城軌車輛列車網絡控制系統技術方案及發展方向

■ 高 楓 余 博 李元軒

城軌車輛列車網絡控制系統技術方案及發展方向

■ 高 楓 余 博 李元軒

介紹城軌車輛列車網路控制系統技術方案；結合軌道交通裝備智能化的發展趨勢，提出下一代列車網絡控制系統架構，并對其發展進行展望。

城市軌道交通；列車網絡控制系統；MVB；WTB；以太網

列車通信網絡技術已成為現代列車的核心技術之一。城軌車輛采用列車通信網絡技術實現車載設備的互聯與控制，以確保運行安全與可靠。基于國際標準的列車控制網絡TCN技術是專門為列車車載設備通信量身定制的一種總線技術，也是目前列車控制網絡中最為廣泛采用的一種技術形式。

進入21世紀后，隨著現場總線網絡、列車骨干網（Ethernet Train Backbone，ETB）、列車編組網（Ethernet Consist Network，ECN）、無線通信、物聯網等諸多技術的應用，軌道交通裝備智能化正在加速發展。

1 城軌車輛列車網絡控制系統技術方案

1.1 系統拓撲結構

列車網絡控制系統（簡稱系統）采用列車級、車輛級兩級總線式拓撲結構（見圖1）。

圖1 系統拓撲結構

根據列車編組方式分配牽引單元，每個牽引單元劃分1個多功能車輛總線（MVB）網段，每個牽引單元通過網關將MVB協議轉換為絞線式列車總線（WTB）協議，各牽引單元間通過WTB總線進行通信。每個MVB網段采用主鏈-分支結構，每輛車都設有中繼器，將1個牽引單元內的MVB分成了多個分支。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以及主干網絡的通信。車輛的端車各設置2個MVB分支，重要的網絡設備冗余安裝在2個分支上，一個MVB分支故障不會影響列車網絡控制系統的正常工作。

圖2 網絡控制系統設備

圖3 中央控制單元結構

圖4 人機接口顯示屏

中央控制單元（CCU，包含主從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在內的設備通過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

列車網絡控制系統設備主要包括：中央控制單元、人機接口顯示屏（HMI）、輸入輸出工作站、MVB中繼器和遠程無線傳輸裝置（見圖2）。

1.2.1 中央控制單元

中央控制單元作為系統主要設備，實現重要設備的管理、運行信息采集、運行狀態的監視和故障診斷，從而保證列車安全可靠運行。同時可為司機或機械師提供故障處理指南，為檢修維護提供數據支持。中央控制單元采用通用結構設計，在使用特殊的背板總線結構構成的機箱中，可經過不同功能板卡的組合完成網絡系統的控制任務。每一牽引單元上安裝2臺CCU，互為冗余。列車激活后，其中1臺將成為主控CCU，另1臺將成為受控CCU。在1臺CCU故障的情況下，故障CCU的管理功能將由另1臺CCU接管，列車可繼續運營。中央控制單元結構見圖3。

CCU通過控制和監測整列車的列車功能和電路，實現對整車的中央控制功能，通過控制和檢測整列車的牽引系統實現對整車的牽引控制功能。

1.2.2 人機接口顯示屏

HMI主要通過MVB網絡收發過程與消息數據，實現各子功能系統的狀態顯示、故障診斷、信息保存，為司機提供故障的詳細信息及故障處理建議，實現全列車的牽引、制動等各子系統控制指令的下發及整車的操作和控制。HMI外觀見圖4。

HMI硬件組成主要包括中央處理器（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，采用快速實時操作系統（QNX）嵌入式實時操作系統，軟件部分使用C/C++/Java等語言開發。HMI的診斷系統采用了分級診斷的設計思想（見圖5）。

