基于電力線列車網絡的旅客列車安全監測系統試驗研究

王旭如， 張瑞芳， 延九磊

(中國鐵道科學研究院 機車車輛研究所， 北京 100081)

?

基于電力線列車網絡的旅客列車安全監測系統試驗研究

王旭如， 張瑞芳， 延九磊

(中國鐵道科學研究院 機車車輛研究所， 北京 100081)

研究基于電力線列車網絡的鐵路旅客列車安全監測系統。采用Lonworks電力線列車網絡，針對普通客車非固定編組的管理模式的需求，在帶寬較窄的電力線通信網絡上，設計了普通客車安全監測列車網絡解決方案。介紹了系統各主要部分的結構原理及實現方法，在列車監測仿真試驗室的列車監測仿真試驗臺上進行的運行考核試驗表明，系統本身可以做到工作穩定可靠。系統還做了與列車軸溫集中報警系統并行布線運行試驗，目前發現有一些互相干擾問題，在實際裝車運用時還需解決該問題。

列車網絡； 電力線通信； 客車安全監測； Lonworks應用

鐵路目前還在使用著數量龐大的普通客車。隨著社會經濟發展對鐵路運輸能力和質量的要求不斷提高，用人力保證客車安全運行已不能滿足要求。自動檢測技術和計算機智能診斷技術的應用加速了各類客車安全監測設備的發展。近年來，新型客車普遍采用了車載自動監測系統保障列車的運行安全。

由于普通客車的技術條件的限制鐵路科研單位近年來研制的提速客車安全監測診斷系統不適合對25G/K/B型在用普通旅客列車進行加裝改造。而鐵路客車中這類客車占有很大的比例。以制動系統監測為例，普通旅客列車采用傳統的自動式空氣制動機，停站多制動動作頻繁。制動系統故障時有發生，且發生的隨機性強，影響行車安全。特別是給列車運行安全帶來嚴重威脅的抱閘行車故障，已被鐵路列為客車重點慣性故障之一，迫切需要安裝客車安全監測設備。研制開發適合普通旅客列車的安全監測系統。實現對普通旅客列車的運行安全進行全過程監測報警，對鐵路普通客車的運行安全具有重要的意義。

在25G/K/B型普通客車上加裝安全監測系統，首先需要解決的是在該型客車上建立可靠性高且成本相對較低的列車通信網絡的問題。本文介紹了一種適合于普通旅客列車應用的電力線列車網絡及基于該網絡的旅客列車安全監測系統。

1 25G/K/B型客車列車通信網絡問題

1.1 25型客車列車通信控制線纜現狀

構建列車網絡通信的傳統方法是敷設專用通信電纜，但現車改造中重新敷設網線改造工程量大，費用高。利用列車既有線纜解決通信問題是較好的解決方案。

目前在用的25G/K/B型車上已有的貫通全列的電纜有3種：兩芯廣播線、15芯通信控制線、43芯空調集控線。兩芯廣播線是各型車的標準配置，15芯通信控制線配置在25K和25G的部分車型上，一般情況下安裝四合一柜子的25G都配有15芯通信控制線。43芯空調集控線有些25G車沒有配置。

車端部的15芯列車通信連接器芯線占用情況是，13、14號線為廣播線，同時用于傳軸溫和廣播音頻。中心的15號線為75 Ω射頻電纜用于傳送電視信號。電氣集中監控占用4根芯線。15芯通信控制線可供使用的空閑線目前最多只有8根線。大部分既有車這些線纜都敷設的是普通控制用電纜線。

目前對列車既有線纜的組抗特性、衰減特性、干擾特性進行全面的分析還比較困難，各種列車既有線纜的信道特性非常復雜。未設屏蔽層的線纜電磁干擾較多，電纜特性有一定的隨機性和時變性，無法建立線纜特性的精確數學模型。

