列车网络控制系统研究

程广洋,王云飞,周 洋,刘力豪

(中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东 青岛 266000 )

0 引言

城市轨道交通是一个国家的重要设施，是城市公共交通的骨干，具有节能、省地、运量大等优势[1]。随着全球各地区国家经济、城镇区域、人口基数的增长扩大，各国家、地区的日常交通变得十分拥堵，越来越多的发达国家开始通过发展城市轨道交通来缓解各城市的交通紧张的问题[2]。1863年1月，英国大都会地区铁路正式开始营业到现在，城市轨道交通行业已经有了近两百年的历史，世界各国基本都修建了城市轨道交通[3]。本文针对公司生产的海外某项目的网络控制系统的硬件组成、软件功能进行简要分析介绍。

1 系统结构及原理

列车网络控制系统(TCMS)系统是一列车的神经中枢，负责完成与各个子系统之间的数据传输、逻辑控制、故障诊断等工作，是一列车能够安全运行的保障[4]。现在世界各国轨道交通行业中，TCN网络无论是在动车组、地铁还是轻轨，都得到了广泛的应用[5]。TCMS具有信息传输、逻辑控制、画面显示、故障诊断和用户支持五大功能。

本项目采用符合IEC61375标准[6]的TCN网络，拓扑结构由列车级WTB总线、车辆级MVB总线两级总线构成。整列车分为两个单元，每4节车为一个单元,单元内采MVB-EMD 总线。主要组成设备为车辆控制单元(VCU)、人机交互接口(HMI)、远程输入输出模块(RIOM)、中继器(REP)。

连接到多功能车辆总线MVB上的各个子系统包括：旅客服务系统、制动系统、牵引系统、空调系统、广播系统、烟火系统、车门系统、信号系统等。TCMS网络拓扑如图1所示。

图1 网络拓扑图

列车编组为4M4T，即4辆动车4辆拖车。VCU负责组织所有数据的交换，并且进行车辆逻辑控制及车辆诊断；RIOM模块采集车辆各系统模拟信号、数字信号，通过MVB总线、REP中继器进行数据交互。HMI负责显示各系统状态以及故障信息及处理方法，并进行车辆级及各个子系统的网络集控指令的输入。

2 系统硬件分析

2.1 列车级通信

WTB(Wire Train Bus)绞线式列车总线是专为铁路机车(车辆)重联而开发的高可靠和实时的现场总线，当列车进行连挂等需要改变车辆组成时，列车总线各节点执行初运行过程，连接并分配连续的地址给各节点[7]。

1)传输周期：

CPU程序执行周期暂定为50 ms，WTB过程数据的特征周期设置为50 ms，过程数据报文长度为128字节，即在50 ms内所有WTB节点的过程数据至少发送一次，WTB过程数据通信时序示意图如图2所示。

图2 WTB过程数据时序

2)数据类型：

P1端口数据由主节点编排发出，其中主节点发送控制指令，速度等数据，每个周期不分时发送；

P2端口数据由从节点发送本单元关键信号给主节点，使主节点可进行列车级的控制。P1端口与P2端口通过“主节点标志”信号进行区分。

P3端口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；端口传输示意图如图3所示。

图3 端口传输示意图

消息数据采用分页方式，每50 ms发送一次，每500 ms数据更新一次。消息数据主要用来传输状态数据和故障数据及软件版本等。

2.2 车辆级通信

MVB总线是TCN的重要组成部分，用于列车内各子系统之间的串口通信。传输距离的需求不同，选择的总线的物理层介质类型也有所不同[8]。MVB物理层介质类型根据传输距离可分3类：短距离电气介质ESD、中距离电气介质EMD、长距离光纤介质OGF[9]。本项目采用电气中距离EMD电介质。

它的拓扑结构是固定的，不能动态改变，4辆车一起构成一个MVB单元。每辆车都有一个MVB分段，并通过中继器连接到整个MVB单元上，并且在每个分段的两端都接有终端电阻。

2.3 列车控制单元(VCU)

VCU是整个列车的控制中枢，与列车的运行安全息息相关。在列车网络控制系统中，每一列车上安装有2台VCU，互为冗余[10]。VCU通过多功能车辆总线与HMI、RIOM等设备通信。列车控制单元主要包括电源模块、CPU模块、WTB、MVB模块、数字量采集模块、模拟量采集模块。各模块通过背板总线进行连接，集中式的设备总成大大减少了各模块间的连接器的数量，降低了设备的故障率。

2.4 输入输出模块(RIOM)

