列车综合网络控制系统一体化设计研究

陈美霞　邵国栋　张军贤

（中国中车南京浦镇车辆有限公司，210031，南京∥第一作者，教授级高级工程师）

列车综合网络控制系统一体化设计研究

陈美霞邵国栋张军贤

（中国中车南京浦镇车辆有限公司，210031，南京∥第一作者，教授级高级工程师）

摘 要介绍了城市轨道交通车辆基于以太网总线的列车综合网络控制系统一体化设计案例，提出自主开发的列车综合网络控制系统的功能及设备组成，并描述其设计思路及系统特性。列车网络控制系统及其以太网维护网络、车载乘客信息系统和制动系统内网一体化设计可优化车载网络设计、提高网络利用效率，改善轨道交通的整体运行水平。

关键词城市轨道交通；列车综合网络控制系统；车载乘客信息系统；一体化设计

Author＇s address CRRC Nanjing Puzhen Co.，Ltd.，210031，Nanjing，China

0　引言

现代轨道交通车辆已大范围采用列车网络系统，车辆总线的种类也逐渐趋同。目前，国内主流的城市轨道交通（以下简为“城轨”）车辆主要采用多功能车辆总线（MVB），这也是欧洲轨道交通设备制造商供给中国列车网络系统的共同总线。由MVB组成的列车控制及监测系统（TCMS）的主要功能为：

（1）控制或监测列车运行的关键参数。这些参数需要被快速和最优先处理，以保障人员、财产安全和列车的可用性（如牵引、制动等功能）。其中重要的功能由列车硬连线备份，以供紧急时使用。

（2）控制或监测列车非运行相关的参数。该参数传递的信息对乘客∕财产安全及列车的可用性无影响，如空调控制、报站控制等。

（3）维护和诊断辅助功能。该功能可帮助维护人员进行纠正性和预防性维护。其信息的采集存储通过网络进行，供车下分析维护。

TCMS网络拓扑图（6节编组列车中一个单元）如图1所示。由图1可以看出，存在两部分网络，一部分是TCMS系统的网络，另外还有制动电子控制（BCE）系统的内网，以实现制动系统所有控制单元之间的数据交换及管理功能。

图1　一个单元的TCMS网络拓扑图

随着列车网络系统功能的日趋丰富，车辆内除了布置常规的控制网络，还增加了以太网维护网络，通过交换机连接车辆控制单元（VCU）、司机显示单元（DDU）、牵引电子控制单元（PCE）等设备，以实现车辆故障自动下载至车辆段的功能。以太网维护网络拓扑图（6节编组列车的一个单元）如图2所示。

与此同时，为提高乘客的舒适性，车辆还配置了车载乘客信息系统（PIS）。其主要运用网络控制和多媒体控制技术，内含司机室PIS主机、LCD（液晶显示器）媒体播放器、车厢视频监控摄像头等设备，以客室为载体向乘客呈现多样化的信息。车载PIS息系统网络拓扑示意图（6节编组列车中的一个单元）如图3所示。为了满足实时传输大数据量的需求，PIS中也采用了以太网。这样车辆中就有两套以太网网络。

图2　一个单元以太网维护网络拓扑图

图3　PIS网络拓扑示意图

综上所述，城轨车辆内部同时存在着多种通信协议和总线。如果列车内各个子系统分别独立设计，必然导致系统设备繁多、设备之间的连线复杂，而城轨车辆客室空间有限，这林林总总的网络不仅降低了整车系统的稳定性，也使后期的调试和维护难度大大增加。

鉴于此，本文提出列车综合网络控制系统一体化设计的思路，以优化网络设计，减少布线，提高网络利用效率。这样的整合在国外已有项目执行，如巴西圣保罗地铁以及澳大利亚悉尼地铁项目已应用该设计思路。巴西圣保罗地铁列车综合网络控制系统拓扑图如图4所示。该项目中网络总线种类多样，有MVB、CAN（控制器局域网）总线、以太网总线等。其相当于在现在的国内TCMS网络中并入了PIS，TCMS和PIS共用主机，所有子系统通过以太网主干线连接，减少了中间转换环节。主干高速以太网采用冗余设计，一路以太网故障，不影响全列车之间的数据传输。