1.2.3 輸入輸出工作站

輸入輸出工作站將多個開關量信號集中采集和發布，通過車載網絡與中央控制單元交互，為應用提供開關量狀態數據，執行應用發布的控制命令。

圖5 列車分級診斷原理示意圖

輸入輸出工作站主要組成部分有：110 V/24 V獨立電源模塊，DC 110 V輸入、輸出模塊，主CPU模塊和MVB總線模塊。可根據需求掛接最多12個輸入模塊和最多12個DC 110 V輸出模塊。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。工作站采用獨特的模塊化結構設計，可根據實際應用需求進行靈活配置。其設計立體效果圖見圖6、圖7。

圖6 輸入輸出模塊殼體設計立體效果圖

圖7 輸入輸出模塊基座設計立體效果圖

1.2.4 MVB中繼器

M V B中繼器提供了在不同的中距離傳輸電介質（EMD）的MVB網段之間的物理連接。在節點數目超過32個或者傳輸距離超過200 m的MVB網絡中必須使用中繼器。MVB中繼器的外觀見圖8。MVB中繼器功能特點如下：

（1）實現2個EMD介質的MVB網段間數據轉發；

（2）具有完全獨立、冗余的雙通道結構，供電采用雙路冗余供電；

（3）采用現場可編程門陣列（FPGA）技術實現信號幅值的調整和相位再同步；

（4）主動完成幀間距時序的調整；

（5）抑制和屏蔽故障設備的持續發送；

（6）轉發信號延遲時間約為2．3 μ s；

（7）采用金屬整體成型機殼，采用導軌方式安裝，安裝和維護方便。

1.2.5 遠程無線傳輸裝置

遠程無線傳輸裝置對運行列車的安全狀態與故障情況進行實時動態跟蹤和監控，用于支持列車故障的診斷、分析、排除及列車檢修，為列車運行保障人員提供遠程技術支持和故障應急指導，其硬件主要由無線局域網（WLAN）板卡、CPU板卡、全球移動通信系統（GSM） 板卡、電源板卡組成。

遠程無線傳輸裝置主要記錄城軌列車在途傳輸的數據信息，包括動態位置跟蹤信息、基本狀態信息和故障信息。它通過接入MVB網絡獲取有關牽引、制動、供電、空調、門等子系統狀態的實時運行數據，與司機顯示屏通過以太網連接獲取以故障代碼為索引的實時故障數據的同時，通過GPS功能模塊獲取列車位置信息，根據實際情況選擇通過通用分組無線服務（GPRS）或車站內WLAN發送實時數據。

圖8 MVB中繼器

2 下一代列車網絡控制系統架構

隨著城市軌道交通列車信息化程度的提升，城軌車輛使用的WTB、MVB或控制器局域網絡（CAN）等技術已無法滿足豐富的車輛狀態信息傳輸需求。因此下一代城市軌道列車網絡需要使用新技術來滿足這些需求，眾多國際研究機構和組織都開展了相關工作。國際電工委員會（IEC）成立了關于列車通信網絡的標準化組織TC9（IEC technical committee 9： Electrical equipment and systems for railway），促進列車通信網絡的相關技術創新與技術合作。自2012年起，該組織聯合西門子、龐巴迪在內的車輛裝備產業集團陸續發布IEC 61375系列協議。IEC 61375系列協議的發展代表了產業對于列車網絡發展趨勢的共同認識，也指明了未來列車網絡技術的發展方向。表1描述了IEC 61375系列協議的詳細規定內容。

2.1 系統拓撲結構

現有列車網絡使用列車級WTB總線和車輛級MVB總線的網絡結構，該結構可提供可靠、確定性的數據連接，具有傳輸可靠的特點。

隨著列車智能化水平的提升，列車網絡需要能夠承載更多的數據傳輸。以太網技術具有應用廣泛、數據傳輸率高、容易與信息網絡集成、成本和費用低廉、可持續發展潛力大、支持多種物理介質和拓撲結構，以及軟硬件資源豐富等優點。以太網技術與其他網絡對比見表2。

列車以太網設備分布于列車的各個組成部分，列車網絡拓撲按網絡設備的所處層級來劃分，可分為兩級：列車級骨干網和車輛級局域網。列車級骨干網聯結著不同編組或不同車輛，實現跨編組或跨車通信；車輛級局域網負責聯結車輛內部終端。

