新型轨道车辆网络控制系统设计与应用

高 杰， 李文正

(1 重庆中车四方所科技有限公司 技术研发部， 重庆 401133；2 中车青岛四方车辆研究所有限公司 电子事业部， 山东青岛 266031 )

重庆轨道交通10号线的列车网络控制系统按照IEC 61375-1—2007标准规定的列车通信网络组建，车辆总线采用MVB总线。MVB网络技术是专为铁路应用而开发，能够满足铁路行业的特殊需求，经过了长期、大量的应用验证。

重庆轨道交通10号线上网络控制系统拓扑结构为“T”型拓扑结构，总线采用冗余传输，保证数据传输的可靠性。MVB总线的传输速率为1.5 Mbit/s。此外，重庆轨道交通十号线加入了列车维护网络系统，系采用以太网搭建，接入该维护网络的子系统设备可在维护网交换机HUB上实现数据下载、应用程序更新以及状态监测等功能。

1 网络拓扑结构

1.1 拓扑配置

重庆轨道交通10号线的列车网络控制系统拓扑如图1所示。

VCU-中央控制单元；ERM-数据记录单元；485GW-网关；RIOM-远程输入输出模块；HMI-人机接口单元；EDCU-门控制单元；DCU-牵引控制单元；SIV-辅助控制单元；ATC-信号系统；RPT-中继器；HVAC-通风和空调设备；BCU-制动控制单元；BCCU-蓄电池管理单元；PIS-广播系统；HUB-交换机；MC-司机控制器；Mc车-带司机室的动车；Mp车-带受电弓的动车；M车-动车。图1 列车网络控制系统及维护网络系统拓扑图

1.2 系统功能

车辆总线采用EMD通信介质的MVB，全列由两个基本对称的单元组成，网络控制系统及维护系统设备情况具体如下：

(1)中央控制单元VCU在Mc车各配备1台，两个VCU都是MVB总线的主设备，运行中互为热备。VCU是MVB网络的总线管理器，正常情况下，主VCU负责对MVB总线进行管理，同时实现对本单元车辆的控制、对车辆设备的监视和诊断。

(2)人机接口单元HMI在司机室给配备1台，主要负责人机交互的功能，负责显示设备状态、指导司机操作、输入人工干预指令和向维修人员提供支持。

(3)车辆由远程输入/输出设备RIOM通过MVB接口和车辆总线连接，实现对车辆电路的主要控制信号采集和控制指令输出。

(4)数据记录单元ERM实现对列车主要设备的运行状态和故障进行自动信息采集、记录，并可通过便携式测试单元PTU将数据读出和显示。

(5)中继器RPT在每辆车上均配置1台，实现对MVB信号帧的中继传输，具有冗余的供电和中继功能模块。

(6)交换机HUB在每辆车上均配置1台，实现对维护网络系统的组建。

(7)网关485GW在Mc车上各配置1台，实现RS485/MVB通讯之间的转换。

1.3 新型拓扑

传统网络控制系统拓扑结构为“一”字型串行拓扑，MVB总线的A/B路共用同一个连接器和线缆，该结构的特点是线路简单，成本较低，其缺点是不同设备的线路延时相差较大，一旦线路上出现中断，可能影响全列车的设备通信，拓扑结构如图2所示。

图2 传统“一”字型串行拓扑图

在重庆轨道交通10号线上网络控制系统应用了新型拓扑结构，其结构设计为"T"型，全车共分为7个网段，每节车辆网络自成一个网段，干线为主网段。拓扑结构如图3所示。

图3 “T”型拓扑结构图

该拓扑结构的特点是：

(1)支路网段故障不会影响其他支路网段及干线网段，降低单个支路网段故障对整个网络的影响。

(2)具备冗余的MVB传输线缆及连接器，能够避免因单个连接器故障、松动或线缆故障以及子设备故障等引起整个传输网络瘫痪。

(3)方便扩编，只需在M1和M2车预留扩编用的MVB车端连接器，可直接进行扩编，不需要对原车的MVB线路重新设计更改。

1.4 维护网络

列车检修过程中对各子系统设备(特别是车下设备)的数据下载、应用程序更新以及状态监测等维护较为不便。检修人员通常需要在不同车厢的各设备间来回观察设备数据、更新程序等操作。

鉴于以上在列车运营维护中的检修问题，重庆轨道交通10号线上增加了基于以太网搭建的维护网络，由交换机HUB实现组网并成功接入了VCU、ERM、HMI、DCU、BCCU、SIV、PIS等子系统设备。通过预分配的IP地址，可在HUB上实现对目标设备的数据下载、应用程序更新以及状态监测等维护操作。为列车检修带来了极大的便利。

2 冗余设计

在重庆轨道交通10号线车辆中，为提高列车运行的安全性和可靠性，MVB总线采用符合IEC-61375标准的MVB-EMD电缆，具有冗余结构，即线路A、线路B两路通道，对关键区域提供部分冗余，即在MVB中单点故障不会导致列车运行停止。MVB通过总线连接器与各子系统连接，传递过程数据、消息数据、监视数据，控制各子系统完成相应的功能。MVB总线冗余技术方案如下所述。

2.1 VCU冗余

中央控制单元(VCU)是车辆MVB网络系统的总线管理器，每列由两台硬件完全一样的中央控制单元(VCU)构成，两台设备具备同样的功能，它们在工程实现上应具备相同配置，包括相同的应用级过程数据源端口及宿端口配置。正常工作时，默认头车VCU定义为主设备，尾车VCU定义为从设备。主从VCU均可实时监测对方工作状态，若主设备发生故障，从设备将自动切换为主设备继续工作，确保网络控制系统不会瘫痪。