悉尼地铁列车综合网络控制系统拓扑图如图5所示。该项目基于纯以太网络，所有设备的通信介质都是以太网总线，不存在总线繁多、协议复杂、多样转换等问题。设备之间通过以太网直接进行数据交换，TCMS和PIS共用主机，达到了设备减少、总线种类单一、电缆类型单一、布线设计更加优化等效果。主干高速以太网采用冗余设计，一路以太网故障，不影响全列车之间的数据传输。目前，国内轨道交通车辆行业还未有相关应用项目，存在明显技术空白。

1　列车综合网络控制系统总体描述

列车综合网络控制系统是一个综合性的车辆信息收集、显示以及控制系统。即把原先的TCMS及其以太网维护网络、制动系统内网和PIS网络融合为一套网络。其结构基于轻型化、模块化和分布化设计。本文提出的列车综合网络控制系统通过MVB、以太网总线进行所有数字信号的传输，可有效减少车辆间硬连线的数量。

图4　巴西圣保罗地铁列车综合网络控制系统拓扑图

图5　悉尼地铁列车综合网络控制系统拓扑图

（1）MVB主要连接列车各重要设备，传输介质为屏蔽双绞线，采用IEC 61375-1列车通信网络标准，传输速率为1.5 Mbit∕s。

（2）以太网总线采用IEEE 802.3∕802.3u标准，传输介质为超5类屏蔽双绞线，传输速率为100 Mbit∕s，主要连接诸如车辆控制单元、辅助供电、司机显示单元以及PIS车载主机等设备，实现部分子系统之间的数据传输，以及车载PIS所有数据信息的传输。

2　列车综合网络控制系统功能及其设备

列车综合网络控制系统包含了原先的TCMS及其以太网维护网络、制动内网和PIS网络的所有功能。

2.1TCMS功能

（1）控制功能：包括系统冗余控制、牵引制动控制、空调系统模式控制、高速断路器控制、辅助逆变器控制和报站控制等。

（2）监视功能：主要监视对象有牵引系统、制动系统、辅助供电系统、车门系统、空调系统、高低压供电系统、乘客信息∕广播系统，以及司机室重要开关按钮等。列车控制系统持续监视车载主要设备的状态并通过显示器显示各设备状态及故障信息。

（3）诊断功能：车辆控制单元收集列车主要事件、故障和重要状态及子系统等相关信息，并根据整列车的故障情况及该子系统部件故障对列车运营的影响程度，对相关信息进行集中诊断处理和存储。故障信息可在DDU上显示，也可以不同的方式记录在故障记录仪或事件记录仪中，并可通过维护接口下载到本地维护电脑，供长期储存和深入分析。

2.2 车载PIS功能

（1）乘客广播系统功能：主要包括司机对客室广播、运营控制中心对客室广播、司机内部对讲、乘客紧急对讲，以及通过列车控制系统获得站点信息进行数字语音报站，并将其传输给乘客信息显示系统用于信息显示、关门提示音、客室广播监听、预录紧急广播等功能。

（2）乘客信息显示系统功能：在客室适当位置安装显示屏，显示动态地图、前端信息、内部信息、司机室信息等。

（3）闭路电视系统功能：主要包括车内视频采集、视频图像数据转换压缩、各车厢和司机室的视频图像实时显示、视频与旅客紧急通信单元联动、视频录像文件查询、视频录像文件下载、闭路电视系统即插即用等。从乘客广播系统及时获取乘客紧急对讲信息以及车门紧急解锁信息等，同时将车上监控摄像头拍摄的视频信息通过车地无线局域网上传至地面运营控制中心，使闭路电视系统可与各系统联动。

（4）影视娱乐系统：影视娱乐系统的媒体信息包括预存储和无线传输两种。系统可默认播放无线传输的媒体信息，当无线传输的媒体信息缺失或故障时，系统可自动切换到预存储媒体信息播放。也可手动选择预存储媒体信息播放模式。

各系统之间的信息传输示意图如图6所示。

图6　各系统信息传输示意图

维护网络实现将车辆的故障数据通过无线方式发送到车辆段，便于维护人员分析，大大节省维护时间，提高维护效率。

列车综合网络控制系统主要设备如表1所示。

表1　列车综合网络控制系统设备配置表　　个

3　列车综合网络控制系统一体化设计思路及特性

考虑到列车综合网络控制系统一体化设计是首次使用，为保险起见，仍然保留MVB作为列车控制总线，以连接牵引、辅助、制动等比较关键的系统；其余系统直接连到以太网上，共用一个控制主机，实现一网融合，从而现实列车网络系统、维护网络与车载PIS网络的全部功能。该方案的拓扑图（6节编组列车中的一个单元）如图7所示。

