國外動力集中動車組網絡系統的發展與借鑒*

陳 波

(中國鐵道科學研究院集團有限公司 機車車輛研究所， 北京 100081)

截至2017年底，我國鐵路營業里程達到12.7萬km，其中有20%為高速鐵路/客運專線，其余為普速鐵路。與之對應的，我國現有客運產品分動車組和普速列車兩類，雖然統一的技術體系使動車組跨線運行于普速鐵路并不存在問題，但鐵路運輸企業也從安全管理、經濟指標等方面考慮，逐步減少在普速鐵路開行動車組列車，而既有普速旅客列車以機車牽引25T、25G型客車為主，存在折返換端時間長、舒適度差、所需客運工作人員多等問題，因此急需發展一種新的客運產品，以完善客運產品體系，形成新的客流增長點[1]。我國速度160 km/h 動力集中電動車組的研制即基于此需求背景，旨在充分利用既有線路和機、客車的檢修資源，提高既有線鐵路運輸服務品質。

世界上動車組按動力分布方式可以分為動力集中和動力分散式，Volker Müller[2]在從運用、市場和列車型式的發展趨勢等方面，分析了這兩種方式的特點，特別利用了壽命周期成本(LCC)來比較二者的優劣，認為從LCC角度采用動力分散的ICE3列車比采用動力集中的ICE2列車具有一些優勢。但同時他也提到，對于每一種列車要考慮其技術、運用甚至政治因素，要對速度、站間距離、值勤人員情況、地形狀況、制造生產能力、使用和維護要求等各方面因素都要給予考慮。與國外動力集中動車組相比，我國速度160 km/h動力集中電動車組具有明顯的中國特征，設計尤需考慮不同廠家、不同平臺動車組間互聯互通運行的需求。通過介紹國外主要動力集中動車組網絡系統的技術情況，為我國動力集中動車組的發展提供借鑒。

1 國外動力集中動車組及推挽式列車

動力集中式作為鐵路運輸中最為傳統的列車牽引運行方式，是相對于動力分散式而言。其基本特點是由一臺動力機車牽引無動力車輛在軌道上行駛，機車大多是在列車的最前端牽引車輛，亦有自車尾頂推甚至機車置中牽引的情況，后來也出現由兩臺機車前后推挽的動力集中列車模式。

國外對于動車組(Multiple Units, MU)并無統一定義，例如國際電工委員會IEC定義為“由一個或多個單元組成的列車，可同時從一個司機室控制，并能在任一方向以正常速度運行而無需重新編組”[3]，而歐盟鐵路機車車輛互聯互通技術規范TSI定義為“一種固定編組列車，其所有車輛都能運載有效載荷(乘客、行李/郵件或貨物)”[4]。如果嚴格按照TSI的定義，將不存在動力集中動車組這種組合形式，例如法國TGV列車是動力集中式，但不屬于動車組。一般以IEC的動車組定義應用更為廣泛些，國際上的主要動力集中式動車組主要有TGV、Eurostar、AVE-S 100、ICE1、ICE2、ETR 500、Talgo 350 I、HSR 350 X、Electra 91、X2000等，動力分散式動車組主要有(Pendolino-ETR 450/ETR 460系列、Shinkansen-JR 100/JR 300/JR 500系列、ICE3、Velaro E等[6]。本節以德國ICE1/ICE2、意大利ETR 500和法國TGV-A等為例介紹早期動力ICE1于集中式動車組網絡系統的技術特點，以及TCN標準的形成。

1.1 德國ICE1/ICE2

1991年6月在漢諾威—維爾茨堡、曼海姆—斯圖加特線上投入運行。改進設計的ICE2的先期研究工作1992年完成，1993年訂貨，1997年5月首批交付運用。ICE1是由動力集中配置的2臺動力車和最多14輛中間拖車組成的電動車組，牽引功率9 600 kW(GTO牽引變流器)或7 600 kW(IGBT牽引變流器)，供電制式AC 15 kV/16.7 Hz，在Nuremberg-Ingolstadt高速線路最高運營速度280 km/h[7-9]。早期的ICE1編組中，中間拖車有9～14輛不等，在2008年完成的車輛翻新項目中，均被調整為12輛中間拖車的標準編組[7]。ICE1的列車網絡通訊依賴于全列布置的通信光纖，以保證牽引和制動指令在兩臺動力車的同步實施，如果列車運行時發生光纖斷裂，故障導向安全機制將觸發最大常用制動使列車自動停車。

