高速動車組列車網絡控制系統自主化研制及應用

■ 高楓 趙紅衛 黃志平 王立文

高速動車組列車網絡控制系統自主化研制及應用

■ 高楓 趙紅衛 黃志平 王立文

高速動車組列車網絡控制系統作為動車組的神經中樞系統，完成列車的控制、監視、診斷與保護任務，是動車組的核心系統和關鍵技術，也是國外公司技術封鎖的重點。介紹自主研制的高速動車組列車網絡控制系統的主要功能、關鍵技術及應用情況。運用考核結果表明，該系統功能、性能和技術指標滿足高速動車組技術指標要求，突破了國外公司的技術壟斷和限制，系統掌握了列車網絡控制系統的核心技術。

動車組；列車網絡控制系統；中央控制單元；人機界面顯示屏；輸入輸 出工作站

高速動車組列車網絡控制系統是動車組的核心系統和關鍵技術。通過對既有高速動車組列車網絡控制系統控制軟件、通信協議、硬件接口及系統功能和主要性能參數進行研究，結合動車組運營經驗，實現了動車組列車網絡控制系統的自主研制。在保證動車組的技術質量標準、技術體系、硬件安裝尺寸與安裝方式、電氣接口以及功能和性能不變的前提下，實現了列車網絡控制系統的自主替代。經過引進、消化、吸收并自主創新后，掌握了系統的核心技術，突破了國外公司的技術壟斷和限制。以下重點介紹自主研制的高速動車組列車網絡控制系統（簡稱系統）的主要功能、關鍵技術及應用情況。

1 系統組成

1.1 系統拓撲結構

列車網絡控制系統采用列車級、車輛級兩級總線式拓撲結構（見圖1）。

8輛編組動車組由2個牽引單元構成，每個牽引單元為一個多功能車輛總線（MVB）網段，每個MVB網段采用了主鏈-分支結構，每輛車都設有中繼器，將一個牽引單元內的MVB分成多個分支。主鏈-分支結構的優點在于任何一個MVB分支故障后不會影響其他分支網絡及主干網絡的通信。同時，在動車組的端車各設置了2個MVB分支，重要的網絡設備冗余安裝在2個分支上，即使一個MVB分支故障也不會影響列車網絡控制系統的正常工作。

每個牽引單元通過網關將MVB協議轉換為列車總線（WTB）協議，各牽引單元間通過WTB進行通信。中央控制單元（主從CCU和附屬網關）、人機界面顯示器、分布式輸入輸出站、溫度采集裝置、遠程無線傳輸裝置，以及各智能子系統控制器等設備通過MVB連接到一個牽引單元內的通信控制網絡上。廁所系統、軸承溫度傳感器、車輛編碼器、煙霧探測器通過電纜連接到分布式輸入輸出工作站，再由工作站的車輛總線接口與牽引單元內部設備進行通信。

1.2 系統設備組成

動車組網絡控制系統主要包括：中央控制單元、人機接口顯示屏、輸入輸出工作站、C型輸入輸出模塊、溫度采集模塊、遠程無線傳輸裝置、網關、中繼器等（見圖2）。

圖1 系統拓撲結構

2 系統硬件研制

2.1 中央控制單元

中央控制單元（CCU）采用通用結構設計，并使用特殊的背板總線結構。在該背板總線構成的機箱中，可以經過不同功能板卡的組合完成網絡系統的控制任務。CCU由9種14塊板卡組成，主要包括：

圖2 系統設備組成

（1）TCN網關板卡。每個牽引單元有2個網關，但只有加載在主CCU上的網關參與WTB和MVB通信，從CCU上的網關不工作。網關負責WTB和MVB間的數據轉換。此外，網關還進行列車命名工作，包括“TCN命名”和“邏輯命名”（UIC命名），并提供配置信息。

（2）中央處理單元CPU板卡。 該板卡由一個中央處理單元構成，主要用于運行操作系統和網絡系統應用程序。

（3）輸入/輸出信號調理板卡。用于中央處理單元CPU和其他所有輸入/輸出板卡的接口，其通過數據總線和地址總線與CPU卡相連接，此模塊可以實現23路外部模擬信號和2路內部模擬信號的模擬/數字轉換。