2.2 RPT冗余

每辆车均安装了一台中继器，每个中继器含有两个互为冗余的中继器模块，每个中继器模块均可对MVB总线A路、B路传输的信号进行中继传输。如图4所示为中继器模块传输信号的示意图。

正常运行时，只有一个中继器模块工作，对信号进行一次中继传输，另一个处于热备状态。当一个中继器故障时，另一个中继器将对原有的A路或B路进行中继传输，不影响各子系统对信号的接收。

2.3 线路及连接器冗余

MVB的线路A和线路B同步发送相同的数据，但各节点只接收信任线的数据。假设信任线为线路A，监视线为线路B。如图5所示，如果线路A出现故障，线路B切换为信任线，节点将接收线路B的数据，因此当线路A故障时，列车网络通信正常，系统的性能没有影响。当线路B故障时，信任线为线路A，不发生变化，列车网络通信仍然正常。

该冗余设计可以防止传输线、引脚接点以及收发器的错误、连接器故障或连接不牢靠等引起的MVB传输故障。

图4 中继器冗余示意图

图5 MVB线缆及连接器冗余示意图

3 控制技术

在重庆轨道交通10号线车辆中，列车网络控制系统增加了许多关键控制技术。可实现对牵引、制动、广播、辅助供电等各个子系统的控制管理。

(1)牵引制动控制管理

网络控制系统通过RIOM单元采集ATC发出的控车命令、司控器的编码线以及各模式开关、限速信号，通过综合逻辑分析计算后，向牵引、制动系统发出牵引制动控制指令、级位以及限速信号。控制流程如图6所示。

图6 牵引制动控制管理

(2)电空混合制动管理

列车制动时优先采用电制动，空气制动作为补偿，并采取全列车合理分配的原则，由网络控制系统进行制动力计算及分配，并控制电空制动转换。网络控制系统发出电制动退出信号时，牵引系统以固定的斜率进行电制动力衰减，制动系统则以相同的斜率进行空气制动力补充，直至电制动力完全退出。

传统电制动退出控制方案为固定速度点退出方案，如图7所示。当速度降低至va时电制动开始退出，如果退出时刻的电制动力较小，则电制动很快就完全退出(如图中速度点v2)，此时则需要空气制动一直施加至列车停下来。

图7 电制动固定速度点退出控制策略

考虑到空气制动的机械属性，其响应远不如电制动灵敏，同时为了减少空气制动的机械磨损，制动控制应充分利用电制动，将电空转换点速度尽可能地降低。重庆10号线电空混合制动采用了电制动浮动速度点退出的控制策略，如图8所示。根据电制动力级位大小浮动调整电制动开始退出的速度点(如图中速度点va/vb/vc)，使电制动力完全退出的速度点均保持为v0，从而尽可能地发挥电制动力的作用，提高列车制动控车精确度，同时减少空气制动的机械磨损。

图8 电制动浮动速度点退出控制策略

(3)中压负载启动及分配管理

为了避免中压负载同时启动给辅助电源系统带来冲击，网络控制系统对制动空压机、空调压缩机进行统一管理。

制动空压机启停控制采用主/辅空压机概念，由网络系统根据日期(单双日)来指定一台为主，另一台为辅，主空压机优先启动，主/辅空压机的工作每天调换。网络系统实时读取总风压力，根据压力值大小控制主/辅空压机的启停。

空调压缩机的启动优先级低于制动空压机，网络控制系统按照顺序给空调发送压缩机允许启动信号，当制动空压机启动时，在一段时间内停止给空调发送允许启动信号，如图9阴影部分所示。待空压机启动完成后，继续循环发送空调压缩机允许启动信号。

图9 中压负载启动顺序管理

(4)保持制动缓解控制

当列车停止后，制动系统会施加保持制动。当列车再次运行时，需要及时缓解保持制动，保持制动缓解的控制由网络控制系统实现。当列车处在坡度上时，其受力分析如图10所示。

图10 列车坡道受力分析

当列车上坡时，列车下滑力F向后，为保证列车不后溜，牵引工况时牵引力应大于最大坡度及载重时产生的下滑力F后才能缓解保持制动；

当列车下坡时，列车下滑力F向前，为避免轮对不必要的磨耗，牵引工况时只需要检测到列车具有向前的速度，即可缓解保持制动。

4 故障诊断

网络控制系统在重庆轨道交通10号线车辆上搭建了一套完整的故障诊断及数据记录系统。

中央控制单元VCU作为故障诊断系统的核心，负责接收列车各系统的数据并经过逻辑分析判断，然后将诊断结果发送至人机接口单元HMI；

人机接口单元HMI接收来自中央控制单元VCU的故障诊断信息后，通过友好的显示画面显示出当前设备的状态，同时根据故障的隐患程度将故障进行分级，将中等及严重故障通过弹窗提醒，实现人机交互；

数据记录单元ERM接收并存储网络控制系统MVB总线上的过程数据及故障信息，同时可将数据下载至本地分析设备，通过专用软件可对数据进行离线分析，为后续故障分析提供了强有力的支撑。

5 结束语

重庆轨道交通10号线列车网络控制系统采用了新型拓扑结构。通过运营半年来的情况观察，新型拓扑结构的应用提高了网络控制系统通信稳定性及可靠性，维护网络系统的应用更是极大地提高了列车检修维护的效率，系统冗余设计、关键控制技术的应用提高了轨道交通车辆运行控制效率及精确度，降低了列车运行故障率。新型轨道交通车辆网络控制技术的应用对提高轨道交通列车的可靠性及可维护性起到了强有力的推动作用。