一種新型低地板列車網絡控制系統

黃文靜，李 潔

（株洲中車時代電氣股份有限公司，湖南 株洲412001）

一種新型低地板列車網絡控制系統

黃文靜，李 潔

（株洲中車時代電氣股份有限公司，湖南 株洲412001）

介紹了由分布式中央控制單元與集中式G300 IO機箱系統組成的低地板列車網絡控制系統架構。分布式中央控制單元、集中式G300 IO機箱作為列車網絡控制系統的核心部件，是專為現代軌道車輛設計的小型化標準設備，滿足城市軌道交通的空間和功能要求。

低地板；列車網絡控制系統；分布式中央控制單元

城市地鐵軌道交通具有建設高成本、地下運營高風險以及低密度出行距離服務等特征，當地鐵運營線網達到一定網絡規模后，這些特征均局限了地鐵軌道交通的后勁發展。因而，必須根據我國大城市城鎮化發展、經濟社會和綜合運輸體系發展的階段特征，特別是資源環境約束，從技術經濟性能、系統服務性能、市場價值優勢、產業發展潛能等方面，遵循“資源節約型和環境友好型”兩型社會理念，以城市軌道交通/有軌電車為骨干，以常規公交為主體，輔以其它公共交通等公共交通客運方式，逐步建立和完善多模式的一體化城市綜合公共交通系統，打造現代公交都市。

1 低地板車概述

低地板列車因其建設成本低、快速便捷、安全舒適、節能環保等優點，逐漸成為城市輕軌車輛發展的主要方向，在我國具有廣闊的發展前景。低地板列車由于小巧輕便但是在結構設計上又要求地板面低、客室寬敞，從而使得可用于安裝車輛設備的空間狹小，車輛設備在確保車輛運營的安全性、可靠性的基礎上需要優化自身結構以適應低地板列車的設計要求。列車網絡控制系統作為列車控制的神經系統及重要組成部分符合車輛結構設計要求。低地板列車網絡控制系統由分布式中央控制單元和集中式G300 IO機箱組成，采用符合IEC 61375標準的以太網及MVB多功能車輛總線連接，顯著減少各箱柜之間的連線，并方便將來對系統功能的擴展，適應靈活編組的要求，同時具備高冗余性，提高了網絡可靠性。低地板列車網絡控制系統能夠實現列車控制、通信管理、狀態顯示、故障診斷、第三方應用接口，滿足有軌電車整車功能要求。

2 新型低地板列車網絡系統拓撲及組成

低地板列車根據其組成的模塊數量的不同可以形成不同的列車編組，現以五模塊低地板車為例進行介紹，這些模塊包括司機室模塊CM車、轉向架模塊BM車和客室模塊SM.下面以我司五模塊低地板列車為例進行網絡系統介紹，具體五模塊低地板車示意圖如圖1所示，其中CM1和BM1固定連接作為一個模塊，CM7和BM7固定連接作為一個模塊，其余SM2、BM3、SM6分別作為一個模塊。

圖1 五模塊低地板示意圖

2.1 系統拓撲

圖2展示了五模塊低地板列車網絡控制系統拓撲結構圖。低地板列車控制系統設計符合國際《IEC61375-1：2012》標準，本方案同時采用以太網和MVB通訊冗余通訊方式，其中以太網采用總線環網結構，交換機通過環網方式構成列車以太網通訊總線骨干網，終端設備采用星形連接方式，提高了網絡通訊冗余；關鍵設備同時采用MVB通訊作為冗余，MVB總線采用EMD電器中距離介質的MVB多功能車輛總線。

