市域車列車網(wǎng)絡控制及診斷系統(tǒng)

摘要：介紹了市域車列車網(wǎng)絡拓撲結構，結合網(wǎng)絡拓撲對列車控制及診斷系統(tǒng)的組成設備進行了簡介。對列車控制及診斷系統(tǒng)的關鍵技術及主要功能進行了詳細介紹。

關鍵詞：列車控制及診斷系統(tǒng)；網(wǎng)絡拓撲；關鍵技術；主要功能

市域車采用中車青島四方機車車輛股份有限公司自主研制具有自主知識產(chǎn)權的滿足IEC 61375-1標準要求的TCN網(wǎng)絡系統(tǒng)。該網(wǎng)絡控制系統(tǒng)采用MVB網(wǎng)絡系統(tǒng)，具備中央控制功能、牽引控制功能和中央診斷功能。通過MVB實現(xiàn)車輛內(nèi)部子系統(tǒng)間的通信。通過示范性項目，打造智能化市域動車組平臺。

1 列車網(wǎng)絡拓撲

列車網(wǎng)絡控制及診斷系統(tǒng)（TCMS）是集列車的控制、監(jiān)控和診斷為一體的集成控制系統(tǒng)，能為列車各子系統(tǒng)和模塊提供各種實時控制信號，完成對列車的控制。

市域車列車控制及診斷系統(tǒng)網(wǎng)絡劃分為兩級：列車控制級、車輛控制級。其中列車總線由雙通道冗余MVB總線和環(huán)行以太網(wǎng)總線構成。MVB總線用來傳輸列車間的過程控制數(shù)據(jù)、消息數(shù)據(jù)。以太網(wǎng)總線用來傳輸數(shù)據(jù)記錄文件，故障診斷信息，各系統(tǒng)程序下載及管理和整車調(diào)試等。

1.1 MVB控制網(wǎng)絡

列車控制級總線和車輛控制級總線均采用EMD電氣中距離介質(zhì)的MVB多功能車輛總線。具體網(wǎng)絡拓撲結構如圖1所示。

車輛控制級總線采用EMD電氣中距離介質(zhì)的MVB多功能車輛總線，用于連接一個本車輛內(nèi)部的所有智能控制單元。RIOM實現(xiàn)本車輛內(nèi)部的硬線數(shù)據(jù)采集。

不論是列車級總線還是車輛級總線，均采用通信線路雙通道冗余設計，當某一路通信線路出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)可以自動切換到另一路通信線路。

對于不具備MVB-EMD通信接口車載子系統(tǒng)，RIOM具有RS485接口。

2 TCMS設備介紹

2.1 中央控制單元

中央控制單元VCU為TCMS的關鍵組成部分，它主要用于實現(xiàn)列車的總線管理功能、列車控制功能、故障診斷功能、事件記錄功能等。

2.2 遠程輸入輸出單元

遠程輸入輸出單元RIOM主要功能為采集列車數(shù)字量、模擬量信息，并將該信號轉換為MVB數(shù)據(jù)發(fā)送至VCU，參與列車牽引制動等控制，同時該模塊還可以接受來自主VCU的控制命令，對外進行相應的輸出指令操作。

2.3 中繼器

中繼器REP可以實現(xiàn)信號的中繼放大、整形，以及傳輸通道的故障隔離，將故障點造成的影響降到最低。每節(jié)車的所有設備通過MVB總線互連成車輛級通信網(wǎng)絡并通過REP與列車級網(wǎng)絡進行互聯(lián)互通。

2.4 人機交互單元

人機交互單元HMI主要用于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(tài)，故障信息的綜合與處理等功能，同時可以對輪徑值、站點、時間日期等參數(shù)進行更改與設定，設置空調(diào)模式，控制車輛系統(tǒng)的自檢、啟動以及切除。

3 TCMS關鍵技術

3.1 VCU熱備冗余技術

市域車TCMS對于列車中央控制單元VCU，采用熱備冗余的配置。正常情況下，兩個互為冗余設計的VCU通過競爭機制自動選取一個作為總線管理強主，負責對列車總線的管理，另外一個控制單元作為熱備的弱主。弱主控制器實時監(jiān)控強主的狀態(tài)，當強主控制器出現(xiàn)故障時，例如在一定周期內(nèi)收不到強主的生命信號，作為備用車輛控制模塊將接管主車輛控制模塊的職責，行使所有的總線管理和控制功能。但是不論哪個車輛控制模塊為總線管理主，在控制邏輯上都以司機鑰匙激活端的控制指令為準，總線管理主權的交換不會導致控制指令來源的切換。

