列車(chē)廣播系統(tǒng)的聯(lián)掛設(shè)計(jì)

周玨凱，屠　宣，曾進(jìn)豪

(1.重慶市軌道交通(集團(tuán))有限公司，重慶　401120；2. 中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三研究所，北京　100015)

列車(chē)廣播系統(tǒng)的聯(lián)掛設(shè)計(jì)

周玨凱1，屠宣1，曾進(jìn)豪2

(1.重慶市軌道交通(集團(tuán))有限公司，重慶401120；2. 中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三研究所，北京100015)

摘要:列車(chē)廣播系統(tǒng)基于CAN總線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，通過(guò)音頻通道，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)廣播、人工廣播和報(bào)警/對(duì)講等功能，幾列車(chē)聯(lián)掛后，各車(chē)的廣播系統(tǒng)成為一個(gè)系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作。提出了一套地鐵列車(chē)廣播系統(tǒng)聯(lián)掛設(shè)計(jì)方案，從列車(chē)廣播系統(tǒng)介紹入手，逐漸展開(kāi)提出了廣播系統(tǒng)聯(lián)掛過(guò)程的設(shè)計(jì)以及實(shí)現(xiàn)方法。列車(chē)廣播系統(tǒng)的聯(lián)掛設(shè)計(jì)主要涉及幾個(gè)方面：通信系統(tǒng)聯(lián)掛、廣播通道聯(lián)掛、對(duì)講報(bào)警通道聯(lián)掛。

關(guān)鍵詞:列車(chē)廣播系統(tǒng)；聯(lián)掛；車(chē)載電子

列車(chē)聯(lián)掛運(yùn)行在動(dòng)車(chē)組列車(chē)中比較常見(jiàn)，它是一種采用專(zhuān)用的連接器將兩列或者多列獨(dú)立的列車(chē)連接成一個(gè)整體來(lái)運(yùn)行的方式，目的是為了提高列車(chē)的運(yùn)載能力。

現(xiàn)有地鐵列車(chē)的聯(lián)掛是為車(chē)輛救援設(shè)置的，一般聯(lián)掛線(xiàn)纜較少，其中列車(chē)廣播系統(tǒng)的聯(lián)掛線(xiàn)只有通信線(xiàn)和司機(jī)對(duì)講音頻線(xiàn)，目的是通過(guò)聯(lián)掛線(xiàn)纜，使救援車(chē)輛與被救援車(chē)輛的司機(jī)之間能夠進(jìn)行信息交換，以便及時(shí)了解被救車(chē)輛的狀況。救援聯(lián)掛車(chē)輛的數(shù)量一般不會(huì)超過(guò)2列，所以這種聯(lián)掛方式相對(duì)簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)，救援聯(lián)掛使用頻率很低。

目前隨著動(dòng)車(chē)組列車(chē)的聯(lián)掛運(yùn)行日益普遍，這種靈活方便的列車(chē)運(yùn)行方式逐漸得到業(yè)界的認(rèn)可，一些市郊快速城市列車(chē)也準(zhǔn)備嘗試聯(lián)掛運(yùn)行。相比之前的救援聯(lián)掛，聯(lián)掛運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)聯(lián)掛變成了列車(chē)運(yùn)行工作的常態(tài)，它對(duì)聯(lián)掛的可靠性要求更高，實(shí)現(xiàn)也變得復(fù)雜。對(duì)廣播系統(tǒng)而言，幾列車(chē)聯(lián)掛以后，各車(chē)的廣播系統(tǒng)要成為一個(gè)系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作[1]。

1列車(chē)廣播系統(tǒng)介紹

介紹列車(chē)廣播系統(tǒng)聯(lián)掛設(shè)計(jì)之前，首先需要了解列車(chē)廣播系統(tǒng)的功能及工作原理。

1.1列車(chē)廣播系統(tǒng)的組成及功能

列車(chē)廣播系統(tǒng)是地鐵列車(chē)的配套系統(tǒng)，列車(chē)廣播是車(chē)載電子系統(tǒng)的重要組成部分。列車(chē)廣播系統(tǒng)一般由司機(jī)室設(shè)備和客室設(shè)備組成，詳見(jiàn)表1。