ICE1的光纖網絡拓撲如圖1所示[10]，上部為動力車總線(Power car bus)，用以在兩動力車間傳輸控制信息和交換狀態信息，在9車(Service car)也可以接入；下部為列車總線(Train bus)，用以向旅客傳輸服務信息，如列車徑路顯示、車廂號、座位預留狀態、下一站、預計到站時間、站臺開門側等以及用于列車長廣播和列車司機間的語音通話。列車總線在每節車廂進行一次光電轉換，如圖1中藍色方塊所示。與所有安全關鍵系統一樣，ICE1的網絡系統也具備冗余性，動力車總線與列車總線共同構成了環網結構，二者在動力車中實現光耦合連接，如果動力車總線出現故障，動力車信號亦可以通過列車總線傳輸，且具有最高優先級；如果某一車廂的列車總線出現故障，則列車總線數據可經由動力車總線環路傳至尾部動力車，并通過光學饋送至受影響車廂，但傳輸優先級較低。

圖1 ICE1的光纖網絡拓撲

光纖通信具有傳輸容量大、保密性好等許多優點，且不易受電磁干擾(EMI)，ICE1的研制階段正是光纖通信的迅速發展期。但與銅纜傳輸電氣信號相比，光纖通信也有一些缺點，例如成本較高、可維護性較差等。ICE1各車輛間的光纖連接器易受潤滑劑殘留物或其他污物影響，往往成為整個網絡的易損關鍵節點，此外車輛內的光纖在使用多年后本身也容易遭受損壞。光纖斷點的診斷曾是困擾德國國家鐵路公司(DB)的棘手問題，早期只能通過半分法進行測試判斷，這對于ICE1這種固定編組式列車效率非常低下，常需要16 h，后在橫河電機公司(Yokogawa)的協助下采用C-OTDR方法才使診斷效率提高，但處理光纖故障仍需3～4 h[10]。

ICE1屬長編組列車，不支持重聯運行，因此德國鐵路從運輸組織的需求出發，又設計了ICE2型列車，以獲得更高利用率。ICE2總體設計思想主要體現在列車編組的變化上，即將ICE1列車一分為二，由1臺動力頭車+6輛拖車+1輛控制車組成短編組動車組，頭車端部裝有自動式Scharfenberg車鉤和頭罩，可以重聯運行。在運量較大的核心區段兩列短編動車組重聯運營，在該區段兩端解聯以短編組運營[11]。ICE2除了增加了控制車這一新車種外，動力車與ICE1非常相似，拖車則做了諸多改進，軸重降至11.6～13 t，并優化了車內空間和設施，偶爾ICE2的動力車和拖車也會用于ICE1列車的編組[7]。ICE2提升了控制計算機的性能，外部增設了終到站顯示(重聯列車可能在車站解編分別以短編組開往不同目的地)，以滿足重聯運行的需求，并具有更好的防空轉/滑行能力[8]，采用了SIBAS 32控制系統。

1.2 意大利ETR 500

ETR 500是由安薩爾多百瑞達、阿爾斯通和龐巴迪聯合為意大利鐵路公司生產的動力集中型高速列車，有ETR 500和ETR 500P兩代車型。ETR 500為2動11拖編組，適用于DC 3 kV供電制式，于1992年至1996年間交付，運營速度250 km/h；改進的ETR 500P適用于DC 3 kV/AC 25 kV 50 Hz兩種供電制式，于2000年至2005年間交付，運營速度300 km/h，早期ETR 500P維持2動11拖編組，后來衍生出12輛拖車和8輛拖車的車型[12]。

ETR 500的信息系統的核心部分包括車載系統服務，即用于自動化和電氣列車遠程控制的冗余通信操作系統SOCRATE，由ANSALDO TRASPORTI公司提供。此外還有兩個附加系統與SOCRATE集成，分別為語音通信系統和旅客服務系統，后者可為旅客提供HiFi和視頻服務。所有系統采用分布于每輛車的模塊化設計，以便列車編組改變時不影響車輛的一致性[13]。

