深圳地鐵3號線列車控制與診斷系統評價

李瑞榮 溫志強

(1.廣州鐵路職業技術學院,510430,廣州; 2.深圳市地鐵集團有限公司,518115，深圳∥第一作者，副教授)

深圳地鐵3號線列車控制與診斷系統評價

李瑞榮1溫志強2

(1.廣州鐵路職業技術學院,510430,廣州; 2.深圳市地鐵集團有限公司,518115，深圳∥第一作者，副教授)

介紹了深圳地鐵3號線列車采用的列車控制與診斷系統(TCDS)的網絡結構、主要部件的功能及控制原理，分析了TCDS的優缺點。該系統是一種分布式列車電子控制系統,由雙絞線式列車總線(WTB)、多功能車輛總線(MVB)和RS 485串行總線3個層級構成,能實時、全面、直觀地監控列車各子系統的工作狀態。

地鐵; 列車通信網絡; 列車控制與診斷系統

First-author′s address Guangzhou Railway Polytechnic,510430,Guangzhou,China

列車控制與診斷系統(TCDS)是專為軌道車輛的控制和故障診斷而設計的。它將分布于整個列車的各個智能單元聯結成一個3層的列車通信網絡(TCN)。韓國現代Rotem有限公司的TCDS采用分布式、模塊化的實時總線控制方式,系統設計符合列車通信網絡的IEC 61375-1標準,具有高冗余性和可靠性,廣泛應用于香港地鐵、臺灣地鐵、印度新德里捷運、加拿大溫哥華架空列車線及深圳地鐵龍崗線等。本文對深圳地鐵3號線的TCDS進行分析。

1 TCDS的構成

韓國現代Rotem有限公司的TCDS分為列車控制、車輛控制和局部總線控制3個層級,分別由雙絞線式列車總線(WTB)、多功能車輛總線(MVB)和RS 485串行總線實現。WTB用于實現兩個單元之間的通信,構成網絡列車控制級；MVB用于實現單元內部的TCDS、牽引系統、制動系統、輔助電源系統等設備間的通信,構成網絡車輛控制級；RS 485用于車輛控制單元(VCU)與乘客信息系統(PIS)、車門、空調間的通信,構成局部總線控制級,使不支持MVB的設備能夠方便地接入列車通信網絡。WTB通過專用的網關(VGWS)與MVB相連,進行數據交換。WTB和MVB的通信線路均采用雙通道冗余設計,當一路通信線路出現故障時,系統可自動切換到另一路通信線路。TCDS網絡拓撲結構如圖1所示。

一般地鐵列車由6節車輛編組組成,每3節為一個單元。其TCDS所需的典型硬件配置見表1。

2 TCDS主要部件的功能

2.1 中央控制單元(CCU)

CCU是TCDS的核心部件。每列車裝有2個CCU,分別位于2個拖車。CCU主要由中央處理器(VCPUS)、VGWS、存儲器板(VMS)、數字輸入板(VDIS)、數字輸出板(VDOS)和電源板(VPS)等組成,各板(除VPS外)均通過VME(Versa Module Eurocard)總線進行通信。CCU具備如下功能:

(1) 列車級/車輛級過程控制:負責列車的牽引/制動控制運算,以及空壓機啟動、空調啟動等一系列控制功能。

(2) 通信管理:具有WTB/MVB管理及2個CCU間主/備轉移和管理的能力。

(3) 顯示控制:與顯示裝置(DU)相關的數據傳輸。

注:CCU—中央控制單元;VCPUS—中央處理器;VMS—存儲器板;VDIS—數字輸入板;VDOS—數字輸出板;VPS—電源板;DU—顯示裝置;MVB I/O—輸入輸出模塊;Tc—帶司機室的拖車;M—動車