表1列車(chē)廣播系統(tǒng)組成

序號(hào)位置設(shè)備名稱(chēng)數(shù)量/輛Tc車(chē)M車(chē)M車(chē)M車(chē)M車(chē)Tc車(chē)總數(shù)/列123司機(jī)室司機(jī)室廣播主機(jī)1————12LED終點(diǎn)站顯示器1————12司機(jī)控制單元1————1245678客室客室廣播分機(jī)1111116客室揚(yáng)聲器88888848緊急報(bào)警器22222212噪聲檢測(cè)器22222212動(dòng)態(tài)電子地圖88888848

列車(chē)廣播系統(tǒng)的主要功能有：

1)列車(chē)自動(dòng)報(bào)站廣播功能，是指在列車(chē)行駛過(guò)程中，廣播系統(tǒng)根據(jù)車(chē)輛提供的門(mén)和速度信號(hào)或者根據(jù)列車(chē)控制網(wǎng)絡(luò)(TCMS)提供的信號(hào)自動(dòng)進(jìn)行廣播報(bào)站。

2)人工廣播報(bào)站功能，是指司機(jī)通過(guò)系統(tǒng)配置的話(huà)筒對(duì)全車(chē)進(jìn)行語(yǔ)音報(bào)站。

3)司機(jī)室對(duì)講功能，是指兩個(gè)司機(jī)室間的通話(huà)。

4)乘客緊急報(bào)警功能，指當(dāng)列車(chē)車(chē)廂發(fā)生緊急事件時(shí)，乘客借助安裝在客室內(nèi)的緊急報(bào)警裝置直接和司機(jī)對(duì)話(huà)。

5)動(dòng)態(tài)地圖顯示功能，為乘客提供列車(chē)運(yùn)行線(xiàn)路、站點(diǎn)信息。

6)LED終點(diǎn)顯示功能，顯示列車(chē)運(yùn)行的終點(diǎn)信息，設(shè)備一般安裝在車(chē)頭位置。

1.2列車(chē)廣播系統(tǒng)的工作原理

列車(chē)廣播系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

圖1　列車(chē)廣播系統(tǒng)原理框圖

列車(chē)廣播系統(tǒng)是基于CAN總線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，通過(guò)音頻通道，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)廣播、人工廣播和報(bào)警/對(duì)講等功能。為確保廣播系統(tǒng)可靠的工作，設(shè)備之間采用硬線(xiàn)連接，一共使用5對(duì)列車(chē)導(dǎo)線(xiàn)貫穿全車(chē)來(lái)完成系統(tǒng)所有功能。

1)1對(duì)全車(chē)通信總線(xiàn)。通常采用工業(yè)級(jí)控制總線(xiàn)CAN總線(xiàn)，主要用于命令、信息傳遞，是連接司機(jī)室和客室信息交換的橋梁。全車(chē)通信網(wǎng)絡(luò)采用分級(jí)CAN通信。一級(jí)CAN總線(xiàn)是全車(chē)主通信網(wǎng)絡(luò)，負(fù)責(zé)司機(jī)室和客室間通信；每個(gè)客室內(nèi)部又形成各自獨(dú)立的CAN通信子網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)子網(wǎng)絡(luò)分別連接各自客室的分設(shè)備。這樣設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是：能充分保證主網(wǎng)絡(luò)通信暢通，提高通信成功率。

2)1對(duì)人工廣播總線(xiàn)。采用獨(dú)立的人工廣播通道，當(dāng)系統(tǒng)因?yàn)楦鞣N原因?qū)е伦詣?dòng)廣播失效時(shí)，只要供電正常，緊急情況下可啟用人工廣播通道對(duì)客室進(jìn)行廣播[2]。

