“复兴号”动车组TCMS数据组织和传输机制分析

张顺广， 郑 斌， 潘勇卓， 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)

TCMS(Train Control and Management System，列车控制和管理系统)是动车组的神经系统和指挥中枢，它实现动车组各子系统信息传输共享，协调中央控制系统与各子系统的控制、监视与诊断任务，汇总各子系统工作状态和故障诊断信息，提供信息显示和人机交互接口。TCMS数据的组织、传输机制以及传输延时对动车组的性能指标有着重要的影响。以CR400BF“复兴号”动车组为例，深入探讨TCMS的数据传输机制和传输延时。

“复兴号”动车组标准列为8辆编组，采用4动4拖编组方式，每4辆车组成一个牵引单元，2列标准列车可重联运行。动车组TCMS采用TCN(Train Communication Network，列车通信网络)网络作为列车控制网，采用两级总线式拓扑结构，列车级是WTB(Wired Train Bus，绞线式列车总线)总线，车辆级是MVB(Multifunction Vehicle Bus，多功能车辆总线)总线，列车级和车辆级数据转换采用TCN GW(Gateway，网关)。

1 列车级数据组织

牵引单元内的CCU(Central Control Unit，中央控制单元)通过MVB总线与本牵引单元内的TCU(Traction Control Unit，牵引控制单元)、BCU(Brake Control Unit，制动控制单元)、HMI(Human Machine Interface，人机接口单元)、RIOM(Remote Input Output Module，远程输入输出模块)、GW等网络设备和子系统交换数据。GW连接MVB总线和WTB总线，实现牵引单元之间数据的流动，本牵引单元的GW将MVB总线的数据映射到WTB总线，连接在WTB总线上的GW自身的根据需求配置表将WTB数据映射到GW的MVB总线。

1.1 MVB到WTB的数据映射

“复兴号”动车组考虑到控制与监视功能的实时性和互联互通的稳定性，列车级数据采用WTB过程数据进行传输，WTB的通信周期为25 ms。根据TCN标准，每个GW节点的WTB过程数据报文在每个通信周期内只发送一帧长度为128 B的数据。动车组中用于控制、监视和诊断的列车级数据包含牵引、制动、网络、辅助供电、高压、空调、照明、轴温报警、安全环路等子系统的信息，信息量远大于128 B。

为了满足应用的需求，在“复兴号”动车组中，WTB过程数据采用了分页机制。将GW发送的WTB过程数据报文划分为4段：P1/P2、P3、P4、P5段，各个分段用于传输不同功能目的的数据，根据分段内数据的重要程度，定义该分段是否采用分页机制，即分时复用。WTB过程数据各个分段发送的数据定义如下：

(1)P1/P2段占用WTB报文中相同位置的分段，每个周期都发送，不分页。P1段数据由编组中的主控牵引单元(投入司机钥匙的牵引单元)GW编排发出，用于发送列车级的控制命令，例如牵引方向、牵引指令等数据；P2段数据由编组中的从控牵引单元GW发出，发送本牵引单元的状态信号，用于主控牵引单元进行列车级的控制；

