基于实时以太网的列车网络控制系统设计

谌育民 张杨 叶锋 彭冬良

摘要：随着通信技术的不断发展，实时以太网以高速率、高带宽的优势成为国内外轨道交通行业网络通信发展应用的趋势。本文介绍了一种基于实时以太网通信的列车网络控制系统方案，为轨道交通车辆列车网络控制系统设计提供一种选择。

关键词：轨道交通;实时以太网通信;网络控制

1 概述

列车网络控制系统（TCMS）是车辆的神经中枢，实现列车控制、诊断和监视。TCMS有多种网络通信方式，如MVB、CANOpen、LonWork、以太网等。随着轨道交通车辆智能化、舒适化、高速化需求的提高，列车网络通信需要更多、更快、更好地进行数据通信。实时以太网以高速率、高带宽等优势成为国内外轨道交通行业网络通信发展方向。基于IEC61375的实时以太网列车通信网络标准已于2014年发布并开始逐步应用到市场中。

2 系统构成

2.1 通信网络

实时以太网通信基本特性：

（1）实用波特率：100Mbps;

（2）过程数据最小循环周期：20ms;

（3）最大数据大小：1500字节;

（4）交换机星型结构连接节点，点对点通讯距离不大于100米;

（5）以太网编组网有直线、双路连接直线、环形、双路连接环形、双路连接梯形等结构，在设计与应用时从系统可靠性、设备重要性、通信冗余性等角度综合考虑。

2.2 网络拓扑

本文设计的列车通信网络采用环形拓扑结构，以4编组车辆设计为例：

（1）整车配置2个列车骨干网节点、冗余双线连接构成列车骨干网;

（2）各节车以太网交换机以环形结构连接构成列车编组网;

（3）每节车的终端设备节点与以太网交换机采用星型连接。

2.3 设备组成

2.3.1 列车骨干网节点TBN

每节Mc车配置1个TBN，建立列车重联网络通信，整车两个TBN互为热备冗余。TBN通过冗余双通道连接其他骨干网节点、通过单网口接入ECN。采用管理型以太网路由器，具备DHCP、LLDP、VLAN、SNMP、RSTP、链路聚合等功能。

2.3.2 以太網交换机CS

每节车配置一定数量的CS，以环形拓扑结构连接实现列车编组网数据交互。交换机数量根据终端设备数量、冗余设计情况确定。采用管理型交换机，具备DHCP、LLDP、VLAN、SNMP、RSTP、链路聚合等功能。

2.3.3 车辆控制单元VCU

每节Mc车配置1个VCU，实现整车逻辑功能控制。VCU是TCMS的核心设备，通过双网口分别接入2个CS。两个VCU互为热备冗余，通过ECN和ETB与车辆其他设备进行通信，执行列车控制、显示数据控制、故障诊断等功能。

2.3.4 人机交互界面HMI

每节Mc车司机台配置1个HMI（司机显示器），是TCMS的显示终端设备，是司机和维护人员操作车辆的窗口。HMI通过双网口冗余接入2个CS，实现信息显示、参数设置、功能测试。

2.3.5 事件记录模块ERM

每节Mc车配置1个ERM，对列车运行状态及故障信息进行记录。ERM通过单网口接入ECN，两个ERM同时记录相同数据，实现设备级冗余。

2.3.6 输入/输出模块IOM

每节车根据IO数量需求配置一定数量的输入/输出模块IOM，完成对数字量/模拟量数据电气信号与控制信号的转换，实现硬线数据采集和输出。每个IOM通过单网口接入ECN。

2.3.7 其它网络设备

如有个别系统无法实现以太网通信，可增加协议转换模块将设备连入ECN。

3 系统功能

TCMS通过ECN/ETB网络与车辆其他系统进行数据通信，主要实现控制、诊断和监视功能。

3.1 控制功能

TCMS综合车辆运行工况及各设备的工作状态，主要完成以下控制：

（1）司机室激活：激活判断，司机室激活联锁报警;

（2）方向控制：对牵引电机的“正向”和“反向”控制;

（3）驾驶模式：根据优先级对各个模式控制，在同一时刻只执行一种模式;

（4）牵引封锁：监视影响列车运行的条件，判断并封锁列车牵引;

（5）紧急制动：监视影响列车运行的条件，判断并触发紧急制动;

（6）空压机管理：按单双日控制不同的空压机启停，确保其损耗均匀;

（7）空调启动控制：对空调机组压缩机进行错时启动控制，避免交流负载严重过载;

（8）空电/液联合制动控制：与BCU、DCU协调进行混合制动控制;

（9）超速保护：对列车速度进行监视、报警和保护;

（10）其他功能。

3.2 诊断功能

TCMS完成车载系统事件&故障数据的采集、分析、转储和显示，VCU诊断、ERM记录、HMI显示;并可通过便携式测试单元（PTU）下载、或通过WTD无线网络实时上传到地面，供数据实时分析、健康管理、智能运维和数据长期储存。

（1）故障等级：

故障等级

故障描述

严重故障

严重影响运行的故障，可能导致乘客和车辆危险，需立即处理。如不能及时排除，列车需在运行的下一站清客，空车回库处理。

中等故障

影响运行的故障，需立即处理。如不能及时排除，列车需在完成本次单程运营后退出运行，空车回库处理。

轻微故障

不影响运行的故障，可以在列车运营结束后回库再处理。

（2）故障信息：故障名称、故障车号、故障设备、故障代码、故障产生/消除时间、故障处理说明。

（3）记录类型：触发型和持续型。

（4）记录模式：先入先出（FIFO），数据记满后自动覆盖以前的数据。

（5）PTU分析：采用PTU对诊断数据进行下载、显示和作进一步分析研究。

（6）无线上传：通过WTD的无线网络将车辆状态、故障信息实时发送至地面。

3.3 监视功能

HMI提供两种用户模式：运行模式和检修模式，提供车辆的状态、故障和事件信息监视：

（1）车辆状态显示：运行模式、速度、网压、通信、旁路、各系统状态;

（2）广播控制：报站模式选择、紧急广播、紧急对讲;

（3）空调启动：空调启停、工作模式、温度;

（4）维护信息：IO、牵引、制动、辅助电源系统的详细数据;

（5）累计数据：里程、牵引/制动能耗、空压机运行时间;

（6）参数设置：时间、车号、轮径;

（7）性能测试：加减速度测试、制动距离测试等。

4 结语

基于实时以太网的列车网络控制系统通信数据量大、实时性高、可用性强，可靠性和安全性也在逐步地提高和优化;随着多网融合、健康管理、智慧运维等列车智能化应用，基于实时以太网的列车网络控制系统具有较高的优势为列车智能化提供基础，适用于地铁、有轨电车、动车等多种轨道交通车辆。

参考文献：

[1]王涛，王立德，周洁琼，申萍.基于交换式以太网的列车通信网络实时性研究[J].铁道学报，2015，37（4）：3945.

[2]李超.列车ECN设备与ETBN节点通讯技术研究[D].大连交通大学，2017.