3)1對(duì)自動(dòng)廣播總線(xiàn)。列車(chē)自動(dòng)廣播音頻的傳輸通道。

4)2對(duì)對(duì)講報(bào)警總線(xiàn)。司機(jī)之間、司機(jī)和乘客之間通話(huà)的全雙工語(yǔ)音通道。

音頻信號(hào)由司機(jī)室統(tǒng)一輸出，升壓變壓器定壓傳輸?shù)娇褪遥褪医祲汉笥晒Ψ泡敵鼋o揚(yáng)聲器，這種信號(hào)定壓傳輸方式能增加信號(hào)的抗干擾能力，提高系統(tǒng)可靠性。另外，兩個(gè)司機(jī)室的控制設(shè)備采用熱備份方式，一主一備，主子機(jī)可以互相切換，音頻輸出和控制由主機(jī)完成。

2列車(chē)廣播系統(tǒng)的聯(lián)掛設(shè)計(jì)

列車(chē)聯(lián)掛以后，列車(chē)廣播系統(tǒng)除了具備其基本的功能外，各客室的廣播和顯示必須與為主機(jī)的司機(jī)室保持一致，而且聯(lián)掛后各車(chē)司機(jī)室能夠互相對(duì)講通話(huà)；

列車(chē)重連后各客室的乘客緊急報(bào)警器都能與主機(jī)端司機(jī)室通信和通話(huà)。

當(dāng)聯(lián)掛列車(chē)數(shù)量超過(guò)2列時(shí)，聯(lián)掛的過(guò)程應(yīng)該是先聯(lián)掛好兩列車(chē)，然后聯(lián)掛好的車(chē)輛作為一個(gè)整體再跟第三列車(chē)聯(lián)掛，依此類(lèi)推，這樣能充分保證聯(lián)掛的可靠性，也能簡(jiǎn)化聯(lián)掛的控制過(guò)程。

列車(chē)聯(lián)掛后，為了能夠完成整車(chē)的通信、控制、音頻傳輸?shù)裙δ埽杳鞔_聯(lián)掛后各司機(jī)室的狀態(tài)，聯(lián)掛車(chē)輛的列車(chē)號(hào)等信息。

首先介紹列車(chē)聯(lián)掛后各司機(jī)室狀態(tài)定義。如圖2所示，實(shí)際物理參與聯(lián)掛的司機(jī)室定義為聯(lián)掛態(tài)司機(jī)室，其余的定義為非聯(lián)掛司機(jī)室。另外根據(jù)列車(chē)司控鑰匙的位置，又可以將司機(jī)室定義為主機(jī)(司控鑰匙所在的司機(jī)室)和子機(jī)(沒(méi)有司控鑰匙的司機(jī)室)。根據(jù)以上對(duì)司機(jī)室狀態(tài)的兩種定義，聯(lián)掛后司機(jī)室可能出現(xiàn)的狀態(tài)如表2所示。

圖2　多車(chē)重聯(lián)后司機(jī)室狀態(tài)

表2　列車(chē)聯(lián)掛后司機(jī)室狀態(tài)

根據(jù)司機(jī)室的狀態(tài)不同，其地位和功能也不同。列車(chē)聯(lián)掛后，整列車(chē)有且只有一個(gè)主機(jī)司機(jī)室，所有的控制和命令處理都由其完成，其余司機(jī)室都為子機(jī)狀態(tài)。聯(lián)掛態(tài)的子機(jī)只負(fù)責(zé)通信數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，包括轉(zhuǎn)入和轉(zhuǎn)出[3]。聯(lián)掛態(tài)的主機(jī)除了轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)還負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)分析處理。

列車(chē)聯(lián)掛后可以通過(guò)兩種方式獲取司機(jī)室狀態(tài)信息。第一種方式是通過(guò)讀取列車(chē)控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)(TCMS)發(fā)送的數(shù)據(jù)直接獲取。第二種方式是通過(guò)各車(chē)司機(jī)室的聯(lián)掛通信判斷自身是否聯(lián)掛端，具體實(shí)現(xiàn)方式后面會(huì)有介紹。這種方式只有在列車(chē)控制網(wǎng)絡(luò)失效時(shí)使用。

