北京地鐵7號線列車網絡控制系統

趙 磊

（北京地鐵車輛裝備有限公司技術中心，100079，北京∥工程師）

北京地鐵7號線列車網絡控制系統

趙 磊

（北京地鐵車輛裝備有限公司技術中心，100079，北京∥工程師）

介紹了北京地鐵7號線的列車網絡控制系統的硬件配置、關鍵控制功能、設計創新點，以及功能測試和型式試驗。測試結果表明：北京地鐵7號線列車網絡控制系統符合設計預期，系統硬件的性能完全滿足功能需求，系統軟件的可靠性、穩定性達到了列車運行要求。但是，對于正線運營的列車來說，列車網絡控制系統的安全性和可靠性仍需要通過實際運營來驗證。

地鐵；列車網絡控制系統；多功能車輛總線

Author'saddressTechnology Center of Beijing Subway Rolling Stock Equipment Co.，Ltd.，100079，Beijing，China

北京地鐵7號線的列車為8輛編組，車輛為B1型電動客車。其列車網絡控制系統（Train Control and Manager System，簡為TCMS））采用的是北京地鐵車輛裝備有限公司（以下簡稱“京車公司”）自主研發的系統，硬件采用的是青島四方車輛研究所有限公司的國產化產品；網絡系統架構、控制邏輯軟件及顯示屏軟件均由京車公司獨立設計、開發。由于在7號線TCMS的采購合同中明確了：初期列車為6輛編組配置，7號線運營后列車再擴展到8輛編組。因此，TCMS按6輛編組列車進行設計，預留了在TCMS架構不變的原則下擴編到8輛的接口。在7號線首列列車制造期間，用戶要求TCMS直接按照8輛編組開通，因此，京車公司又進行“6改8”的擴編設計。目前，已經完成了TCMS（8輛編組列車）上車后的整車型式試驗。

1 系統配置

北京地鐵7號線列車采用6動2拖的8輛編組形式，TCMS總線采用符IEC 61375標準規定的MVB-EMD（電氣中距離）總線。系統拓撲結構如圖1所示。

圖1 北京地鐵7號線8輛編組TCMS拓撲圖

在圖1中，除了列車自動控制系統（ATC）控制器采用MVB-RS485網關進行協議轉換以外，其他所有的控制器均通過其自身的MVB-EMD通信接口接入到MVB（多功能車輛總線）網絡。關鍵子系統，如牽引控制系統、輔助電源控制系統、制動控制系統、信號系統、車門系統等均具有硬線接口，便于在TCMS故障時，進行緊急牽引操作。系統配置縮略詞釋義見表1。

表1 TCMS設備配置縮略詞對照表

2 TCMS設備介紹

2.1 中央控制單元（CCU）

每輛帶司機室的拖車（TC）的司機室電氣柜中都有1臺CCU。CCU作為TCMS的中央控制單元，管理網絡系統。在正常運行情況下，其中1臺CCU為主控制設備，另1臺為備用設備，備用設備實時監視主控制設備狀態；當主控制設備出現故障時，備用設備將代替主控制設備行使中央控制單元的功能，以保障整個列車網絡正常工作；2臺設備切換時間小于2 s，不影響系統正常工作，不影響列車正常運營。

CCU的主要功能有：

（1）MVB總線通信調度——通過CCU中內置的總線管理器BA實現列車網絡的總線調度。

（2）列車運行控制、監視——CCU中運行的程序作為列車運行控制的軟邏輯，與列車硬線控制邏輯一起實現整車的控制、監視功能。

2.2 司機室人機接口（HMI）

每輛TC車的司機臺上都安裝有1臺HMI，它通過車輛總線MVB獲取列車及設備信息，為司機及維修人員提供監視及操作的人機接口，實時顯示車輛參數、系統運行狀態，并實時提示車輛故障信息。另外，人機接口作為部分車輛參數的輸入接口，可以進行時間、列車車次、輪徑等參數的設置。

2.3 列車數據及事件記錄器（ERM）

ERM是列車信息采集和記錄的關鍵設備，位于司機室電氣柜中，以滾動存儲的方式保存數據（先進先出的原則FIFO）。在正常情況下，2臺ERM同時工作，互為備份，記錄主CCU收發的重要數據以及MVB總線上的故障信息。

2.4 遠程輸入輸出模塊（RIOM）

RIOM備安裝在每輛車的電氣控制柜內。遠程輸入輸出模塊完成列車各種數字量信號采集、數字量開關信號輸出、模擬量信號采集等工作。其中，模擬量PWM、電壓、電流采集范圍可以根據外部負載的變化進行配置，滿足車輛整體設計要求。

RIOM數量可進行靈活配置，在滿足車輛整體原理設計需求的基礎上，預留了部分設計余量，充分滿足后續功能擴展的需求。

2.5 中繼器（RPT）

中繼器是滿足IEC 61375標準的0類設備，是冗余管理的MVB-EMD中繼設備，為列車網絡監控系統的可靠性提供了保障。中繼器可以通過接收到的數據幀識別數據傳輸方向，將數據幀從一個網段中繼傳輸到另一個網段。