為了增強系統的可靠性，SOCRATE采用了冗余設計，但主要是在車輛節點和通信線纜布置上，如圖2所示。列車節點分為動力車節點UCM和拖車節點UCC，節點間通過LAN相連，并以主/從方式工作，一般主節點為主控動力車，發送并從其他從節點接收數據。數據傳輸介質為冗余布置的屏蔽雙絞線，依據EIA RS485標準，傳輸速度為1 Mb/s。同時，SOCRATE可與光纖共同工作，光纖主要用于旅客服務系統。

每個節點(UCM或UCC)均包含兩個相同的單元，由微處理器系統構成，布設于兩套總線上：系統總線和I/O總線。由于每個節點都通過兩個相同的單元連接到LAN，并通過分路器連接到設備，所有功能都是冗余的，所以可靠性很強。

主節點的功能包括：(1)通信線路控制：在列車啟動時，主節點依次激活并識別從節點，進行網絡的初始化，線路故障時具有診斷和提示功能；(2)遠程控制：操作指令如牽引和制動等同步發送至從控動力車，并將指令發送至各拖車相關設備；(3)故障診斷：主節點可在從節點獲取列車設備的警報和故障信息；(4)司機提示：主節點可向司機終端發送關于所有列車裝置的信息；(5)在線維護：主節點可向診斷控制臺發送所有與測量、狀態報警和故障相關信息；(6)線下維護：有關故障信息會同時發送至高速列車維修車間，以便提前準備檢修設備或備件。

車輛節點主要連接如下單元：靜止逆變器、充電機、車門控制單元、制動控制單元、空調設備、照明設備、防滑控制單元、轉向架蛇行控制單元、旅客信息顯示、語音通信設備、旅客服務設備等。

圖2 車輛節點與通信線纜的冗余設計

語音系統(PHONIC SYSTEM)通過切換可用線路并解決同時占用的問題來處理不同用戶之間的語音通信，包括地面調度員和車上工作人員間、車載公用電話與國家SIP服務間、機務人員與乘務人員間等。

旅客服務系統(System for passenger SERVICE)包括：1個音頻雙向通道，用于向乘客和工作人員發出緊急警報；6個立體聲音樂頻道(6×15 kHz)；1個視頻頻道(5 MHz)。調制后的信號被轉換成波長為0.8 bm的光信號并通過光纖傳輸，在車輛末端光纖耦合由一個4路耦合器實現，但也可采用10 GHz頻率的無線電鏈路作為替代。后續ETR 500也有采用電力線通信實現旅客服務系統信息傳輸[14]。

可見，ETR 500的信息系統較為復雜，3部分功能結構如圖3～圖5所示，這主要是為了達成兩大設計目標：(1)在速度、旅行舒適度和諸多設施方面為旅客提供高水平服務；(2)基于設備質量和高級維護系統的高服務可靠性。

圖3 ETR 500的SOCRATE系統

圖4 ETR 500的語音系統

圖5 ETR 500的旅客服務系統

1.3 法國TGV-A

法國國鐵TGV Atlantique列車(TGV-A)是第2代的TGV，采用2動10拖編組，供電制式25 kV 50 Hz，牽引功率8 800 kW，最高運營速度可達300 km/h，從1989年開始投入SNCF法國高速鐵路大西洋線的營運。1990年TGV-A取得了最高515.3 km/h的世界紀錄，直至2007年4月3日被TGV POS以574.8 km/h的速度更新[15]。

TGV-A采用了TORNAD和CAN為主的網絡結構，TORNAD即“Token Ring Network Alsthom Device”，為Alstom自主開發的網絡系統，屬于令牌環網，用于單列18臺車載計算機間的通信，支持重聯運行，物理介質主體為2股雙絞屏蔽雙芯線，傳輸速率1 Mb/s，以及少量安全控制硬線和音頻線；CAN網則主要用于牽引設備的控制與同步[16]。TGV-A的網絡拓撲如圖6所示，18臺車載計算機可分為3類：司機室計算機(Driver's cab computer)、電機組計算機(Motor bloc computer)和客車計算機(Passenger car computer)[17]。

