城轨车辆列车网络控制系统技术方案及发展方向

■ 高 枫 余 博 李元轩

城轨车辆列车网络控制系统技术方案及发展方向

■ 高 枫 余 博 李元轩

介绍城轨车辆列车网路控制系统技术方案；结合轨道交通装备智能化的发展趋势，提出下一代列车网络控制系统架构，并对其发展进行展望。

城市轨道交通；列车网络控制系统；MVB；WTB；以太网

列车通信网络技术已成为现代列车的核心技术之一。城轨车辆采用列车通信网络技术实现车载设备的互联与控制，以确保运行安全与可靠。基于国际标准的列车控制网络TCN技术是专门为列车车载设备通信量身定制的一种总线技术，也是目前列车控制网络中最为广泛采用的一种技术形式。

进入21世纪后，随着现场总线网络、列车骨干网（Ethernet Train Backbone，ETB）、列车编组网（Ethernet Consist Network，ECN）、无线通信、物联网等诸多技术的应用，轨道交通装备智能化正在加速发展。

1 城轨车辆列车网络控制系统技术方案

1.1 系统拓扑结构

列车网络控制系统（简称系统）采用列车级、车辆级两级总线式拓扑结构（见图1）。

图1 系统拓扑结构

根据列车编组方式分配牵引单元，每个牵引单元划分1个多功能车辆总线（MVB）网段，每个牵引单元通过网关将MVB协议转换为绞线式列车总线（WTB）协议，各牵引单元间通过WTB总线进行通信。每个MVB网段采用主链-分支结构，每辆车都设有中继器，将1个牵引单元内的MVB分成了多个分支。主链-分支结构的优点在于任何一个MVB分支故障后不会影响其他分支网络以及主干网络的通信。车辆的端车各设置2个MVB分支，重要的网络设备冗余安装在2个分支上，一个MVB分支故障不会影响列车网络控制系统的正常工作。

图2 网络控制系统设备

图3 中央控制单元结构

图4 人机接口显示屏

中央控制单元（CCU，包含主从CCU和附属网关）、人机界面显示器、分布式输入输出站、温度采集装置、远程无线传输装置以及各智能子系统控制器在内的设备通过MVB连接到一个牵引单元内的通信控制网络上。厕所系统、轴承温度传感器、车辆编码器、烟雾探测器通过电缆连接到分布式输入输出工作站，再由工作站的车辆总线接口与牵引单元内部设备进行通信。

1.2 系统设备组成

列车网络控制系统设备主要包括：中央控制单元、人机接口显示屏（HMI）、输入输出工作站、MVB中继器和远程无线传输装置（见图2）。

1.2.1 中央控制单元

中央控制单元作为系统主要设备，实现重要设备的管理、运行信息采集、运行状态的监视和故障诊断，从而保证列车安全可靠运行。同时可为司机或机械师提供故障处理指南，为检修维护提供数据支持。中央控制单元采用通用结构设计，在使用特殊的背板总线结构构成的机箱中，可经过不同功能板卡的组合完成网络系统的控制任务。每一牵引单元上安装2台CCU，互为冗余。列车激活后，其中1台将成为主控CCU，另1台将成为受控CCU。在1台CCU故障的情况下，故障CCU的管理功能将由另1台CCU接管，列车可继续运营。中央控制单元结构见图3。

CCU通过控制和监测整列车的列车功能和电路，实现对整车的中央控制功能，通过控制和检测整列车的牵引系统实现对整车的牵引控制功能。

1.2.2 人机接口显示屏

HMI主要通过MVB网络收发过程与消息数据，实现各子功能系统的状态显示、故障诊断、信息保存，为司机提供故障的详细信息及故障处理建议，实现全列车的牵引、制动等各子系统控制指令的下发及整车的操作和控制。HMI外观见图4。

HMI硬件组成主要包括中央处理器（CPU）电路（包括MVB通信部分）、电源模块、显示器模块、存储器及外围接口电路，采用快速实时操作系统（QNX）嵌入式实时操作系统，软件部分使用C/C++/Java等语言开发。HMI的诊断系统采用了分级诊断的设计思想（见图5）。

