動車組網絡控制系統及技術分析

，

(1.中車工業研究院有限公司，北京 100067；2.中車長春軌道客車股份有限公司，長春 130062)

動車組網絡控制系統及技術分析

孫梅玉1，于慶斌2

(1.中車工業研究院有限公司，北京100067；2.中車長春軌道客車股份有限公司，長春130062)

動車組的網絡控制系統相當于人的大腦和神經，它在保證列車的行車安全、可靠性、舒適性方面具有至關重要的作用;為了給相關產品的網絡控制系統設計提供借鑒，通過梳理中車已有典型動車組產品的網絡控制系統，提取共性特征，總結歸納了動車組網絡控制系統的組成、系統功能、拓撲功能、主要參數等內容;同時，乘客需求的提升以及軌道交通裝備技術的不斷升級，對動車組在速度、舒適性、智能化等方面提出了更高要求，為了明確動車組列車網絡控制系統的發展方向，通過查詢專利文獻等途徑，得出動車組網絡控制系統新技術研究多集中在多網融合、列車冗余優化設計、列車自動駕駛、無線通信等方向，可以為軌道交通技術特別是網絡控制系統技術的相關研究提供參考。

動車組；網絡控制系統；多網融合；軌道交通技術

0 引言

動車組的控制、監測與診斷系統(簡稱TCMS)是車載分布式的計算機網絡系統，承擔動車組牽引及制動控制等指令的傳輸，同時對列車上的主要設備進行狀態監測，并具有故障診斷及故障記錄功能[1]。信息通過車載網絡進行傳輸，減少了硬線的數量，從而減輕了列車重量并提高了系統可靠性。該系統能夠給司乘人員提供操作指導，并給維修人員提供技術支持。

本文總結中車已有典型動車組產品的網絡控制系統技術[2-4]，提取共性要素，對動車組的網絡控制系統進行簡單介紹。

1 動車組網絡控制系統組成

網絡控制系統組成主要有：主控/網關單元(CCU/GW)、主控/網關/事件記錄儀單元(CCU/GW/ERM)、遠程輸入輸出單元(RIOM)、二層網管型以太網交換機(CS)、三層網管型交換機(ETB)、人機交互單元(HMI)、接口網關單元(ECN/MVB/Lonworks)。

1.1 主處理單元

主處理單元主要負責列車控制、監視和故障診斷的功能。所有列車網絡控制系統的子系統都通過車輛總線與主處理單元進行通信，交換數據。主處理單元根據所連接車輛總線的不同分為牽引主處理單元和舒適主處理單元，其中牽引主處理單元(MPU-LT)連接到MVB信號線和MVB牽引線，用于牽引、輔助和制動等列車運行相關系統的控制、監視和故障診斷，而舒適主處理單元(MPU-LC)連接到MVB信號線、MVB舒適線和CAN總線上，用于空調、廁所、塞拉門等其他輔助系統的控制、監視和故障診斷。

1.2 TCN網關

TCN網關具有WTB接口和MVB-EMD接口，它負責列車總線WTB和車輛總線MVB兩個總線之間的信息轉換和路由任務，并保證列車級總線和車輛級總線網絡通信的實時性、可靠性，以及確保列車級總線和車輛級總線網絡數據分配的合理性。網關依照TCN和UIC標準控制WTB和MVB間的信息傳輸。從MVB總線角度來看，它作為仲裁者的設備，從WTB總線角度看，它是一個可以配置為主或者從的節點。

1.3 遠程輸入輸出模塊

遠程輸入輸出模塊負責完成列車各種數字量、模擬量信號的采集和控制信號的輸出，并將這些變量根據通訊協議與主處理單元進行信息交互。功能模塊的組成可以根據實際需要進行配置，從而滿足車輛整體設計要求?