表1 IEC 61375系列協議內容及狀態

表2 以太網技術與其他網絡對比

圖9 基于以太網的列車網絡控制系統架構

采用以太網架構的下一代列車網絡控制系統的拓撲結構見圖9。列車級以太網骨干網節點（ETBN）連接著不同編組，采用雙線冗余結構和雙ETBN冗余備份的方式工作，加強可靠運行的能力，并基于IEC 61375-2-5協議中的列車拓撲發現協議（TTDP）規范，實現自動跨編組配置，以列車網絡地址轉換（R-NAT）保證跨編組同子網IP節點之間，不會出現全網IP沖突問題；車輛級以太網交換機節點（ECN）負責與終端相連，構成車輛內部的環網，終端間使用IEC 61375-2-3協議中規定的列車實時數據傳輸（TRDP）協議。

ETBN節點和ECN節點之間交互的信息，優先級由高到低可分為傳輸5類數據：監視數據（Supervisory Data，用于拓撲發現及控制），過程數據（Process Data，用于列車控制的周期性數據）、消息數據（Message Data，用于傳輸事件驅動型報文），流數據（Stream Data，用于傳輸音頻/視頻流）和盡力可達數據（Best Effort Data，用于傳輸諸如固件上載信息等）。在網絡設備的轉發策略上，嚴格區分優先級，保證列車控制數據的傳輸可靠性。

從網絡控制的角度看，使用基于IEEE 802．1Q規范的VLAN（Virtual LAN）技術劃分網絡沖突域，保障數據傳輸的優先級及可靠性。

列車級ETBN、TTDP自動配置動態IP的分配規則為：00001010．1bb0ssss．sshhhhhh．hhhhhhhh/18

其中字段[b]為骨干網ID，用于列車控制與監視用途的骨干網時，數值為0；字段[s]為地址編碼，ETBN在初始化過程中通過TTDP協議獲知自身在全列車中的編號，具體內容如下：

（1）發現并監視鄰居ETBN。網絡中每個ETBN通過不斷發送和轉發拓撲信息，以保證自身擁有的拓撲信息的實時更新。

（2）ETBN拓撲信息的更新和協商需要借助上層列車應用來實現。

（3）ETBN根據列車應用，建立列車邏輯拓撲，并更新網絡服務重新分配IP地址，此過程保證了當列車重聯時不會出現IP沖突的問題。

2.2 系統設備組成

下一代城市軌道交通列車網絡控制系統設備主要包括：列車級以太網骨干節點ETBN、車輛級子網交換機ECN、MVB以太網網關、TRDP網卡和以太網中繼器。系統通過實現IEC 61375-2-5、IEC 61375-2-3及IEC 61375-3-4規定的列車以太網功能，能夠實現跨編組IP自動配置。下一代系統的產品體系見圖10。

2.2.1 列車級骨干網節點ETBN模塊

負責承擔車輛級自動拓撲發現、自動組網、實現跨編組網絡之間互連的協議（IP）轉換、列車設備信息數據庫存儲及列車設備域名系統（DNS）服務等功能。

該模塊具有4個以太網接口（M12-D），分別連接車頭連接器和車尾末端ETBN模塊，并保留了一個調試與管理接口（M12-D）。同時采用繼電器結構對ETBN掉電進行處理，實現Bypass功能，保證掉電后網絡線路仍然暢通。此外，一個編組內可同時運行2個ETBN模塊，其中一個作為冗余模塊熱備運行加強系統的安全性。ETBN模塊主要技術參數見表3。

2.2.2 車輛級交換機ECN模塊

負責承擔網絡終端的接入以及網絡控制功能。通過與ETBN模塊連接共同構成城軌列車網絡。

圖10 下一代系統的產品體系

表3 ETBN模塊主要技術參數

該模塊具有16個以太網接口（M12-D），可通過背板總線與ETBN模塊相連，主要承擔網絡終端的接入和傳輸控制，具備網管功能。ECN模塊也可單獨使用，作為網管型交換機使用，具有多用途、適用性廣泛的特點。車輛級最多可提供32個物理端口連接終端。ECN模塊主要技術參數見表4。

