高速动车组列车网络控制系统与车门子系统接口功能分析

张晓晋

(1 中国铁道科学研究院集团有限公司 机车车辆研究所， 北京 100081；2 北京纵横机电科技有限公司， 北京 100094)

列车网络控制系统是高速动车组的核心技术。网络控制系统由通信、控制、人机接口等设备和配套的电缆、连接器构成，从逻辑上可划分为网关、中继器、总线管理单元、中央控制单元、车辆控制单元、故障诊断与记录单元、输入输出单元、智能显示单元[1]。列车网络控制系统主要实现重要设备的控制、状态监视和故障诊断，包括高压、牵引、制动、自动速度控制、辅助供电、车门、空调、火灾报警、PIS等等，从而保证列车安全可靠的运行，并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。遵循IEC 61375国际标准，列车网络控制系统既可以使用WTB/MVB，也可以使用实时以太网与各子系统交互。实时以太网是目前网络通信技术的发展趋势。

车门是工作人员和旅客与动车组接触的第一个子系统。随着人类生活水平的不断提高和生活需求的不断多样化，门的种类和功能也在增加，研究和分析列车网络控制与车门子系统的通信接口具有重要意义。

1 列车网络通信技术发展现状

继WTB/MVB通信网络技术之后，随着应用数据量增长，对网络性能的不断追求驱动国内外各大公司以及各大院校都在研制和推广列车实时以太网相关产品。Moxa、Duagon、Kyland公司都推出了符合IEC 61375标准的实时以太网产品[2-3]。德国西门子研制的ICE4列车，基于Sibas PN架构，分成ETB和ProfiNet(Process Field Net)两级,目前已经投入运营[4-5]。

列车实时以太网作为维护网在高铁和地铁领域已经得到成熟应用。实时以太网作为控制网实际运营还处于起步阶段。根据IEC 61375标准，实时以太网基础架构是ETB/ECN。ETBN产品遵循IEC 61375-2-5[6]和IEC 61375-2-3[7]标准。ECN产品符合IEC IEC 61375-3-4[8]标准。列车级以太网拓扑发现协议TTDP(Train Topology Discovery Protocal)可实现列车通信网络拓扑结构的自动配置和维护。列车实时数据协议TRDP(Train Real-time Data Protocal)位于TCP/UDP传输层之上，可以实现车辆级或列车级的通信。

实时以太网以其明显的传输速率优势备受国内外厂家青睐。但是由于其自身成熟度问题，还需要发展时间，因此接下来几年会是实时以太网和WTB/MVB网络同时并存的时代。

2 高速动车组车门

2.1 门分类

动车组车门按功能分为外门和内门。外门按工作原理分为外挂式滑动门、内藏式滑动门和塞拉门等，按驱动特性分为电动和气动。

国外高速动车组设计还涉及装货门(loading door)，适用于需要运输笨重物品(比如自行车)的车厢。

2.2 门性能

门涉及的性能有：开门和关门速度(约2.5～5 s)，挤压力，障碍物探测能力，密封影响，空气动力学影响，关门位置探测、传热系数以及隔声量等。内藏门和塞拉门在开关门时间方面略有不同。高速动车组外门目前采用具有良好密封、隔声、隔热性能的单扇电控气动塞拉门。塞拉门因外观与车辆外表面齐平而具有较好的空气动力学特性[9]。塞拉门主要供应商有IFE、康尼、BODE、FAIVELEY等。

2.3 门组成

电控气动塞拉门由驱动装置，锁闭机构，导向装置，车内车外开门装置，密封附框及门体，电控气动单元，活动脚蹬等主要装置组成。

塞拉门可以参考标准TB/T 3108-2011铁道客车塞拉门。

2.4 门配置

根据UIC 556方向定义，门配置示意图如图1所示。

线缆1：可以是CAN、 RS485、RS232、硬线中的一种IN1：内门1， IN2：内门2L1：左1门， R1：右1门L2：左2门， R2：右2门图1 门配置示意图

图1中车辆总线可以是MVB或者ECN。高速动车组中不同车厢的配置如表1所示。考虑到高速动车组旅客密度，一般配置4扇门。每扇门有独立DCU(Door Control Unit，车门控制器)控制。

表1 高速动车组车门配置示例表

3 网络拓扑结构

车门网络拓扑图如图2所示，共分为3个网络层次。第1层为列车骨干网通信层，可以为WTB或者ETB。第2层为车辆级网络通信层，可以为MVB或者ECN。第3层为子系统网络通信层，可以为CAN，RS485，RS232总线或者硬线连接。TDCU是列车级DCU，一方面控制和监视本单元所有车厢的MDCU；另一方面在占用端，通过列车骨干网，TDCU可以控制和监视整车车门，例如监视所有左车门开。TDCU功能一般包含在列车网络控制系统中央控制单元(CCU)内。MDCU是主控DCU，负责控制和监视本车厢所有门的DCU。DCU负责控制和监视单个车门。