图7中的系统结构与传统独立设计的车载网络控制系统和PIS相比具有以下特点：

（1）系统冗余设计：系统架构的设计充分考虑了数据传输的冗余性，采用冗余的以太网总线，当其中一路以太网总线故障时，只降低数据的传输速率；而不影响整个系统功能，当整个以太网总线故障时，系统执行降级模式运行，由光纤环网传输司机室人工广播、司机对讲及乘客紧急对讲的音频信号，以保证司机与乘客的信息沟通，同时，光纤环网可实现在列车连挂时的广播、对讲功能；每列车两端的司机室各设一个VCU主机，两者互为冗余备份，当主VCU主机故障时，热备份状态的VCU主机接替故障的VCU主机继续工作，与此同时采用冗余的以太网总线及MVB进行连接，单个列车客室设备故障不影响其他客室设备功能的正常发挥。

图7　列车综合网络控制系统拓扑图

（2）系统高传输性设计：车上的机柜均采用模块化设计，在多种设备上利用以太网供电技术，使得设备更加紧凑，极大地减少了供电电缆的数量；VCU主机存储整个系统数据（线路数据、音频信息数据、视频信息数据）和车载视频监控数据，发布各类系统的控制指令，管理系统总线和系统内所有设备；可通过以太网总线进行通信，实时监测设备状态信息，当收到系统设备异常信息时进行记录，并将异常信息上传到列车综合网络控制系统，在增加系统间互联互通性能的同时可减少系统故障率。

（3）各系统相对独立性设计：各模块作为最小可更换单元相对独立，单一模块发生故障时不会影响到其他模块的功能实现，例如司机室摄像头故障并不影响广播系统的任何功能。

（4）系统安全运行稳定性设计：在系统设计时充分考虑了多个业务子系统的特点，采用的以太网具有MVB无法比拟的高速传输特性和设备兼容性，可无缝连接不同厂商的网络设备；加上所采用的以太网能够适应列车内超常的温湿度范围、高速振动和冲击等环境要求，控制总线负载使其保证高实时性。另外，本方案配置了一套故障排除与自检功能设备，能够对列车各系统设备故障进行诊断和快速排除，并实时在DDU上进行显示。

该列车综合网络控制系统集数据高速传输性、广泛兼容性、高度环境适应性、故障排除与自检简便性于一身，其采用轨道交通专用的实时以太网协议及高加密的措施，并且通过相应的措施使PIS网络系统中的设备故障、报文故障不会影响到整个大系统，从而保证了列车综合网络的安全运营。下一步，将按照悉尼项目的方案进行，将全车所有设备通过以太网接口相互连接，充分发挥高速以太网的优势，使数据传输更加快速。

4　结语

近年来，随着轨道交通车辆集成技术、网络技术和多媒体技术的发展，轨道交通行业对集成化、人性化、智能化提出了越来越高的需求，车载列车网络控制系统作为城轨车辆最重要的“神经中枢系统”，必须响应这样的需求。本文本着优化车辆设计、提高车辆网络利用率和降低采购成本的原则，自主创新开发出集成化、模块化的列车综合网络控制系统。这是未来城轨车辆技术发展的新趋势。

参考文献

［1］ 刘伟中.乘客信息系统在城轨交通中的应用浅析［J］.铁路通信信号工程技术，2009，6（3）：43.

［2］ 阳宪慧.现场总线技术及其应用［M］北京：清华大学出版社，2008.

［3］ 王伯铭.城市轨道交通车辆工程［M］.成都：西南交通大学出版社，2007.

［4］ 张颖.乘客信息系统在轨道交通中的应用及发展［J］.铁道勘察与设计，2010，10（4）：88.

Integration Design of Train Integrated Network Control System

Chen Meixia，Shao Guodong，Zhang Junxian

AbstractAn integration design of urban rail transit train integrated network control system based on Ethernet is briefly introduced.The functions and composition of the autonomously developped system is described，including the design concept and the characteristics of the system.The integration design of the train network control system，the on-board Ethernet network maintenance and passerger information system，the brake internal network and so on could optimize the on-board network design，increase the network utilization efficiency and improve the overall operating level of urban rail transit.

Key wordsurban rail transit；train tntegrated network control system；on-board passenger information system；integration design

中图分类号U 29-39

DOI：10.16037∕j.1007-869x.2016.01.017

收稿日期：（2014-04-18）