新能源懸掛式單軌列車網(wǎng)絡控制系統(tǒng)設計要點及優(yōu)化方向

于人生 石 勇 白 龍

(中車大連電力牽引研發(fā)中心有限公司，116052，大連∥第一作者，高級工程師)

新能源懸掛式單軌列車(以下簡稱為“單軌列車”)是一種以電池動力包為動力源的空中懸掛式軌道列車系統(tǒng)，是一款我國擁有完全自主知識產(chǎn)權的新型軌道交通車輛。為適應這種新型軌道交通車輛的特點，對其列車網(wǎng)絡控制系統(tǒng)進行了針對性設計，并通過在樣車上的裝載、調試和應用，驗證了該設計的實際效果，積累了操作經(jīng)驗，同時也為后續(xù)進一步的設計優(yōu)化提供了借鑒。

1 新能源懸掛式單軌列車

單軌列車又稱為空軌列車，具有造價低、占地少、對城市景觀影響小等特點[1]。一般研究資料認為，1901年德國伍珀塔爾市的非對稱懸掛車是最早的單軌列車。我國首列懸掛式單軌列車，即“熊貓列車”，在中車浦鎮(zhèn)公司下線，標志了我國成為第3個掌握該種技術的國家。目前，國內(nèi)眾多機構正在進行單軌列車的設計、制造與研究。與此同時，眾多城市如貴州雷山、四川大邑和湖北恩施等，也在積極論證和籌備建設這種交通方式的示范線路。

新能源單軌列車可視為繼“熊貓列車”之后的第二代產(chǎn)品。相比于第一代，其車體全透明，整車在減重、降噪、牽引制動性能等方面均有提升。新能源單軌列車照片如圖1所示。

圖1 新能源單軌列車照片F(xiàn)ig.1 Photo of new energy monorail train

2 網(wǎng)絡控制系統(tǒng)的設計要點

2.1 硬件設備

2.1.1 安裝空間和環(huán)境

一般軌道交通列車的機電系統(tǒng)設備的安裝空間相對充裕，而單軌列車的TCMS(列車控制與管理系統(tǒng))設備除顯示屏外均安裝于車頂控制電器箱中，與其他系統(tǒng)設備如牽引、制動及輔助供電等共用車頂空間，這就要求各種設備的體積要盡量小，因此更小的系統(tǒng)設備體積，其結構更優(yōu)。

TCMS設備所在的控制電氣箱暴露在室外，溫度、濕度和沙塵條件相對惡劣。一般對車載電氣設備的環(huán)境要求按照GB/T 25119—2010《軌道交通 機車車輛電子裝置》標準進行設計，但其中對沙塵防護沒有明確要求；鹽霧試驗也是型式試驗中的可選項目。設計時若能同時考慮以上兩個因素，TCMS設備則更有優(yōu)勢。

2.1.2 集成化和低功耗

出于對布線和布局方面的考慮，整車對電氣信號進行就近采集，使得其他系統(tǒng)的傳感器和子網(wǎng)的通信接口需要通過TCMS進行數(shù)據(jù)采集和接口轉換。這就要求TCMS具備更多的電氣信號輸入輸出通道和更多制式的通信接口，因此TCMS設備集成化程度更高的設備更優(yōu)。

新能源單軌列車采用動力電池供電，為了提高續(xù)航里程，列車各系統(tǒng)的輕量化和低功耗設計尤為重要。雖然，TCMS各設備的功耗和體量設計在整車設計中所占比例較低，但降耗和減重設計顯然更符合整車的設計方向。

2.2 系統(tǒng)功能

2.2.1 能量管理

新能源單軌列車的動力電池性能是關系到列車可靠性和可用性的重要指標， TCMS對整車的能量管理是車輛設計的要點之一。能量管理主要從以下幾個方面考慮：

1) 動力電池組狀態(tài)和壽命監(jiān)控。TCMS能夠從電池管理系統(tǒng)中獲取電池的當前電量、損耗程度、充放電狀態(tài)和電池溫度等信息，利用TCMS的數(shù)據(jù)記錄功能，將這些信息進行長期匯總和統(tǒng)一分析。

2) 能量管理功能。TCMS對車輛能量管理的功能設計主要包括：根據(jù)動力電池容量對牽引系統(tǒng)進行限制，根據(jù)動力電池容量和健康狀態(tài)對輔助系統(tǒng)進行限制，根據(jù)輔助系統(tǒng)狀態(tài)對空調系統(tǒng)進行限制。