圖2 五模塊低地板列車網絡控制系統拓撲結構圖

如圖2所示，按照車輛類型的不同列車網絡系統的配置也相應地進行調整，CM、BM、SM各車根據不同需求由不同數量或種類的網絡產品構成。列車網絡系統由中央控制單元EGWM-L、事件記錄模塊EDRM-L、顯示單元HMI，遠程輸入輸出模塊G300 IO機箱、以太網交換機Switch組成。列車通過交換機組成列車及以太網環網冗余結構，各個子系統設備通過交換機車輛級M12接口接入以太網網絡。列車關鍵設備中央控制單元EGWM-L、事件記錄模塊EDRM-L、牽引系統PCE、制動系統BCE、黑匣子SDR除了以太網通訊外，同時組成列車MVB網絡作為冗余結構，其中MVB采用總線型結構，將分布于整個列車的各個關鍵設備聯結成一個列車網絡（當MVB網段傳輸距離不超過200 m且列車MVB節點數不超過32個時，作為列車級總線和車輛級總線網關的中繼模塊將會被取消，即整列車形成一個車輛段網絡，縮減了列車網絡系統的成員節約了車輛安裝空間），具有良好的擴展性，擴展方式相對簡單，可以很方便地適應不同形式的列車編組，以及列車的動態編組。

列車網絡控制系統廣泛地采用電子控制設備和串行數據通信來代替繼電器、接觸器和直接硬連線并且通過網絡連接各個子系統的控制設備（如牽引控制、摩擦制動控制等），能夠減少繼電器、接觸器、車輛/列車布線、端子排和連接器觸點的使用。

分布式中央控制單元EGWM-L作為列車網絡控制系統的核心部件，是現代軌道車輛的標準設備，滿足城市軌道交通的要求。它能夠實現以下功能：

（1）通信管理：具有多功能車輛總線MVB的管理能力，具備MVB主權轉移功能；

（2）列車控制：執行諸如牽引/制動控制、制動管理控制、安全聯鎖保護和輔助負載啟動等一系列控制功能；

（3）故障診斷：實時監測列車狀態，對故障數據的采集處理，并通過顯示單元報告司機。

（4）信息顯示：與智能顯示裝置HMI顯示有關的數據傳輸，給司機和檢修人員提供其所需的必要信息。

事件記錄模塊EDRM-L功能：將司機操作數據、列車狀態數據、故障數據具體化，存儲在故障記錄存儲器上；通過以太網接口將記錄的數據下載，供便攜式維護工具分析。亦可通過以太網接口將記錄數據實時發送給地面控制中心。