每個司機室裝有1臺主計算機(Main cab computer)和1臺輔助計算機(Auxiliary cab computer)，主計算機由18塊板卡、200個輸入和75個輸出組成，并連有熒光顯示屏和字母數字鍵盤，用于駕駛室和客車間的交互。主計算機的功能包括：(1)控制列車網絡上所有計算機的信息交換(包括重聯列車)，發生故障時由從控端司機室的主計算機代替執行；(2)通過無線數據傳輸，控制車載處理器和地面設備間的控制信息交互；(3)將通過網絡發送的各種信息和信令解碼，并在司控臺上顯示；(4)在發生故障時，向司機提供操作提示和預防信息。

在從控司機室，主計算機接收其功能執行所需數據，并在運行中將信號傳輸到主控司機室。各司機室的主計算機均監視轉向架的不穩定性，接收并記錄故障數據，必要時提示列車運行速度。

輔助計算機由9塊板卡、50個輸入和50個輸出組成，作為主計算機的備份提供如下功能：(1)在主控司機室中，對來自主控制器的命令進行編碼和傳輸，以及數據解碼和司控臺顯示；(2)在從控司機室中，用于接收指令和傳輸信號。

00-固定電臺；0-車載電臺；1-司機室主計算機；2-司機室輔助計算機；3-電機組1計算機；4-電機組2計算機；5-客車1計算機；14-客車10計算機；15-電機組3計算機；16-電機組4計算機；17-司機室輔助計算機；18-司機室主計算機。圖6 TGV-A的網絡系統結構

電機組計算機實現了轉向架2臺電機和相關設備(整流器、斬波器、變流器，功率因數校正設備和通風設備等)的所有控制、調節和監控功能。在牽引模式下，電機組計算機按供電網絡可用功率調整列車取用功率，并根據輪軌黏著條件計算最佳牽引力；在制動模式下，計算機根據列車管減壓，并根據程序分配空氣制動力和電氣制動力，以減少制動盤的磨損。

客車計算機的功能包括：(1)控制和調節空調設備；(2)車門控制；(3)監控制動器，如防滑系統、檢查正確的制動施加和釋放、防止軸抱死等；(4)轉向架穩定性監測；(5)旅客信息顯示，列車名稱、車號、終到站和中途停靠站等；(6)故障記錄以便于后續維修。需要立即處理的嚴重故障，將通過網絡提示相關人員，如轉向架失穩、軸抱死信息發送給司機，車門未關閉、空調故障信息發送給乘務員，報警信號同時發送給司機和乘務員。

為了提高系統安全性，最大限度減小計算機故障的影響，一些功能采用冗余計算機或緊急備用計算機方式，例如一個轉向架的制動同時由2臺計算機監控，第1臺計算機作為主防滑系統，第2臺計算機則監視軸抱死，但在第1臺計算機故障時作為備用防滑系統。

在后續的TGV車型中，Alstom將網絡拓撲由環網改成了總線網絡，相應的網絡系統命名為TORNAD*[18]。

1.4 TCN標準的形成及應用

ICE1/IEC2、ETR 500以及TGV-A等動車組均是1990年前后投入運用，其主要研發時間在1990年以前，受當時計算機、通信等技術背景影響，車載網絡系統的差異性較大。

1988年IEC TC9與世界上20多個主要鐵路運營部門和機車車輛制造廠家代表，以及國際鐵路聯盟的代表，共同組成WG22工作組，旨在制訂一個開放的通信系統，從而使得各種鐵道機車車輛能夠相互聯掛，并且車上的可編程電子設備能夠互換。1992年6月WG22以委員會草案(Committee Draft)的形式向各國發出列車通信網絡的征求意見稿，該稿分成4個部分：第1部分為總體結構，第2部分為實時協議，第3部分為多功能車輛總線(MVB)，第4部分為絞線式列車總線(WTB)。

經過多年的努力，WG22在西門子公司和Adtranz公司原有技術方案的基礎上，共同開發出了一套系統標準。1994年5月至1995年9月歐洲鐵路研究所(ERRI)在瑞士因特拉肯至荷蘭阿姆斯特丹之間的鐵路，對瑞士聯邦鐵路(SBB)、德國鐵路股份公司(DB)、意大利國家鐵路(FS)、荷蘭鐵路(NS)的車輛編組而成的試驗列車進行了全面的TCN實驗。1999年6月TCN標準草案61375-1正式成為國際標準[19]。

