上海13號線列車網絡控制系統設計與研究

徐紅星，張 曉

（1 中國南車集團 南京浦鎮車輛有限公司 動車設計部，江蘇南京210031；2 南京林業大學 研究生院 機電系，江蘇南京210037）

上海13號線列車控制系統包括列車控制和子系統控制，采用列車通信網絡（TCN）控制。其中TCN是一種專門為2級網絡而開發出來的通信網絡，這2級被稱為MVB車輛總線和WTB列車總線［1］。這種總線概念理論上完全適用于那些為了在鐵路運行時彼此連接，并且有一個貫通全車的供電等級。MVB是為了車輛內部的通信，而WTB是為了車輛間的通信以及在運營過程中車輛編組的動態變化。

對于上海13號線具有相同結構的車輛組成的列車，并且僅僅在車間進行編組的列車而言，TCN系統中已不需要WTB總線，貫通所有車輛的MVB是組成列車的各車間用來通信的媒介，它被稱為MVB－M（M指的是多單元車輛）。采用西門子的MVB－M分布式總線控制方式，整個網絡由每節車上子系統間的MVB車輛總線和車輛間的MVB主干線組成，沒有MVB接口的外圍設備通過遠程數字、模擬輸入、輸出接口－SIBAS R○KLIP與MVB網絡相連接。通過診斷屬性和人機通訊等，SIBAS R○可有效地將部件和子系統的故障和狀態信息提供給司機和維護人員。

1 TCN系統結構

1.1 網絡拓撲結構

列車控制網絡只有一個層級，由MVB－M總線連接列車的所有網絡設備，沒有 WTB列車總線。MVB－M分布式總線由每節車上子系統間的MVB車輛總線和車輛間的MVB主干線組成，上海13號線列車網絡拓撲結構如圖1所示。

1.2 網絡設備及功能

上海13號線網絡系統設備主要包括了連接MVB車輛總線和MVB主干線的MVB中繼器、總線管理器SKS及MVB維護接口（MVB－Ser vice）等設備。

（1）中繼器（MVB－Repeater）用于連接 MVB各區段，完成信號轉發功能。

（2）外設接口智能終端（SIBAS?KLIP Station）不僅是硬件信號和MVB信號的接口，還是TCN網絡的總線管理器，控制總線通信。作為總線管理器的SKS，每列車有6個，以令牌傳遞的方式輪流行使總線管理權。

上海13號線SKS由6個模塊組成，分別是電源模塊、AS 318模塊、總線模塊、數字量輸入模塊、數字量輸出模塊及模擬量輸入模塊。電源模塊負責提供24 V DC電源。AS 318模塊是SKS的核心部件，有SKS唯一的MVB接口，它通過內部總線（總線模塊）與輸入、輸出模塊通信，并對其進行監視和控制。作為MVB接口設備，AS 318模塊通過下載節點監測數據庫（NSDB）文件來定義其通信，包括其在TCN網絡中設備地址的實現。總線模塊用于安裝輸入、輸出模塊，并通過內部總線將輸入、輸出模塊和AS 318模塊相連。輸入和輸出模塊分別用作模擬或數字硬線信號的輸入和輸出接口。

1.3 系統冗余結構

TCN網絡控制系統通常采用主控制器冗余、總線冗余及I／0口冗余來保證系統運行的可靠性，上海13號線TCN系統采用了總線冗余和主控制器（VCU）冗余［3］。

（1）總線冗余

總線具備高冗余性，主要包括總線的可用性（A－vailability）和數據傳輸的完整性（Integrity）。針對數據傳輸的完整性，MVB數據傳輸采用了曼徹斯特編碼；針對總線可用性，MVB采用了以下冗余機制：

①MVB采用了總線物理介質機制。如圖2、圖3所示，總線A、B為冗余結構。數據同時從A、B兩個通道發送，從其中一通道接收，協議控制器監視正在使用的通道 ，若通道長時間無響應，則協議控制器自動切換到另一通道，確保總線的可用性。

圖1 上海13號線列車控制網絡拓撲圖

②總線主冗余，即總線管理器監視總線活動，若當前總線主無活動，則進入總線主仲裁過程，若成功，則獲得總線控制。

圖2 MVB總線介質冗余機制

圖3 冗余的EMD雙線連接

（2）VCU 冗余

每列車擁有兩個VCU，分別為主VCU和從VCU，兩者互相冗余。當從VCU故障時，主VCU可以承擔起管理列車的責任，列車運行不受影響；當主VCU故障時，從VCU將轉為主VCU，此過程僅需要500 ms。

2 TCN系統設計

2.1 網絡拓撲設計

網絡為2級結構，分為列車級網絡和車輛級網絡。列車級網絡為MVB主干線，與MVB主干線有物理連接的設備僅有MVB中繼器。MVB中繼器負責將主干線上的信息轉發到車輛級網絡上。

