基于CRH3型動車組的列車通信網絡系統構架分析

許麗媛 宋嘉健

【摘 要】CRH3型動車組每列車上一共有2個牽引單元，每個牽引單元內又包括多個設備、模塊，這些設備和模塊通過MVB連在一起，MVB通過中央控制單元CCU中的網關GW實現了與WTB的連接，實現了整組列車的互聯互通。

【關鍵詞】列車通信網絡；TCN；列車網絡控制系統；SIBAS32

隨著我國鐵路客運專線和既有線提速的運輸要求，列車動車組在我國日益得到關注與重視，而列車通信網絡作為動車組監控管理的重要組成部分，其重要性非常顯著。

一、車組通信網絡組成及系統結構

1.動車組通信網絡拓撲結構。在目前已經投入運行的系統中，基本上采用了總線型網絡拓撲結構。每一節車廂作為一個獨立的監控單元，各車廂之間通過列車總線（Train Bus）通信。每一監控單元內根據需求不同，所需節點數量也不同，同一單元內各節點通過車輛總線（Vehicle Bus）相連。通過在每一監控單元內安裝一個代理節點來完成本單元內網絡節點的管理，同時也提供本單元同列車總線及其他單元的接口。在司機室或發電車內有一監控主機，通過網卡模塊與列車總線相連，負責數據的顯示、存貯等工作。

2.通信網絡控制結構。機車計算機控制裝置與人機交互部分（一般采用顯示器LCD）組成動車組通信網絡。動車的機車計算機控制單元是整個控制系統的核心，完成全部信號采集、控制與通信管理功能。機車計算機控制裝置按功能又可分為機車計算機控制單元LCU（Locomotive Control Unit）、通信網絡和人機接口三部分。

二、CRH3型動車組列車通信網絡架構

1.牽引單元。每列CRH3型動車組都由8輛車編組而成，可進一步分為兩個分別由4輛車組成的牽引單元。牽引單元一包括EC01/TC02/IC03/BC04，牽引單元二包括EC08/TC07/IC06/FC05，車廂號為01一08。每個牽引單元內用車輛總線MVB連接單元內4輛車及同一車廂內的車內設備、傳感器、執行機構，牽引單元內各車的拓撲結構固定不變。兩個牽引單元之間由列車總線WTB連接，車輛總線和列車總線二者通過網關實現通信。CRH3列車編組情況如圖1所示。

2.列車通信網絡總線組成。CRH3采用SIBAS 32列控系統，列車通信網絡基于國際標準ICE61375，即TCN列車通信網絡包括多功能車輛總線MVB和絞線式列車總線WTB。這兩種總線在設計時都采用了冗余設計方法，在列車正常工作過程中，MVB和WTB各只有一條處于工作狀態，另一條總線處于備用狀態，在工作總線發生故障時接替其工作，保障列車的正常運行，如圖2所示。除了列車總線WTB和車輛總線MVB，列車上還使用了另一種總線——CAN總線。在CRH3中，網絡控制系統中的某些二級系統中用了CAN總線，包括火災報警和煙霧探測系統、電池充電機以及車門控制單元。火災報警和煙霧探測系統中光電感煙探測器和煙探測控制器之間通過CAN實現通信；電池充電機的兩個重要控制模塊之間也用了CAN總線進行連接；車門控制單元中主門控制單元通過CAN和其他外門控制單元連接起來。

3.絞線式列車總線WTB。（1）列車總線WTB的基本性能。列車總線WTB在CRH3中用于連接兩個牽引單元，使用的傳輸介質是屏蔽雙絞線，其傳輸速度為1.0Mbps。總線總長可達860米，可以連接的節點數多達32個。WTB最大的特點是可以進行WTB初運行。（2）WTB幀結構。WTB幀分為兩種：主設備發出的主幀和從設備對其響應時發送的從幀，二者組合在一起，形成一個WTB報文。所有的幀格式固定，具有相同的編碼結構，需要遵從HDLC（ISO/IEC3309）規范。