因此，在ICE1和ICE2上可以看出TCN網絡的雛形，后續的動力分散型動車組ICE3則采用了標準的TCN網絡，具有WTB和MVB兩層網絡結構。ETR 500的SOCRATE也可歸于TCN網絡，但因其采用了UIC的舊13芯連接器，WTB通信線定義與標準TCN不同，故稱為TCN*，而TGV-A的TORNAD則并不符合TCN網絡特征。

TCN標準發布后，被大量的動車組、機車和地鐵車輛采用，我國中華之星動力集中動車組也采用了WTB/MVB的TCN網絡結構。韓國在基于TGV研發KHST-7試驗動車組時，采用了如圖7所示的網絡拓撲(以牽引和制動系統為主畫出)，詳細的介紹可以參考文獻[20]。

圖7 KHST-7的網絡系統結構(牽引與制動)

2 中國速度160 km/h動力集中電動車組CR200J

速度160 km/h動力集中電動車組動力配置和編組形式包括：短編組(1Mc+7T+1Tc)、長編組(1Mc+18T+1Mc)和靈活編組(1Mc+9T～18T+1Mc)3種方式，其中Mc為動力車，T為拖車，Tc為控制車，動車組的車種可根據運用需求靈活配置。研制廠家包括中車旗下多家公司，需實現不同生產廠家的動力車與動力車、控制車與動力車之間的匹配，短編動車組需實現控制車與動力車端連掛、控制車與控制車端連掛組合的重聯運行。

速度160 km/h動力集中電動車組動力車以八軸客運電力機車技術平臺為基礎，參照中國既有動車組經驗及要求進行優化設計；拖車、控制車以既有25T型客車為基礎，在平面布置、內部裝飾、人機界面等方面參照既有CRH動車組進行優化設計。

2.1 動力車

速度160 km/h動力集中電動車組動力車目前有兩個平臺，均符合TCN標準的兩級網絡(列車級WTB/車輛級MVB)進行通信和控制，同時在動力車內部布設以太網。

動力車平臺A的網絡拓撲如圖8所示，網絡控制系統由WTB/MVB網關GW、中央處理單元CCU、記錄存儲模塊ERM、司機室輸入輸出單元CIO、機械間輸入輸出單元MIO和司機室顯示單元DDU等組成，通過MVB與牽引控制單元TCU、制動控制單元BCU、列車供電系統ETS等進行通信。同時，控制系統設置MVB/Lonworks網關，可與拖車實現諸如車門狀態、火災報警等信息交換。以太網僅作為監視網運行，因此在圖8中未畫出。

動力車平臺B的網絡拓撲如圖9所示，列車級網絡采用標準WTB網絡，以實現互聯互通互控；車輛級網絡采用MVB+ETH雙網熱備方式，ETH采用環形拓撲結構符合IEC 61375-3-4標準。網絡控制系統主要部件包括：WTB/MVB/ECN網關GW、以太網交換機CS、中央處理單元CCU、記錄存儲模塊ERM、遠程控制單元RIOM、和司機室顯示單元DDU等組成，通過MVB與牽引控制單元TCU、輔助供電單元APU、制動控制單元BCU、列車供電單元LGU等進行通信。同時，控制系統也設置MVB/Lonworks網關，用以與拖車進行信息交換。

圖8 動力車平臺A網絡拓撲示意

圖9 動力車平臺B網絡拓撲示意

2.2 拖車/控制車

速度160 km/h動力集中電動車組拖車車輛電氣監控系統由車輛控制單元、供電系統、電源裝置、軸溫、煙火、塞拉門、防滑器、車廂監控屏、列車級電氣監控系統主機及顯示屏(僅餐座合造車或普通座車(帶餐吧))和兩級Lonworks網絡(列車級、車輛級)等組成。控制車的客室部分網絡同拖車，司機室部分網絡同動力車(目前為平臺A的簡化)，通過在動力車或控制車設置的MVB/LonWorks網關將拖車信息通過網絡直接顯示在司機室顯示屏，整列網絡拓撲如圖10所示。

圖10 動力集中電動車組網絡拓撲示意(短編組)

在25T客車成熟旅客信息系統(PIS)的基礎上增加車外信息顯示屏，集成廣播播音系統，如圖11所示。為保證PIS系統互聯互通，有RS485總線、音頻總線和主從信號線貫穿全列，但動力車和控制車司機室并不接入。乘務員室照明控制開關可控制本車廂照明，播音室可集控全列照明。