其次介紹列車(chē)號(hào)的作用。列車(chē)聯(lián)掛前，每列車(chē)作為獨(dú)立個(gè)體時(shí)，車(chē)上每個(gè)設(shè)備都是按照相同的命名規(guī)則在本列車(chē)范圍內(nèi)擁有唯一的通信地址，列車(chē)聯(lián)掛后所有設(shè)備通信命令必須攜帶列車(chē)號(hào)信息，保證地址的唯一性。列車(chē)號(hào)只有設(shè)備上車(chē)后才能確定，獲取列車(chē)號(hào)可以通過(guò)列車(chē)控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)(TCMS)，也可以在線(xiàn)通過(guò)司機(jī)控制單元手動(dòng)輸入，優(yōu)先使用TCMS網(wǎng)絡(luò)提供的列車(chē)號(hào)。

基于上述列車(chē)廣播系統(tǒng)的聯(lián)掛要求以及設(shè)計(jì)過(guò)程，列車(chē)廣播系統(tǒng)的聯(lián)掛設(shè)計(jì)主要涉及幾個(gè)方面：通信系統(tǒng)聯(lián)掛、廣播通道聯(lián)掛、對(duì)講報(bào)警通道聯(lián)掛。

2.1通信系統(tǒng)聯(lián)掛

通信系統(tǒng)聯(lián)掛是列車(chē)廣播系統(tǒng)聯(lián)掛設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分。為了使列車(chē)通信網(wǎng)絡(luò)層次清晰，方便聯(lián)掛管理，在列車(chē)司機(jī)室廣播主機(jī)增加CAN通信聯(lián)掛模塊，聯(lián)掛CAN模塊是連接兩列車(chē)通信的橋梁，負(fù)責(zé)解析聯(lián)掛協(xié)議，一方面接收聯(lián)掛車(chē)輛信息，解析并轉(zhuǎn)發(fā)給本車(chē)控制模塊；另一方面將本車(chē)的信息轉(zhuǎn)發(fā)出去。通過(guò)CAN聯(lián)掛模塊可以方便地獲取聯(lián)掛車(chē)輛的信息，如列車(chē)編號(hào)、列車(chē)聯(lián)掛端、各車(chē)客室端的通信信息等。

本設(shè)計(jì)中，聯(lián)掛CAN模塊采用stm32系列ARM芯片實(shí)現(xiàn)，該芯片是意法半導(dǎo)體公司推出的一款A(yù)RM芯片，采用ARM32bitcortexTM-M3CPU，芯片處理速度快；I/O管腳和通信接口豐富，有多達(dá)14個(gè)外部通信接口，其中兩個(gè)CAN通信接口可以分別作為CAN聯(lián)掛模塊的內(nèi)部CAN接口和聯(lián)掛CAN接口，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

通信聯(lián)掛框圖如圖3所示，簡(jiǎn)單介紹其聯(lián)掛過(guò)程：聯(lián)掛列車(chē)物理連接好后，TCMS系統(tǒng)發(fā)送各車(chē)列車(chē)號(hào)和司機(jī)室聯(lián)掛狀態(tài)給各車(chē)司機(jī)室設(shè)備。主機(jī)端司機(jī)室設(shè)備發(fā)送聯(lián)掛信息啟動(dòng)列車(chē)聯(lián)掛，各聯(lián)掛端互相發(fā)送帶有列車(chē)號(hào)的聯(lián)掛信息，并最終轉(zhuǎn)發(fā)給主機(jī)端司機(jī)室保存[4]。

圖3　通信聯(lián)掛框圖

列車(chē)聯(lián)掛好后，由車(chē)頭主機(jī)端統(tǒng)一進(jìn)行報(bào)站控制和廣播音頻輸出， 聯(lián)掛建立后，通信線(xiàn)上傳遞的通信命令主要包括：主子機(jī)切換命令、站點(diǎn)信息命令、客室報(bào)警命令，設(shè)備故障信息等。

2.2廣播通道聯(lián)掛

廣播通道聯(lián)掛除了物理連接好以外，還應(yīng)該考慮總線(xiàn)音量值的調(diào)節(jié)問(wèn)題，否則聯(lián)掛車(chē)輛多時(shí)，會(huì)影響客室廣播音量。

