列車綜合網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)一體化設(shè)計(jì)研究

陳美霞　邵國(guó)棟　張軍賢

（中國(guó)中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司，210031，南京∥第一作者，教授級(jí)高級(jí)工程師）

列車綜合網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)一體化設(shè)計(jì)研究

陳美霞邵國(guó)棟張軍賢

（中國(guó)中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司，210031，南京∥第一作者，教授級(jí)高級(jí)工程師）

摘 要介紹了城市軌道交通車輛基于以太網(wǎng)總線的列車綜合網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)一體化設(shè)計(jì)案例，提出自主開發(fā)的列車綜合網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的功能及設(shè)備組成，并描述其設(shè)計(jì)思路及系統(tǒng)特性。列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)及其以太網(wǎng)維護(hù)網(wǎng)絡(luò)、車載乘客信息系統(tǒng)和制動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)網(wǎng)一體化設(shè)計(jì)可優(yōu)化車載網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)、提高網(wǎng)絡(luò)利用效率，改善軌道交通的整體運(yùn)行水平。

關(guān)鍵詞城市軌道交通；列車綜合網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)；車載乘客信息系統(tǒng)；一體化設(shè)計(jì)

Author＇s address CRRC Nanjing Puzhen Co.，Ltd.，210031，Nanjing，China

0　引言

現(xiàn)代軌道交通車輛已大范圍采用列車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，車輛總線的種類也逐漸趨同。目前，國(guó)內(nèi)主流的城市軌道交通（以下簡(jiǎn)為“城軌”）車輛主要采用多功能車輛總線（MVB），這也是歐洲軌道交通設(shè)備制造商供給中國(guó)列車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的共同總線。由MVB組成的列車控制及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（TCMS）的主要功能為：

（1）控制或監(jiān)測(cè)列車運(yùn)行的關(guān)鍵參數(shù)。這些參數(shù)需要被快速和最優(yōu)先處理，以保障人員、財(cái)產(chǎn)安全和列車的可用性（如牽引、制動(dòng)等功能）。其中重要的功能由列車硬連線備份，以供緊急時(shí)使用。

（2）控制或監(jiān)測(cè)列車非運(yùn)行相關(guān)的參數(shù)。該參數(shù)傳遞的信息對(duì)乘客∕財(cái)產(chǎn)安全及列車的可用性無(wú)影響，如空調(diào)控制、報(bào)站控制等。

（3）維護(hù)和診斷輔助功能。該功能可幫助維護(hù)人員進(jìn)行糾正性和預(yù)防性維護(hù)。其信息的采集存儲(chǔ)通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行，供車下分析維護(hù)。

TCMS網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D（6節(jié)編組列車中一個(gè)單元）如圖1所示。由圖1可以看出，存在兩部分網(wǎng)絡(luò)，一部分是TCMS系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)，另外還有制動(dòng)電子控制（BCE）系統(tǒng)的內(nèi)網(wǎng)，以實(shí)現(xiàn)制動(dòng)系統(tǒng)所有控制單元之間的數(shù)據(jù)交換及管理功能。

圖1　一個(gè)單元的TCMS網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

隨著列車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)功能的日趨豐富，車輛內(nèi)除了布置常規(guī)的控制網(wǎng)絡(luò)，還增加了以太網(wǎng)維護(hù)網(wǎng)絡(luò)，通過交換機(jī)連接車輛控制單元（VCU）、司機(jī)顯示單元（DDU）、牽引電子控制單元（PCE）等設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)車輛故障自動(dòng)下載至車輛段的功能。以太網(wǎng)維護(hù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D（6節(jié)編組列車的一個(gè)單元）如圖2所示。