图2 一种典型高速动车组门系统网络拓扑图

DCU是基于微处理器(如DSP)的高性能数字闭环控制系统,可以采用先进的控制算法实现对门速度和动作的精确闭环控制，兼具故障监测、自诊断和上位机管理与通讯等功能。DCU采用模块化设计，例如包含电源模块、输入接口模块、输出接口模块、电机控制模块、CAN或RS485接口模块、MVB和ETH接口模块、USB接口模块及存储器模块。

车辆级TDCU通过TBN与列车级网络相连。TBN设备也可以被认为是网关设备，可以是WTB/MVB网关，也可以是ETB/ECN网关。列车级网络数据传输需遵循一定的传送规范。列车级过程数据划分为P1、P2、P3、P4、P55类数据，说明如下：

(1)P1数据由编组中的主控车编排发出，其中主控车发送命令，包括控制指令，速度等数据，每个周期都发送，不分时；

(2)P2数据由编组中的从控车发送状态信号给主控车，用于主控车进行列车级的控制(主控车本单元用于列车级控制的状态信号可以从车辆总线中获取，无需通过列车总线传输)。主控车P1过程数据与从控车P2过程数据的识别通过P1中某个字节 中的"主控车标志"信号区分；

(3)P3数据由编组中的所有单元编排发出，主要为车辆关键设备状态，每个周期都发送，不分时；

(4)P4数据由编组中的所有单元编排发出，主要为车辆设备状态，可分时发送也可不分时发送；

(5)P5数据由编组中的所有单元编排发出，主要为车辆故障信息，可分时发送也可不分时发送。

由于端口长度的限制，P报文在WTB/MVB架构使用5个端口，在实时以太网架构编排成一个端口。

列车级P报文和相应的车辆级过程数据按照一定的协议形成映射关系。

4 接口功能

4.1 通信接口通用模式

列车网络控制系统中央控制单元与子系统之间的接口通信遵循一定的通用模式，如图3所示。通过本单元的CCU控制逻辑处理实现本单元子系统内状态、命令和诊断信息的交互。通过CCU和GW的控制逻辑处理实现了列车级子系统之间状态、命令和诊断信息的交互。特殊情况是子系统之间直接交互，比如牵引和制动子系统。

图3 列车网络控制系统和子系统接口通用模式

4.2 两种集控车门方式

(1)网络实现集控车门

集控车门通过网络系统实现。输入输出工作站采集司机控制台车门集控按钮信号，通过车辆级网络发送给CCU。CCU经过逻辑判断将集控命令发送给所有单元MDCU执行。

集控命令包括开左右侧车门，关左右侧车门，左门禁用/释放，右门禁用/释放。

车门集控命令和状态监视信号需通过列车级P1、P2、P3、P4、P5数据报文传输。

(2)硬线实现集控车门

车门子系统集中控制采用硬线传输指令，车门的状态反馈采用MVB或ECN网络，这样既保证了可靠性，同时也可以实现司机或机械师对车门状态查看的功能。

车门状态监视信号需通过列车级P3、P4、P5数据报文传输。

这两种设计各有优点，网络实现集控车门可以实现CCU综合集中管理功能，操作指导方便，而硬线实现集控车门相对网络实现集控车门设计简单。

4.3 车辆级车门接口功能

高速动车组列车网络控制系统与外门控制器的通信接口功能实现车辆级外门的释放、开门、关门、锁闭状态监视，并实现车门与牵引、空调系统的联锁。列车网络控制系统对内门进行110 V供电空开诊断。

(1)门状态监控

外门状态主要有开门、关门、隔离、故障、释放和紧急解锁等6种。在TCMS与MDCU通信正常时，MDCU通过车辆总线将本车辆内所有车门的状态发给本单元CCU。本单元CCU和GW在列车总线上通过P3报文将车门关键状态发布给所有CCU。主控CCU负责将车门状态信息进行管理，并发送到司机台显示器及机械师室显示器上显示。

(2)车外门释放按钮、开/关门按钮的监控

列车外门的释放命令、开/关门命令通过硬线控制。网络输入输出模块对司机的外门释放命令、开/关门命令进行采集，通过车辆总线传递给本地CCU进行诊断和监视。门关闭到位且未释放，才允许列车牵引。