2.3對(duì)講報(bào)警通道聯(lián)掛

列車(chē)聯(lián)掛后，在主機(jī)端司機(jī)室保存了各聯(lián)掛車(chē)輛的列車(chē)號(hào)，司機(jī)可以通過(guò)司機(jī)控制單元選擇呼通任意一個(gè)司機(jī)室進(jìn)行對(duì)講通話(huà)。而且每次只能有兩個(gè)司機(jī)室對(duì)講[5]。

報(bào)警聯(lián)掛后，各客室的報(bào)警信息通過(guò)本車(chē)CAN聯(lián)掛模塊附加列車(chē)號(hào)信息轉(zhuǎn)發(fā)至主機(jī)端，司機(jī)接通報(bào)警后可與乘客通話(huà)。

以報(bào)警為例簡(jiǎn)要介紹聯(lián)掛過(guò)程：圖4為3列車(chē)聯(lián)掛示意框圖，主機(jī)在列車(chē)1的司機(jī)室2，進(jìn)行報(bào)警操作的報(bào)警器在列車(chē)3。報(bào)警命令通過(guò)本車(chē)通信總線(xiàn)傳送至兩端司機(jī)室，司機(jī)室2既不是主機(jī)也沒(méi)有連接，所以不對(duì)該命令處理；司機(jī)室1是聯(lián)掛態(tài)子機(jī)只負(fù)責(zé)命令轉(zhuǎn)發(fā)，不進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；列車(chē)2的司機(jī)室2和司機(jī)室1也是聯(lián)掛態(tài)子機(jī)，同樣只負(fù)責(zé)命令轉(zhuǎn)發(fā)；列車(chē)1的司機(jī)室2是聯(lián)掛態(tài)主機(jī)，當(dāng)收到報(bào)警命令后對(duì)其進(jìn)行處理，響應(yīng)命令以同樣的傳送方式向相反的方向下傳給列車(chē)3的報(bào)警器，報(bào)警接通。

圖4　列車(chē)聯(lián)掛示意圖

3聯(lián)掛后的廣播系統(tǒng)原理

聯(lián)掛后的廣播系統(tǒng)原理圖見(jiàn)圖5。各列車(chē)聯(lián)掛后作為一個(gè)整體廣播系統(tǒng)，能夠?yàn)槌丝吞峁┳詣?dòng)廣播、人工廣播、乘客/司機(jī)緊急對(duì)講通話(huà)、司機(jī)/司機(jī)對(duì)講通話(huà)、車(chē)輛運(yùn)營(yíng)正常/特殊終點(diǎn)顯示、運(yùn)營(yíng)信息顯示、運(yùn)行線(xiàn)路及運(yùn)營(yíng)站點(diǎn)信息顯示等功能。

4結(jié)束語(yǔ)

本文根據(jù)目前各客車(chē)廠提出的地鐵列車(chē)聯(lián)掛運(yùn)行需求，針對(duì)廣播系統(tǒng)的聯(lián)掛進(jìn)行了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，提出了一套切實(shí)可行的聯(lián)掛方案，有一定的實(shí)用價(jià)值。

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圖5　聯(lián)掛后的廣播系統(tǒng)原理圖

責(zé)任編輯：許盈

Designofcouplingfortrainbroadcastingsystem

ZHOUJuekai1，TUXuan1，ZENGJinhao2

(1.Chongqing Rail Transit (Group) Co., Ltd., Chongqing 401120, China;2.No.3 Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation, Beijing 100015, China)

Abstract:Train broadcasting system is designed based on CAN bus communication network, functions such as automatic broadcasting, artificial broadcasting and alarm/intercom are achieved via audio channel. Broadcasting system of each car works as a overall system after coupling. A design scheme of coupling for metro train broadcasting system is proposed, starting from the train broadcasting system introduced, the design and implementation of coupling process for train broadcasting system is unfolded and put forward. Coupling for communication system, broadcasting channel and alarm/intercom channel are involved for train broadcasting system.

Key words:train broadcasting system; coupling; train electron

收稿日期：2015-12-01