3) 能耗統(tǒng)計。新能源單軌列車對牽引系統(tǒng)能耗(牽引工況和制動工況)、輔助供電系統(tǒng)能耗和空調能耗的要求更高，其數(shù)據(jù)記錄和統(tǒng)計的需求更為多樣。電能消耗和動力電池容量變化的相關數(shù)據(jù)是支持電池組優(yōu)化的重要數(shù)據(jù)。

2.2.2 全自動駕駛

新能源單軌列車系統(tǒng)結合其自身特點，從信號系統(tǒng)的角度對CBTC(基于通信的列車自動控制)運控系統(tǒng)提出了新的思考，并且推薦采用DTO(有人值守的列車自動運行)運控系統(tǒng)[2]。除了基本的硬線指令，通過TCMS連接是另一種車輛與信號系統(tǒng)的接口方式，這就要求TCMS充分考慮到空鐵列車信號有司機自動化運行STO(半自動運行)模式的特點，以及DTO模式的設計需求。

2.2.3 顯示風格和交互安全

全景單軌列車采用無司機室的設計，使TCMS顯示屏“暴露”在乘客面前，因此要考慮界面與透明車體融合的美觀性，同時也要考慮無人值守或非激活側的人機交互安全性問題，既讓乘客等非專業(yè)人員感覺界面美觀，又不至于誤操作而發(fā)生交通意外。

3 網(wǎng)絡控制系統(tǒng)的實現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)設計

單軌列車的TCMS采用MVB(多功能車輛總線)網(wǎng)絡傳輸控制信號，整車一個網(wǎng)段的拓撲結構省去了MVB網(wǎng)絡中繼器的配置。采用以太網(wǎng)構成貫穿整車的維護網(wǎng)絡，用于更新軟件以及下載數(shù)據(jù)文件；采用定制化顯示屏用于同時接入TCMS和PIS(乘客信息系統(tǒng))以太網(wǎng)網(wǎng)絡，以實現(xiàn)顯示視頻監(jiān)控圖像的功能。采用RS485串行總線與信號系統(tǒng)進行通信。重要的牽引/制動指令采用硬線備份，在TCMS故障時滿足車輛基本的駕駛功能。新能源單軌列車的TCMS拓撲圖如圖2所示。

結合單軌列車TCMS的設計要點，新能源單軌列車的TCMS設計方案在以下幾個方面進行創(chuàng)新性設計，并成功應用于樣車。

1) 小型化設備機箱。TCMS的中央控制機箱和遠程輸入輸出機箱均采用統(tǒng)一尺寸的小型化機箱，相比于同類機箱產(chǎn)品，其體積明顯有所減小。機箱尺寸對比如表1所示。

表1 機箱尺寸對比表Tab.1 Chassis size comparison

2) 多功能網(wǎng)關。RIOM(遠程輸入輸出模塊)機箱中的網(wǎng)關除了完成從IO(輸入輸出)板卡信號到MVB網(wǎng)絡的轉換，還配置了USB(通用串行總線)接口用于維護，以及RS485串行總線接口和以太網(wǎng)用于與其他設備的連接，并完成到MVB的協(xié)議轉換。

圖2 新能源單軌列車的TCMS拓撲圖Fig.2 Topology of new energy monorail train TCMS

3) 雙以太網(wǎng)卡顯示屏。顯示屏采用雙以太網(wǎng)卡設計，可以分別接入不同段的以太網(wǎng)，優(yōu)化了顯示屏的操作系統(tǒng)軟件，以實現(xiàn)針對系統(tǒng)開銷動態(tài)分配運算能力。

3.2 主要功能的實現(xiàn)

新能源單軌列車的TCMS基于城市軌道交通(以下簡稱“城軌”)車輛平臺，其總體的監(jiān)控功能與其他城軌車輛類似，在控制功能的實現(xiàn)方面，需要特別介紹以下幾個方面。

3.2.1 制動力管理

新能源單軌列車的制動系統(tǒng)采用液壓制動方式為車輛提供摩擦制動力，整車制動力由TCMS計算，并面向各個轉向架的制動系統(tǒng)進行統(tǒng)一分配。TCMS制動力管理包括兩部分：制動力計算，包括整車制動力和各車制動力需求的計算；根據(jù)制動過程的不同階段分別實施制動力分配策略。面向制動過程的制動力管理策略如表2所示。