圖1 TCDS網絡拓撲結構 表1 列車TCDS硬件配置表 個

(4) 故障診斷:采集處理與存儲列車輔助電源、牽引、制動、車門、乘客信息、廣播、空調等子系統的狀態數據和故障數據，并通過DU報告司機或維護人員。

(5) 數據記錄存儲與下載:具有運行記錄數據、故障數據、耗電量與公里數數據的存儲與下載功能,同時可利用便攜式維護工具(PTU軟件)進行在線查看分析。

2.2 車輛控制單元(VCU)

VCU與CCU的結構組成基本相同,從網絡控制的角度來看,VCU可做CCU的備份。VCU比CCU少VMS和VDIS,不具備記錄功能,另外,兩者的接口、軟件也不一致。

2.3 多功能車輛總線輸入輸出模塊(MVB I/O)

多功能車輛總線輸入輸出模塊(MVB I/O)負責采集列車按鈕開關、硬線信號(DC 110 V繼電器控制電路)等數字輸入信號和司控器指令編碼等模擬信號。每列車裝有4個MVB I/O模塊,分別位于2個拖車(各2個)。其具備如下功能:

(1) 輸入信號采集:將采集的數字信號和模擬信號轉換為MVB網絡控制的報文,經MVB EMD(電氣中等距離)傳輸給CCU。

(2) 信號輸出:將MVB網絡控制的報文轉換為電氣信號,輸出速度信號給速度表等。

每輛拖車的2個MVB I/O輸入的信號完全相同,具備冗余能力。正常狀態下系統采用MVB_I/O 1的狀態,當MVB_I/O 1的生命信號置0后,采用MVB_I/O 2的輸入信號。MVB I/O具有28個數字輸入通道(DI 01～DI 28)、3 個模擬輸入通道和1個RS 485 接口(用于連接速度表)。

2.4 顯示裝置(DU)

DU是司機和維護人員的操作窗口,通過MVB EMD連接到CCU。它是一個基于Pentium M 650 MHz的PC,運行Windows XP操作系統,帶有觸摸屏彩色LCD(液晶顯示器),使用2 G的CF卡作為資料存儲媒介。每列車裝有2個DU,分別位于2個拖車中。其具備如下功能:

(1) 信息顯示:向司機或維護人員提供車輛各子系統設備的工作狀態、故障信息等。

(2) 參數設定:對空調溫度、時間日期、輪徑值和公里數等參數進行更改與設定。

(3) 功能測試:進行列車牽引、制動、輔助電源、車門等子系統基本參數的測試。

(4) 數據下載:通過USB接口,將運行記錄、故障信息、耗電量與公里數信息下載到裝有PTU軟件的電腦進行統計和分析。

圖2為韓國現代Rotem公司TCDS的DU界面結構設計框圖。

圖2 DU界面結構框圖

3 TCDS的控制原理

深圳地鐵3號線列車采用韓國現代Rotem有限公司的TCDS，其通過TCN(MVB+WTB)與全車各主要設備通信。TCDS將來自牽引手柄或ATO(列車自動運行)車載設備的牽引、制動指令通過MVB網絡傳給牽引子系統和制動子系統,從而控制列車的牽引、制動。同時，其接收來自各個子系統的數據信息,以便對列車進行更有效的控制和狀態監測。當列車網絡故障時,TCDS由于無法有效地控制列車運行而可能施加制動停車,甚至列車將被迫轉入緊急運行模式。

3.1 WTB的連接方式及其原理

每輛車的CCU/VCU均配有VGWS,通過雙路冗余的WTB電纜將6個VGWS串聯,構成列車通信級的WTB網絡。WTB的信息傳輸順序如圖3所示。WTB主要實現2個單元車的CCU的信息交換備份,而車2、3、4、5的VCU對信息只做傳輸不作處理。深圳地鐵3號線列車控制系統中,車1的CCU為WTB控制主站,只有車1的CCU能發出WTB主幀,車6的CCU不能發。當車1的CCU故障后,相鄰車2的VCU自動備份為WTB主站,代替車1發送WTB主幀進行數據采集;車2的VCU故障后則車3的VCU作為備份自動切換為WTB主站。只有當車1所在單元車的CCU和VCU全部故障后,WTB通信才中止。當車2、3 VCU備份為WTB主站時,其只能起到代替車1的CCU發送主幀進行數據采集的作用,而不能存儲列車的信息,所有的信息經WTB傳送至車6的CCU并存儲于VMS中。WTB的數據傳輸速度為1 Mbit/s,最大循環周期為25 ms。