G300 IO機箱主要包括主控板、數字量輸入DI板、數字量輸出DO板、模擬量入出AIO板、電源板及機箱，其具體功能如下：

（1）數字量的輸入輸出：將車輛間電氣信號轉換成控制信號，完成各種控制功能；將網絡控制信號轉換成電氣信號，控制諸如指示燈、繼電器等設備；

（2）模擬量的輸入輸出：將車輛間電氣信號轉換成控制信號，完成各種控制功能；將網絡控制信號轉換成電氣信號，控制諸如儀表等設備。

（3）強大的系統接口能力：為適應不同的應用，可通過插入不同類型的通訊板卡分別提供了MVB接口、RS485/RS422、CAN、以太網接口等。

2.2 系統組成單元

2.2.1 分布式中央控制單元EGWM-L

EGWM-L模塊通過多功能車輛總線MVB（EMD）和以太網方式與其他設備通信。

EGWM-L是TCMS的核心，具備如下功能：

（1）車輛級過程控制：執行諸如牽引/制動控制、空電聯合控制和空調順序啟動等一系列控制功能；

（2）通信管理：具有多功能車輛總線MVB的管理能力，并且能夠進行被動的主權轉移功能；

（3）顯示控制：與智能顯示裝置HMI顯示有關的數據傳輸；

（4）故障診斷：狀態數據、故障數據的采集處理，并通過HMI報告司機。

2.2.2 事件記錄模塊EDRM-L

EDRM-L通過多功能車輛總線MVB（EMD）和以太網方式與其他設備通信。

EDRM-L是數據轉儲的關鍵部件，具備如下功能：

（1）數據記錄：司機操作數據、故障數據、事件數據的記錄，將VCMe的故障數據具體化；

（2）數據轉存：通過車載信息網（工業以太網）將記錄的數據下載，供便攜式維護工具分析。2.2.3 G300 IO機箱

G300 IO機箱采用3U機箱結構，體積小、重量輕、功能強，其結構尺寸如圖2所示。插件面板置于機箱前部，便于板卡維護、對外連接，背板置于后部，提供電源、控制總線。內部結構緊湊，集成度高，有效的利用了空間，現場接線更加簡捷省力，安裝成本低；機箱背板提供機箱所有板卡電源和總線，與外部完全隔離，提高了可靠性；機箱前面直接插拔板卡，結構簡單，安裝替換方便。所有對外連線各功能板前面板直接連接，系統最優、最簡，布局非常好，防護等級高。

G300 IO機箱主要包括：主控板、數字量輸入DI板，數字量輸入DO板、模擬量入出AIO板，電源板及機箱和背板。主控板主要完成對機車采集的信息的分析、處理、通信、控制等工作，通過機箱背板及CPCI控制總線實現與DO板、DI板、AIO板交互數據及控制。電源插件為其它功能單元提供輸入電源，通過機箱背板供電，可提供+5 V、+3.3 V、±12 V電源。DI/DO插件實現24 V數字量輸入和輸出。DI插件包含18路數字量輸入通道，DO插件包含8路數字量輸出通道。AIO插件實現模擬量的輸入和輸出。AIO插件包含14路模擬量采集通道，4路模擬量輸出通道。DI/DO/AIO插件可以根據列車實際的設計情況進行任意配置，且DI/DO/AIO插件之間可以實現位置互換。

2.2.4 顯示單元（HMI）

HMI通過以太網與其他設備通信。

HMI是TCMS的顯示終端設備，是司機和維護人員操作機車的窗口，具備如下功能：

（1）信息顯示：向車輛駕駛人員和維護人員提供車輛綜合信息，各設備的工作狀態，故障信息的綜合與處理等功能；

（2）參數設定：對輪徑值、列車重量、站點、時間日期等參數進行更改與設定；

（3）功能測試：進行列車運行時加速度、減速度、制動距離等基本參數的測試；

（4）數據轉儲：通過USB接口，將故障信息轉儲地面進行統計、分析。

顯示單元安裝于司機室操作臺上，用于顯示與列車運行相關的各種信息以及各種設備狀態信息。此系統采用雙顯示器冗余，大大提高列車可靠性、冗余性。

2.3 系統性能

2.3.1 冗余設計與故障運行能力

為了提高故障情況下列車的可靠性，列車網絡控制系統采取了多種措施避免故障情況下的列車停運。主要有：（1）列車主要采用以太網通訊方式與所有子系統進行通訊，關鍵設備如列車控制模塊EGWM-L、牽引、制動、黑匣子、G300 IO機箱同時組成MVB網絡，如果以太網通訊出現問題，則采用MVB網絡作為備份控制，從而提到列車可靠性、可用性。（2）列車以太網骨干網采用交換機組成環網結構，當任意子系統故障時不會影響其他系統；當本地交換機故障時，不會影響其他車輛的設備正常工作，不會對列車造成任何影響，大大提高了列車可用性。（3）列車MVB總線采用雙通道冗余，當某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。（4）EGWM-L熱備冗余配置，正常情況下兩個EGWM-L通過底層協議芯片的競爭機制自動選取一個EGWM-L為總線管理主，另外一個EGWM-L為備用主，當主EGWM-L出現故障時，備用EGWM-L將接管主EGWM-L的職責，行使所有的總線管理和控制功能。（5）列車事件記錄模塊EDRM-L采用雙模塊熱備冗余，兩個設備同時記錄相同數據，當一個故障時不會影響列車關鍵信號及故障記錄，提高了故障冗余，為列車維護、故障分析提供了可靠的數據支持。（6）顯示器HMI每個司機室配置2臺，當一個故障時，司機可以通過另外一個HMI監視列車，不影響列車運行，提高了列車可用性。（7）列車硬線作為網絡控制系統的備份。