2.2.3 MVB-以太網網關

可實現MVB與以太網間數據的雙向轉發，使目前廣泛應用的MVB網絡設備能夠使用以太網進行數據傳輸。目前開發的網關設備，能夠實現多個MVB端口到UDP的映射，同時支持TRDP數據包傳輸，支持IEC61375-2-3規定的TRDP數據包結構。

2.2.4 以太網中繼器

以太網的傳輸距離受傳輸介質、周圍環境的影響，當以太網線纜超過50 m時會出現明顯的信號衰減，在列車網絡應用場景中需要對衰減信號加以補償才能使網絡正常運行。中繼器可以連接2個局域網的電纜，重新再生電纜上的數字信號并發送出去，屬于純物理層的功能。

3 發展和展望

當前，隨著科學技術迅猛發展，以及用戶對系統可靠性、可用性、可維護性、安全性（RAMS）和生命周期成本（LCC）要求的提高，軌道交通裝備的智能化也在提高。

目前已經有一系列的項目在推進軌道交通裝備的智能化。系統智能集成項目（Intelligent Integration of Railway System，InteGRail）是歐洲旨在推動軌道交通裝備智能化的項目之一，主要由西門子、龐巴迪、阿爾斯通、法國國家鐵路公司、UIC等歐洲的軌道交通企業、運營商以及標準化組織開發了一系列的裝備集成規范和應用項目原型。該項目通過智能化集成，提高車輛裝備、運營、基礎設施、旅客運輸等的安全性、可靠性和舒適性。Shift2Rail是歐洲另外一個項目，目標是將在其他領域使用的新技術應用在軌道交通上，以實現歐洲2020戰略。

表4 ECN模塊主要技術參數

軌道交通裝備的智能化不僅體現在運用先進技術提高城軌車輛的牽引、制動、輔助等系統的運行性能以及自動駕駛技術，提高車輛的智能診斷、智能維護等技術服務，而且還體現在為旅客提供更加智能的服務，例如信息服務、視頻監控服務等。

以往城軌車輛由于網絡帶寬的限制，車輛控制網、狀態監視網以及旅客信息網分別采用不同的網絡，如車輛控制網采用WTB、MVB等，狀態監視網采用MVB、CAN等，旅客信息網采用以太網等。近年來，隨著現場總線技術的成熟和發展，列車網絡控制系統已成為城市軌道交通車輛和鐵道車輛的關鍵系統。隨著最終用戶對列車網絡控制系統性能要求的提高，旅客信息傳輸、在線視頻監控和遠程數據服務等功能需要列車網絡控制系統具有較高的實時性和較好的可維護性，并能將列車實時數據傳送到遠程控制中心進行監控和維護。現有列車網絡應用的現場總線無法滿足上述要求，而工業以太網技術克服了現有列車網絡總線傳輸速度低、組網拓撲結構單一等缺點，能完全滿足上述需求。

隨著軌道交通應用以太網技術的日趨成熟，其應用領域不斷擴展，將吸引越來越多的廠商致力于開發高實效、高擴展性及高智能的以太網系列產品，使以太網能夠全面替代現有的總線，形成以工業以太網為主的列車車輛總線網絡，以滿足市場不斷提升的需求。

[1] 丁榮軍，楊衛峰，唐軍．軌道交通裝備智能化技術的研究及應用[J]．機車電傳動，2012(5)：1-4．

[2] 李洋濤．TCN列車網絡技術現狀與發展．單片機與嵌入式系統應用[J]．2012(1)：4-7．

[3] 本刊記者．把握世界城市軌道交通發展方向 展示城市軌道交通新技術與裝備[J]．中國鐵路，2011(11)：1-4．

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

余 博：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

李元軒：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

責任編輯 盧敏

U264.91；U231

A

1672-061X（2015）04-0057-06