與此同時(shí)，為提高乘客的舒適性，車輛還配置了車載乘客信息系統(tǒng)（PIS）。其主要運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)控制和多媒體控制技術(shù)，內(nèi)含司機(jī)室PIS主機(jī)、LCD（液晶顯示器）媒體播放器、車廂視頻監(jiān)控?cái)z像頭等設(shè)備，以客室為載體向乘客呈現(xiàn)多樣化的信息。車載PIS息系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫疽鈭D（6節(jié)編組列車中的一個(gè)單元）如圖3所示。為了滿足實(shí)時(shí)傳輸大數(shù)據(jù)量的需求，PIS中也采用了以太網(wǎng)。這樣車輛中就有兩套以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)。

圖2　一個(gè)單元以太網(wǎng)維護(hù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

圖3　PIS網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫疽鈭D

綜上所述，城軌車輛內(nèi)部同時(shí)存在著多種通信協(xié)議和總線。如果列車內(nèi)各個(gè)子系統(tǒng)分別獨(dú)立設(shè)計(jì)，必然導(dǎo)致系統(tǒng)設(shè)備繁多、設(shè)備之間的連線復(fù)雜，而城軌車輛客室空間有限，這林林總總的網(wǎng)絡(luò)不僅降低了整車系統(tǒng)的穩(wěn)定性，也使后期的調(diào)試和維護(hù)難度大大增加。

鑒于此，本文提出列車綜合網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)一體化設(shè)計(jì)的思路，以優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，減少布線，提高網(wǎng)絡(luò)利用效率。這樣的整合在國(guó)外已有項(xiàng)目執(zhí)行，如巴西圣保羅地鐵以及澳大利亞悉尼地鐵項(xiàng)目已應(yīng)用該設(shè)計(jì)思路。巴西圣保羅地鐵列車綜合網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)拓?fù)鋱D如圖4所示。該項(xiàng)目中網(wǎng)絡(luò)總線種類多樣，有MVB、CAN（控制器局域網(wǎng)）總線、以太網(wǎng)總線等。其相當(dāng)于在現(xiàn)在的國(guó)內(nèi)TCMS網(wǎng)絡(luò)中并入了PIS，TCMS和PIS共用主機(jī)，所有子系統(tǒng)通過以太網(wǎng)主干線連接，減少了中間轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)。主干高速以太網(wǎng)采用冗余設(shè)計(jì)，一路以太網(wǎng)故障，不影響全列車之間的數(shù)據(jù)傳輸。

悉尼地鐵列車綜合網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)拓?fù)鋱D如圖5所示。該項(xiàng)目基于純以太網(wǎng)絡(luò)，所有設(shè)備的通信介質(zhì)都是以太網(wǎng)總線，不存在總線繁多、協(xié)議復(fù)雜、多樣轉(zhuǎn)換等問題。設(shè)備之間通過以太網(wǎng)直接進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，TCMS和PIS共用主機(jī)，達(dá)到了設(shè)備減少、總線種類單一、電纜類型單一、布線設(shè)計(jì)更加優(yōu)化等效果。主干高速以太網(wǎng)采用冗余設(shè)計(jì)，一路以太網(wǎng)故障，不影響全列車之間的數(shù)據(jù)傳輸。目前，國(guó)內(nèi)軌道交通車輛行業(yè)還未有相關(guān)應(yīng)用項(xiàng)目，存在明顯技術(shù)空白。

1　列車綜合網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)總體描述

列車綜合網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)是一個(gè)綜合性的車輛信息收集、顯示以及控制系統(tǒng)。即把原先的TCMS及其以太網(wǎng)維護(hù)網(wǎng)絡(luò)、制動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)網(wǎng)和PIS網(wǎng)絡(luò)融合為一套網(wǎng)絡(luò)。其結(jié)構(gòu)基于輕型化、模塊化和分布化設(shè)計(jì)。本文提出的列車綜合網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)通過MVB、以太網(wǎng)總線進(jìn)行所有數(shù)字信號(hào)的傳輸，可有效減少車輛間硬連線的數(shù)量。

