线内各子系统的信息交换、制动力值等；

（2）偶发性通讯：主要用于消息数据，此类数据仅用于某些事件的触发，如PIS中发出的站名信息；

（3）监督性通讯：主要用于监控数据，用于交接总线管理者功能的信息［2］。

4 TCN系统优势及发展

上海13号线列车通信网络（TCN）采用西门子的MVB－M分布式总线控制方式，上海13号线列车总线控制具备以下特点：

（1）列车控制单元能接受各系统发送的数据，对其状态进行诊断，并通过诊断结果采取措施，控制各系统的运行状态，保证列车的安全运行。

（2）高速、大容量的信息传输通道。因为地铁列车子系统多，信息量大，且需及时地传递给VCU，所以必须采用高速、大容量的信息传输通道。上海13号线MVB总线，可以达到1.5 Mb／s。

（3）具有诊断、控制功能。地铁运输最重要的是确保每位乘客的安全，乘客的安全来源于列车运行的安全，所以列车的诊断及控制非常重要。诊断的功能应包括对各系统状态的评估，列车的控制功能以列车的诊断为依据，通过对各系统的评估，采取相应措施，如限速、触发紧急制动、牵引隔离来保证列车运行的安全。上海13号线网络控制具备了列车制动系统故障，列车限速或紧急制动；车门故障，列车牵引隔离或紧急制动，同时提示司机处理门故障等。

（4）冗余性。在满足了以上要求之后，还需要提高冗余性，而冗余性的提高则表现在总线通道和主控制器的冗余。

上海13号线列车网络控制技术代表了轨道交通行业先进水平，成为列车网络控制系统的目前发展趋势，具有下列优势：

（1）减少列车的误诊断，大大提高列车诊断功能的正确性；

（2）更大程度的细化列车诊断功能，为司机提供了强大的故障处理提示；

（3）加强列车自我监控及调制功能，如轴温的检测点［4］。

［1］IEC.IEC 61375－1：1999（E）Electric rail way equipment－Train bus［S］.1999.

［2］李常贤，吴 健，宁寿辉.分布式 MVB通讯控制模块［J］.内燃机车，2005，3：20－21.

［3］谢维达，赵亚辉，徐晓松.现场总线与列车通信网络［J］.工业控制计算机.2002，15（1）：5－10.

［4］张元林.列车控制网络技术的现状与发展趋势［J］.电力机车与城轨车辆，2006，4：24－26.