RIOM模块主要功能为采集列车数字量，并将该信号转换为MVB数据发送至VCU，同时该模块还可以接受来自主VCU的控制命令，对外进行相应的输出指令操作。RIOM将具有串行和数字输入和输入和输出通道(共计24路DI+8路DIO)，数量满足车辆设备的需要，并有10%的备用量。

2.5 中继模块(REP)

每列车装有8个中继模块REP，每节车配备一个中继器设备。中继器用于连接MVB各区段，完成信号转发功能[11]。中继器REP还可以实现信号的中继放大，以及传输通道的隔离，将故障点造成的影响降到最低。中继器可以识别数据传输方向[12]。每节车的所有设备通过MVB总线互连成车辆级通信网络并通过REP与列车级网络进行互联互通。

2.6 人机交互显示器

人机交互显示器(HMI)是司机与车辆之间的可视化界面。显示车辆状态和故障信息，使司机能实时掌握车辆情况[13]。HMI根据从总线上的获取的数据对车辆所有设备状态进行监视，同时可以根据画面的控制功能实现对子系统的控制，例如空调、PIDS、牵引的复位等。HMI可以为司机或检修人员提供故障帮助以及操作提示等信息。

3 软件功能分析

TCMS软件系统十分复杂，与外界环境以及操作者关系密切。是一个在功能、行为、结构上呈现出层次性、开放性、非线性的软件系统[14]。

3.1 逻辑控制

3.1.1 列车级功能

实现的主要列车级主要功能项点如下。

1)司机室激活端选择：

(1)只有一端 “本车激活”信号有效，则以本车为激活端，输出激活端有效信号；(2)两端“本车激活”信号都有效时，输出激活端故障给HMI，以故障提示形式提醒操作人员同时做相应的处理。此时激活端默认上一次状态。

2)列车方向信号:

ATO模式时，方向指令选取激活端ATO输出；在非ATO模式下，方向指令选取主控端方向手柄的信号输出。

3)方向控制:

(1)列车在零速状态时且激活端故障信号无效时，可以更改方向；(2)在零速时若有且仅有一个方向输入则认为方向可用，以输入方向为列车方向；同时接收到“前向”和“后向”指令信号，输出“方向错误”信号给HMI，默认无方向；(3)在非零速时，默认上一次方向，同时接收到“前向”和“后向”指令信号或前后向同时丢失时，输出“方向错误”信号给HMI。

4)牵引制动状态:

(1)当紧急制动继电器失电时，TCMS输出紧急制动状态：(2)当司控器制动位或ATO模式下ATO制动指令有效或非紧急制动状态时，TCMS输出常用制动状态：(3)当司控器牵引位或在ATO模式下ATO牵引指令有效或非制动位时，TCMS输出牵引状态；(4)非1～3时，默认为惰行状态。

5)司控器牵引制动力大小:

司控器电位器输出理论值：

eb：8±0.15 VDC；bmax：8±0.15 VDC；n:3±0.15 VDC；pmax：8±0.15 VDC。

无司控器牵引位、制动位、非紧急制动状态时，牵引力大小、制动力大小为零。

6)速度计算:

首先将8编组车分为2个单元：计算每个单元的速度，速度为拖车用制动速度，动车用牵引速度，计算方法：(1)牵引时本单元车速度：所有有效轴速中第二低轴速值；(2)制动时本单元车速度：所有有效轴速中第二高轴速值；(3)惰行时按照上次列车牵引、制动状态执行计算。(4)取两个单元的最高值作为整车速度。

7)牵引封锁控制:

TCMS通过通讯向DCU、BCU通讯牵引指令，以下情况将封锁牵引：(1)牵引命令无效；(2)无激活端有效指令；(3)无方向有效指令；(4)制动不缓解反馈信号有效；(5)门全关信号无效；(6)停放制动不缓解反馈信号有效；(7)紧急制动状态；(8)列车超速；(9)应急开关有效；(10)所有高速断路器断开。

8)时间设置、时间同步:

TCMS检测到激活端侧显示器时间设置界面设置位高电平时，将设置命令及设定值发送给所有系统；TCMS上电1分钟后自动发出时间设置命令以及系统时间值。时间控制流程如图4所示。

图4 时间控制流程图

9)通讯状态判断:

任一子系统所有的端口在连续8次通讯周期内内生命信号都没有变化则输出该系统与TCMS通讯故障。连续3次生命信号有变化输出通讯正常信号；

某个设备只要有一个端口通讯故障，就认定该设备通讯故障，该设备所有端口通讯正常，才认定该设备通讯正常。

TCMS发送给子系统的生命信号从0到65535，其每次增加计数值的周期为端口的轮询周期。子系统状态判断流程如图5所示。

图5 子系统状态判断流程图

10)保持制动缓解:

以下条件只要有一条满足则输出保持制动缓解：(1)牵引使能有效，且有效牵引力值大于A=130 kN；(2)牵引使能有效，且列车速度高于1 km/h。

3.1.2 牵引系统

1)总牵引力：VCU计算4个动车的实际力之和发个DCU。

2)总载荷：VCU计算8个车的实际载荷之和发个DCU。

3.1.3 辅助系统监控

车辆控制单元(VCU)通过MVB总线向本地牵引单元辅助控制单元传输指令信息，同时辅助控制单元通过MVB总线将辅助系统的状态信息、故障信息传递给本地车辆控制单元(VCU)，非主控端VCU通过WTB总线将本单元内辅助变流器的信息传递给主控VCU。从而实现列车控制与监视系统对整车辅助系统的监视、控制、诊断和记录。

3.1.4 制动系统监控

制动系统控制单元EBCU具有MVB通信功能并连接车辆网，实现的制动监控项点如下。

1)EBCU与TCMS通信状态监测：

列车控制与监视系统对制动控制单元(EBCU)与TCMS系统的通信状态进行监测，并在HMI上进行显示。

2)制动指令监测：

网络系统通过网络输入输出模块对列车施加的制动指令进行实时的监测及诊断。列车制动指令包括：司控器发出的制动指令、ATC发出的制动指令、停放制动指令等，并通过车辆总线MVB发送到本地的VCU，VCU通过逻辑判断后识别为列车所要施加的制动指令，结合EBCU反馈的制动状态进行诊断。

3)制动指令传输：

司控器发出的制动指令通过硬线发送给主控车EBCU，同时网络输入输出模块采集指令信号至VCU，通过MVB总线和WTB总线传送至各车的EBCU。EBCU根据该信号和硬线信号对比后执行制动命令。车辆行驶过程的制动指令施加状态如图6所示。

图6 制动指令施加波形图

4)主风管压力监测：

制动控制单元(EBCU)可以通过压力传感器监测主风管压力，通过车辆总线MVB将压力信息发送到本地的VCU，VCU通过逻辑判断将计算后得到的准确压力值传送至列车总线WTB，最终发送到显示屏用于显示主风管压力。主风管压力波形如图7所示。

图7 主风管压力波形图

5)停放制动监测：

当停放制动施加或缓解时，停放制动缸压力开关会动作，停放制动压力开关控制车辆继电器，输入输出模块采集停放制动环路继电器的辅助触点状态，通过车辆总线MVB将信息发送到本地的VCU；制动控制单元同时通过压力传感器监测停放制动状态，通过车辆总线MVB将停放制动是否施加的状态发给VCU。

将牵引手柄推到牵引位，由TCMS检测牵引状态后，当列车速度大于3km/h，通过WTB总线将坡起制动缓解指令发给各车EBCU，EBCU进行停放制动缓解。行驶过程总的停放制定缓解状态波形如图8所示。

图8 停放制动缓解波形图

6)制动故障检测：

当EBCU检测到制动系统工作异常时，对产生诊断信息通过车辆总线MVB发送至本地VCU，VCU将诊断信息发送至列车总线WTB，形成列车级诊断信息，显示屏接收该信息实现报警提示。

3.1.5 空调监控

空调系统控制单元(VAC)具有MVB通信功能并连接车辆网。实现的空调监控项点如下。

1)空调控制器与TCMS通信状态的诊断和显示：

TCMS监视列车所有空调控制器的状态。在某一空调控制器由于通信故障而离线后，本牵引单元的车辆控制单元(VCU)通过生命信号判断出与空调控制器的通信出现故障，并判断发生故障的车辆号，通过WTB总线将此诊断信息发送给其它牵引单元的车辆控制单元(VCU)。

2)客室空调控制：

通过激活端司机室的显示器可以将全列客室空调集控开启或关闭工作模式等控制指令通过MVB总线传递给本单元的VCU，VCU通过逻辑判断将客室空调控制信号通过MVB传递给本单元内的客室空调控制器，同时主控端VCU通过WTB总线将控制指令发送给其它牵引单元的VCU，进而控制其它牵引单元内的客室空调的启动和关闭。

