列車綜合網絡控制系統一體化設計研究

陳美霞　邵國棟　張軍賢

（中國中車南京浦鎮車輛有限公司，210031，南京∥第一作者，教授級高級工程師）

列車綜合網絡控制系統一體化設計研究

陳美霞邵國棟張軍賢

（中國中車南京浦鎮車輛有限公司，210031，南京∥第一作者，教授級高級工程師）

摘 要介紹了城市軌道交通車輛基于以太網總線的列車綜合網絡控制系統一體化設計案例，提出自主開發的列車綜合網絡控制系統的功能及設備組成，并描述其設計思路及系統特性。列車網絡控制系統及其以太網維護網絡、車載乘客信息系統和制動系統內網一體化設計可優化車載網絡設計、提高網絡利用效率，改善軌道交通的整體運行水平。

關鍵詞城市軌道交通；列車綜合網絡控制系統；車載乘客信息系統；一體化設計

Author＇s address CRRC Nanjing Puzhen Co.，Ltd.，210031，Nanjing，China

0　引言

現代軌道交通車輛已大范圍采用列車網絡系統，車輛總線的種類也逐漸趨同。目前，國內主流的城市軌道交通（以下簡為“城軌”）車輛主要采用多功能車輛總線（MVB），這也是歐洲軌道交通設備制造商供給中國列車網絡系統的共同總線。由MVB組成的列車控制及監測系統（TCMS）的主要功能為：

（1）控制或監測列車運行的關鍵參數。這些參數需要被快速和最優先處理，以保障人員、財產安全和列車的可用性（如牽引、制動等功能）。其中重要的功能由列車硬連線備份，以供緊急時使用。

（2）控制或監測列車非運行相關的參數。該參數傳遞的信息對乘客∕財產安全及列車的可用性無影響，如空調控制、報站控制等。

（3）維護和診斷輔助功能。該功能可幫助維護人員進行糾正性和預防性維護。其信息的采集存儲通過網絡進行，供車下分析維護。

TCMS網絡拓撲圖（6節編組列車中一個單元）如圖1所示。由圖1可以看出，存在兩部分網絡，一部分是TCMS系統的網絡，另外還有制動電子控制（BCE）系統的內網，以實現制動系統所有控制單元之間的數據交換及管理功能。

圖1　一個單元的TCMS網絡拓撲圖

隨著列車網絡系統功能的日趨豐富，車輛內除了布置常規的控制網絡，還增加了以太網維護網絡，通過交換機連接車輛控制單元（VCU）、司機顯示單元（DDU）、牽引電子控制單元（PCE）等設備，以實現車輛故障自動下載至車輛段的功能。以太網維護網絡拓撲圖（6節編組列車的一個單元）如圖2所示。

與此同時，為提高乘客的舒適性，車輛還配置了車載乘客信息系統（PIS）。其主要運用網絡控制和多媒體控制技術，內含司機室PIS主機、LCD（液晶顯示器）媒體播放器、車廂視頻監控攝像頭等設備，以客室為載體向乘客呈現多樣化的信息。車載PIS息系統網絡拓撲示意圖（6節編組列車中的一個單元）如圖3所示。為了滿足實時傳輸大數據量的需求，PIS中也采用了以太網。這樣車輛中就有兩套以太網網絡。

圖2　一個單元以太網維護網絡拓撲圖

圖3　PIS網絡拓撲示意圖

綜上所述，城軌車輛內部同時存在著多種通信協議和總線。如果列車內各個子系統分別獨立設計，必然導致系統設備繁多、設備之間的連線復雜，而城軌車輛客室空間有限，這林林總總的網絡不僅降低了整車系統的穩定性，也使后期的調試和維護難度大大增加。

鑒于此，本文提出列車綜合網絡控制系統一體化設計的思路，以優化網絡設計，減少布線，提高網絡利用效率。這樣的整合在國外已有項目執行，如巴西圣保羅地鐵以及澳大利亞悉尼地鐵項目已應用該設計思路。巴西圣保羅地鐵列車綜合網絡控制系統拓撲圖如圖4所示。該項目中網絡總線種類多樣，有MVB、CAN（控制器局域網）總線、以太網總線等。其相當于在現在的國內TCMS網絡中并入了PIS，TCMS和PIS共用主機，所有子系統通過以太網主干線連接，減少了中間轉換環節。主干高速以太網采用冗余設計，一路以太網故障，不影響全列車之間的數據傳輸。