這里我們將列車廣播線也作為一種具有電力線電纜特性的線纜，以列車廣播線為例分析通信信道的特性。列車廣播線上目前已承擔了列車音頻廣播和軸溫集報器載波通信兩項任務。線上并聯的負載有每車廂一臺軸溫報警器和多個音頻揚聲器。主要傳輸特性是：干擾噪聲大、衰減大、時變性。

列車廣播線的主要干擾噪聲有3種： 軸溫報警器電力線載波通信噪聲、 由車內電氣設備輻射產生的窄帶噪聲和廣播音頻信號噪聲。

列車廣播線對電力線通信信號衰減有影響的是線上并聯的廣播機、揚聲器、軸溫報警器。當電力線通信線路負載電阻很小時，發送耦合電路的內阻會消耗較多功率。

線路衰減也是需要考慮的，在電力線通信時，若耦合器的內阻很小，線路的衰減會成為主要因素。距離越長信號衰減越大。列車廣播線上打開揚聲器的數量的變化會引起負載的變化，導致信道特性有一定的時變性。

1.2 采用二進制相移鍵控調制解調技術的Lonworks電力線網絡

Lonworks電力線網絡系統適合用于解決25G/K/B型客車列車網絡通信問題。Lonworks網絡系統是一種對等式工業現場總線網絡系統，廣泛應用于工業控制領域。是標準TB/T 3035列車通信網絡中推薦的L型網絡， Lonworks電力線網絡的PL3150智能電力線收發器。把神經元芯片的內核和電力線收發器集成在一起，內置基于DSP硬件的二進制移相鍵控(BPSK)電力線收發器，網絡速率5.4 kb/s。

二進制相移鍵控調制解調技術BPSK具有較高的抗噪聲性能。BPSK調制解調通信的處理過程為：數字信號對高頻載波進行調制→頻帶信號→接收端解調恢復數字信號。BPSK信號的調制過程表達式:

s(t)是二進制差分脈沖序列。BPSK信號是差分碼調相產生的。信號波形如圖1所示。

圖1 經過BPSK調制過程

BPSK信號的解調采用相位比較法，其解調框圖見圖2。

圖2中①點的信號是e(t) =Acos(ωt+Φ(t)),乘②點的信號可得③點處信號為：

即：

圖2 BPSK解調流程框圖

④點處信號為對上式的低通濾波：

取樣判決算法為：抽樣值大于0判決為0，小于0判決為1。解調可得到網絡數據的二進制碼流。BPSK信號解調參考相位不會出現相位模糊的原因是信號與相對相位有關，與絕對相位無關。

1.3 列車通信系統解決方案

由以上的分析可知，BPSK技術不會出現相位模糊，有較強的抗干擾性能。目前的各種網絡技術很多，其中Lonworks電力線載波通信網絡采用了BPSK技術，用于25G/K/B型客車列車網絡可以適應特性復雜的列車各種既有電纜線，能夠利用現車既有的非專用通信線纜實現列車網絡通信，包括各類電氣控制線、雙絞通信線、同軸電纜、廣播線、空調集控線等。對25G/K/B型客車的現車改造提供極大的方便。

采用Lonworks電力線載波通信技術構建的列車網絡拓撲結構為總線型，網絡通信模式為對等式，適應非固定編組列車需求，列車編組輛數范圍1～20輛編組。

Lonworks電力線列車總線無需配置終端電阻。每車廂配置兩塊電力線網卡時可實現雙網冗余通信。網絡的可傳輸距離10 km，網絡傳輸波特率5.4 kb/s，網絡協議為對等式，有自動組網功能。

2 基于電力線通信的客車安全監測系統

基于Lonworks電力線列車網絡，我們設計了一種普通客車安全監測系統。它是一種分布式智能診斷系統，包括電力線列車網絡和車廂監測報警主機(以下稱車廂主機)。在設計中為了滿足普通客車的需求，突出了結構簡單、安裝簡便的特點。本監測系統在全列每個車廂安裝一臺車廂主機，全列的車廂主機通過電力線列車網實現互聯并共享監測數據和診斷報警信息。車廂主機通過電力線列車網實現全列聯網。可在任意車廂查看全列各車廂的監測數據。任一車廂發生報警時，全列所有車廂都同時顯示報警信息。并可通過列車網絡對各車廂的主機預置參數進行集中控制修改。