(3)车门与牵引联锁功能

两列动车组重联时，车门环路形成大环路，如果车门环路断开，将封锁牵引。

CCU通过车辆总线将v>5 km/h信号速度信号发给MDCU作为零速信号，当MDCU检测到列车速度大于5 km/h，车门自动关闭。

CCU通过车辆总线将v>10 km/h信号速度信号发给MDCU作为车门是否可以开门的判断依据。

(4)车门与空调联锁功能

为避免因车内外压力差导致的动车组塞拉门开门、关门发生异常，当车辆进行整列开、关门或本地开、关门操作时，将按钮信号通过硬件或软件方式反馈给空调，实现空调与外门的联锁。

4.4 故障导向安全功能

(1)门隔离

当CCU发出关门或者开门命令信号后，门系统反馈门状态。当门系统由于障碍物或者自身系统原因关门失败，应发送故障信息。门系统故障不应影响正常的商业运营，在多次重复关门失败后，应手动关闭故障车门，并且通过钥匙进行门隔离或者锁闭。

(2)车门与TCMS通信故障状态监视

以下通信情况异常时CCU将故障信息通过显示器及蜂鸣器通知司机及随车机械师：①TCMS监视列车所有MDCU的状态，在某一个MDCU由于通信故障而离线。②MDCU和DCU之间发生通信故障。

4.5 诊断系统

门诊断系统如图4所示，分为4个级别，分别是中央诊断系统，列车级DCU、车厢级DCU和单个门DCU诊断。TDCU和MDCU之间，以及MDCU和DCU之间都有诊断接口。根据应用需求，TDCU和MDCU所有必要的诊断信息都必须传送给TCMS中央诊断系统。车门子系统的故障信息通过P5报文传输。

DCU诊断和监视各自门的相关部件和功能，识别故障原因和失效状态，存储这些信息到本地存储器，并通过图1中线缆1将故障和功能限制报告给MDCU。MDCU采集本地车厢所有门的诊断信息，并通过图1中MVB或者以太网发送给TCMS的中央诊断系统。TDCU诊断所有列车级的门状态，发送诊断信息给中央诊断系统。

图4 门诊断系统

中央诊断系统采集和输出MDCU和TDCU的诊断信息，同时存储必要的信息，例如故障代码、故障描述、解决方法建议、时间戳等。中央诊断系统将故障信息有选择地显示给不同的人员，比如司机、乘务人员和维护人员等。

TDCU对来自TCMS的控制命令进行刷新监视，MDCU对来自TDCU的控制命令进行刷新监视。TDCU对来自MDCU的状态报告进行刷新监视。MDCU对来自DCU的状态报告进行刷新监视。

5 发展趋势

5.1 通信接口方式

实时以太网相对WTB/MVB具有明显的优势：

(1)可以传输多样化的数据，比如车载广播系统、视频系统、图像等。传输视频数据可以满足用户对旅客信息系统更高的娱乐需求[10]。

(2)高传输速率。目前应用的实时以太网已经达到100 Mb/s，但是实时以太网的传输实力远不止此，随着数据量的需求和综合技术的推进，用更高的以太网传输速率解决实际问题是必然的趋势。

(3)网络负载低。低负载率带来较低的误帧率和误组率。

(4)具有较好的经济性。超五类双绞线比WTB/MVB具有更好的价格优势。随着实时以太网应用的不断深入，实时以太网将会成为列车网络控制系统主流通信网络。

5.2 车门技术方向

日益增长的旅客数量和公共交通工具的不断发展需要高可靠性的门系统，高速动车组对门系统的要求更加严苛。机车车辆制造商、系统供应商、列车运营商都面临相同的挑战：

(1)安全性、旅客舒适度使用便捷性需求不断提高。可移动台阶可以根据不同站台自动调节，方便行动不便人员和老弱群体。

(2)探测技术更加精准。一方面位置探测系统确保开关门位置的安全可靠探测，另一方面创新的障碍物探测技术将更加精准，减少误判带来的晚点。

(3) 兼顾技术先进性和经济性。轻质量、低能耗、低维护成本和安装方便性将进一步降低产品生命周期成本。例如，电动塞拉门摆脱了容易受损的气动部件让系统变得更加可靠和更易使用和维护；采用新材料和新结构来减少质量。

(4)智能化。高速动车组门控器往智能化自学习功能以及智能化自动故障监视、诊断和报告方向发展[11]。

6 结束语

基于WTB/MVB或者ETB/ECN通信网络传输系统，分析了高速动车组列车网络控制系统和车门子系统的接口功能，包括集控功能、门状态监控、与牵引和空调的联锁、诊断系统，以及故障导向安全功能。接着分析了实时以太网通信技术优势和车门技术发展趋势。实时以太网相对WTB/MVB网络具有明显优势，将会越来越多地得到应用和推广。车门技术总体朝着更具安全性、舒适度、便捷性、经济性和智能化方向发展。