4.多功能車輛總線MVB。（1）車輛總線MVB主要特征。車輛總線MVB接同一牽引單元中的各種車載設備和傳感器，使用的傳輸介質是雙絞線，其傳輸速度為1.5Mbps。（2）MVB幀結構。MVB幀分為兩種：主設備發出的主幀、從設備對其響應時發送的從幀，二者組合在一起，形成一個MVB報文。主幀具有固定的數據長度33bits，從幀的數據長度不唯一，包含5種可能的尺寸：33、49、81、153、297bits。MVB的信號編碼采用曼徹斯特編碼正向定義傳輸數據，定義從低到高表示為“0”，從高到低表示為“1”。同時，MVB增加了兩個非數據符編碼：“NH”和“NL”。MVB幀結構包括3大部分：9位設備源起始分界符，中間部分的幀數據以及最后固定的8位校驗序列。

三、動車組通信網絡控制功能

1.網絡通信規范。網絡通信規范如下：拓撲結構為總線拓撲，傳輸介質為雙絞屏蔽線，介質訪問控制方式為CSMA/CD，通信錯誤檢測方式為CRC，數據編碼為差分曼徹斯特編碼，傳輸速率為78Kbps，通信方式采用半雙工，主CPU與網絡通過雙口RAM交換數據。主CPU采用輪詢方式，定時從雙口RAM輸入緩沖區讀取網絡節點信息并校驗，當校驗正確時，返回正確標志，將數據提供給本車使用；反之，若校驗出錯，則返回錯誤標志，將所收到的數據丟棄。正常情況下，兩個網絡節點是同時工作的，當主CPU檢測到一路通信故障時，由軟件識別并自動切換到另一路，并在顯示器上提示該路網絡通信故障。

2.列車重聯控制功能。首車將司機控制指令及機車狀態信號傳送給尾車，控制尾車運行，可實現尾車無人駕駛。尾車檢測機車狀態信號，傳送給首車，以便司機了解它車運行情況，確保列車工況一致。（1）首尾車監控數據的通信功能。首尾車實時檢測機車及柴油機的速度、電流、電壓、溫度、壓力等信號，通過網絡傳遞給它車供顯示器顯示，以便司機及時了解運行信息，確保正常運行。（2）列車重聯控制邏輯。操縱端設置為防止機車控制邏輯錯誤，首先必須搶占控制權，即進行操縱端設置，搶得控制權者為首車，另一動車為尾車。若兩動車同時設置為首車，則顯示“操縱端設置錯誤”提示司機，兩車控制均處于無效狀態，計算機不加載。

3.系統監視和保護。網絡控制系統周期性地采集動車組各關鍵設備的狀態，實現對設備的實時保護，主要有以下幾種保護控制。（1）液力傳動系統油溫高報警以及控制。車輛控制單元周期性地讀取“液力油溫報警”信號，一旦該信號有效，車輛控制單元將自動封鎖本動車的牽引輸出，同時輸出卸載指令，在顯示屏上報警。（2）動車組停放制動保護控制。當Me車檢測到“停放制動”信號有效時，系統自動封鎖所有動車的牽引輸出，同時輸出卸載指令。

以CRH3動車組為分析對象，對該型號動車組的列車通信網絡系統構架進行分析，對目前在我國使用較多的列車通信網絡TCN進行了介紹，可以指導相關崗位上的工作人員更好地對列車通信網絡進行使用、維護與調試，同時對于相關專業的學生學習列車通信網絡也具有一定的參考價值。

參考文獻：

[1]劉瓊會.TG/CL150-2018和諧3型動車組高級修檢修規程[J].機車電傳動，2014，（6）：7—11.

[2]馬德銳.鐵路高速列車網絡控制系統及其電磁兼容性研究[J].廣西大學學報（自然科學版），2014，（3）：251—255.

（作者單位：中車唐山機車車輛有限公司）