2型動車組網絡系統車載設備信息數字仿真

雷劍鋒 郭鑫

西南交通大學牽引動力國家重點實驗室，四川 成都 610031

1 概述

列車網絡控制技術的發展方向逐步從單臺機車控制轉向列車網絡控制。同時，基于我國的現實情況，電動車組、高速列車、城市軌道交通車輛等新的鐵路機車車輛在運輸中擔任了越來越重要的任務。在列車通信網絡技術中，二型動車組的網絡控制系統具有很重要的意義。該系統不僅可以通過貫穿列車的總線來實現傳輸信息的功能，同時還能夠集中管理列車的運行狀況甚至車載設備動作的相關信息。以純軟件（通過以太網）模擬CRH2動車通信網絡的工作過程，實現高速列車牽引傳動和列車網絡系統--網絡系統虛擬仿真系統與綜合仿真平臺之間的無縫連接。本設計的主要研究內容有：車載設備數據模型界面設計；車載設備與網絡之間的通信接口規范的實現；車載設備命令及狀態數據的軟件產生；數據交換，基于以太網的TCP/IP（socket）通信，數據傳輸過程模擬。

2 2型動車組網絡系統與軟件設計

2.1 列車網絡總體設計方案

本次設計設定在2M1T基本動力單元中來進行仿真，以2M1T模型為研究對象。“2M+1T”為常見的動力單元，極其具有代表性，即含有具有牽引功能的動車部分，又含有無動力的拖車部分，同時又可以以整體為單位進行多單元聯掛完成列車的構建，如CRH1常見編組形式為2（2M1T）+1M1T。此外，2M1T的基本動力模型中，既包含了功能不同的動車和拖車進行對比，也包含了兩輛相同的動車進行對比。以純軟件（通過以太網）模擬CRH2動車通信網絡的工作過程，簡化模型如圖1所示。

圖1 2M1T設計總體方案圖

2.2 仿真系統數據包傳遞方式的選擇

根據各車載設備接口規格書的要求，列車網絡系統中傳遞的數據信息均為一次性發送的數據塊，數據包中數據多而復雜，不同的字節代表了不同的含義，若使用一般的數據傳遞方式，采用若干個TCP數據節點來寫入讀取信息會使整個程序龐雜無序，并且編寫過程中一旦出現錯誤，將很難準確查找及修改。因此本次設計采用2維n*8布爾數組來模擬數據包的傳輸，例如空調顯示設定器對象機器側發送數據以36*8的布爾數組模擬，每列8個布爾量分別代表每個字節的數據。當空調設備狀態發生變化時，則采用替換數組子集的方式對數據進行修改；數據在局域網進行傳遞時，則將二維布爾數組轉換為字符串數據在局域網中傳輸；數據接收之后將字符串還原成二維布爾數組，并且對數組子集進行讀取，即可得到所傳遞的具體數據。

2.3 二維布爾數組向字符串轉換的實現

由于LabVIEW的TCP/IP局域網通信只能在兩機之間傳輸字符串數據的局限性，數據包采用二維布爾數組表示，就必須實現二維布爾數組向字符串轉換的過程。又由于二維布爾數組數據組成十分特殊，既為二維數組，數組的組成又是布爾常量，因此轉換過程比較復雜，本文在設計的過程中，重點攻克了這一難點。

轉換過程中，本文利用了for循環的自動索引功能，二維布爾數組進入for循環會自動進行索引，轉換成一維數組，在for循環內，將一維布爾數組中的布爾常量轉換為數字常量，數據出for循環的時候自動進行索引，重新轉換成二維數組，此時數組中的元素為數字，最終進行字節數組至字符串轉換，得到所需的字符串進行雙機通信。此外，二維布爾數組在進入for循環之前，由于數組的列數過多，需提前進行二維數組的轉置才能正常進行轉換。同樣的，終端裝置接收到字符串數據需要轉換為二維布爾數組進行數據處理時只需將此過程逆用即可完成。

表1 制動控制裝置對象機側發送數據TEXT（25）—TEXT（45）

3 程序編寫與調試

3.1 車載設備

根據各車載設備的接口規格書，編寫程序，使所編寫的虛擬儀器能夠進行數據的修改、傳遞、讀取、顯示。設計按照如下步驟完成：先完成前面板設計；然后進行程序框圖的連線；最后完善數據的傳輸環節。

制動控制裝置的傳輸數據格式如下：

對象機器側發送數據

實時監控用信息（狀態數據:SD）

數據格式

TEXT(0): 20H (文本種類編碼)

TEXT(1)～(45): 狀態數據(以下的共45字節)

分析45字節長的所有數據，把各數據進行分類，大致分為三大部分，第一部分為故障信息，第二部分為狀態信息，第三部分為數值信息。例如：

圖2 制動控制裝置對象機側發送數據TEXT（18）

圖2中“MRC卡正常”為故障信息；其余7項為狀態信息；表中顯示數據為數值信息。

然后，根據分組，設計前面板，將同類的數據放在一起以方便數據的顯示監控。同理，以同樣的方法分析裝置接口規格書中的信息控制裝置發送數據得到終端信號接收界面的前面板。（表1）