2.3.2 故障診斷及顯示

車載故障診斷是列車網絡控制系統的一個重要功能，也是體現列車網絡控制系統高可靠性的一個重要組成部分，完成車載各部件故障數據的采集、分析、轉儲和顯示。故障信息在司機臺上通過顯示器顯示，并且通過維護工具上傳到地面維修和服務系統中，供長期的儲存和深入的地面分析。

列車網絡控制系統的診斷功能可以協助司機和檢修人員進行工作。當故障發生時，協助司機采取適當的操作，并使維護人員更容易地查找并解決故障。

如果列車發生故障，將以純文本信息在顯示單元上顯示給司機。每條純文本信息都分配有故障代碼，根據不同的故障類別進行故障評估。故障類別和純文本信息顯示在顯示器的界面上。此外，司機也可以從顯示器上獲得所必須實施的操作指導說明。

2.3.3 列車控制功能

綜合車輛運行工況及各設備的工作狀態，對車輛進行控制是列車網絡控制系統的主要功能之一。列車網絡控制系統對接收到的數據進行邏輯處理，輸出相關的控制命令。列車網絡控制系統能夠實現諸如牽引制動控制、制動管理、輔助負載管理等功能。以制動管理為例，列車網絡控制系統根據司機室操作指令，在不同的制動工況下協調電制動及制動系統完成列車制動。尤其在空氣與電制動混合階段，列車網絡系統通過對總的制動力分配及管理，減少了電制動與制動系統的信息交互時間，提高了制動效率，避免了制動系統基礎制動對車輪閘瓦的磨耗。

2.3.4 列車保護功能

為了保證列車行車安全及車載設備的安全，列車網絡控制系統需要對某些影響列車運行的條件進行監視。當這些條件發生時，列車網絡控制系統根據影響程度對列車進行限速控制、牽引封鎖控制、故障導向安全控制、緊急制動控制。

2.3.5 輔助功能

列車網絡控制系統還提供輔助控制功能，包括列車加減速度測試、自動報站管理等。

自動報站管理根據列車線路運營圖進行站點管理，自動報站。對于“一”字形、“Y”字形、“X”字形運營線路具有良好的識別性，并且能設別列車折返。在列車運營線路不更改的前提下只需要在列車發車前進行一次站點設置，列車網絡系統就能自動進行站點管理直至列車運營結束。

3 結束語

低地板列車網絡系統采用集成中央控制單元加分布式模塊設計，系統簡潔，具有較高的靈活性，可以滿足不同編組的列車配置需求。采用國內城市軌道交通列車網絡普遍使用的MVB_EMD網絡，技術成熟可靠，系統穩定，擁有自主知識產權。集成中央控制單元可靠性高、體積小、重量輕，符合車輛安裝空間以及車輛輕量化要求。分布式模塊使用靈活，完善了列車網絡系統的遠程IO信號輸入，以及信號中繼放大及網關功能，擴展了集成中央控制單元的外圍功能。

[1]趙明花，牛錫平，楊丹燕，等.我國自主研發100%低地板輕軌車[J].機車電傳動，2013（3）：59-63.

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[6]IEC61375-1:2007，鐵道電氣設備列車總線（第一部分）：列車通信網絡[S].

A New Train Network Control System of Low Floor LRVS

HUANG Wen-jing，LI Jie
（Zhuzhou Crrc Times Electric Co.，Ltd.，Zhuzhou Hunan 412001，China）

The architecture of a low floor train network control system composed of a distributed central control unit and a centralized IO G300 chassis system are introduced.The distributed central control unit，centralized G300 IO chassis as the core components of the train network control system，is designed for small standard equipment design and modern rail vehicle，meeting the space and function of city rail traffic requirements.

low floor LRVs；train network control system；integrated central control unit

U482.1

A

1672-545X（2017）09-0131-04

2017-06-11

黃文靜（1985-），女，江西南昌人，工程師，碩士，長期從事城軌網絡控制系統應用研發工作；李 潔（1983-），男，陜西渭南人，工程師，本科，長期從事城軌網絡控制系統應用研發工作。