車廂主機整機采用模塊化設計，各模塊之間通過RS-485車廂總線通信，列車網絡為對等模式，每一車廂主機都可接收全列車的監測信息。通過該系統可實現列車各車廂設備運行故障的實時在線診斷報警、列車運行過程工況參數的全程記錄和下載。系統網絡架構如圖3所示。

在裝有TCDS主機的車廂，車廂主機可通過RS-232串行接口與TCDS主機通信連接全路TCDS系統，將全列車的運行監測實時信息通過TCDS網絡傳輸到TCDS地面專家系統，實現全路列車運行狀態的集中實時在線監測。

圖3 系統網絡架構圖

2.1 車廂主機硬件結構

客車安全監測系統車廂主機是集采集、診斷、報警、通信、顯示、記錄為一體的智能報警裝置。整機采用模塊化設計，車廂主機原理框圖如圖4所示。包括：列車網絡通信模塊(U1),顯示記錄模塊(U2)，監測診斷模塊(U3)3個模塊，并留有無線監測終端接口、TCDS主機接口等擴展接口。各模塊之間的通信采用RS-485總線通信。具有全列監測報警、過程數據顯示記錄、列車網絡管理等功能。

圖4 車廂主機原理框圖

(1)監測診斷模塊

目前本系統車廂級主要設計了車廂制動監測模塊，制動監測診斷模塊對本車制動機的在線監測診斷主要是依據制動機的工作狀態特征和工作過程中的列車制動管、制動缸壓力變化動態曲線特征進行故障識別判斷。本系統監測的主要對象是目前鐵路客車使用最廣泛的104空氣制動機，同時也能監測F8制動機。TB/T 1492-2002中規定的104空氣制動機主要特性指標和104空氣制動機的單車試驗數據是診斷模型中確定故障判據的主要依據。

(2)列車網絡通信模塊

列車網絡通信模塊是一塊獨立的電力線網卡。主芯片為PL3150智能收發器，載波主頻率為132 kHz，備用第2頻率為115 kHz。通信方式為帶有DSP增強接收器的雙頻BPSK，通信速率5.4 kb/s，工作溫度范圍 -40℃～+85℃。列車網絡通信模塊主要由電力線通信耦合器、PL3150智能收發器、SRAM、Flash、時鐘、模塊電源等電路組成。

因PL3150的0.5 KB EEPROM和2 KB RAM不能滿足列車網絡通信應用程序的需求，網卡電路在一般參考設計電路的基礎上增加了24 KB的SRAM和32 KB Flash。為此，復位芯片采用Dallas DS1813-5產生大于10 ms的脈沖拉升電平滿足擴展外部存儲器時的使用要求。網卡晶振頻率為10 MHz。

在通信模塊設計中，列車網絡電力線耦合電路的設計對網卡的通信性能影響較大，耦合電路是智能收發器和網絡電纜線之間的高通濾波器。該電路在提供浪涌和線路瞬變保護的同時還可以阻止電力線常見的50/60 Hz的工頻交流信號的干擾。列車網絡電力線耦合器參照Lonworks廠家推薦的電力線耦合器參數定制，適合列車電力線網絡應用條件。經過列車實車網絡通信測試，效果良好。

系統可采用兩塊上述的電力線網卡，實現列車通信網雙網冗余的通信方式，提高傳輸的可靠性，當一條網絡出現故障時，能自動切換到另一網絡工作。

(3)TCDS主機、無線監測終端接口

系統可通過全列任意車廂的車廂主機的RS-232串行接口與TCDS主機連接(如圖 5 連接TCDS主機和無線監測終端所示)。車廂主機提供被動觸發的通信接口協議，可自動識別、響應TCDS的接入。TCDS主機通過通信接口接受報文可獲得全列各車廂實時工況參數、監測診斷報告，全列各車廂主機編組信息、主機配置信息。TCDS主機通過通信接口發送報文可向本車車廂主機提供列車速度，GPS時間等信息并由本車車廂主機向全列轉發。

