LonWorks 技术及其在机车车辆中的应用

余水平 程玉娟

（武汉铁路职业技术学院，湖北 武汉430205）

20 世纪90 年代初，美国Echelon 公司发表了LonWorks(Local Operating Network）技术，该技术作为一种工业现场总线，由于其开放性和互操作性强的特点，迅速在各个领域推广普及开来。在铁路运输领域，LonWorks 技术也有着广泛应用。如美国新泽西轻轨Comet IV 项目，旧金山湾区地铁(BART)制动系统监视器和自动列车控制系统，ALSTOM公司的牵引系统，德国铁路(DB)上的照明、供暖和空调控制系统等，加拿大BOMBARDIER和日本川崎等公司也将LonWorks 用作列车通信网络，用在他们生产的车辆上。在我国，LonWorks 技术也已先后用于“新曙光”、“神州”、“金轮”等内燃动车组上。我国铁路的客车电气系统也采用了LonWorks 现场总线技术，实现对客车上的主要电气设备进行监控。

1 LonWorks 技术特点

LonWorks ( Local Operating Network）技术结合了计算机技术、网络技术和控制技术，同时兼有通信和控制的功能，是一种局部操作网络技术。自推出后，LonWorks 技术在航空航天、智能楼宇、电力监控、铁道运输及工厂自动化等领域得到广泛运用，究其原因，主要是因为LonWorks 技术有以下六方面的优点：

1.1 LonWorks 技术具有开放性。其网络协议符合OSI 参考模型，同时对任何用户都是对等的，任何制造商的产品都可以实现互操作。

1.2 LonWorks 技术兼容性强。其支持多种传输介质，包括双绞线、同轴电缆、电力线、光纤、无线电波、红外线等，并且多种传输介质可以在同一网络中混合使用，使得不同设备及不同网络之间都能实现互联，具有较好的兼容性。

1.3 LonWorks 网络拓扑结构具有灵活性。其网络拓扑结构能根据实际应用需求采用不同的网络拓扑结构，大大降低固定网络拓扑结构带来的局限性和复杂度。

1.4 LonWorks 网络稳定性强。LonWorks 网络没有主从节点之分，均平等，且每个节点具有相同的控制和通信功能。因此当出现节点故障时，不会造成系统瘫痪，从而大大提高了网络的安全性和稳定性。

1.5 LonWorks 技术硬件设计合理。一个神经元（Neuron）芯片拥有3 个处理单元和11 个输入输出（I/O）接口，分别作用于链路层控制、网络层控制及用户的应用程序。

1.6 LonWorks 技术软件平台充足。可提供现成的网络管理工具、网络维护诊断工具及实现网络监控和人机界面应用程序所需的数据交换接口，并为用户定制设计了一个软件开放平台LNS( LonWorks Network Service）。

2 LonWorks 技术在普通客车上应用——列车监测系统

目前，LonWorks 现场总线技术已经在普通客车上的车门、空调、车电、安全监视等系统中使用。其中，安全问题一直是铁路客运事业关注的关键问题，因此针对列车监测系统的研究从未停止过。早期在[1]文中，作者安永祥就介绍了基于LonWorks 总线的列车信息检测系统，该系统利用现代检测技术、嵌入式违纪技术和总线通信技术，对空调列车各车型空调系统的电压、电流、车厢温度、主接触器节点温升、控制电路工作状态、发电机轴承温度等多向参数进行实时检测，将检测结果集中显示在乘务员值班室, 并对检测结果进行分析、判断、存储、报警、生成报表等。从而确保发电车及其空调系统安全运行。另外比较典型的，还有客车行车安全监测系统(KAX1)，这套系统在新型25T 型客车已经安装使用，该网络工作运行良好，数据通信及时、准确，能满足了客车行车安全监测系统的要求，其网络框图如图1 所示。

图1 列车安全监测系统网络结构

该系统采用LonWorks 现场总线技术，将列车网络结构分成两级：列车网络和车辆网络，两级的网络拓扑结构均为总线结构，传输介质采用双绞线，通信方式采用主/从式，并且利用双冗余技术，更好的确保了数据信息正常传输，保障了列车行车中的安全。网络中各车辆的显示、防滑、制动、车辆等功能子系统，根据列车行车的状态，列车网络管理器能及时获取监测到的信息，分析数据并显示在列车显示屏上。