3.2 2M1T程序的分裝

根據CRH2列車的實際運行情況，動車與拖車所搭載的車載設備有所不同，同樣的車載設備所監控與傳輸的信息同樣也有所區別，所以，主程序編寫完成之后需要對程序進行修改，以對應3輛車的實際情況。

如圖3所示，動車與拖車最大的區別在于拖車搭載了輔助電源裝置，而動車則是搭載了牽引變流裝置，因此分裝在拖車的程序中需刪除牽引變流裝置，并且刪除在終端裝置程序中的牽引變流裝置選項卡；同理分裝在動車的程序中需刪除輔助電源裝置，并且刪除在終端程序中的輔助電源裝置選項卡。

此外，根據制動控制裝置接口規格書，如圖4所示，動車與拖車的制動控制裝置所監控的內容有所不同，需要在分裝的同時進行修改。

圖3 動車與拖車搭載的車載設備的區別

圖4 制動控制裝置中傳輸數據的區別

3.3 TCP通信調試

3.3.1 通信端口數值與IP地址的約定

此次設計所創建的程序窗口數量很多，而且相互之間存在不同的數據傳輸，因此，為了方便程序的編寫與調試，提前將程序之間通信端口數值與各實驗機器IP地址進行約定是必要的。

本次設計中通信端口數值采用四位數字組成：

千位數固定為1，表示列車網絡車載設備信息通信部分，以便以后與其他部分的仿真能夠相互兼容；

百位數表示分裝在不同車輛上的程序：0表示拖車、1表示動車1、2表示動車2；

十位數表示所代表的車載設備的程序：0表示制動控制裝置、1表示側面目的地顯示器、2表示牽引變流裝置、3表示輔助電源裝置、4表示指南信息顯示器、5表示空調顯示設定器；

個位數字表示信息在車載設備與終端裝置之間傳遞的方向：0表示終端裝置傳輸到車載設備的指令信息、1表示車載設備傳輸到終端裝置的狀態監控信息。

例如，動車1上搭載的制動控制裝置向該車輛上的終端裝置傳輸的信息所采用的端口為1101；拖車上終端裝置向該車輛上搭載的輔助電源裝置發出的控制指令信息所采用的端口為1030。

采用此種方式大大降低了程序的編寫與調試難度。

實驗室中用于調試的4臺計算機表示不同的裝置，因此需要將各自在局域網中的IP地址進行規范，以方便調試。具體設置如圖5。

圖5 實驗室計算機IP地址設定值

3.3.2 實驗室調試

完成實驗室局域網的建立與程序的編寫之后進行程序的實驗室調試，重點排查TCP/IP局域網信息的傳輸與各程序的運行狀態，以完善程序的編寫。

4 結語

本文利用了LabVIEW虛擬儀器編程，獨立完成了2型動車組2M1T模型各車載設備以及終端系統的前面板設計，同時又結合了動車組各車載設備實際的接口規格書，完成了2型動車組網絡系統車載設備信息模塊的局域網通信。經過不斷的調試，完成了能夠通過終端系統進行車輛的各車載設備運行狀態的監控，排查故障，以及控制各車載設備的軟件設計。

本文的設計過程中，基本遵循了2型動車組列車網絡中各車載設備間信息傳輸的實際情況，但是仍存在少量的不足，如在側面目的地顯示器TCP局域網通信設計的過程中，需要將中文字符串按照GB2312代碼轉換為布爾數組，由于掌握的知識有限，無法實現這一過程，故采用了增加TCP節點的方式，將中文字符串獨立進行傳輸與讀取，此過程與實際情況不符，在以后的研究過程中需要重點改進。本文的設計過程中雖有不足，但是對于設計要求來說仍然可以達到最終的仿真的目的。

[1]倪文波，王雪梅編著. 高速列車網絡與控制技術. 西南交通大學出版社, 2008.05.

[2]劉先愷. CRH2型200 km/h動車組列車網絡控制系統[J]. 機車電傳動,2008,(6):1-4.

[3]李成鋼.CRH2型動車組國產化制動控制單元(BCU)通信網關的研究[D]. 北京交通大學,2010.

[4]路向陽.列車通信網絡的發展與應用綜述.機車電傳動,2002, (01)

[5]張瑋. CRH2與CRH5動車組列車信息控制網絡比較. 鐵道運營技術, 2010, (04)

[6]曾嶸,楊衛峰,劉軍. 列車分布式網絡通信與控制系統. 機車電傳動, 2009, (03)

[7]江守亮. 環形ARCNET網絡系統的設計與實現[D]. 西南交通大學,2010.

[8]朱琴躍. 列車通信網絡實時性理論與方法研究[D]. 同濟大學交通運輸工程學院,2008.

[9]黃軼,胡鵬飛. 工業以太網在列車網絡中的應用設計[J]. 鐵道運營技術,2011,17(1):40-42,45.

[10]（美）PeterA.Blume著. LabVIEW編程樣式. 電子工業出版社,2009.06.

[11]Kirrmann, H.;Zuber, P.A.. The IEC/IEEE train communication network.Micro, IEEE, 2001