3.2 MVB雙通道冗余技術

市域車TCMS網(wǎng)絡拓撲為兩級網(wǎng)絡結構：列車控制級和車輛控制級，不論是列車控制級總線還是車輛控制級總線，均采用通信線路雙通道冗余設計，當某一路通信線路出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)可以自動切換到另一路通信線路。

4 TCMS主要功能

4.1總線管理功能

TCMS具有MVB總線管理功能，對列車網(wǎng)絡實現(xiàn)控制，管理列車總線上的通信數(shù)據(jù)。總線管理功能主要包括以下幾點：

1、讀取配置文件：包括端口、周期、數(shù)據(jù)長度；

2、生成周期掃描表：定義循環(huán)列表、分解列表；

3、生成主幀：實現(xiàn)過程數(shù)據(jù)、消息數(shù)據(jù)、監(jiān)視數(shù)據(jù)傳輸；

4.2 列車控制功能

TCMS參與列車上各個子系統(tǒng)的控制，包括牽引系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、乘客信息系統(tǒng)等。主要控制功能有：牽引使能控制、防空轉滑行控制、并網(wǎng)供電控制、牽引制動百分比控制、撒沙控制、空調(diào)模式控制、空調(diào)溫度控制、站點設置、緊急廣播控制等。

4.3 故障診斷功能

TCMS的故障診斷功能主要包括通信診斷、系統(tǒng)診斷兩個方面。

TCMS會實時的檢測與其他系統(tǒng)通信的每個MVB端口的生命信號，根據(jù)不同的端口周期，隔一定的周期數(shù)沒有生命信號變化，系統(tǒng)會報該系統(tǒng)通信故障，幾個連續(xù)的周期均有生命信號變化則故障恢復。

TCMS會實時接收各個系統(tǒng)上報的故障，同時會通過內(nèi)部邏輯自身對一些整車級的故障進行判斷，如：激活端同時有效、方向錯誤等，故障發(fā)生后，對故障進行存儲、分級處理顯示。

4.4 事件記錄功能

TCMS系統(tǒng)的ERM模塊配備了一個8G的內(nèi)存單元，用于記錄行車數(shù)據(jù)。TCMS將關鍵的行車數(shù)據(jù)按照一定周期記錄到ERM中，其中包括牽引系統(tǒng)相關數(shù)據(jù)、制動系統(tǒng)相關數(shù)據(jù)、信號系統(tǒng)相關數(shù)據(jù)及RIOM采集的硬線數(shù)字量數(shù)據(jù)等。事件記錄中的數(shù)據(jù)可保留列車上電14天的數(shù)據(jù)，采用先進先出的方式循環(huán)記錄。

4.5 遠程監(jiān)控功能

TCMS可將總線上的所有數(shù)據(jù)發(fā)送給遠程監(jiān)控設備PTU，PTU可對數(shù)據(jù)進行解析并實時的顯示。對所有的數(shù)字量和模擬量都可以通過選取的形式進行波形顯示，當有故障發(fā)生時，便于我們更直觀的解析故障發(fā)生時刻前后列車的環(huán)境變量的狀態(tài)。同時，PTU還可以下載ERM中的行車數(shù)據(jù)，便于列車回庫后對車輛的狀態(tài)進行回放。

4.6 人機交互功能

通過TCMS人機交互界面，可以讓司機直觀的了解列車各個系統(tǒng)的健康狀態(tài)及列車的運行環(huán)境，可以對空調(diào)模式溫度、列車輪徑車號等進行設置。其主要包括：運行界面、車輛界面、制動界面、空調(diào)界面、網(wǎng)絡界面、幫助界面、檢修界面以及設置界面等這幾個主要的界面。

5 結語

市域車采用的TCMS列車網(wǎng)絡系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)列車控制相關的所有功能，人性化的顯示器界面設計給用戶以更好的體驗，高性能的硬件配置讓行車安全更加可靠。通過一致性測試、功能測試以及地面靜態(tài)調(diào)試動態(tài)調(diào)試，進一步驗證了系統(tǒng)的可靠性和安全性。

參考文獻：

[1]IEC 61375-1：1999，鐵道電氣設備列車總線第1部分：列車通信網(wǎng)絡[S].

[2]倪文波，王雪梅.高速列車網(wǎng)絡與控制技術[M].成都：西南交通大學出版社，2010

[3]劉建偉.軌道交通車輛MVB通信網(wǎng)絡的研究與設計實現(xiàn)[D].北京：北京交通大學，2011.

作者簡介：

馬超（1986年年），男，山東省高密市，：漢族，碩士研究生，中車青島四方機車車輛股份有限公司，工程師，研究方向：列車網(wǎng)絡控制