1.4 監視器(顯示屏)

監視器(顯示屏)具有MVB-EMD接口，內嵌Windows XP Embedded操作系統，可對連接到MVB車輛總線上的子系統狀態、列車的基本運行數據、狀態信息和故障診斷信息進行監視、存儲，同時也可根據實際情況通過顯示屏切除系統中的故障設備。

1.5 高壓控制單元

高壓控制單元CLT用于對高壓電路的管理，主要負責高壓開關管理、能量管理、高壓保護、電流不平衡保護、諧波電流檢測等功能。

2 動車組網絡控制系統功能

網絡控制系統是列車的神經系統和指揮中樞，它實現各子系統信息傳輸共享，協調中央控制系統與各子系統的控制、監視與診斷任務，匯總各子系統工作狀態和故障診斷信息，提供信息顯示和人機交互接口，完成列車自動編組與解編、實現整車級的控制、故障診斷、狀態監視等功能[5]。

2.1 通信功能

動車組網絡采用符合IEC61375標準的列車通訊網絡，采用列車總線和車輛總線兩級總線。列車總線為WTB總線，用于傳輸各牽引單元間的信息。車輛總線為MVB總線和CAN總線，用于連接一個牽引單元內的設備，實現設備的控制、監視和故障診斷功能。該系統能夠實現網絡通信協議，為網絡上的車載設備提供實時、確定的信息交互通道，保證網絡上設備通信正常。

2.2 控制功能

基于網絡通信功能，完成對包括牽引系統、輔助系統、制動系統、空調系統等在內的列車控制。

網絡控制系統具備對牽引系統的控制功能與接口，能夠傳輸牽引系統控制指令，并監視牽引系統工作狀態，能夠實現對牽引設備的隔離和恢復。

網絡控制系統能傳輸制動指令，并監視制動系統工作狀態，可為制動系統提供與列車運行控制系統車載設備的制動指令接口。

網絡控制系統具備與輔助變流器、充電機、蓄電池、負載設備(包括空氣壓縮機、牽引變流器冷卻系統、牽引變壓器冷卻系統、空調等)的電氣或通訊接口，對相應設備進行控制。

網絡控制系統能根據地面過分相信號(列車運行控制系統或過分相裝置提供)實施自動過分相控制。

網絡控制系統具備恒速運行控制功能，司機可通過人機界面或恒速手柄等方式激活恒速運行模式。

2.3 故障診斷功能

動車組列車網絡控制系統具有完善的系統診斷功能，便于對車輛進行維修及保養；對重要的子系統及設備進行狀態監視和診斷，指導維護人員快速排除故障；具有本地故障數據的記錄存儲功能并且提供便攜式設備傳輸接口和無線信息傳輸接口，可用便攜式設備采集數據和分析，也可根據需要將診斷設備記錄的數據以無線方式傳送至地面維護基地。

2.4 人機交互功能

通過司機室和機械師室顯示屏，司機和機械師可實時在線觀測列車運行狀態，司機、機械師和維修人員可觀察列車各子系統當前的故障代碼和故障發生的時間，能識別故障發生車輛，提供故障描述并可通過顯示器控制相關系統的操作。

3 動車組網絡控制系統拓撲結構

動車組通信網絡包括列車總線(WTB)、車輛總線(MVB和CAN)兩個總線層。在MVB總線上，又被分為MVB牽引線和MVB舒適線兩個層次，每個層次分別由一對冗余的MPU進行管理，即牽引主處理單元MPU-LT和舒適主處理單元MPU-LC各兩對。這兩個層次的MVB總線通過第三條MVB總線(信號總線)連接在一起。信號總線由牽引主處理單元MPU-LT控制。兩個動力單元通過TCN網關實現動力單元間和連掛列車間的通訊。每四節車輛為一個MVB網段稱作一個動力單元，兩個網段之間通過TCN網關上的WTB總線進行信息交互。每個動力單元根據設備功能設有三條MVB總線，分別承擔牽引、信號、旅客服務信息的傳輸。此外還有一個CAN總線，主要用于充電機、自動車鉤、廁所單元等在性能和冗余方面沒有特殊要求的次要設備的互連。