通過全列任意車廂的車廂主機還可以連接無線監測終端，車廂主機可自動識別無線監測終端的接入。在無法連接列車網線時，可通過無線監測終端實現對全列監測報警。TCDS主機和無線監測終端接口與車廂主機間采用統一的通信報文格式。

圖5 連接TCDS主機和無線監測終端

(4)網絡報文

Lonworks電力線網絡的通信波特率5.4 kb/s，車廂RS-485總線的通信波特率11.52 kb/s，傳輸速率都很低，需要設計適合在低傳輸波特率上傳輸全列車的監測數據和網絡管理信息的網絡報文。在報文設計中主要采用了短報文的設計，減少單個報文的通信資源占用，非周期性的數據采用事件觸發方式發送報文。報文設計采用按位占用的數據定義方式，避免了按字節占用的數據定義方式的位空置，提高了位資源的利用率。

車廂主機各模塊之間的信息流如圖 6所示。

圖6 車廂主機系統信息流圖

3 模擬通信網絡試驗

在客車安全監測系統樣機研制完成后，我們首先在模擬的列車廣播線網絡上進行BPSK載波通信試驗(圖7)。在試驗室搭建相當于20輛客車聯網的列車網絡。列車廣播線上的負載有每輛車2個揚聲器,一個軸溫報警器，一個客車安全監測系統主機。

圖7 模擬的列車廣播線網絡

在1號車注入頻率為132 kHz 的BPSK波形信號，測量1號車、4號車、8號車、12號車、15號車、20號車電力線通信板卡入口信號BPSK信號在列車廣播線上傳輸時會產生衰減。線路衰減、耦合衰減和介質反射衰減是3種主要的衰減。

線路衰減是電力線本身的直流電阻、輻射造成的載波信號衰減；耦合衰減是發射機與廣播線的阻抗不匹配可造成發射信號衰減，接收機與電力線的阻抗不匹配也可造成信號衰減。介質反射衰減是因列車各車廂由于制造年代不同可能使用不同的電纜，電纜阻抗存在差異，信號在連接點發生反射造成信號衰減。

雖然各車廂廣播線有可能有差異，但差異不大，介質反射衰減通常在列車上不會很大。可調整耦合器的內阻來與線路阻抗匹配，耦合衰減也是可以控制的。由于列車長度較長，線路衰減是列車廣播線的主要衰減形式。因此我們重點做了列車廣播線的線路衰減測試。

圖8為列車廣播線的等效分布參數模型,可據此分析列車廣播線電纜的直流電阻造成的在傳輸過程中的信號衰減。

圖8 列車廣播線的等效分布參數模型

列車廣播線可以等效為由電阻Rz、電容Cz、電感Lz和電導Gz組成的分布參數網絡模型，根據模型可推導出傳輸線的傳輸常數y：

A為衰減系數;B相移系數;傳輸常數y是單位長度傳輸線上入射波和反射波的衰減及相位變化的參數。BPSK信號應隨傳輸距離的增長衰減增大。

試驗中我們采用頻點電壓比較法，使用信號發生器、示波器對BPSK信號的衰減進行測量。比較波形的變化得出信號在傳輸過程中的衰減量。

通過廣播線傳輸后的BPSK信號逐漸衰減過程如圖11所示，圖9為1號車發送輸出的波形，圖10為20號車位置的波形。從圖中看到BPSK信號衰減量，試驗中廣播線線路可以滿足正常通信要求。但是本試驗是試驗室環境下進行的，在列車上的實際運行試驗數據還有待進一步驗證。