3.2 MVB的連接方式及其原理

深圳地鐵3號線列車MVB同樣采用雙路冗余設計,傳輸介質為EMD,傳輸速度為1.5 Mbit/s,通信距離可達200 m。MVB將一個3車單元的內部設備串聯構成一個MVB網絡。2個單元內部各有一個由MVB組成的通信網絡。連接到MVB的3車單元的子系統包括DU、MVB I/O、制動電氣控制單元(BECU)、輔助電源單元(APU)、可變電壓和可變頻率(VVVF)及車載控制器(VATC)。一個3車單元構成的MVB網絡的數據訪問順序如圖4所示。

圖4 MVB通信拓撲圖結構圖

MVB的主幀由CCU發出,與WTB不同,車1、車6的CCU都可以發出MVB主幀。CCU不停發出狀態數據請求(SDR),各子系統收到CCU發出的SDR后將其狀態數據(SD)發送給CCU。主幀包含了SDR,輔幀傳回的內容包含SD。CCU通過發送SDR收集各個子系統的SD,通過收到的SD實時監控各子系統的狀態,并在有故障時通過DU顯示出來。每個單元的CCU同時向兩邊發送狀態數據請求指令,如圖4中淺色箭頭和深色箭頭所示。其中，淺色箭頭環路主要采集司控器的指令,進行牽引制動的控制；深色箭頭環路主要采集各個子系統的SD,進行實時狀態監控。CCU發出的牽引制動指令通過MVB網絡傳給VVVF和BECU,以實現列車的網絡控制。

3.3 WTB和MVB傳輸數據類型

(1) 過程數據。過程變量表示列車的狀態,如速度、電機電流、操作員的命令,過程變量的值稱為過程數據。過程數據的傳輸時間是確定的和有界的,為保證這一延遲時間,這些數據被周期性地傳送。

(2) 消息數據。消息被分成小的包,這些包分別被編號并由目的站確認。消息包及與之相關的控制數據形成消息數據。消息數據以命令方式傳輸。功能消息被應用層所使用，服務消息用于列車通信系統的管理等。

(3) 監視數據。監視數據為短的幀,主設備用它作同一總線內設備的狀態校驗、聯機設備的檢測、主權傳輸、列車初運行和其它管理功能。

3.4 幀和報文格式

以MVB為例,MVB的基本周期為1 ms,由主幀和從幀構成,如圖5所示。

圖5 主幀和從幀的構成

主幀格式:以主開始分隔符MSD開始,4位F_code碼限制下面的12位并指示從幀大小,Address為F-code碼所限制的12位邏輯地址,用于數據處理,CS為時序校驗,ED為結束分隔符。

從幀格式:以輔開始分隔符SSD開始,接著是16位,32位,64位,128位或256位幀數據,8位時序校驗CS在16位、32位、64位幀數據后。當幀數據長度超過64位時，幀文每隔64位后就有一個校驗序列CS,最后為結束分隔符ED。

報文時序:主幀和響應它的從幀稱為一個報文。

報文類型:過程數據、信息數據和監管數據報文。

4 對TCDS的評價

4.1 TCDS的優點

韓國現代Rotem有限公司的TCDS分為列車控制、車輛控制和局部總線控制3個層級,該控制網絡拓撲結構具有以下優點:

(1) 全面監控列車各系統狀態:該系統將列車自動控制(ATC)、牽引、制動、輔助電源、空調、乘客信息、廣播、車門以及硬線控制信號等接入網絡,因此CCU可更加全面地了解車輛各系統的狀態和故障信息。