4 動車組網絡控制系統主要參數

動車組采用基于TCN標準的網絡控制系統，列車總線(WTB)和車輛總線(MVB)通過網關節點來連接，每個牽引單元或每節車輛設有一個節點。WTB總線和MVB總線均采用集中控制、周期性預分配的主從方式對總線介質進行訪問控制。其中，WTB總線負責列車車輛間的數據通信，是一種用于連接可動態編組的車輛間的絞線式列車總線，能自動識別車輛在列車編組中的位置和方向。MVB總線負責車輛內部的數據通信，是一種用于連接車輛內部設備的多功能車輛總線。

動車組還采用CAN總線連接對網絡性能要求低、重要性也比較低的設備。CAN是一種有效支持分布式控制或實時控制的串行通信總線，具有突出的可靠性、實時性和靈活性。其傳輸介質可采用雙絞線、同軸電纜和光纖等，支持總線型拓撲結構。CAN采用帶優先級機制的載波監聽/沖突避免方式對通信介質進行訪問控制。CAN只需通過報文濾波即可實現點對點、一點對多點及全局廣播等幾種方式接收數據，無需專門的“調度”。

4.1 傳輸速率

列車網絡控制系統采用符合TCN標準的WTB+MVB兩級總線結構，4輛車為一個牽引單元，根據IEC61375-1標準，傳輸速率如下：牽引單元內部為車輛總線MVB，傳輸速率為1.5 Mbit/s；2個牽引單元之間采用列車總線WTB，傳輸速率為1 Mbit/s。

4.2 系統最大響應時間

主處理器單元MPU的任務周期不超過100 ms；同一條總線上RIOM到RIOM的最大響應時間(≤350 ms)；牽引-舒適總線上的RIOM到RIOM的最大響應時間(≤450 ms)；經過TCN網關的RIOM到RIOM的最大響應時間(≤700 ms)。

5 網絡控制系統的發展方向

目前我國對列車網絡控制系統的研究還在不斷進行中，在列車控制技術領域涉及到的技術主要有故障診斷系統、網絡控制系統、顯示系統、通信系統、報警系統、廣播影視娛樂系統及視頻監控系統等。通過專利查詢方法，對近五年申請的相關專利進行了整理，圖1為列車控制技術的專利分布圖。

圖1 列車網絡控制系統技術專利分布

在網絡控制系統方面涉及的新技術有多網融合技術、列車冗余優化設計及列車自動駕駛技術。在通信系統領域，無線通信也有相關新技術出現。

5.1 多網融合技術

多網融合技術可以實現各總線之間的互相通信功能，使多網能兼容使用，可靠性及穩定性高。

網絡架構中以太網與MVB、CAN、TCN網關等多網融合通信是網絡控制技術領域研發的重點。在列車控制領域，網絡控制技術領域近五年內在美國、德國、日本、韓國、中國、世界知識產權組織及歐洲專利局共查詢到89件專利申請。這89件專利中的網絡架構應用于多種控制子系統，例如數字廣播系統、視頻監控系統、列車信息顯示系統、通信系統等。

5.2 車輛冗余優化設計

當前列車網絡控制系統在硬件設備、功能及通信上均存在冗余，導致建設與運營維護成本高、維護難度大等問題。對車輛冗余進行優化設計可以降低設備安裝、維護成本，提高系統可靠性，能夠使列車網絡更加經濟、高效地運行，有效節約成本，減少不必要的浪費和冗余。

近五年各國在車輛冗余優化設計上著力研究，在查詢到的近五年公開的50件相關專利中，涉及到硬件顯示器、通信設備、廣播設備、主機系統、主處理器，以及通信系統、數據傳輸、網絡拓撲結構等。

5.3 列車自動駕駛技術

目前列車網絡控制系統主要采用超速防護功能，列車自動駕駛技術還不成熟。列車自動駕駛技術可以提高運營效率、保證乘坐舒適，替代司機駕駛等，因此近五年各國都在大力研發列車自動駕駛技術。