悉尼地鐵列車綜合網絡控制系統拓撲圖如圖5所示。該項目基于純以太網絡，所有設備的通信介質都是以太網總線，不存在總線繁多、協議復雜、多樣轉換等問題。設備之間通過以太網直接進行數據交換，TCMS和PIS共用主機，達到了設備減少、總線種類單一、電纜類型單一、布線設計更加優化等效果。主干高速以太網采用冗余設計，一路以太網故障，不影響全列車之間的數據傳輸。目前，國內軌道交通車輛行業還未有相關應用項目，存在明顯技術空白。

1　列車綜合網絡控制系統總體描述

列車綜合網絡控制系統是一個綜合性的車輛信息收集、顯示以及控制系統。即把原先的TCMS及其以太網維護網絡、制動系統內網和PIS網絡融合為一套網絡。其結構基于輕型化、模塊化和分布化設計。本文提出的列車綜合網絡控制系統通過MVB、以太網總線進行所有數字信號的傳輸，可有效減少車輛間硬連線的數量。

圖4　巴西圣保羅地鐵列車綜合網絡控制系統拓撲圖

圖5　悉尼地鐵列車綜合網絡控制系統拓撲圖

（1）MVB主要連接列車各重要設備，傳輸介質為屏蔽雙絞線，采用IEC 61375-1列車通信網絡標準，傳輸速率為1.5 Mbit∕s。

（2）以太網總線采用IEEE 802.3∕802.3u標準，傳輸介質為超5類屏蔽雙絞線，傳輸速率為100 Mbit∕s，主要連接諸如車輛控制單元、輔助供電、司機顯示單元以及PIS車載主機等設備，實現部分子系統之間的數據傳輸，以及車載PIS所有數據信息的傳輸。

2　列車綜合網絡控制系統功能及其設備

列車綜合網絡控制系統包含了原先的TCMS及其以太網維護網絡、制動內網和PIS網絡的所有功能。

2.1TCMS功能

（1）控制功能：包括系統冗余控制、牽引制動控制、空調系統模式控制、高速斷路器控制、輔助逆變器控制和報站控制等。

（2）監視功能：主要監視對象有牽引系統、制動系統、輔助供電系統、車門系統、空調系統、高低壓供電系統、乘客信息∕廣播系統，以及司機室重要開關按鈕等。列車控制系統持續監視車載主要設備的狀態并通過顯示器顯示各設備狀態及故障信息。

（3）診斷功能：車輛控制單元收集列車主要事件、故障和重要狀態及子系統等相關信息，并根據整列車的故障情況及該子系統部件故障對列車運營的影響程度，對相關信息進行集中診斷處理和存儲。故障信息可在DDU上顯示，也可以不同的方式記錄在故障記錄儀或事件記錄儀中，并可通過維護接口下載到本地維護電腦，供長期儲存和深入分析。

2.2 車載PIS功能

（1）乘客廣播系統功能：主要包括司機對客室廣播、運營控制中心對客室廣播、司機內部對講、乘客緊急對講，以及通過列車控制系統獲得站點信息進行數字語音報站，并將其傳輸給乘客信息顯示系統用于信息顯示、關門提示音、客室廣播監聽、預錄緊急廣播等功能。

（2）乘客信息顯示系統功能：在客室適當位置安裝顯示屏，顯示動態地圖、前端信息、內部信息、司機室信息等。

（3）閉路電視系統功能：主要包括車內視頻采集、視頻圖像數據轉換壓縮、各車廂和司機室的視頻圖像實時顯示、視頻與旅客緊急通信單元聯動、視頻錄像文件查詢、視頻錄像文件下載、閉路電視系統即插即用等。從乘客廣播系統及時獲取乘客緊急對講信息以及車門緊急解鎖信息等，同時將車上監控攝像頭拍攝的視頻信息通過車地無線局域網上傳至地面運營控制中心，使閉路電視系統可與各系統聯動。

（4）影視娛樂系統：影視娛樂系統的媒體信息包括預存儲和無線傳輸兩種。系統可默認播放無線傳輸的媒體信息，當無線傳輸的媒體信息缺失或故障時，系統可自動切換到預存儲媒體信息播放。也可手動選擇預存儲媒體信息播放模式。

各系統之間的信息傳輸示意圖如圖6所示。

圖6　各系統信息傳輸示意圖

維護網絡實現將車輛的故障數據通過無線方式發送到車輛段，便于維護人員分析，大大節省維護時間，提高維護效率。

列車綜合網絡控制系統主要設備如表1所示。

表1　列車綜合網絡控制系統設備配置表　　個

3　列車綜合網絡控制系統一體化設計思路及特性

考慮到列車綜合網絡控制系統一體化設計是首次使用，為保險起見，仍然保留MVB作為列車控制總線，以連接牽引、輔助、制動等比較關鍵的系統；其余系統直接連到以太網上，共用一個控制主機，實現一網融合，從而現實列車網絡系統、維護網絡與車載PIS網絡的全部功能。該方案的拓撲圖（6節編組列車中的一個單元）如圖7所示。