圖9 1號車信號波形

圖10 20號車信號波形

信號衰減/dB1號車04號車-2．442198號車-2．3301112號車-3．2700415號車-6．8229420號車-7．60422

圖11 BPSK信號衰減

4 系統功能驗證仿真試驗

本系統的監測功能仿真試驗是在列車安全監測仿真試驗室的列車安全監測仿真試驗臺上進行的，試驗項目有以下3項：

(1)預置各種正常工況參數，進行正常情況下的動態運行考核，測試正常情況下的動態參數、曲線顯示，列車編組顯示等。

(2)預置故障仿真工況參數，進行故障情況下的動態運行考核，測試故障診斷報警、顯示、記錄功能。

(3)在列車安全監測仿真試驗網絡系統上導入了已有的客車安全監測實車運行過程數據記錄。通過信號仿真器生成全列安全監測仿真測試信號。對18輛車的車廂主機進行一周的仿實車運行考核試驗。

在一周的仿實車運行考核試驗中，系統能夠診斷產生出與客車安全監測實車運行過程數據記錄中相符的報警記錄，各項功能正常。

5 目前存在的問題

因目前在列車上使用電力線載波通信的系統還有軸溫集中報警系統，在進行系統單獨運行考核后與軸溫集中報警系統進行了共用線纜的運行考核試驗。在試驗中發現兩系統有互相干擾，因此本系統在實際裝車運用時，需解決與其他現有監測系統的互相干擾問題。

列車網絡的通信速率與現已裝車運用的雙絞線列車網絡相比還有較大差距，若需要擴展監測功能，需研究進一步提升列車網絡通信速率的方法。

6 結束語

針對普通客車安全監測需求，利用車內現有的線纜解決列車網絡通信問題。設計了適合普通客車的安全監測網絡解決方案——基于電力線通信的客車安全監測報警系統。系統采用Lonworks電力線網絡通信技術，試驗室試驗證明Lonworks電力線的BPSK載波信號在現有列車播線上可以正常通信。已在列車安全監測仿真試驗網絡系統上進行了連續一周的仿真運行考核。試驗證明系統工作穩定，各項功能正常。

[1] 夏寅蓀,黃德山,何 力,等.104型空氣制動機及電空制動機[M].北京：中國鐵道出版社,2001.

[2] 孫曉達,翟明岳,李 丹,等.低壓電力線窄帶載波通信信道的衰減測量及分析[J].電力信息與通信技術,2014,12(2):28-33.

[3] 耿煊，李永輝．低壓電力線通信的信道特性分析及模型研究[J].電力系統通信,2004,(4):19-24.

[4] 劉永生.Echelon公司的電力線載波通信技術[J].儀器儀表標準化與計量,2005,(4):20-33.

[5] PL 3120 & PL 3150.電力線智能收發器產品數據手冊[Z]. 美國Echelon 公司, 2003.

[6] PLT-22 電力線收發器產品數據手冊[Z].美國 Echelon 公司, 2002.

Experimental Study on Power Line Communication Based Alarm System for Monitoring Passenger Train Safety Monitoring System

WANGXuru,ZHANGRuifang,YANJiulei

( Locomotive & Car Research Institute, China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China)

In this article, we describe an alarm system designed for monitoring the railway trains. The monitoring system relies on network communication over the power lines and can be adapted to regular passenger coach cars. Using PL3150 power line smart transceiver we achieved network communication over existing control cables that offers high reliability and cost-reduction. This system is compatible with random grouping of passenger cars, therefore provides a complete network solution for monitoring of safety through the narrow bandwidth in the power line communication network. This paper introduces each of the principal components of the system, architectural principles and implementation methods. We have conducted simulated train operation tests in the simulation laboratory and demonstrated that the overall design is rational and the system is stable and reliable.

train communication network; power line communication; passenger train safety monitoring system; Lonworks application

1008-7842 (2015) 03-0036-06

??)男，副研究員(

2015-01-15)

U284.48+2

A

10.3969/j.issn.1008-7842.2015.03.09