(2)P3段数据由编组中的所有牵引单元编排发出，主要为本牵引单元内车辆关键设备状态，每个周期都发送，不分页；

(3)P4段数据由编组中的所有牵引单元编排发出，主要为本牵引单元内车辆设备状态，采用分页机制，共20分页，分时发送；

(4)P5段数据由编组中的所有牵引单元编排发出，主要为本牵引单元内车辆故障信息，采用分页机制，共60分页，分时发送。

1.2 WTB到MVB的数据映射

各牵引单元GW根据应用需求配置表将各个牵引单元的WTB数据映射为本牵引单元的MVB数据，供本牵引单元设备用于进行控制、监视和诊断。

由于GW在WTB总线传输P4段和P5段的数据采用了分页机制，所以当GW将P4和P5段的WTB数据映射到本地MVB总线时，GW有两种处理方法：

(1)方法1，GW在MVB侧对P4、P5数据编入MVB总线采用分时复用机制。网关设置接收缓存区对从WTB接收到的P4/P5数据进行缓存，在MVB侧依次循环将各分页数据通过同一个MVB源端口发送给本单元的设备。对于每个牵引单元，GW编入P4数据定义1个MVB源端口(1个源端口容纳2页数据)，需要10个该MVB端口通信周期，才能完整发送完一遍P4数据；GW编入P5数据定义1个MVB源端口(1个源端口容纳2页数据)，需要30个该MVB端口通信周期，才能完整发送完一遍P5数据；

(2)方法2，GW在MVB侧对P4、P5数据编入MVB总线不采用分时复用机制。网关设置接收缓存区对从WTB接收到的P4/P5数据进行缓存，在MVB侧各分页占用固定的MVB源端口发送给本单元的设备。对于每个牵引单元，GW编入P4数据P4数据定义10个MVB源端口(1个源端口容纳2页数据)，设置相同的MVB端口通信周期；GW编入P5数据定义30个MVB源端口(1个源端口容纳2页数据)，设置相同的MVB端口通信周期。

方法1的优点：牵引单元内的MVB端口数量少，MVB总线的带宽占用低；缺点：数据使用者需对相应的MVB端口数据进行分页解析。增加数据使用者的复杂程度，一旦数据使用者错过了该MVB端口某帧数据，需至少等待下一遍的分页循环发送才能接收到数据，导致引入更大的时延，同时还容易引起同一数据多个使用者解析不同步的问题。方法2的优点：数据使用者无需对相关的MVB端口数据进行分页解析。数据关系相对简单，对数据使用者没有过多的要求；缺点：因一个牵引单元内需考虑四个牵引单元(动车组重联的工况)的列车级数据编入，GW的源端口数量急剧增加，MVB总线的通信负载率也会增大。在“复兴号”CR400BF的研制过程中，对以上两种方法均进行实现，且进行了对比测试。采用方法2时，GW编入P4数据到MVB的端口通信周期采用512 ms，GW编入P5数据到MVB的端口通信周期采用1 024 ms，MVB通信负载率增加约5%，整个MVB网络负载率还在安全的范围内；同时，具有良好的数据一致性和数据使用及分析便利。所以在“复兴号”动车组批量运用中，GW编入MVB的数据处理采用了方法2。

2 数据传输机制

TCMS网络控制系统数据传输机制的通信架构遵循以下原则：

(1)各个子系统的MVB数据一般都是与CCU进行数据交换，依据能够满足TCMS和子系统之间的功能要求为前提配置MVB数据的通信周期；

(2)除了牵引和制动系统由于防滑的要求有直接数据交换外，子系统之间一般不直接通过MVB交换数据；

(3)制动系统由于安全性的要求，用于制动控制的列车级数据，制动系统通过MVB与本牵引单元GW的进行数据交换，GW仅起到透传的作用，且CCU不参与该部分数据的组织；

(4)除用于制动控制外的其他列车级数据，由CCU进行编排后通过MVB发送给本牵引单元的GW，再由本GW通过WTB发送给其他单元的GW；

(5)GW接收WTB列车级数据转发到本牵引单元的MVB总线，用于制动控制的列车级数据发送给本单元的BCU；制动控制以外的其他数据发送给本牵引单元的CCU或HMI；

(6)根据WTB数据的类别和紧要程度设定GW映射WTB数据到MVB数据的MVB传输周期；

(7)整个MVB网络通信负载率要保证在安全的使用范围内。

“复兴号”CR400BF动车组TCMS依据上述原则构建的MVB网络，系统中CCU、GW、HMI、BCU、TCU主要设备及其他子系统的数据传输机制如图1所示。GW只接收本牵引单元的CCU和BCU的MVB数据，并把数据映射到WTB上；GW把WTB数据映射到本牵引单元的MVB网给CCU、HMI和BCU接收和处理。TCU与CCU和BCU之间有数据交互。HMI的命令通过CCU传输给GW，并传输到其他牵引单元中。构建的MVB网络通信最大负载率约55%，满足MVB总线过程数据通信负载率小于70%(通常认为的安全上限)的要求。

