新型軌道車輛網絡控制系統設計與應用

高 杰， 李文正

(1 重慶中車四方所科技有限公司 技術研發部， 重慶 401133；2 中車青島四方車輛研究所有限公司 電子事業部， 山東青島 266031 )

重慶軌道交通10號線的列車網絡控制系統按照IEC 61375-1—2007標準規定的列車通信網絡組建，車輛總線采用MVB總線。MVB網絡技術是專為鐵路應用而開發，能夠滿足鐵路行業的特殊需求，經過了長期、大量的應用驗證。

重慶軌道交通10號線上網絡控制系統拓撲結構為“T”型拓撲結構，總線采用冗余傳輸，保證數據傳輸的可靠性。MVB總線的傳輸速率為1.5 Mbit/s。此外，重慶軌道交通十號線加入了列車維護網絡系統，系采用以太網搭建，接入該維護網絡的子系統設備可在維護網交換機HUB上實現數據下載、應用程序更新以及狀態監測等功能。

1 網絡拓撲結構

1.1 拓撲配置

重慶軌道交通10號線的列車網絡控制系統拓撲如圖1所示。

VCU-中央控制單元；ERM-數據記錄單元；485GW-網關；RIOM-遠程輸入輸出模塊；HMI-人機接口單元；EDCU-門控制單元；DCU-牽引控制單元；SIV-輔助控制單元；ATC-信號系統；RPT-中繼器；HVAC-通風和空調設備；BCU-制動控制單元；BCCU-蓄電池管理單元；PIS-廣播系統；HUB-交換機；MC-司機控制器；Mc車-帶司機室的動車；Mp車-帶受電弓的動車；M車-動車。圖1 列車網絡控制系統及維護網絡系統拓撲圖

1.2 系統功能

車輛總線采用EMD通信介質的MVB，全列由兩個基本對稱的單元組成，網絡控制系統及維護系統設備情況具體如下：

(1)中央控制單元VCU在Mc車各配備1臺，兩個VCU都是MVB總線的主設備，運行中互為熱備。VCU是MVB網絡的總線管理器，正常情況下，主VCU負責對MVB總線進行管理，同時實現對本單元車輛的控制、對車輛設備的監視和診斷。

(2)人機接口單元HMI在司機室給配備1臺，主要負責人機交互的功能，負責顯示設備狀態、指導司機操作、輸入人工干預指令和向維修人員提供支持。

(3)車輛由遠程輸入/輸出設備RIOM通過MVB接口和車輛總線連接，實現對車輛電路的主要控制信號采集和控制指令輸出。

(4)數據記錄單元ERM實現對列車主要設備的運行狀態和故障進行自動信息采集、記錄，并可通過便攜式測試單元PTU將數據讀出和顯示。

(5)中繼器RPT在每輛車上均配置1臺，實現對MVB信號幀的中繼傳輸，具有冗余的供電和中繼功能模塊。

(6)交換機HUB在每輛車上均配置1臺，實現對維護網絡系統的組建。

(7)網關485GW在Mc車上各配置1臺，實現RS485/MVB通訊之間的轉換。

1.3 新型拓撲

傳統網絡控制系統拓撲結構為“一”字型串行拓撲，MVB總線的A/B路共用同一個連接器和線纜，該結構的特點是線路簡單，成本較低，其缺點是不同設備的線路延時相差較大，一旦線路上出現中斷，可能影響全列車的設備通信，拓撲結構如圖2所示。

圖2 傳統“一”字型串行拓撲圖

在重慶軌道交通10號線上網絡控制系統應用了新型拓撲結構，其結構設計為"T"型，全車共分為7個網段，每節車輛網絡自成一個網段，干線為主網段。拓撲結構如圖3所示。

圖3 “T”型拓撲結構圖

該拓撲結構的特點是：

(1)支路網段故障不會影響其他支路網段及干線網段，降低單個支路網段故障對整個網絡的影響。

(2)具備冗余的MVB傳輸線纜及連接器，能夠避免因單個連接器故障、松動或線纜故障以及子設備故障等引起整個傳輸網絡癱瘓。

(3)方便擴編，只需在M1和M2車預留擴編用的MVB車端連接器，可直接進行擴編，不需要對原車的MVB線路重新設計更改。

1.4 維護網絡

列車檢修過程中對各子系統設備(特別是車下設備)的數據下載、應用程序更新以及狀態監測等維護較為不便。檢修人員通常需要在不同車廂的各設備間來回觀察設備數據、更新程序等操作。

鑒于以上在列車運營維護中的檢修問題，重慶軌道交通10號線上增加了基于以太網搭建的維護網絡，由交換機HUB實現組網并成功接入了VCU、ERM、HMI、DCU、BCCU、SIV、PIS等子系統設備。通過預分配的IP地址，可在HUB上實現對目標設備的數據下載、應用程序更新以及狀態監測等維護操作。為列車檢修帶來了極大的便利。

2 冗余設計

在重慶軌道交通10號線車輛中，為提高列車運行的安全性和可靠性，MVB總線采用符合IEC-61375標準的MVB-EMD電纜，具有冗余結構，即線路A、線路B兩路通道，對關鍵區域提供部分冗余，即在MVB中單點故障不會導致列車運行停止。MVB通過總線連接器與各子系統連接，傳遞過程數據、消息數據、監視數據，控制各子系統完成相應的功能。MVB總線冗余技術方案如下所述。

