列车系统实训功能开发初探讨

王爱美

【提要】目前，随着铁路运输业的快速发展，列车控制和管理系统也在不断更新以保证列车安全、高效地运行【1】。文章主要讲解了TCMS（列车控制和管理系统），详细分析了该系统的系统构成、功能、以及初步的开发实训项目，联系学生已学习课程，结合现在地铁单位对人才的能力需求，浅谈基于列车控制和管理系统的开发实训项目。

【关键词】轨道交通 TCMS 构架组成 实训项目

随着各个城市交通压力的增大，为缓解交通压力，现在越来越多的城市着力于发展轨道交通，其中，修建地铁成为缓解交通压力的首选。目前已知在建地铁城市有：长春、大连、重庆、武汉、杭州、哈尔滨、西安、苏州、青岛、长沙、无锡、福州、东莞、宁波、济南、厦门、常州、郑州、南昌等城市，地铁具有快速、大运量、大众化、用电力牵引、线路全封闭的一种轨道交通方式。目前地铁运行已经不局限于在地下隧道中的这种形式，运行线路多样化，可采用地下、地面、高架三者有机结合的建造方式，并且泛指采用高规格电客列车同时高峰小时单向运输能力达到3万至7万人的大容量城市轨道交通系统。地铁具有自身的特点，与其它类型的交通方式相比具有以下特点（1） 地铁交通是大型城市基础设施，为社会生产和生活提供基础服务，具有显著的公益性 。（2） 地铁交通基础设施的线路、车站、通信和车辆等，具有资产专用性，一经完成不能它用。（3） 地铁交通建设成本高，规模大，回收周期长。地铁网络系统规模的扩大，可以降低成本。（4） 地铁交通项目的规划、设计、建设和运营等各阶段，需多专业、多行业、多企业间相互配合[2]。

随着地铁技术的发展，修建地铁城市增多，对人才需求越来越多，如何在校期间实施列车网络方面的实训项目，为地铁公司培养急需人才，是现在各个高职院校一直在努力的方向。随着越来越多地铁订单班的组建，需要对人才进行定向培养，因此针对驾驶专业方向的学生，需要将列车系统实训提到日程，现浅谈一下地铁列车系统的实训开发过程。

一、熟悉系统框架及组成分析

1、TCMS【3】系统框架组成

现研究的城轨地铁列车模型主要采用的是TCMS（Train Control and Management System）系统，该系统主要有6个部分组成，即列车信息显示、列车功能控制、列车维护管理、列车故障分析、列车故障记录、列车信息管理。如图1-1所示。

TCMS系统组成

2、TCMS系统框架组成分析

TCMS系统主要设备包括VTCU、DDU、RIOM、（RS485/CAN）网关、PCE、ACE、BCE、EDCU、ACV、PA/PIS、ATC。

VTCU：作为列车的主控制单元，每列车上配置2个互为冗余的VTCU；当强主VTCU故障时，弱主VTCU马上自动接替强主VTCU工作，保证列车正常运行，运行TCMS的主要应用程序，监控列车状态，并进行相关的信息存储，管理CAN网络的通讯。

DDU：司机显示单元，每个司机室配置1个。作为人机接口，方便司机了解列车的状态，指导司机处理相关故障，驾驶列车。

RIOM：远程输入/输出单元，在Tc车的一位端设一套RIOM（RIOM10），每个客室二位端各设一套RIOM（RIOM11或RIOM21）。采集和控制非微机控制子系统的相关信号。

RS485/CAN网关：与具有串行接口的设备（ATC）进行通讯。

PCE：牵引电子控制单元，位于Mp车，管理牵引系统。通过CAN网的通讯仅限于监测和非安全控制功能。

ACE：辅助电子控制单元，位于Tc车，管理辅助供电系统。通过CAN网的

通讯仅限于监测和非安全控制功能。

BCE：制动电子控制单元，位于每节车的每个转向架旁，控制制动系统以及供风系统。通过CAN网的通讯仅限于监测和非安全控制功能。

EDCU：车门电子控制单元，用于监测车门状态。不同车辆的车门控制单元交叉连挂在车内两路CAN总线上，确保一条总线有断点故障时，不会丢失同一侧所有车门的状态信息。

ACV：客室空调控制单元，位于每辆车，控制空调系统工作。通过与CAN网络进行通讯，实现对空调系统的集中控制功能，并监测空调系统的状态。

PA/PIS：乘客信息系统控制单元，位于Tc车，将作为一个独立的系统，单独控制音频系统、乘客信息显示系统。直接与CAN网络进行通讯，实现对音频和乘客信息显示的控制，并监测PIS系统的状态。

ATC：车载列车自动控制设备，在Tc车通过独立的RS485/CAN转换模块与CAN网络进行通讯，与VTCU交换列车的状态信息和ATC的控制信息。主要架构如图1-2所示。