圖4　巴西圣保羅地鐵列車綜合網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)拓?fù)鋱D

圖5　悉尼地鐵列車綜合網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)拓?fù)鋱D

（1）MVB主要連接列車各重要設(shè)備，傳輸介質(zhì)為屏蔽雙絞線，采用IEC 61375-1列車通信網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，傳輸速率為1.5 Mbit∕s。

（2）以太網(wǎng)總線采用IEEE 802.3∕802.3u標(biāo)準(zhǔn)，傳輸介質(zhì)為超5類屏蔽雙絞線，傳輸速率為100 Mbit∕s，主要連接諸如車輛控制單元、輔助供電、司機(jī)顯示單元以及PIS車載主機(jī)等設(shè)備，實(shí)現(xiàn)部分子系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸，以及車載PIS所有數(shù)據(jù)信息的傳輸。

2　列車綜合網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)功能及其設(shè)備

列車綜合網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)包含了原先的TCMS及其以太網(wǎng)維護(hù)網(wǎng)絡(luò)、制動(dòng)內(nèi)網(wǎng)和PIS網(wǎng)絡(luò)的所有功能。

2.1TCMS功能

（1）控制功能：包括系統(tǒng)冗余控制、牽引制動(dòng)控制、空調(diào)系統(tǒng)模式控制、高速斷路器控制、輔助逆變器控制和報(bào)站控制等。

（2）監(jiān)視功能：主要監(jiān)視對(duì)象有牽引系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、輔助供電系統(tǒng)、車門系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、高低壓供電系統(tǒng)、乘客信息∕廣播系統(tǒng)，以及司機(jī)室重要開關(guān)按鈕等。列車控制系統(tǒng)持續(xù)監(jiān)視車載主要設(shè)備的狀態(tài)并通過顯示器顯示各設(shè)備狀態(tài)及故障信息。

（3）診斷功能：車輛控制單元收集列車主要事件、故障和重要狀態(tài)及子系統(tǒng)等相關(guān)信息，并根據(jù)整列車的故障情況及該子系統(tǒng)部件故障對(duì)列車運(yùn)營(yíng)的影響程度，對(duì)相關(guān)信息進(jìn)行集中診斷處理和存儲(chǔ)。故障信息可在DDU上顯示，也可以不同的方式記錄在故障記錄儀或事件記錄儀中，并可通過維護(hù)接口下載到本地維護(hù)電腦，供長(zhǎng)期儲(chǔ)存和深入分析。

2.2 車載PIS功能

（1）乘客廣播系統(tǒng)功能：主要包括司機(jī)對(duì)客室廣播、運(yùn)營(yíng)控制中心對(duì)客室廣播、司機(jī)內(nèi)部對(duì)講、乘客緊急對(duì)講，以及通過列車控制系統(tǒng)獲得站點(diǎn)信息進(jìn)行數(shù)字語(yǔ)音報(bào)站，并將其傳輸給乘客信息顯示系統(tǒng)用于信息顯示、關(guān)門提示音、客室廣播監(jiān)聽、預(yù)錄緊急廣播等功能。

（2）乘客信息顯示系統(tǒng)功能：在客室適當(dāng)位置安裝顯示屏，顯示動(dòng)態(tài)地圖、前端信息、內(nèi)部信息、司機(jī)室信息等。

（3）閉路電視系統(tǒng)功能：主要包括車內(nèi)視頻采集、視頻圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換壓縮、各車廂和司機(jī)室的視頻圖像實(shí)時(shí)顯示、視頻與旅客緊急通信單元聯(lián)動(dòng)、視頻錄像文件查詢、視頻錄像文件下載、閉路電視系統(tǒng)即插即用等。從乘客廣播系統(tǒng)及時(shí)獲取乘客緊急對(duì)講信息以及車門緊急解鎖信息等，同時(shí)將車上監(jiān)控?cái)z像頭拍攝的視頻信息通過車地?zé)o線局域網(wǎng)上傳至地面運(yùn)營(yíng)控制中心，使閉路電視系統(tǒng)可與各系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)。