圖7中的系統結構與傳統獨立設計的車載網絡控制系統和PIS相比具有以下特點：

（1）系統冗余設計：系統架構的設計充分考慮了數據傳輸的冗余性，采用冗余的以太網總線，當其中一路以太網總線故障時，只降低數據的傳輸速率；而不影響整個系統功能，當整個以太網總線故障時，系統執行降級模式運行，由光纖環網傳輸司機室人工廣播、司機對講及乘客緊急對講的音頻信號，以保證司機與乘客的信息溝通，同時，光纖環網可實現在列車連掛時的廣播、對講功能；每列車兩端的司機室各設一個VCU主機，兩者互為冗余備份，當主VCU主機故障時，熱備份狀態的VCU主機接替故障的VCU主機繼續工作，與此同時采用冗余的以太網總線及MVB進行連接，單個列車客室設備故障不影響其他客室設備功能的正常發揮。

圖7　列車綜合網絡控制系統拓撲圖

（2）系統高傳輸性設計：車上的機柜均采用模塊化設計，在多種設備上利用以太網供電技術，使得設備更加緊湊，極大地減少了供電電纜的數量；VCU主機存儲整個系統數據（線路數據、音頻信息數據、視頻信息數據）和車載視頻監控數據，發布各類系統的控制指令，管理系統總線和系統內所有設備；可通過以太網總線進行通信，實時監測設備狀態信息，當收到系統設備異常信息時進行記錄，并將異常信息上傳到列車綜合網絡控制系統，在增加系統間互聯互通性能的同時可減少系統故障率。

（3）各系統相對獨立性設計：各模塊作為最小可更換單元相對獨立，單一模塊發生故障時不會影響到其他模塊的功能實現，例如司機室攝像頭故障并不影響廣播系統的任何功能。

（4）系統安全運行穩定性設計：在系統設計時充分考慮了多個業務子系統的特點，采用的以太網具有MVB無法比擬的高速傳輸特性和設備兼容性，可無縫連接不同廠商的網絡設備；加上所采用的以太網能夠適應列車內超常的溫濕度范圍、高速振動和沖擊等環境要求，控制總線負載使其保證高實時性。另外，本方案配置了一套故障排除與自檢功能設備，能夠對列車各系統設備故障進行診斷和快速排除，并實時在DDU上進行顯示。

該列車綜合網絡控制系統集數據高速傳輸性、廣泛兼容性、高度環境適應性、故障排除與自檢簡便性于一身，其采用軌道交通專用的實時以太網協議及高加密的措施，并且通過相應的措施使PIS網絡系統中的設備故障、報文故障不會影響到整個大系統，從而保證了列車綜合網絡的安全運營。下一步，將按照悉尼項目的方案進行，將全車所有設備通過以太網接口相互連接，充分發揮高速以太網的優勢，使數據傳輸更加快速。

4　結語

近年來，隨著軌道交通車輛集成技術、網絡技術和多媒體技術的發展，軌道交通行業對集成化、人性化、智能化提出了越來越高的需求，車載列車網絡控制系統作為城軌車輛最重要的“神經中樞系統”，必須響應這樣的需求。本文本著優化車輛設計、提高車輛網絡利用率和降低采購成本的原則，自主創新開發出集成化、模塊化的列車綜合網絡控制系統。這是未來城軌車輛技術發展的新趨勢。

參考文獻

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［4］ 張穎.乘客信息系統在軌道交通中的應用及發展［J］.鐵道勘察與設計，2010，10（4）：88.

Integration Design of Train Integrated Network Control System

Chen Meixia，Shao Guodong，Zhang Junxian

AbstractAn integration design of urban rail transit train integrated network control system based on Ethernet is briefly introduced.The functions and composition of the autonomously developped system is described，including the design concept and the characteristics of the system.The integration design of the train network control system，the on-board Ethernet network maintenance and passerger information system，the brake internal network and so on could optimize the on-board network design，increase the network utilization efficiency and improve the overall operating level of urban rail transit.

Key wordsurban rail transit；train tntegrated network control system；on-board passenger information system；integration design

中圖分類號U 29-39

DOI：10.16037∕j.1007-869x.2016.01.017

收稿日期：（2014-04-18）