二、系统功能分析

TCMS系统框架组成主要分析的是地铁车C1、C2、C5、C6车的设计方式，TCMS（列车控制和监测系统）用于监测列车所有子系统的状态和列车运行状态，并执行部分控制功能，不进行紧急制动或车门控制等，这些控制功能仅由硬线控制实现。

微机控制单元数据通过CAN总线或串行总线传输，非微机控制单元状态通过RIOM（远程输入输出模块）采集，发送到VTCU进行收集和管理。

TCMS列车网络采用CANopen协议进行网络通讯，符合ISO11898和EN50325-4标准。

1、TCMS由3路CAN总线组成。

1）采用一路CAN总线连接ACE、PCE、BCE等车下网络设备。

2）采用两路CAN总线连接了ATC、PA/PIS、 RIOM、DDU、车门、空调等其他车内网络设备子系统的。ATC、PA/PIS、RIOM、DDU、车门和空调等其他子系统合理地分布在车内设备网络的两路CAN总线上，两路总线相互间不影响，并且任一节点的故障也不影响系统的工作，有效提高列车的可靠性和列车的数据传输速度。

其中3路CAN总线的传输速度均为250Kbit/s。

具有串行接口的设备通过RS485/CAN模块与列车网络进行通讯。

本实例中的ATC控制单元将通过此设备与VTCU进行通信。

制动系统内部具有一个冗余的Echelon网络，连接各节车上的BCE，用于实现制动系统内部信号通讯和制动力的分配控制。

2、接口类型

TCMS系统接口具有下列三种类型：

1）CAN接口设备直接连接到CAN网上；

2）RS485接口设备通过RS485/CAN模块连接到CAN网上；

3）I/O信号通过RIOM连接到CAN网上。

CAN连接插座类型：D-Sub 9针（公/母）。如下图1-3所示。

RS485连接插座类型：D-Sub 9针（公/母）。如下图1-4所示。

三、实训功能开发

项目一 系统运行

TCMS 主要负责监视列车和所有微机控制子系统的运行状态，同时也进行PIS报站控制。

实训过程包括查看系统运行状态，可以进行报站操作（学生之间相互操作）。

其中，TCMS运行模式分为三种：初始化模式（上电模式）；正常模式（基本模式）；降级模式；

具体操作过程：

1）TCMS上电后，设备进行初始化阶段，主要是设备自身进行的包括硬件及软件的自检。

2）当设备初始化完成之后，TCMS有以下两种正常运行模式：

?激活：接收来自主控钥匙的激活信号后，司机可以通过激活司机室的DDU输出控制指令；非激活司机室的DDU可以查看列车状态，进入维护界面；“故障警报界面”仅在激活司机室的DDU显示，维护界面仅在非激活司机室可以进入。

?待机：未选择主控钥匙，TCMS等待列车激活或断电，可以通过两端的DDU查看列车状态，进入维护界面。

3）当TCMS系统发生某些比较严重的故障影响到列车正常运行时，TCMS进入降级模式。

2、系统管理

TCMS执行三级基本管理功能：

?1级：应用管理，管理逻辑输入/输出、串行连接、设备控制和与DDU的数据交换。

?2级：系统管理，管理CAN网、系统时钟和故障信息。

?3级：通讯管理，在CAN网上传输的过程数据和信息。

TCMS的基本管理功能可分为：CAN网管理， CAN网上的设备可用性检查，时间管理，故障管理，二进制I/O管理。

3、驾驶操作辅助功能

DDU显示器为触摸屏，作为TCMS系统人机接口，辅助司机完成列车操作功能。

驾驶人员可以通过DDU了解列车的当前状态信息及历史故障信息，如下图1-5所示：

DDU界面显示界面分为门控系统、制动供风单元、牵引系统、辅助系统、空调系统、PIS系统、历史故障信息等，上图1-5显示为牵引页面，显示线电压为1500V，牵引电流分别为450A、111A，并且显示列车车次号、当前站、终点站，列车状态为牵引状态，此时列车的当前状态为10km/h等状态信息。

若操作过程中，列车发生故障时，TCMS系统会将相关的故障信息存储在故障记录仪中，同时发送到DDU界面上进行显示。通过DDU当前故障清单界面可以查看相关故障信息，同时通过查看TO/ETO指示信息进行故障处理。

四、总结

列车控制和监测系统功能较多，原理较为复杂，系统的实训项目开发过程任重而道远，结合所学课程，从系统组成到模块功能分析，再到初步设计可进行的实训课程开发，包含的项目为系统的初运行、系统模块管理，最后涉及到驾驶操作过程，进行初步的实训功能项目开发，当然，若将TCMS系统应用到后续实际教学过程中，会安排增加相应具体实训细节。后续会考虑增加关于数据记录功能、故障设置及排查等功能的实训。

【参考文献】

[1]列车通信网络研究现状及展望，常振臣，北京交通大学 ，电力机车与城轨车辆，2005.3

[2]我国地铁的发展现状及展望，张国碧，山西建筑，2010.11。

[3] CRH5A型动车组TCMS系统控制逻辑与故障导向安全的研究，李忠喜，硕士论文，2015。