图1 CR400BF动车组TCMS的数据传输机制

3 数据延时分析

动车组通过TCN网络进行控制过程中，数据延时除了设备之间数据传输延时外，还包括设备处理信号以及控制逻辑引入的延时。数据延时过大将影响整车控制的实时性。

3.1 数据传输延时分析

仅在本牵引单元的MVB总线流动的过程数据延时就是该数据的MVB特征周期，数据传输的最大延时T_max_delay = T_mvb。

跨牵引单元在MVB和WTB之间流动的过程数据传输延时，由于WTB过程数据不同分段采用的处理方式不一样，所以数据在TCN网络中传输路径具有多样性，不同WTB分段的过程数据延时不同。跨牵引单元传输的数据最大延时T_max_delay计算公式:

T_max_delay = T_ccu-gw + T_gw_mvb-wtb + T_wtb + T_gw_wtb-mvb + T_gw-user

其中：

T_ccu-gw：CCU通过MVB发送给GW的时间。P1/P2/P3的特征周期为64 ms；P4/P5特征周期128 ms。

T_gw_mvb-wtb：GW从MVB编出到WTB的时间。P1/P2/P3/P4/P5的数据处理周期均为20 ms。

T_wtb：数据在WTB总线上的传输的时间，WTB基本周期为25 ms。P1/P2/P3数据不分页，传输时间为25 ms；P4数据分20页，最大传输时间：25 ms×20=500 ms；P5数据分60页，最大传输时间： 25 ms×60=1 500 ms

T_gw_wtb-mvb: GW从WTB编入到MVB的时间：20 ms

T_gw-user ：GW发送数据到MVB的时间。GW编入P1/P2/P3数据到MVB的端口通信周期采用64 ms； GW编入P4数据到MVB的端口通信周期采用512 ms；GW编入P5数据到MVB的端口通信周期采用1 024 ms

根据以上分析，跨牵引单元的WTB数据传输延时：

P1/P2/P3的数据最大延时T_max_delay 为193 ms；

P4的数据最大延时T_max_delay为1 180 ms；

P5的数据最大延时T_max_delay为2 692 ms；

3.2 控制指令的响应延时分析

以动车组升弓指令传输和处理时间分析，进一步说明动车组数据处理过程和系统响应特点。司机在1车司机室操作升弓按钮，升6车受电弓。从升弓请求到产生升弓指令，然后控制受电弓升起。升弓指令数据是从主控牵引单元RIOM到从控牵引单元RIOM。升弓指令数据传输流程如图2所示。升弓指令属于P1数据。

图2 升弓指令数据流程

升弓指令数据传输和处理环节及时间如表1所示。升弓指令理论上最大响应延时时间是457 ms，但是在实际动车组中，CCU、RIOM、GW的数据传输和处理环节是异步执行，时间并不是严格串行而是有相互重叠，所以实测用时比理论时间要小很多。

表1 升弓指令数据传输和处理环节

4 结束语

“复兴号”动车组TCMS充分利用了过程数据周期性和时间确定的特点，整车控制数据通信只采用了过程数据，整车通信性能和控制效果稳定，能够满足整车控制的需求。随着动车组功能扩展和新增车型的需求，对WTB报文数据传输能力增加了新的要求。原有的通信框架的数据传输能力与需求的矛盾显现出来，虽然可通过再增大WTB报文上的分页数量再扩大WTB数据传输能力，但同时也增加数据传输延时和增加MVB网络通信负载率，影响了整车控制的实时性，导致整车性能降低。动车组TCMS数据组织和传输需要探讨在原有通信框架上使用消息数据，或使用更高网络通信带宽的实时以太网，提高动车组列车级数据传输能力，满足应用的需求。