除此之外，随着技术的不断发展，在[2]文中，石楠和周凤星等作者提出了一种为实时的列车网络监测系统，该利用单片机、神经元芯片、LonWorks 总线、ARM-Linux 等技术，能实现铁路列车设备状态的实时监测。在[3]文中，中国铁道科学研究院机车车辆研究所的王旭如等研究员提出了一种普通客车安全监测列车网络解决方案，该方案是针对普通客车非固定编组的管理模式的需求，采用LonWorks 电力线列车网络。

3 LonWorks 技术在重载货车上的应用——ECP 制动系统

从20 世纪80 年代以来，许多国家为运输大宗货物，普遍开行了重载单元列车，然而采用空气制动系统的列车断钩事故和脱轨事故频繁发生。但自1995 年美国开始在重载单元列车上研究采用电控空气制动系统ECP（Electronically Controlled Pneumatic）后，安全事故问题得到了解决。目前，加拿大、南非、澳大利亚等国家的重载货车上均使用了ECP 系统，运用效果良好。

ECP 制动系统之所以能解决安全事故问题，其主要原因在制动系统中引人了基于LonWorks 现场总线技术的列车通信网络系统。通过LonWorks网络，制动指令就可以通过网络通信方式广播出去，使得列车上所有制动装置同时收到制动命令，从而实现全列车的同步制动；同时利用LonWorks网络，还可以实时获取各车辆的制动状态，并显示在机车显示屏上。在文[4]中，白智峰等作者通过仿真分析得出：ECP 整个系统的制动过程在LonWorks 技术的参与下，表现出良好的操纵性。

ECP 系统的列车通信网络系统由网络总线和网络设备组成，ECP 制动系统网络框图如图2 所示。

网络总线是由贯穿全列的双芯电缆构成，网络拓扑结构为总线形，以电力线的方式向所有的ECP 装置提供电源和传送通信信息，传输速率达到5 kbit/s。

网络设备包括车辆制动控制设备、网络接口设备(CID)、头部终端单元(HEU)、电源供电设备(PSC)、列车尾部装置(EOT)和事件记录器等设备，分别安装在机车和车辆上。HEU 管理和控制ECP 系统中各个功能设备，使得整个系统工作统一有序，保证了全列网络通信中数据流量和通信信道的畅通。EOT 设备作为网络完整性的监视设备存在，同时监视列车尾部的电源状态和空气压力状态。

4 LonWorks 技术在动车组上应用

近年来，动车组列车逐渐步入人们视野，其速度快、环境舒适、车票价格便宜等特点，吸引了越来越多的人们坐动车出行，同时出于对动车控制系统经济性和实用性要求，使得许多研究人员开始考虑将LonWorks 技术应用在动车组上。

在文[5]中，中车南京浦镇车辆有限公司的陈立等作者提出了一种基于LonWorks 技术通信原理的动力集中动车组拖车网络控制系统，如图3 所示。

针对实际应用，动力集中动车有2 种应用模式：短编组和长编组。“动力车+7 节拖车+ 控制车”是短编组模式，“动力车+18 节拖车+ 动力车”长编组模式，分别如图4、图5 所示。

图2 基于LonWorks 的ECP 制动系统网络结构

图3 基于LonWorks 技术动力集中动车组网络拓扑图

图4 基于LonWorks 技术动力集中动车组短编应用模式

图5 基于LonWorks 技术动力集中动车组长编应用模式

该系统适用于时速160 km 的动力集中电动车组拖车，相比25T 型客车网络控制系统，具有系统兼容性强、定位适当、实现简单、稳定可靠及环境适应性强等优点。该系统将拖车网络控制系统按列车级和车辆级两级总线设计。两级总线均采用LonWorks 总线，其中车辆级采用LonWorks 总线进行点对点通信，实现拖车各子系统间运行状态、故障诊断等信息的传输以及对各子系统的控制、状态及安全监测信息的实时查询。为保障系统可靠性，列车级LonWorks 总线采用双线热备冗余，以便单线故障时LonWorks 网关自动切换信任线，从而保障通信的正常进行。

结束语

LonWorks 现场总线技术在列车影音系统[6]、普通客车、重载货车及动车组上均有了应用，提高了普通客车行驶中的安全性，降低了重载货车ECP 制动系统导致的事故率，实现了动车组拖车上的网络控制，因此LonWorks 技术在机车车辆中具有良好的应用前景。但需要注意的是，LonWorks 技术目前还未在动力分散型的动车组上进行使用，因此基于LonWorks 技术的动车组网络控制系统还需要深入研究和探索。