3.1.6 烟火报警

烟火报警主机通过MVB总线与TCMS进行通信。全车在司机室、客室、配电柜等区域设置烟火报警探测器。当车辆某部位发生火警时，火警信息通过MVB总线发给本单元的车辆控制单元(VCU)，车辆控制单元将火警信息通过司机台显示器、机械师室显示器及蜂鸣器通知司机及随车机械师。烟火报警主机通过MVB总线发送给VCU，VCU按照故障等级对火警系统的诊断信息进行报警和存储。

VCU收到本网络单元FAS报警后，进行预处理，之后向本单元对应报警车厢的HVAC发送报警信息，控制空调停机。

3.2 画面显示

1)HMI布置：

每个司机室设置1个HMI，显示屏屏幕规格为10.4寸，分辨率为800*600，操作方式为触摸式显示屏，显示屏内置蜂鸣器，出现故障时鸣动报警。

2)HMI显示界面：

HMI设置司机模式、维护模式，司机和检修人员能观测整车运行状态，或通过显示屏控制相关系统的运行状态，如图9所示。

图9 HMI各界面关系图

3)显示信息：

HMI主界面内容如图10所示。

图10 HMI主界面

3.3 故障诊断

车载故障诊断系统是TCMS的一个重要组成部分，完成车载各部件故障数据的采集、显示功能。故障信息在司机台上通过HMI显示，并且通过车地无线系统上传到地面维修和服务系统中，供长期的储存和深入的地面分析。

诊断功能可以协助司机和检修人员进行工作。当列车发生故障，将以显示器的文本信息和蜂鸣器的呜叫同时警示司机。故障等级和纯文本信息显示在HMI界面上。此外，故障提示信息可以协助司机采取适当的操作，并使维护人员更容易地查找并解决故障[15]。

3.3.1 故障等级划分

TCMS将故障划分为3个等级，如表1所示。

表1 故障等级划分

3.3.2 故障信息显示

历史故障界面显示TCMS检查到的历史故障列表。此界面信息影响列车运行的故障将给出提示，如图11所示。

图11 历史故障界面

3.3.3 故障记录功能

VCU存储板实现故障记录功能。当车载诊断系统诊断出列车故障后，VCU存储板将对故障的相关信息进行记录。通过把诊断信息存储在诊断系统中且尽可能多的定期预防性维护[16]，列车的可用性总是能够得到提高。VCU存储板故障记录功能如表2所示。

表2 VCU存储板功能

3.3.4 诊断数据分析

ERM记录列车运行过程中各子系统发生的故障情况[17]。PTU使用有线以太网下载存储于车载事件记录仪中的列车运行参数和故障数据，并通过列车数据分析软件对下载的数据进行解码处理，最终以波形或者图表等易于理解的形式进行显示，用于详细的故障分析。

PTU采用SQL数据库系统对下载的列车数据进行存储和管理，可以方便的实现多种检索、分类、统计等功能。PTU提供SQL数据库导出和导入接口，用以实现列车数据的共享、备份和还原功能。

1)在线监测功能：

通过各车厢配置的以太网控制单元，利用定制的PTU软件，在列车运行过程中可对连接到以太网上的各子系统的状态、运行参数、故障等进行实时监测，如图12所示。

图12 在线监测列表展示界面

2)数据下载分析：

通过PTU下载的故障数据，可以通过PTU软件进行解析，以列表的形式进行展示，如图13所示。

图13 故障信息示意图

4 实验结果与分析

1)产品装车必须满足列车环境和电磁兼容实验要求，到第三方实验室进行产品型式试验，以确保产品符合装车要求。电磁兼容测试波形如图14所示。

图14 电磁兼容测试波形图

网络控制系统在设计完成后，在实验室搭建测试台进行产品性能、功能等测试，以及长时间通讯考核，从而确保网络产品通讯质量符合装车要求。

2)网络控制系统会与列车各子系统在实验室进行网络通讯协议测试，确保网络与各子系统通讯数据的正确性。

为了满足软件、硬件要求。按照相关标准流程，系统进行了模块级试验、电磁兼容试验、型式试验、软件集成试验、软硬件集成试验、接口试验、车载静动调试验，测试结果符合设计预期。确保了系统装车后的正常运营。

5 结束语

车辆网络系统作为现代城市轨道交通的核心技术，其功能的先进性和可靠性直接影响着车辆的性能与安全[18]。列车网络系统是计算机领域、通信领域、控制理论等多学科的组成[19]。TCN标准已在国内外的城轨项目上广泛应用了20多年[20]。随着5G通讯、大数据、无线传输的应用，现有数据带宽已越来越无法满足使用需求，相信在不久的将来TCN网络将迎来一场重要变革，让我们拭目以待。