（4）多功能MVB板卡。MVB板卡完成與車輛總線的通信，自主研制的MVB板卡采用FPGA實現TCN通信協議棧，符合IEC 61375標準要求。

（5）模擬量輸入/輸出板卡。該板卡完成模擬信號的采集和轉化，主要用于讀取列車網壓信號。

（6）110 V二進制輸入/輸出板卡。該板卡完成110 V二進制電壓信號的讀取和輸出，主要用于對列車相關繼電器狀態進行讀取或控制繼電器動作。

（7）源邊電流監控板卡。該板卡專門針對動車組變壓器保護設計，對列車網流信號進行監控，一旦發現網流瞬時值超限，立刻通過CCU相關接口斷開列車主斷路器。

（8）電源啟動板卡。該板卡用于一、二次電源電壓監控和控制系統電源的接通和斷開。在CCU啟動過程中，接通電源的瞬間啟動電流較大，但時間很短。該模塊允許出現瞬間的過流，但對正常工作后產生的過流，模塊將作為不穩定的電源供應，并切斷電源。

（9）電源板卡。完成110 V電壓到5 V的轉換，為整個機箱提供電源。

2.2 人機接口顯示屏

人機接口顯示屏（HMI）主要包括CPU電路（包括MVB通信部分）、電源模塊、顯示器模塊、存儲器及外圍接口電路。主CPU電路模塊采用超低功耗處理器，通過PC104總線接口與MVB通信模塊接口，規范化的設計提高了產品的可靠性。電源模塊部分采用110 V DC/DC高可靠車載隔離電源模塊，具有極高的轉換效率與良好的熱設計。顯示器模塊采用高對比度、低反射TFT顯示屏，LED背光，外部有防眩暈玻璃面板保護。人機接口顯示屏采用2個寬溫高可靠工業級存儲器，4G CF卡用于安裝操作系統，4G DOM用于存儲應用數據。面板引出接口包括2路MVB接口、2路網絡接口、2路串口、電源接口、音頻接口等。

2.3 溫度采集模塊

溫度采集模塊實現對20個通道的Pt100溫度采集，每個采集通道采用四線制，模擬采集電路主要采用12位AD采樣芯片，輸出采用MVB通信接口。溫度采集模塊具有過程數據通信功能，設備的MVB端口地址與設備地址有關，通過4個外部輸入信號可以配置設備地址。模塊具有完善的診斷功能，可檢測斷路、短路及每一路溫度采集信號的有效性，溫度測量范圍為-40～250 ℃。主要技術參數見表1。

2.4 C型輸入輸出模塊

C型輸入輸出模塊具有2個DC 24 V電源輸出、2組16通道輸入、1組8通道輸出和2組10通道高速輸入。輸入輸出模塊具有過程數據通信功能，設備的MVB端口地址與設備地址有關，通過4個外部輸入信號可以配置設備地址。模塊具有完善的診斷功能，對輸入和輸出通道的DC 24 V供電進行分組管理，具有限流和過流保護能力。通過MVB輸出端口把各分組電源供電的狀態傳輸到MVB網絡上，并對MVB輸入數據有宿端口監視功能。主要技術參數見表2。

2.5 輸入輸出工作站

輸入輸出工作站主要包括：獨立電源模塊（110 V/24 V）、DC 110 V輸入模塊、DC 110 V輸出模塊，主CPU模塊和MVB總線模塊。根據需求可以掛接多個DC 110 V輸入模塊（最多12個模塊）和多個DC110 V輸出模塊（最多12個模塊）。每個輸入模塊包含16個DC 110 V輸入通道，每個輸出模塊包含8個DC 110 V輸出通道，輸入和輸出通道均有指示燈顯示當前通道的工作狀態。工作站采用獨特的模塊化結構設計，擴展性強，可以根據實際應用需求進行靈活配置。輸入、輸出和基座殼體設計立體效果見圖3，主要技術參數見表3。

表1 溫度采集模塊主要技術參數

表2 C型輸入輸出模塊主要技術參數

2.6 MVB中繼器

MVB中繼器提供了在不同的EMD介質的MVB網段之間的物理連接。在節點數目超過32個或傳輸距離超過200 m的MVB網絡中必須使用中繼器。MVB中繼器通過對數據信號的重新發送或轉發進而擴大網絡傳輸距離。

