CRH2與CRH5動車組列車信息控制網絡比較

張 瑋

（西安鐵路職業技術學院，講師，陜西 西安 710014）

列車信息控制網絡的信息傳輸是由邏輯控制電路和列車控制微機網絡系統兩部分組合完成，也可僅由列車控制微機網絡系統完成。

動車組列車信息控制網絡的主要作用是，實現各動力車的重聯控制；實現全車所有由計算機控制的部件聯網通信和資源共享；實現全列車的制動控制、自動門控制、軸溫監測和空調控制等功能；實現全列車的自檢及故障診斷決策〔1〕。要實現上述功能，控制網絡的結構設計顯得非常重要。需要考慮結構、介質、信號編碼、數據格式、容錯技術和通信協議等多方面要求和實現方式，以適應現代列車對控制網絡系統的技術要求〔2〕。

列車控制網絡采用的網絡結構方式主要有，基于LONWORKS列車總線技術的內燃動車組；基于ARCNET的列車總線和基于HDLC的車輛總線的CRH2型動車組；基于TCN標準的CRH1，CRH3和CRH5等。現以CRH2和CRH5為例，對它們的控制網絡結構方式進行比較研究。

1 CRH2動車組

1.1 網絡結構 CRH2動車組列車信息控制裝置采用貫穿全列車的總線來傳送信息，從而減輕了列車的重量，并且通過對列車運行及車載設備動作的相關信息進行集中管理，列車信息控制網絡具有控制指令傳輸、設備狀態監視和故障診斷三大功能。

CRH2動車組列車信息控制網絡主要由列車信息中央裝置、列車信息終端裝置、列車監控顯示器、顯示控制裝置、IC卡讀寫裝置及服務乘客的信息顯示器等組成。在網絡構成上，中央裝置和終端裝置通過光纖雙重環路和自診斷傳輸線連接。具體網絡結構如圖1所示。

圖1 CRH2列車信息控制網絡結構示意圖

光節點之間通過光纖雙重環路結構傳輸，雙向，主要實現控制指令傳輸。傳輸采用應答方式，其中中央裝置可以同時向2個方向發送信息。傳輸控制采用令牌傳遞方式，傳輸周期10 ms，傳輸速度2.5 Mbps。

光節點與設備之間采用點對點通信，控制方式為輪詢方式，傳輸周期10 ms，傳輸速度192 kbps。

自我診斷信息通過段站總線結構進行單向傳輸，采用固定長度的循環傳輸方式，傳輸周期為10 ms，傳輸速度為38.4 kbps。

設備與監視器部之間、顯示器與監視器部之間、距離監測裝置與監視器部之間、廣播裝置與監視器部之間均采用點對點2線單向傳輸，20 mA或30 mA電流環路方式，傳輸速率9 600 bps。

傳輸線有列車信息傳輸線（光纖）及自我診斷信息傳輸線（雙絞線）2種。列車信息傳輸線為環形結構環路，如果在環路的一個方向沒有檢測到應答時，就向環路的另一個方向發送信息，因此能夠避開故障部位。

中央裝置和終端裝置由光纖連接，采用不易發生故障的雙向環形環路傳輸信息。當發生2處以上的線路故障時，可以繼續由其他連接線路進行傳輸。另外，還設有備份傳輸線（自我診斷傳輸線），當環形網絡發生故障時可以傳輸控制指令，對各設備進行控制。

1.2 通信協議 CRH2型動車組采用ARCNET網絡標準。ARCNET網絡訪問規程，由Datapoint公司制定，是一種應用廣泛的嵌入式網絡技術。ARC?NET是一種面向數據鏈路層的協議，且是一個真正開放的協議。設計者可以針對具體應用自行設計應用層。

ARCNET采用令牌傳遞實現介質訪問，令牌從低位地址節點向高位地址節點傳遞，當一個節點獲得令牌則有權發送信息，而網絡上每個節點的MAC地址由管理員制定。在ARCNET中，所有總線上的站是平等的，共享總線帶寬。每個站得到令牌后只能發送1包信息，設計者可以方便地預測每個站發送消息的時間。因此，ARCNET很適合實時、小批量數據傳輸的場合。

2 CRH5動車組

2.1 網絡結構 在CRH5動車組建立一個列車總線（Train Bus），又稱為WTB總線。動車組每4節為一個動力單元，每個動力單元為一個網段，每個網段建立車輛總線（Vehicle Bus），又稱MVB總線。3條MVB總線連接，分別為信號線、牽引線和旅客服務線，連接相應的系統設備，此外還有一個CAN總線標準的車輛總線，用于充電機、自動車鉤、廁所單元的互連。

MVB總線通過網關和WTB總線連接，并通過WTB總線實現信息交互。根據設備數量和線路長度，可在必要處增加中繼器。列車總線使用冗余雙絞線為傳輸介質，信息速率約為1 Mbps。列車總線的長度可以因為連掛/摘解操作而發生變化，可以實現網絡的動態重組。車輛總線通信介質采用雙絞線和光纖，通信速率為1.5 Mbps。具體網絡結構如圖2所示。

圖2 CRH5列車信息控制網絡結構示意圖

動車組控制與監測系統TCMS（Train Control and Monitor System）的信息傳輸結構主要基于TCN標準（IEC 61375-1），具有WTB總線和MVB總線串行接口，使用冗余的微處理器單元MPU（Micro Pro?cessing Unit）模塊，每個動力單元2對。2個動力單元通過網關進行動力單元間和連掛列車間的通訊。系統具有完善的冗余和控制、診斷、監視以及故障存儲功能〔3〕。其通過2個冗余設計的MPU對每條總線進行控制。根據設備的數量或線路的長度，可利用“中繼器”來增加MVB總線的長度。MPU有2個車輛總線接口，第二個接口將2條總線的微處理器單元和列車/車輛總線、網關、司機臺顯示器及司機室遠程輸入輸出模塊連接在一起。網關被用于動力單元之間的信息傳輸。主要設備如牽引控制單元（TCU）、輔助控制單元（ACU）被連接在MVB總線上。非智能設備通過遠程輸入/輸出模塊（RIOMS）與動車組控制與監測系統（TCMS）系統接口。遠程輸入輸出單元（RIOM）被分布在每輛車中，從而減少配線和相應的重量。