車輛級網絡為總線形式，所有需要與MVB連接的系統都并行的連接在總線上，網絡拓撲方案的設計考慮以下幾點：

（1）總線的長度盡量短；

（2）由于制動供應商和信號供應商的鏈接要求，把制動控制單元和信號主機分別布置在Tc車的MVB網絡的末端；

（3）根據西門子的要求，牽引箱不能布置在MVB網絡的末端；

（4）考慮到施工的方便，不同車型的網絡線布置盡量保持一致。

2.2 設備供電設計

車輛控制單元VCU、顯示控制器、MVB中繼器以及SKS站都使用DC110 V供電。其中VCU的供電由于供應商的要求需要使用屏蔽線，屏蔽層采用兩端接地；顯示器控制器的供電也采用屏蔽線，并需要為其提供使能信號。

MVB中繼器的供電受SKS控制。根據西門子的MVB－M網絡的特點，在網絡第一次使用或重新配置時需要對網絡進行重新配置。在重新配置的過程中，需要將每節車的網絡與MVB主干線分離開。為此，要求SKS有斷開MVB中繼器電源的能力。而為了保證網絡的全冗余，MVB中繼器內部為2個獨立的模塊，需要分別供電。因此，在每一路供電的前端都串有一個繼電器的常閉觸點，這2個繼電器的線圈通過SKS站的2個輸出分別控制，在進行網絡配置時，SKS輸出斷開電源命令，線圈得電后中繼器斷電。

顯示器H MI的供電由顯示控制器通過特殊電纜提供，不需要車輛供電。MVB維護接口不需要供電。

SKS的電源模塊能將DC110 V逆變為DC24 V，再給其他模塊供電，需要24 V供電的模塊有：

（1）數字輸出模塊；

（2）模擬量輸入模塊；

（3）接口模塊。

同時，主控器模擬量參考值的24 V電源也由SKS電源模塊提供。

2.3 MVB配置設計

根據西門子的MVB－M網絡的特點，在網絡第一次使用或重新配置時需要對網絡進行重新配置。重新配置需要車輛提供2個信號給TCMS：

（1）單元側信號；

（2）網絡重新配置信號。

其中網絡重新配置信號為列車線，將此信號給所有的SKS站，讓SKS開始重新配置。單元側信號區分兩個單元，在M車的短接線只有單元1才會短接，單元2不進行短接。

3 MVB－M總線技術

3.1 應用條件

由于上海13號線列車具備以下特點：

（1）車輛由中間車和末端車組成。中間車都有相同的結構，末端車的通信是相同的；

（2）車輛很少重聯并且只在車間進行；

（3）列車不連掛運行，特殊情況下列車連掛用于救援。

在列車網絡控制技術設計階段，采用了西門子先進的MVB－M總線技術，也就是說MVB－M概念是建立在上述初始情形的基礎上的。單個車輛中的MVBs形成MVB段，這些段在MVB中繼器的轉換下通過主干線彼此連接，主干線連接了車輛的所有部分［1］。

3.2 MVB段

MVB－M的基礎是主干線，單獨的 MVB段通過MVB中繼器被連接到主干線上。除了MVB中繼器之外，再沒有別的MVB－M節點被連接到主干線。在主干線的末端，主干線總線通常通過末端車的終止模塊（T M）電力終止。

每輛車形成它自己的MVB段。在每個MVB段，有一個特殊的節點——車輛配置器（WK）。它能連接和解連MVB中繼器，并且通過一種特殊的被稱為配置端口（KP）報文的方式將配置數據報告給MVB－M從節點，MVB－M總線拓撲見圖4所示。

圖4 MVB－M總線拓撲圖

車輛在車間內以一個特定的順序排列，并且這個順序在操作過程不會改變。為了使總線終止，盡管中間車的數量可變，但是末端車總是必需的。MVB－M總線拓撲圖最大支持10輛相同的中間車（M1～M10）和2輛末端車（E1～E2），末端車在通信上也是相同的。

3.3 MVB中繼器

MVB中繼器通過主干線連接單個的MVB段。MVB中繼器是連接到主干線的唯一物理設備。

MVB段的長度禁止超過200 m。因為主干線是個不受約束的MVB段，它必須貫穿所有的車輛，因此這個限制有時會被超過。在這種情況下，最好的解決方法是在鏈路中的一個特定區域安裝一個更遠的MVB中繼器。這里只有一個問題就是會導致產生擁有不同總線結構的列車。

每個信號絕對禁止通過MVB上3個以上的MVB中繼器。通過在鏈路中設置單獨一個MVB中繼器不會違反這個規則。

3.4 地址段

通信用一個已經定義好的基本地址段中的地址設定，這些地址也被稱作基本地址，它們被用來配置但并不在正常通信中使用。除了基本地址段以外，還為每輛車定義了專用的地址段。在車輛的操作中，通信在這些地址段中進行。通過添加一個車輛專用地址變化值到設定的基本地址上去，得到正常通信的地址。地址段根據它們的寬度而不相同，由于擁有大量的設備，末端車的地址段寬度是中間車的兩倍。