2.7 遠程無線傳輸裝置

遠程無線傳輸裝置可滿足對運行動車組的安全狀態與故障情況進行實時動態跟蹤監控、提供遠程技術支持和故障應急指導并即時組織維修的實際運用需求。采用了車載網絡技術、微處理器技術、GPRS無線傳輸技術、WLAN無線局域網技術。

3 系統軟件研制

系統軟件主要包括：中央控制單元軟件、人機接口顯示屏軟件、各網絡設備嵌入式軟件及通信數據庫軟件。

3.1 中央控制單元軟件

中央控制單元軟件開發過程根據EN 50126中定義的V模型，分為系統和要求定義、設計和制造、運行系統等階段。

軟件開發采用的編程工具不但可以實現整列車運行所需的各種控制、監視、診斷功能，而且也可以實現各種復雜實時運算和控制功能。軟件開發采用模塊化的圖形語言，編程者基于可視化的圖形編程就可以實現各種控制目標，不需要編程者對硬件系統有非常深入的了解。

圖3 輸入、輸出和基座殼體設計立體效果

表3 輸入輸出工作站主要技術參數

中央控制單元軟件主要完成其本身牽引單元內的車輛控制，從外圍設備和WTB讀取命令和信息，并向WTB發送控制信號和反饋信息。主CCU主要完成以下功能：主斷路器和受電弓控制，牽引控制單元（TCU）的牽引設置點生成，主變壓器保護，車載電源控制，前端車鉤和遠端車鉤控制，車門、空調、照明等高等級命令的生成和控制，安全環、火警系統和轉向架診斷監視，穩定運行控制，裝置診斷，列車總線和車輛總線通信診斷。作為占用端的列車級CCU，除以上工作外，還進行整車的更高等級的控制，包括：評估司機操作臺上的控制元件，整車的牽引設置點生成，速度自動控制，司機安全裝置（DSD）、中心距離和速度記錄（CDS），聯掛/解編控制等。中央控制單元軟件系統架構見圖4。

3.2 人機界面顯示屏軟件

人機界面顯示屏軟件基于硬件平臺，采用QNX嵌入式實時操作系統，使用開源的Eclipse的開發環境，支持C/C++/Java等語言。

圖4 中央控制單元軟件系統架構

人機界面顯示屏軟件設計主要包括界面設計和診斷系統設計。其中界面設計主要包括數據狀態顯示、故障信息處理及顯示屏界面的冗余切換。人機界面設計遵循以下原則： 以用戶為中心的原則、順序原則、功能原則、一致性原則、頻率原則、重要性原則、面向對象原則。以司機室左屏為例，頁面層次結構見圖5。

列車故障診斷是人機界面顯示屏的重要功能之一。高效的診斷系統能夠提高列車故障的檢修效率，保證列車正常運行。診斷系統對故障的診斷可分為在線故障診斷和檢修部門故障診斷兩個階段。其中在線故障診斷主要工作為識別故障、確定列車運行狀態的受限制情況，以及對運行限制做出提示/通報、提供操作說明、保存數據，供檢修部門進一步診斷故障。檢修部門故障診斷主要工作為提出功能受限的零部件、描述零部件與正常功能時的狀態偏差及處置建議、維護人員與故障的管理。

為了高效完成上述兩個階段的工作，診斷系統采用了分級診斷的設計思想，即將列車的整體故障診斷分為子系統層面、牽引單元層面和列車組層面。子系統層面主要診斷子系統和零部件故障，分布在各子系統控制單元，診斷出故障原因和功能失效，進行本地存儲，功能失效繼續通報到中央控制單元故障診斷；牽引單元層面主要診斷中央控制單元故障，分布于各中央控制單元，控制必要報警的輸出，存儲由各子系統所通報的功能限制，存儲本單元的所有故障報警；列車組層面主要診斷列車組綜合故障，主要由司機顯示屏承擔中央診斷中心的功能，負責存儲所有故障診斷報警，根據各單元單個事件，綜合評定全列事件，為用戶（司機、隨車機械師、列車乘務員）形成報警描述。