圖11 動力集中電動車組PIS系統示意

2.3 安全與監控

動力車和控制車安裝機車車載安全防護系統(6A系統)和遠程監測與診斷系統(CMD系統)，實現走行部安全監測、防火監控、高壓絕緣檢測、視頻監控、列車供電監控、制動安全監控等；拖車安裝行車安全監控系統，實現對拖車的轉向架、制動和防滑器的狀態監測與診斷，并將車輛電氣監控系統對拖車的煙火、塞拉門、防滑、軸溫、空調、供電監測信息通過TCDS主機與TCDS地面系統進行無線通信，實現數據落地和遠程監控。同時TCDS主機將塞拉門、軸溫、煙火、制動等信息傳遞給動力車和控制車。

此外，動車組設硬線安全環，包括門控安全環線、制動安全環線、軸溫報警安全環線和火災報警安全環線等，并設列車及單車旁路。拖車車門未關閉，列車牽引封鎖，司機顯示單元報警；拖車軸溫絕對溫度超過90℃報警時，列車自動實施常用制動直至停車，司機顯示單元報警；拖車發生嚴重制動報警，列車自動實施常用制動直至停車，司機顯示單元報警；拖車火災報警時，司機操縱臺產生聲光報警。

3 對比分析

由于計算機和通信技術發展日新月異，國外幾個典型動力集中動車組的網絡系統是特定時期的產品，于今并無太多技術借鑒價值，表1列出了文中各動力集中動車組的網絡對比。IEC 61375標準發布以來，TCN網絡得到了廣泛的應用和發展，我國速度160 km/h動力集中電動車組動力車即采用了TCN網絡，并且嘗試部署了以太網，形成了MVB/ETH雙網冗余結構。

表1 文中動力集中動車組的網絡對比

從上述分析可知，ICE1/ICE2、ETR 500和TGV-A等車型雖然是早期車型，但網絡設計整體性較強，動力車和拖車遵循同一網絡架構。同時，運用單位和制造企業對旅客體驗較為重視，尤其是ETR 500專設光纖以滿足音、視頻功能需求。

而我國CR200J動車組在動力車和拖車分別部署了TCN和Lonworks兩套網絡，通過MVB/Lonworks網關連通，增加了網絡的復雜性，且MVB/Lonworks網關將成為動力車與拖車間通信的瓶頸。例如動力車和控制車間有35根貫穿線，分制動系統、標志燈控制、緊急牽引、重聯電話、遠端控制電源控制等功能組，以及3組通訊功能接口：WTB總線、VDSL2總線及CAN總線通訊接口，其中后兩者用于6A系統；與拖車信息交互亦需35根貫穿線和3組通訊功能接口，貫穿線分為車列電空、拖車車門控制、拖車安全環路、集控供電等功能組，通訊功能接口有RS485總線、廣播音頻總線和Lonworks信息線等。動力車/控制車外重聯端采用了196芯電氣連接器。

CR200J動車組的這種網絡布置，主要是為了最大限度沿用八軸客運機車和25T型客車的既有產品，一定程度上減小了研發成本，但導致了全列網絡系統架構較為復雜，整體性考慮欠佳，例如目前拖車僅支持手動設置PIS車廂號，不具備車廂號自動編號功能，且各拖車電氣綜合控制柜、PIS車廂控制器、TCDS和火災報警控制器的車廂號設置相互獨立，需分別更改才能實現各設備車廂號統一，這可能會為后續的運營維護帶來不便。

4 結束語

國外早期主要動力集中動車組車型如德國ICE1/ICE2、意大利ETR 500和法國TGV-A等均在1990年附近研制并投入運用，其網絡系統差異性較大，隨著TCN標準的形成和廣泛應用，列車級和車輛級分別采用WTB和MVB兩層網絡架構成為動車組網絡系統主流，我國速度160 km/h動力集中電動車組動力車/控制車采用了TCN網絡，并同時部署了以太網，拖車則沿用了25T型客車的Lonworks網絡，通過動力車/控制車設置的MVB/Lonworks網關與動力車/控制車進行通信，一定程度上減小了研發成本，希望同時借鑒國外動力集中動車組網絡系統設計經驗，以用戶體驗為導向，提高我國動力集中動車組網絡系統的整體性。