RPT的主要功能有：MVB信號再生及放大傳輸；偵測網絡上的信號沖突并進行相應的處理。

3 TCMS關鍵功能介紹

TCMS通過系統各硬件設備以及CCU軟件邏輯實現對列車的控制及監視功能，其主要控制功能有：牽引制動指令控制、牽引制動力設定值控制、牽引母線高速斷路器BHB/BLB閉合控制、擴展供電接觸器閉合控制、保持制動緩解指令控制、電制動指令控制。

3.1 牽引母線高速斷路器閉合控制

對于第三軌受流的列車牽引系統，每個動力單元之間的牽引母線在庫內停車時需要斷開，當列車進入到正線運營時，需要將牽引母線貫通，使每個動力單元的電力供應在列車通過斷電區時不會中斷。對于高速斷路器的控制難度在于精確地閉合指令時長控制、閉合次數限制、異常動作保護以及故障復

位等。

TCMS接收到司機發出的閉合指令后，綜合判斷速度、車輛運行狀態、故障狀態后，作出允許閉合或者禁止閉合指令，并將該指令發送給RIOM的DO模塊，最終控制斷路器閉合、斷開。

3.2 擴展供電接觸器閉合控制

列車的兩套輔助電源系統為整車的中、低壓負載提供工作電源，在正常情況下，兩套輔助電源系統同時工作，分別為本單元半列車的中、低壓負載供電。當其中一套輔助電源系統工作異常時，另外一套正常工作的輔助電源系統對另半列車進行擴展供電，承擔起整列車的中、低壓負載供電。在進行擴展供電之前，首先要將全列車的中、低壓負載進行減半處理，確認其處于半載運行模式或者功耗低于半載的其他運行模式后，進行擴展供電。當故障的輔助電源系統恢復正常后，需要撤銷擴展供電指令、撤銷減載指令，恢復正常供電狀態。

在擴展供電動作中，輔助電源系統故障判斷、減載指令發出撤銷、減載狀態確認以及接觸器閉合斷開動作，都是由TCMS的CCU在其軟件邏輯中實現的。

3.3 保持制動緩解指令控制

當列車停車時，制動系統會自動施加保持制動以確保列車靜止；當列車再次啟動時，應首先緩解保持制動，TCMS的CCU根據牽引系統的牽引狀態以及牽引力大小進行綜合判斷，如果滿足起車條件，將向制動系統發出緩解保持制動指令，避免坡道溜車以及列車在閘瓦未釋放的情況下啟動，造成閘瓦過度磨耗。

4 TCMS顯示屏界面介紹

TCMS顯示屏界面采用QtCreator 4.7軟件工具進行開發，界面共126個，界面共分3級，如圖2所示。

圖2 HMI主要界面分級框圖

界面設計風格簡潔、直觀，顯示信息量大，在“運行”界面中，主要顯示了列車運行的各種參數，便于司機對列車的操控以及對關鍵系統狀態的掌握。在“運行”界面中，上部為列車狀態欄，中部為主信息顯示區，下部為導航按鈕區。在“網絡”界面中，主要顯示了TCMS的通信狀態，便于檢修、維護人員對TCMS的調試及維護。在“網絡”界面中，綠色的設備表示設備通信正?；蛘咴撛O備為主設備，黃色的設備表示設備通信正常且為從設備，紅色的設備表示設備通信異常。

5 TCMS的控制邏輯

TCMS的控制邏輯設計是在硬線控制邏輯的基礎上進行的，兩者相互配合，實現整車控制功能?？刂七壿嬮_發流程按照EN 50128執行，開發工具采用Simulink。針對TCMS的功能需求，設計開發了專用的功能模塊庫，具有很大的開放性，使用靈活、便于集成。另外，控制邏輯采用分級、模塊化設計，易于設計和維護，如圖3所示。

圖3 邏輯開發流程圖

6 試驗

在北京地鐵7號線TCMS的設計過程中，按照相關標準要求進行了充分的測試、試驗，主要包括以下5個階段：MVB-EMD一致性測試；通信協議功能測試；地面聯調試驗；裝車后的型式試驗；動態型式試驗。其中，地面聯調試驗包括6輛編組以及8輛編組列車的地面聯調試驗。

6.1 MVB一致性測試

TCN（列車通信網絡專用標準）網絡產品一致性測試（MVB-EMD部分），是為驗證被測設備遵循MVB-EMD通信設備的要求，是MVB-EMD網絡產品具有互操作性的依據，測試項點符合IEC 61375-2標準。

設備測試波形如圖4所示，在該波形中，可以看出MVB幀的穩態幅值為2.25 V左右，過沖小于10%，兩個連續脈沖的穩態幅值差在±100 m V以內，符合IEC 61375-2標準要求。

圖4 控制器波形測試

6.2 通信協議功能測試

為了確保CCU與各子系統控制器之間的正常數據通信，在地面聯調之前進行了通信協議功能測試。按照事先制定的通信協議，CCU與各子系統控制器之間對逐個變量進行接收、發送測試。通信協議測試是確保MVB通信一致性的重要措施。