所提制動力管理方法的特點有：①按照整車計算制動力需求，而不是按照各車或各動力單元計算，以避免出現(xiàn)單節(jié)車或動力單元實際制動力不足而造成整車制動力不足的情況；②相比于由制動系統(tǒng)進行計算和分配的方式，TCMS統(tǒng)一管理減少了數(shù)據(jù)傳輸導致的延時或牽引系統(tǒng)和制動系統(tǒng)實際制動力疊加的情況；③對制動期間的不同階段針對性地制定控制策略，并在控制策略中考慮建立電制動力和液壓制動力所需的時間，有利于電液切換過程的平滑過渡；④將牽引系統(tǒng)和制動系統(tǒng)作為執(zhí)行機構，在調試期間僅通過修改TCMS中的參數(shù)即可實現(xiàn)管理策略的修改，進而提升列車的調試效率。

表2 面向制動過程的制動力管理策略

3.2.2 面向自動駕駛的軟件

新能源單軌列車與信號系統(tǒng)的接口和功能設計主要考慮實現(xiàn)STO模式，同時也考慮了預留DTO模式，其最主要的特征是TCMS改變了模式和工況管理在軟件結構中的處理方式。

TCMS軟件設計常用的是面向功能的程序設計思想，用一個軟件邏輯模塊實現(xiàn)一個控制功能，在邏輯內(nèi)部分情況討論各工況下的處理方法，如圖3 a)所示。而新能源單軌列車的TCMS采用的是面向工況的設計，先是根據(jù)不同條件判斷當前工況，進而逐個完成在該工況下應采取的控制功能。若在不同工況下對某種功能采用同樣的處理方法，就可以調用同一個邏輯處理模塊，如圖3 b)所示。

基于上述設計思想，TCMS首先預處理列車信號指令，識別出列車當前處于的工況或模式，然后選擇信任的信號源(列車、信號系統(tǒng)或計算邏輯)，最終在各子系統(tǒng)中根據(jù)預處理指令進行邏輯運算，并將所獲得的結果通過總線通訊分發(fā)至各設備。新能源單軌列車的TCMS控制軟件框架如圖3 c)所示。

圖3 TCMS軟件示意圖Fig.3 Diagram of TCMS software

3.2.3 顯示屏功能

1) 視頻監(jiān)視和廣播控制。新能源單軌列車取消了乘客信息系統(tǒng)的監(jiān)控屏，其部分功能融合到TCMS顯示屏中實現(xiàn)，包括客室/車外攝像機的實時監(jiān)控圖像顯示，以及異常狀態(tài)與監(jiān)控攝像頭的聯(lián)動和記錄。

2) 自動鎖屏和動態(tài)屏保。在非激活端或在無人值守自動駕駛模式下，TCMS顯示屏將自動進行鎖屏。在鎖屏狀態(tài)下，屏幕顯示時間、站點和列車速度等信息，屏幕背景為定時切換的圖片，且該圖片可由用戶靈活定制。

4 優(yōu)化方向

1) 車載子系統(tǒng)融合。新能源單軌列車雖然已經(jīng)對顯示屏進行了功能上的整合，但其系統(tǒng)層面仍保持子系統(tǒng)的獨立性。若能融合各子系統(tǒng)(如TCMS與PIS)將明顯減少設備及其布線。

2) 無線通信網(wǎng)絡。車地無線通信網(wǎng)絡可將所記錄的數(shù)據(jù)自動上傳，避免了由單軌列車車庫的條件限制所帶來的數(shù)據(jù)下載不便，同時也能夠實現(xiàn)TCMS以及其他系統(tǒng)的無線調試和維護。

3) 無人駕駛。新能源單軌列車的TCMS還需要進一步加強其安全性和可靠性設計，系統(tǒng)的接口和功能還需進一步結合無人駕駛的應用場景進行補充和完善。

4) 動力電池性能分析和管理。新能源單軌列車的動力電池技術是其核心技術之一。TCMS利用大容量數(shù)據(jù)存儲能力，結合數(shù)據(jù)自動傳輸網(wǎng)絡形成大數(shù)據(jù)分析的基礎。通過數(shù)據(jù)分析技術，研究不同動力電池電量條件下的運營規(guī)則，合理規(guī)劃充電時間，進而使運營效率最大化。

5 結語

本文介紹了新能源單軌列車的設計要點、實現(xiàn)方案和未來的研究方向。實際上，這些設計要點也是近年來城軌車輛TCMS的研究熱點，如以太網(wǎng)列車網(wǎng)絡、車地無線系統(tǒng)及大數(shù)據(jù)、全自動無人駕駛等，而更優(yōu)化的電池管理、更美化的人機交互則是其相對獨特的設計需求。總之，新技術和新設計在新能源全景單軌列車上的成功應用得益于我國城軌車輛研發(fā)水平的不斷提高，也是行業(yè)勇于創(chuàng)新的一種體現(xiàn)。