每輛車都有一個指定的總線節點，即車輛配置者。這個節點有硬件輸入設備，車輛位置號碼可以在上面被設置和重置。段中所有其他的總線節點被定義為MVB－M從節點，在配置過程中，車輛配置器將要設置的車輛位置號碼報告給它段中的所有從節點，然后每個從節點知道了當前的工作范圍，并且將初始的相對地址轉化為絕對地址。實際上，地址轉換的意思是將一個相對設備地址或者端口地址轉換為一個絕對地址。在MVB－M從節點配置完之后，只有絕對地址用來進行數據交換。

這樣一個編址方法的優點是MVB節點的配置數據（NSDB）不需要包括所有可能的車輛配置。相反，節點用包括基本地址的普通NSDB來配置。在配置過程中，普通NSDB被用來計算“操作NSDB”，在操作NSDB中，取決于車輛位置號碼的必要地址轉換被添加到配置基本地址上去。

MVB－M總線上的網絡設備地址主要通過下載NSDB文件以軟件配置為主。在設備互換前必需根據不同的地址需求更新相應的NSDB文件。

3.5 網絡配置

在配置過程中一個段的所有設備被配置。配置是由WK開始的，每個段中WK只恰好出現一次。在配置中，所有設備必須啟動。在輸入時，WK已經設置好了車輛類型和車輛位置號碼，同時通過硬件輸入接收配置請求（KA）。在一個指定的時間之后，WK從主干線分離它的段，通過切斷供應給MVB－Repeater的供電。WK然后利用MVB上的配置端口報文將車輛類型和它自己所在車的號碼告知段中的所有設備。從這些數據中，設備為設備地址和端口計算偏離量，每個MVBM段都有它自己的配置端口。

3.6 數據段

MVB－M總線用來傳送3種類型的數據，包括進程數據，消息數據及監視數據。針對3種不同數據采用了3種不同的通訊方式：

（1）周期性通訊：主要用于過程數據（典型的值：32 ms，64 ms，128 ms，…，1 024 ms），如總線內各子系統的信息交換、制動力值等；

（2）偶發性通訊：主要用于消息數據，此類數據僅用于某些事件的觸發，如PIS中發出的站名信息；

（3）監督性通訊：主要用于監控數據，用于交接總線管理者功能的信息［2］。

4 TCN系統優勢及發展

上海13號線列車通信網絡（TCN）采用西門子的MVB－M分布式總線控制方式，上海13號線列車總線控制具備以下特點：

（1）列車控制單元能接受各系統發送的數據，對其狀態進行診斷，并通過診斷結果采取措施，控制各系統的運行狀態，保證列車的安全運行。

（2）高速、大容量的信息傳輸通道。因為地鐵列車子系統多，信息量大，且需及時地傳遞給VCU，所以必須采用高速、大容量的信息傳輸通道。上海13號線MVB總線，可以達到1.5 Mb／s。

（3）具有診斷、控制功能。地鐵運輸最重要的是確保每位乘客的安全，乘客的安全來源于列車運行的安全，所以列車的診斷及控制非常重要。診斷的功能應包括對各系統狀態的評估，列車的控制功能以列車的診斷為依據，通過對各系統的評估，采取相應措施，如限速、觸發緊急制動、牽引隔離來保證列車運行的安全。上海13號線網絡控制具備了列車制動系統故障，列車限速或緊急制動；車門故障，列車牽引隔離或緊急制動，同時提示司機處理門故障等。

（4）冗余性。在滿足了以上要求之后，還需要提高冗余性，而冗余性的提高則表現在總線通道和主控制器的冗余。

上海13號線列車網絡控制技術代表了軌道交通行業先進水平，成為列車網絡控制系統的目前發展趨勢，具有下列優勢：

（1）減少列車的誤診斷，大大提高列車診斷功能的正確性；

（2）更大程度的細化列車診斷功能，為司機提供了強大的故障處理提示；

（3）加強列車自我監控及調制功能，如軸溫的檢測點［4］。

［1］IEC.IEC 61375－1：1999（E）Electric rail way equipment－Train bus［S］.1999.

［2］李常賢，吳 健，寧壽輝.分布式 MVB通訊控制模塊［J］.內燃機車，2005，3：20－21.

［3］謝維達，趙亞輝，徐曉松.現場總線與列車通信網絡［J］.工業控制計算機.2002，15（1）：5－10.

［4］張元林.列車控制網絡技術的現狀與發展趨勢［J］.電力機車與城軌車輛，2006，4：24－26.