6.3 地面聯調試驗

地面聯調試驗是將TCMS拓撲結構中所有的MVB控制器在實驗室條件下進行組網試驗。地面聯調試驗是在上車調試之前對TCMS功能的全面驗證。在北京7號線的地面聯調試驗中，分別對6輛編組和8輛編組列車的網絡控制系統拓撲結構進行了兩次全面試驗，組網時嚴格按照實車接線方式、線路長度布置，并在試驗室靜態環境下對網絡功能進行了有效測試。

為了充分驗證系統功能、更加真實地模擬實車操作，特地制作了數字量輸入、數字量輸出以及模擬量輸入工裝以模擬實車開關、司控器手柄、ATC等設備。

在地面聯調試驗中，除了進行軟件邏輯測試外，還利用特殊電纜分析儀、示波器、TCN協議分析儀等工具進行了線路特性測試。如圖5所示，曲線為A線MVB幀波形，從該波形可以看出，其主幀脈沖穩態幅值約為950 m V，從幀脈沖穩態幅值約為700 mV，幀期長度符合標準規定。

6.4 型式試驗

為了實車驗證網絡系統功能，制定了詳細的型式試驗大綱，并嚴格按照大綱要求逐條進行詳細驗證和記錄。主要驗證了牽引限速控制、里程累積記錄、能耗計算記錄、電空制動配合控制等功能。

圖5 線路波形測試

7 優化及創新點設計

在設計之初，針對北京地鐵7號線TCMS招標文件要求進行了充分分析、論證，對于以往項目中沒有過的新要求進行了創新設計。

7.1 擴編接口預留

北京地鐵7號線項目在招標時，設計為4動2拖6輛編組，同時要求預留8輛編組擴編接口。在設計時響應了招標文件要求，在設計6輛編組網絡拓撲結構時充分考慮了擴編需求，在M1、M2車上預先鋪設了擴編電纜、分線盒；在擴編時，無需對6輛編組列車上的設備做任何改動即可完成擴展，方便后續操作，如圖6所示。

圖6 北京地鐵7號線6輛編組列車網絡拓撲圖

與圖1相比較，擴編之后無需改動干線，并且可以保證擴編之后的網段長度滿足IEC61375標準中對MVB-EMD線路長度的要求。

7.2 ERM設計

北京地鐵7號線列車ERM采用單獨機箱設計，并采用獨立電源，確保了設備工作的可靠性和穩定性。在本項目中，ERM的記錄容量為：運行數據保存15天、故障數據保存10 000條、乘車率記錄保存

1 000條、試運行記錄保存500條、版本號記錄保存1 000條、輪徑記錄保存1 000條、AW0（空載）載荷記錄文件保存1 000條。ERM記錄的大部分數據來自于MVB網絡，除此之外，ERM還具有充足數量的數字量采集模塊和模擬量采集模塊，可以直接采集硬線信息。其中數字量采集模塊可以用于硬線控制指令、狀態數據的采集，模擬量采集模塊可以用于牽引、制動設定值的采集。這樣設計的優點主要有兩點，一是硬線采集數據速度更快；二是當MVB通信故障時，ERM還可以繼續記錄一些重要信息，有利于列車運行狀態監控以及系統故障分析、解決。

7.3 分線過橋設計

按照IEC 61375標準，MVB-EMD采用冗余介質進行傳輸。為了減少因車輛間過橋電纜斷裂或者連接器松動對MVB通信造成的影響，MVB電纜在車輛間過橋時采用分線設計；通過MVB分線盒將電纜的A、B兩路分為兩根獨立的電纜，通過兩個不同的車端連接器跨過車輛間，到下一節車廂后，再通過MVB分線盒將兩根電纜合為一根電纜。這種設計能夠提供MVB通信的可靠性，進而提升網絡控制系統的穩定性。

8 結語

北京地鐵7號線TCMS硬件均采用工業級元件，并且在選型上采用經過多個項目運營考驗的成熟、穩定產品，并且針對本項目需求進行優化、升級，性能上完全滿足列車功能需求。系統軟件設計、測試流程按照相關標準要求進行，其可靠性、穩定性達到列車運行要求。系統控制功能設計以整車硬線原理為基礎，經過多次設計聯絡、論證，并在聯調過程中，不斷優化、完善。

北京地鐵7號線TCMS經過了一致性測試、功能測試、地面聯調試驗、型式試驗等全面驗證，并且完成了廠內試驗以及在長春軌道客車股份有限公司試驗線上的型試試驗，測試結果符合設計預期。但是對于正線運營來說，仍需要通過運營來驗證系統的安全性和可靠性。

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Train Control and Management System of Beijing Metro Line 7

Zhao Lei

In this paper，the TCMS of Beijing metro Line 7 is introduced，including the hardware configuration，key control function，innovative design and the functional test，which confirms with the design purpose，both the hardware and software could meet the requirements of train operation.But for a train in line operation，the safety and reliability of TCMS shall be further validated through practical operation.

metro；train control and manager system（TCMS）；multifunction vehicle bus（MVB）

U 231.7

2014-03-28）