在CRH5的動車組控制和檢測系統中，采用了冗余設計。WTB和MVB總線都是采用雙通道冗余設計，GW網關、MPU微處理器單元和中繼器也均采用完全冗余設計。冗余設備采用熱備方式，無需手動切換。對于重要設備的RIOM也采用了冗余設計。

2.2 通信協議 CRH5型動車組采用TCN網絡標準。TCN（列車通信與微機控制網絡）于1999年6月正式成為國際標準，即IEC61735。該標準對列車通信與微機控制網絡的總體結構、連接各車輛的列車總線、連接車輛內部各智能設備的車輛總線及過程數據等內容進行了詳細的規定。

在TCN通信標準中，列車總線和車輛總線是2個獨立的通信子網，有不同的通信協議。通過網關實現節點的協議轉換。

WTB為一種串行通行總線，其通信標準為TCN標準。WTB數據幀遵循HDLC標準，每次通信均由主節點建立，被選擇節點對主節點的命令幀回復應答幀。總線上有主節點采用輪詢方式實現通信控制〔4〕。

在列車的組成改變時，即進行連掛、摘解時，主設備需要重新組織總線，該過程稱為列車初運行。

MVB車輛總線用于連接位于同一節車輛內或不同車輛內的標準設備，構成列車通信網，其標準設備包括可編程控制器、智能傳感器和執行器。

MVB提供3種通信介質，分別為標準RS-485收發器，屏蔽雙絞線和光纖。MVB上連接的設備都有一總線控制器，設備通過它來控制總線訪問。總線控制器以定時輪詢方式發送主控幀，其他設備需要根據收到的主控幀來回送從屬幀〔5〕。

3 網絡比較

3.1 協議標準 CRH2型動車組采用的控制網絡標準為通用的工業網絡標準ARCNET，具有完全開放，簡單易用，通用性好，二次開發方便等優勢。

CRH5采用的是TCN標準，該標準為專用的列車通信與微機控制網絡標準，具有功能強，實用性好，運用靈活等優點。

3.2 總線層次 從總線層次上看，CRH5采用非常明晰的雙層總線系統，列車總線和車輛總線在網絡拓撲結構上非常清晰，連接到總線上的設備可以在初運行時自動發現。

CRH2采用雙環網，加自我診斷信息傳輸線方式，加上光節點與設備和設備之間的鏈接，網絡拓撲結構復雜。

3.3 傳輸介質 CRH2采用的傳輸介質為光纖和雙絞線。雙環網采用光纖介質，自我診斷傳輸線采用雙絞線，光節點與設備之間亦采用光纖點對點連接。光纖作為傳輸介質傳輸可靠性高，但是通信設備構成略復雜。

CRH5列車總線和車輛總線均采用屏蔽雙絞線，設備連接方便，傳輸性能也可以滿足列車控制的基本要求。

3.4 經濟性 由于CRH2采用的是開放的工業標準ACRNET，因此其芯片生產、產品研發等方面具有更好的市場環境，控制系統總體經濟性要好于基于專用的TCN標準的CRH5，也更利于設備的國產化。

4 結束語

日系CRH2動車組中央裝置和終端裝置由光纖連接，采用不易發生故障的雙向環形環路傳輸信息。當發生2處以上的線路故障時，可以繼續由其他連接線路進行傳輸。另外，還設有備份傳輸線（自我診斷傳輸線），當環形網絡發生故障時可以傳輸控制指令，對各設備進行控制。因此出現2處以上網絡故障時仍能保證基本的列車控制，充分體現了機控優先的總體系統設計思想。

歐洲系列CRH5動車組中，2個動車組之間的連接通過穿過頭車自動車鉤的WTB總線型冗余鏈路來實現。此總線是TCN網絡的一部分，它的長度因連掛/摘解操作而發生變化時可以實現網絡的動態重組（網關重新編號）。車輛總線MVB（Multifunc?tion Vehicle Bus，多功能車輛總線）使用阻抗受控的冗余介質，每個車組有3條總線：牽引、車內設施和信號。專用協議應用性能穩定完備，系統組織靈活，功能強大。

通過對CRH2與CRH5動車組的信息控制網絡的比較表明，這2種動車組通信網絡的運用性能各有優勢，但整體的應用效果比較及進一步的技術消化和研發還有待實踐過程的研究和驗證。

〔1〕張曙光.構建動車組自主創新體系推動鐵路技術裝備現代化快速發展〔J〕.中國鐵路，2007（9）：35-38.

〔2〕劉子建，桂武鳴，丁榮軍.基于Lonworks技術的動車組計算機網絡控制系統〔J〕.工業儀表與自動化裝置，2003（6）：55-56.

〔3〕嚴云升.列車計算機網絡控制〔J〕.電力機車技術，1999（3）：6-8.

〔4〕常振臣，牛得田，王立德，田永洙.基于TCN技術的內燃動車組列車通信網絡〔J〕.鐵道車輛，2006（5）：31-33.

〔5〕奚國華，路向陽，夏寅.我國列車通信網絡的實踐與開發探討〔J〕.機車電傳動，2000（1）：2-5.