（4）影視娛樂系統(tǒng)：影視娛樂系統(tǒng)的媒體信息包括預(yù)存儲(chǔ)和無(wú)線傳輸兩種。系統(tǒng)可默認(rèn)播放無(wú)線傳輸?shù)拿襟w信息，當(dāng)無(wú)線傳輸?shù)拿襟w信息缺失或故障時(shí)，系統(tǒng)可自動(dòng)切換到預(yù)存儲(chǔ)媒體信息播放。也可手動(dòng)選擇預(yù)存儲(chǔ)媒體信息播放模式。

各系統(tǒng)之間的信息傳輸示意圖如圖6所示。

圖6　各系統(tǒng)信息傳輸示意圖

維護(hù)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)將車輛的故障數(shù)據(jù)通過無(wú)線方式發(fā)送到車輛段，便于維護(hù)人員分析，大大節(jié)省維護(hù)時(shí)間，提高維護(hù)效率。

列車綜合網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)主要設(shè)備如表1所示。

表1　列車綜合網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)設(shè)備配置表　　個(gè)

3　列車綜合網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)一體化設(shè)計(jì)思路及特性

考慮到列車綜合網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)一體化設(shè)計(jì)是首次使用，為保險(xiǎn)起見，仍然保留MVB作為列車控制總線，以連接牽引、輔助、制動(dòng)等比較關(guān)鍵的系統(tǒng)；其余系統(tǒng)直接連到以太網(wǎng)上，共用一個(gè)控制主機(jī)，實(shí)現(xiàn)一網(wǎng)融合，從而現(xiàn)實(shí)列車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、維護(hù)網(wǎng)絡(luò)與車載PIS網(wǎng)絡(luò)的全部功能。該方案的拓?fù)鋱D（6節(jié)編組列車中的一個(gè)單元）如圖7所示。

圖7中的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)獨(dú)立設(shè)計(jì)的車載網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)和PIS相比具有以下特點(diǎn)：

（1）系統(tǒng)冗余設(shè)計(jì)：系統(tǒng)架構(gòu)的設(shè)計(jì)充分考慮了數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜哂嘈裕捎萌哂嗟囊蕴W(wǎng)總線，當(dāng)其中一路以太網(wǎng)總線故障時(shí)，只降低數(shù)據(jù)的傳輸速率；而不影響整個(gè)系統(tǒng)功能，當(dāng)整個(gè)以太網(wǎng)總線故障時(shí)，系統(tǒng)執(zhí)行降級(jí)模式運(yùn)行，由光纖環(huán)網(wǎng)傳輸司機(jī)室人工廣播、司機(jī)對(duì)講及乘客緊急對(duì)講的音頻信號(hào)，以保證司機(jī)與乘客的信息溝通，同時(shí)，光纖環(huán)網(wǎng)可實(shí)現(xiàn)在列車連掛時(shí)的廣播、對(duì)講功能；每列車兩端的司機(jī)室各設(shè)一個(gè)VCU主機(jī)，兩者互為冗余備份，當(dāng)主VCU主機(jī)故障時(shí)，熱備份狀態(tài)的VCU主機(jī)接替故障的VCU主機(jī)繼續(xù)工作，與此同時(shí)采用冗余的以太網(wǎng)總線及MVB進(jìn)行連接，單個(gè)列車客室設(shè)備故障不影響其他客室設(shè)備功能的正常發(fā)揮。

圖7　列車綜合網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)拓?fù)鋱D

（2）系統(tǒng)高傳輸性設(shè)計(jì)：車上的機(jī)柜均采用模塊化設(shè)計(jì)，在多種設(shè)備上利用以太網(wǎng)供電技術(shù)，使得設(shè)備更加緊湊，極大地減少了供電電纜的數(shù)量；VCU主機(jī)存儲(chǔ)整個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)（線路數(shù)據(jù)、音頻信息數(shù)據(jù)、視頻信息數(shù)據(jù)）和車載視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，發(fā)布各類系統(tǒng)的控制指令，管理系統(tǒng)總線和系統(tǒng)內(nèi)所有設(shè)備；可通過以太網(wǎng)總線進(jìn)行通信，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備狀態(tài)信息，當(dāng)收到系統(tǒng)設(shè)備異常信息時(shí)進(jìn)行記錄，并將異常信息上傳到列車綜合網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，在增加系統(tǒng)間互聯(lián)互通性能的同時(shí)可減少系統(tǒng)故障率。