1.2.3 输入输出工作站

输入输出工作站将多个开关量信号集中采集和发布，通过车载网络与中央控制单元交互，为应用提供开关量状态数据，执行应用发布的控制命令。

图5 列车分级诊断原理示意图

输入输出工作站主要组成部分有：110 V/24 V独立电源模块，DC 110 V输入、输出模块，主CPU模块和MVB总线模块。可根据需求挂接最多12个输入模块和最多12个DC 110 V输出模块。每个输入模块包含16个DC 110 V输入通道，每个输出模块包含8个DC 110 V输出通道。工作站采用独特的模块化结构设计，可根据实际应用需求进行灵活配置。其设计立体效果图见图6、图7。

图6 输入输出模块壳体设计立体效果图

图7 输入输出模块基座设计立体效果图

1.2.4 MVB中继器

M V B中继器提供了在不同的中距离传输电介质（EMD）的MVB网段之间的物理连接。在节点数目超过32个或者传输距离超过200 m的MVB网络中必须使用中继器。MVB中继器的外观见图8。MVB中继器功能特点如下：

（1）实现2个EMD介质的MVB网段间数据转发；

（2）具有完全独立、冗余的双通道结构，供电采用双路冗余供电；

（3）采用现场可编程门阵列（FPGA）技术实现信号幅值的调整和相位再同步；

（4）主动完成帧间距时序的调整；

（5）抑制和屏蔽故障设备的持续发送；

（6）转发信号延迟时间约为2．3 μ s；

（7）采用金属整体成型机壳，采用导轨方式安装，安装和维护方便。

1.2.5 远程无线传输装置

远程无线传输装置对运行列车的安全状态与故障情况进行实时动态跟踪和监控，用于支持列车故障的诊断、分析、排除及列车检修，为列车运行保障人员提供远程技术支持和故障应急指导，其硬件主要由无线局域网（WLAN）板卡、CPU板卡、全球移动通信系统（GSM） 板卡、电源板卡组成。

远程无线传输装置主要记录城轨列车在途传输的数据信息，包括动态位置跟踪信息、基本状态信息和故障信息。它通过接入MVB网络获取有关牵引、制动、供电、空调、门等子系统状态的实时运行数据，与司机显示屏通过以太网连接获取以故障代码为索引的实时故障数据的同时，通过GPS功能模块获取列车位置信息，根据实际情况选择通过通用分组无线服务（GPRS）或车站内WLAN发送实时数据。

图8 MVB中继器

2 下一代列车网络控制系统架构

随着城市轨道交通列车信息化程度的提升，城轨车辆使用的WTB、MVB或控制器局域网络（CAN）等技术已无法满足丰富的车辆状态信息传输需求。因此下一代城市轨道列车网络需要使用新技术来满足这些需求，众多国际研究机构和组织都开展了相关工作。国际电工委员会（IEC）成立了关于列车通信网络的标准化组织TC9（IEC technical committee 9： Electrical equipment and systems for railway），促进列车通信网络的相关技术创新与技术合作。自2012年起，该组织联合西门子、庞巴迪在内的车辆装备产业集团陆续发布IEC 61375系列协议。IEC 61375系列协议的发展代表了产业对于列车网络发展趋势的共同认识，也指明了未来列车网络技术的发展方向。表1描述了IEC 61375系列协议的详细规定内容。

2.1 系统拓扑结构

现有列车网络使用列车级WTB总线和车辆级MVB总线的网络结构，该结构可提供可靠、确定性的数据连接，具有传输可靠的特点。

随着列车智能化水平的提升，列车网络需要能够承载更多的数据传输。以太网技术具有应用广泛、数据传输率高、容易与信息网络集成、成本和费用低廉、可持续发展潜力大、支持多种物理介质和拓扑结构，以及软硬件资源丰富等优点。以太网技术与其他网络对比见表2。