列車自動駕駛技術涉及車-地通信方式下，列車自動駕駛運行計劃信息的獲取方式與控制方法、列控系統車載設備工作模式的轉換等。

5.4 無線通信新技術

目前的列車網絡控制系統存在諸多獨立的子系統，例如信號子系統、無線數字集群子系統、乘客信息子系統(PIS)等，各獨立子系統分占無線網絡資源的結構將導致各子系統間存在無線信號干擾，影響列車網絡控制系統的傳輸穩定性、網絡傳輸速率等。

通過研究無線通信新技術，可以整合各個獨立的無線通信傳輸網絡，實現車載信息平臺和地面信息平臺的融合。車載信息平臺包括列車的實時運行數據、故障數據、歷史運行數據、旅客娛樂和通信需求等；地面信息平臺包括列車的基礎數據、維護數據、檢修數據等。通過信息交互可以實現車輛自動駕駛、在線評估車輛運行狀態、緊急情況時可提前向行車指揮中心發出預警等功能，必要時還可自動停車并通知附近車輛避讓。

無線通信新技術主要從加大帶寬、提高抗干擾能力、提升適應性和傳輸穩定性等方面研究。同時，無線通信技術還應該滿足列車在大空間范圍內高速移動狀況下的通信需要。

6 總結

動車組網絡控制系統較為復雜，系統涉及方面較多，是列車技術中的研發熱點和重點之一。通過對中車已有典型動車組產品的網絡控制系統進行分析總結，提取了動車組網絡控制系統的共性，并對其進行了簡單介紹。同時，分析了動車組網絡控制系統發展的方向，在多網融合技術、車輛冗余優化設計、列車自動駕駛技術、無線通信新技術等方面進行研究，有助于提升當前網絡控制系統的綜合性能，并可為其設計提供一定指導。

[1] 倪文波，王雪梅. 高速列車網絡與控制技術[M]. 成都：西南交通大學出版社，2010.

[2] 常振臣，李 強.CRH380CL高速列車網絡控制系統[J]. 電力機車與城軌車輛,2017,40(3)：1-5.

[3] 沙 淼，王 偉，徐建波.CRH5型和CRH3型動車組列車網絡控制系統的比較[J].鐵道車輛, 2012,50(1)：25.

[4] 崔玉龍，田 鵬，張永明.某型城際動車組列車網絡控制系統[J].電力機車與城軌車輛,2017,40(2)：30.

[5] 李方方，趙 娟，馮 偉.高速動車組網絡控制系統探究[J]. 現代制造技術與裝備, 2013(2)：60.

AnalysisofEMU’sNetworkControlSystemandTechnology

Sun Meiyu1,Yu Qingbin2

(1.Dept.of Technology Research， CRRC Institute， Beijing 100067，China； 2.CRRC Changchun Railway Vehicles, Co., LTD., Changchun 130062, China)

The working of EMU network control system corresponds to that of the human brain and nerves. Itplays a critical role in ensuring the EMU’ssafety, reliability, and comfort. In order to provide reference for the design of the related network control system, by analyzing CRRC's main EMU products and extracting their common features, the key elements of the EMU’s network system have been described, such asits structure, the system function, the topological function and its main parameters.Meanwhile, the promotion of passenger demand and the continuous upgrading of rail transportation equipment technology, areputting forward higher requirements tothe EMU’s speed, comfort and intelligence.In order to clarify the development directionof EMU’s network control system, through querying the patents and literatures, the new technology research on EMU network control systemis also considered, which is focused on the multi-network convergence, the optimization designof train redundancy, train automatic driving, wireless communication and so on. This can provide reference for the design of the train’s network systemtechnical research.

EMU;network control system;multi-network convergence;rail transportation technology

2017-07-14；

2017-07-26。

孫梅玉(1983-)，女，山東泰安人，博士，高級工程師，主要從事軌道交通產品平臺研究工作。

1671-4598(2017)10-0105-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.10.028

TP273

A