（3）各系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立性設(shè)計(jì)：各模塊作為最小可更換單元相對(duì)獨(dú)立，單一模塊發(fā)生故障時(shí)不會(huì)影響到其他模塊的功能實(shí)現(xiàn)，例如司機(jī)室攝像頭故障并不影響廣播系統(tǒng)的任何功能。

（4）系統(tǒng)安全運(yùn)行穩(wěn)定性設(shè)計(jì)：在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮了多個(gè)業(yè)務(wù)子系統(tǒng)的特點(diǎn)，采用的以太網(wǎng)具有MVB無(wú)法比擬的高速傳輸特性和設(shè)備兼容性，可無(wú)縫連接不同廠商的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備；加上所采用的以太網(wǎng)能夠適應(yīng)列車內(nèi)超常的溫濕度范圍、高速振動(dòng)和沖擊等環(huán)境要求，控制總線負(fù)載使其保證高實(shí)時(shí)性。另外，本方案配置了一套故障排除與自檢功能設(shè)備，能夠?qū)α熊嚫飨到y(tǒng)設(shè)備故障進(jìn)行診斷和快速排除，并實(shí)時(shí)在DDU上進(jìn)行顯示。

該列車綜合網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)集數(shù)據(jù)高速傳輸性、廣泛兼容性、高度環(huán)境適應(yīng)性、故障排除與自檢簡(jiǎn)便性于一身，其采用軌道交通專用的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)協(xié)議及高加密的措施，并且通過相應(yīng)的措施使PIS網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的設(shè)備故障、報(bào)文故障不會(huì)影響到整個(gè)大系統(tǒng)，從而保證了列車綜合網(wǎng)絡(luò)的安全運(yùn)營(yíng)。下一步，將按照悉尼項(xiàng)目的方案進(jìn)行，將全車所有設(shè)備通過以太網(wǎng)接口相互連接，充分發(fā)揮高速以太網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)，使數(shù)據(jù)傳輸更加快速。

4　結(jié)語(yǔ)

近年來(lái)，隨著軌道交通車輛集成技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和多媒體技術(shù)的發(fā)展，軌道交通行業(yè)對(duì)集成化、人性化、智能化提出了越來(lái)越高的需求，車載列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)作為城軌車輛最重要的“神經(jīng)中樞系統(tǒng)”，必須響應(yīng)這樣的需求。本文本著優(yōu)化車輛設(shè)計(jì)、提高車輛網(wǎng)絡(luò)利用率和降低采購(gòu)成本的原則，自主創(chuàng)新開發(fā)出集成化、模塊化的列車綜合網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。這是未來(lái)城軌車輛技術(shù)發(fā)展的新趨勢(shì)。

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Integration Design of Train Integrated Network Control System

Chen Meixia，Shao Guodong，Zhang Junxian

AbstractAn integration design of urban rail transit train integrated network control system based on Ethernet is briefly introduced.The functions and composition of the autonomously developped system is described，including the design concept and the characteristics of the system.The integration design of the train network control system，the on-board Ethernet network maintenance and passerger information system，the brake internal network and so on could optimize the on-board network design，increase the network utilization efficiency and improve the overall operating level of urban rail transit.

Key wordsurban rail transit；train tntegrated network control system；on-board passenger information system；integration design

中圖分類號(hào)U 29-39

DOI：10.16037∕j.1007-869x.2016.01.017

收稿日期：（2014-04-18）