列车以太网设备分布于列车的各个组成部分，列车网络拓扑按网络设备的所处层级来划分，可分为两级：列车级骨干网和车辆级局域网。列车级骨干网联结着不同编组或不同车辆，实现跨编组或跨车通信；车辆级局域网负责联结车辆内部终端。

表1 IEC 61375系列协议内容及状态

表2 以太网技术与其他网络对比

图9 基于以太网的列车网络控制系统架构

采用以太网架构的下一代列车网络控制系统的拓扑结构见图9。列车级以太网骨干网节点（ETBN）连接着不同编组，采用双线冗余结构和双ETBN冗余备份的方式工作，加强可靠运行的能力，并基于IEC 61375-2-5协议中的列车拓扑发现协议（TTDP）规范，实现自动跨编组配置，以列车网络地址转换（R-NAT）保证跨编组同子网IP节点之间，不会出现全网IP冲突问题；车辆级以太网交换机节点（ECN）负责与终端相连，构成车辆内部的环网，终端间使用IEC 61375-2-3协议中规定的列车实时数据传输（TRDP）协议。

ETBN节点和ECN节点之间交互的信息，优先级由高到低可分为传输5类数据：监视数据（Supervisory Data，用于拓扑发现及控制），过程数据（Process Data，用于列车控制的周期性数据）、消息数据（Message Data，用于传输事件驱动型报文），流数据（Stream Data，用于传输音频/视频流）和尽力可达数据（Best Effort Data，用于传输诸如固件上载信息等）。在网络设备的转发策略上，严格区分优先级，保证列车控制数据的传输可靠性。

从网络控制的角度看，使用基于IEEE 802．1Q规范的VLAN（Virtual LAN）技术划分网络冲突域，保障数据传输的优先级及可靠性。

列车级ETBN、TTDP自动配置动态IP的分配规则为：00001010．1bb0ssss．sshhhhhh．hhhhhhhh/18

其中字段[b]为骨干网ID，用于列车控制与监视用途的骨干网时，数值为0；字段[s]为地址编码，ETBN在初始化过程中通过TTDP协议获知自身在全列车中的编号，具体内容如下：

（1）发现并监视邻居ETBN。网络中每个ETBN通过不断发送和转发拓扑信息，以保证自身拥有的拓扑信息的实时更新。

（2）ETBN拓扑信息的更新和协商需要借助上层列车应用来实现。

（3）ETBN根据列车应用，建立列车逻辑拓扑，并更新网络服务重新分配IP地址，此过程保证了当列车重联时不会出现IP冲突的问题。

2.2 系统设备组成

下一代城市轨道交通列车网络控制系统设备主要包括：列车级以太网骨干节点ETBN、车辆级子网交换机ECN、MVB以太网网关、TRDP网卡和以太网中继器。系统通过实现IEC 61375-2-5、IEC 61375-2-3及IEC 61375-3-4规定的列车以太网功能，能够实现跨编组IP自动配置。下一代系统的产品体系见图10。

2.2.1 列车级骨干网节点ETBN模块

负责承担车辆级自动拓扑发现、自动组网、实现跨编组网络之间互连的协议（IP）转换、列车设备信息数据库存储及列车设备域名系统（DNS）服务等功能。

该模块具有4个以太网接口（M12-D），分别连接车头连接器和车尾末端ETBN模块，并保留了一个调试与管理接口（M12-D）。同时采用继电器结构对ETBN掉电进行处理，实现Bypass功能，保证掉电后网络线路仍然畅通。此外，一个编组内可同时运行2个ETBN模块，其中一个作为冗余模块热备运行加强系统的安全性。ETBN模块主要技术参数见表3。

2.2.2 车辆级交换机ECN模块

负责承担网络终端的接入以及网络控制功能。通过与ETBN模块连接共同构成城轨列车网络。

图10 下一代系统的产品体系

表3 ETBN模块主要技术参数

该模块具有16个以太网接口（M12-D），可通过背板总线与ETBN模块相连，主要承担网络终端的接入和传输控制，具备网管功能。ECN模块也可单独使用，作为网管型交换机使用，具有多用途、适用性广泛的特点。车辆级最多可提供32个物理端口连接终端。ECN模块主要技术参数见表4。