(2) 高備份能力:①CCU-VCU功能備份,列車在運行過程中,若主控鑰匙激活端的CCU發生故障,由其相鄰VCU直接替代并對列車進行管理,列車不受任何限制可繼續運行;②CCU-CCU記錄備份,任何一個CCU發生故障,另一個CCU具備事件記錄功能的備份;③WTB和MVB冗余,WTB和MVB通信線路均采用雙通道冗余設計,當一路通信線路出現故障時,系統可以自動切換到另一路通信線路,不會影響整個網絡的通信;④MVB I/O冗余,每個拖車各有2個MVB I/O,其輸入的信號完全一致,MVB I/O 2長期為MVB I/O 1提供備份功能。

(3) 總線控制方式簡單:總線管理器為CCU,一列車有2個CCU,以主/從方式工作。

(4) 均衡各層級傳輸通信數據:每個層級負責不同數據的傳輸,均衡了各級總線的數據傳輸量，使得數據傳輸周期變短變快,實現控制功能的實時性。

4.2 對TCDS的改進意見

通過分析深圳地鐵3號線列車的列車控制系統及其他地鐵列車控制系統的特點,結合當今科技發展以及對安全性和速度的追求,提出以下改進意見:

(1) WTB和MVB網絡的A通道和B通道在物理上可改進為2根獨立的電纜。雖然深圳地鐵3號線也有冗余的A、B通道,但都集中在一根電纜中并共用一個插頭,當一個設備的WTB或MVB插頭故障后將影響列車通信。若A、B通道單獨設置WTB或MVB插頭,則單個插頭的故障不會影響網絡通信。

(2) 可簡化網絡層級,進一步提高數據傳輸速率,以獲得更短的數據傳輸時間和設備響應時間,并降低系統成本。例如,西門子公司提供的地鐵列車通信網絡僅有MVB一個層級。由于WTB的傳輸速率是1 Mbit/s,而MVB的傳輸速率是1.5 Mbit/s,全部采用MVB總線可提高數據的傳輸速率；同時,層級的減少可使網絡更緊湊,提高數據傳輸效率。另外,減少層級可節省昂貴的網關設備,有效降低系統成本。

(3) 可進一步擴大TCDS的監視和控制范圍,將更多的子系統控制器接入網絡。目前，深圳地鐵3號線的MVB網絡沒有將車門子系統和空調子系統串進來,而是通過RS 485串行總線連通到CCU或VCU，經內部轉換才能進行數據傳遞，車門監控不能通過網絡控制。如果將車門和空調通過MVB網絡連起來,那么車的可控性能會更高,效率也會更高。

5 結語

深圳地鐵3號線TCDS采用WTB、MVB和RS 485局部控制總線構成的3層結構,將分布于整個列車的各個子系統聯結成一個列車網絡,以控制和監視整個列車。該系統采用CCU冗余、I/O冗余和總線冗余設計,且在網絡故障時能夠轉入緊急運行模式,通過硬線控制列車。系統配有診斷設備、人機界面、標準化硬件和軟件模塊,使司機能隨時對車輛狀態進行全面、直觀的了解,及時發現故障,具有很高的可靠性和可用性。

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Analysis of Train Control and Dignosis System Adopted in Shenzhen Metro

LI Ruirong, WEN Zhiqiang

The network structure, main functions and control principle of train control and diagnosis system (TCDS) adopted on Shenzhen Metro Line 3 are introduced,the advantrages and disadvantages of TCDSare analyzed.The system is a distributed electronic train control system,there are 3 levels of wire train bus(WTB),multifunction bus(MVB)and 485 serial bus,it could monitor all the status of train subsystems timely,ditrectly and visually.

metro; train communication network; train control and diagnosis system

U 231.6

10.16037/j.1007-869x.2016.07.023

2015-11-05)