圖5 司機室左屏頁面層次結構

4 系統測試平臺建設

為確保系統硬件產品質量可靠和系統軟件功能正確，自主建立了一整套測試平臺（見圖6）。主要包括：

（1）中央控制單元板卡及整機出廠例行試驗自動測試平臺；

（2）TKD581溫度采集模塊試驗臺；

（3）TKD582輸入輸出模塊試驗臺；

（4）TKD583輸入輸出工作站試驗臺；

（5）TKD584 MVB中繼器試驗臺；

（6）列車網絡一致性測試平臺；

圖6 系統測試平臺

（7）單車調試平臺：基于車載網絡控制技術和以太網通信技術，為單車調試測試人員提供了一種便捷的圖形化車輛設備工作狀態的識別方法，提高了動車組電氣系統的調試效率，有效降低了調試時出錯的概率，為保障動車組的制造質量提供了必要的調試手段；

（8）列車網絡控制半實物仿真測試平臺：解決了高速動車組在設計開發過程中，大量實物試驗導致產品研制周期長、成本高及某些試驗難以通過實物試驗開展等問題，實現了以網絡通信為基礎，輸入信號動態采集、輸出信號動態可控、試驗仿真可視化，建成了集控制系統軟件設計開發、控制與診斷邏輯關系驗證、通信性能測試、硬件網絡設備測試、各子系統接口和功能測試為一體的高速動車組網絡控制系統半實物仿真測試平臺。

5 系統應用

自主研制的列車網絡控制系統硬件已經在廣州鐵路（集團）公司的動車組上裝車，載客運營超過60萬km；自主研制的網絡控制系統軟件已經裝載到北京鐵路局的動車組列車上進行載客運用考核，運營里程已經超過40萬km。在此期間，針對京津城際鐵路動車組重聯運行時后弓受流效果不佳造成牽引頻繁丟失情況，協同主機廠幫助鐵路局將受電弓的控制模式改為自動控制模式，使受電弓能夠根據不同速度自動調整壓力，改善受流狀況。此后軟件裝車考核范圍擴大到10列。在運用考核期間，系統工作正常，沒有出現影響行車安全及行車秩序的故障。

6 結束語

列車網絡控制系統作為高速動車組神經中樞系統，是動車組的核心系統和關鍵技術。在經過引進、消化、吸收并自主創新后，掌握了列車網絡控制系統的核心技術，主要包括：列車網絡控制系統集成技術、動車組整車控制邏輯、診斷邏輯與系統冗余設計技術、列車網絡控制系統硬件開發技術、列車網絡控制系統軟件開發技術、列車網絡控制系統測試平臺建設、列車網絡控制系統測試及調試技術。

該系統經過方案設計、需求分析、詳細設計、硬件制造、實驗室軟硬件聯調測試、裝車例行測試、正線動靜態測試和載客運行考核各階段，考核結果表明：自主化列車網絡控制系統功能、性能和技術指標與動車組原型產品相同，可實現對等替代，滿足高速動車組技術指標要求；系統達到國外同類產品技術水平，突破了國外公司的技術壟斷和限制，同時也對動車組運用維護的各個階段開始產生良好的經濟和社會效益，具體體現如下：

（1）服務價值。既吸收國外已有平臺的成功經驗，又能避免國外平臺在我國運用維修中出現的問題，降低運用維護成本。

（2）間接經濟價值。打造動車組網絡控制系統平臺，突破既有平臺的技術約束，使相關技術創新不再受限制。

（3）社會價值。開展自主研發和技術創新，從頂層設計到技術和產品實現，實踐正向設計的全過程，最終全面掌握了系統的核心技術，為實現我國動車組的持續創新和標準體系建設奠定良好基礎。

高 楓：中國鐵道科學研究院機車車輛研究所/北京縱橫機電技術開發公司，助理研究員，北京，100081/ 100094

趙紅衛：中國鐵道科學研究院機車車輛研究所/北京縱橫機電技術開發公司，研究員，北京，100081/ 100094

黃志平：中國鐵道科學研究院機車車輛研究所/北京縱橫機電技術開發公司，副研究員，北京，100081/ 100094

王立文：中國鐵道科學研究院機車車輛研究所/北京縱橫機電技術開發公司，副研究員，北京，100081/ 100094

責任編輯 盧敏

U266

A

1672-061X（2015）02-0077-06

鐵道部科技研究開發計劃項目（2012J002）。

所獲獎項：2014年度中國鐵道學會科學技術獎二等獎。