2.2.3 MVB-以太网网关

可实现MVB与以太网间数据的双向转发，使目前广泛应用的MVB网络设备能够使用以太网进行数据传输。目前开发的网关设备，能够实现多个MVB端口到UDP的映射，同时支持TRDP数据包传输，支持IEC61375-2-3规定的TRDP数据包结构。

2.2.4 以太网中继器

以太网的传输距离受传输介质、周围环境的影响，当以太网线缆超过50 m时会出现明显的信号衰减，在列车网络应用场景中需要对衰减信号加以补偿才能使网络正常运行。中继器可以连接2个局域网的电缆，重新再生电缆上的数字信号并发送出去，属于纯物理层的功能。

3 发展和展望

当前，随着科学技术迅猛发展，以及用户对系统可靠性、可用性、可维护性、安全性（RAMS）和生命周期成本（LCC）要求的提高，轨道交通装备的智能化也在提高。

目前已经有一系列的项目在推进轨道交通装备的智能化。系统智能集成项目（Intelligent Integration of Railway System，InteGRail）是欧洲旨在推动轨道交通装备智能化的项目之一，主要由西门子、庞巴迪、阿尔斯通、法国国家铁路公司、UIC等欧洲的轨道交通企业、运营商以及标准化组织开发了一系列的装备集成规范和应用项目原型。该项目通过智能化集成，提高车辆装备、运营、基础设施、旅客运输等的安全性、可靠性和舒适性。Shift2Rail是欧洲另外一个项目，目标是将在其他领域使用的新技术应用在轨道交通上，以实现欧洲2020战略。

表4 ECN模块主要技术参数

轨道交通装备的智能化不仅体现在运用先进技术提高城轨车辆的牵引、制动、辅助等系统的运行性能以及自动驾驶技术，提高车辆的智能诊断、智能维护等技术服务，而且还体现在为旅客提供更加智能的服务，例如信息服务、视频监控服务等。

以往城轨车辆由于网络带宽的限制，车辆控制网、状态监视网以及旅客信息网分别采用不同的网络，如车辆控制网采用WTB、MVB等，状态监视网采用MVB、CAN等，旅客信息网采用以太网等。近年来，随着现场总线技术的成熟和发展，列车网络控制系统已成为城市轨道交通车辆和铁道车辆的关键系统。随着最终用户对列车网络控制系统性能要求的提高，旅客信息传输、在线视频监控和远程数据服务等功能需要列车网络控制系统具有较高的实时性和较好的可维护性，并能将列车实时数据传送到远程控制中心进行监控和维护。现有列车网络应用的现场总线无法满足上述要求，而工业以太网技术克服了现有列车网络总线传输速度低、组网拓扑结构单一等缺点，能完全满足上述需求。

随着轨道交通应用以太网技术的日趋成熟，其应用领域不断扩展，将吸引越来越多的厂商致力于开发高实效、高扩展性及高智能的以太网系列产品，使以太网能够全面替代现有的总线，形成以工业以太网为主的列车车辆总线网络，以满足市场不断提升的需求。

[1] 丁荣军，杨卫峰，唐军．轨道交通装备智能化技术的研究及应用[J]．机车电传动，2012(5)：1-4．

[2] 李洋涛．TCN列车网络技术现状与发展．单片机与嵌入式系统应用[J]．2012(1)：4-7．

[3] 本刊记者．把握世界城市轨道交通发展方向 展示城市轨道交通新技术与装备[J]．中国铁路，2011(11)：1-4．

高 枫：中国铁道科学研究院机车车辆研究所/北京纵横机电技术开发公司，助理研究员，北京，100081/ 100094

余 博：中国铁道科学研究院机车车辆研究所/北京纵横机电技术开发公司，助理研究员，北京，100081/ 100094

李元轩：中国铁道科学研究院机车车辆研究所/北京纵横机电技术开发公司，助理研究员，北京，100081/ 100094

责任编辑 卢敏

U264.91；U231

A

1672-061X（2015）04-0057-06