2.1 VCU冗余

中央控制單元(VCU)是車輛MVB網絡系統的總線管理器，每列由兩臺硬件完全一樣的中央控制單元(VCU)構成，兩臺設備具備同樣的功能，它們在工程實現上應具備相同配置，包括相同的應用級過程數據源端口及宿端口配置。正常工作時，默認頭車VCU定義為主設備，尾車VCU定義為從設備。主從VCU均可實時監測對方工作狀態，若主設備發生故障，從設備將自動切換為主設備繼續工作，確保網絡控制系統不會癱瘓。

2.2 RPT冗余

每輛車均安裝了一臺中繼器，每個中繼器含有兩個互為冗余的中繼器模塊，每個中繼器模塊均可對MVB總線A路、B路傳輸的信號進行中繼傳輸。如圖4所示為中繼器模塊傳輸信號的示意圖。

正常運行時，只有一個中繼器模塊工作，對信號進行一次中繼傳輸，另一個處于熱備狀態。當一個中繼器故障時，另一個中繼器將對原有的A路或B路進行中繼傳輸，不影響各子系統對信號的接收。

2.3 線路及連接器冗余

MVB的線路A和線路B同步發送相同的數據，但各節點只接收信任線的數據。假設信任線為線路A，監視線為線路B。如圖5所示，如果線路A出現故障，線路B切換為信任線，節點將接收線路B的數據，因此當線路A故障時，列車網絡通信正常，系統的性能沒有影響。當線路B故障時，信任線為線路A，不發生變化，列車網絡通信仍然正常。

該冗余設計可以防止傳輸線、引腳接點以及收發器的錯誤、連接器故障或連接不牢靠等引起的MVB傳輸故障。

圖4 中繼器冗余示意圖

圖5 MVB線纜及連接器冗余示意圖

3 控制技術

在重慶軌道交通10號線車輛中，列車網絡控制系統增加了許多關鍵控制技術。可實現對牽引、制動、廣播、輔助供電等各個子系統的控制管理。

(1)牽引制動控制管理

網絡控制系統通過RIOM單元采集ATC發出的控車命令、司控器的編碼線以及各模式開關、限速信號，通過綜合邏輯分析計算后，向牽引、制動系統發出牽引制動控制指令、級位以及限速信號。控制流程如圖6所示。

圖6 牽引制動控制管理

(2)電空混合制動管理

列車制動時優先采用電制動，空氣制動作為補償，并采取全列車合理分配的原則，由網絡控制系統進行制動力計算及分配，并控制電空制動轉換。網絡控制系統發出電制動退出信號時，牽引系統以固定的斜率進行電制動力衰減，制動系統則以相同的斜率進行空氣制動力補充，直至電制動力完全退出。

傳統電制動退出控制方案為固定速度點退出方案，如圖7所示。當速度降低至va時電制動開始退出，如果退出時刻的電制動力較小，則電制動很快就完全退出(如圖中速度點v2)，此時則需要空氣制動一直施加至列車停下來。

圖7 電制動固定速度點退出控制策略

考慮到空氣制動的機械屬性，其響應遠不如電制動靈敏，同時為了減少空氣制動的機械磨損，制動控制應充分利用電制動，將電空轉換點速度盡可能地降低。重慶10號線電空混合制動采用了電制動浮動速度點退出的控制策略，如圖8所示。根據電制動力級位大小浮動調整電制動開始退出的速度點(如圖中速度點va/vb/vc)，使電制動力完全退出的速度點均保持為v0，從而盡可能地發揮電制動力的作用，提高列車制動控車精確度，同時減少空氣制動的機械磨損。

圖8 電制動浮動速度點退出控制策略

(3)中壓負載啟動及分配管理

為了避免中壓負載同時啟動給輔助電源系統帶來沖擊，網絡控制系統對制動空壓機、空調壓縮機進行統一管理。

制動空壓機啟停控制采用主/輔空壓機概念，由網絡系統根據日期(單雙日)來指定一臺為主，另一臺為輔，主空壓機優先啟動，主/輔空壓機的工作每天調換。網絡系統實時讀取總風壓力，根據壓力值大小控制主/輔空壓機的啟停。

空調壓縮機的啟動優先級低于制動空壓機，網絡控制系統按照順序給空調發送壓縮機允許啟動信號，當制動空壓機啟動時，在一段時間內停止給空調發送允許啟動信號，如圖9陰影部分所示。待空壓機啟動完成后，繼續循環發送空調壓縮機允許啟動信號。

圖9 中壓負載啟動順序管理

(4)保持制動緩解控制

當列車停止后，制動系統會施加保持制動。當列車再次運行時，需要及時緩解保持制動，保持制動緩解的控制由網絡控制系統實現。當列車處在坡度上時，其受力分析如圖10所示。

圖10 列車坡道受力分析

當列車上坡時，列車下滑力F向后，為保證列車不后溜，牽引工況時牽引力應大于最大坡度及載重時產生的下滑力F后才能緩解保持制動；

當列車下坡時，列車下滑力F向前，為避免輪對不必要的磨耗，牽引工況時只需要檢測到列車具有向前的速度，即可緩解保持制動。

4 故障診斷

網絡控制系統在重慶軌道交通10號線車輛上搭建了一套完整的故障診斷及數據記錄系統。

中央控制單元VCU作為故障診斷系統的核心，負責接收列車各系統的數據并經過邏輯分析判斷，然后將診斷結果發送至人機接口單元HMI；

人機接口單元HMI接收來自中央控制單元VCU的故障診斷信息后，通過友好的顯示畫面顯示出當前設備的狀態，同時根據故障的隱患程度將故障進行分級，將中等及嚴重故障通過彈窗提醒，實現人機交互；

數據記錄單元ERM接收并存儲網絡控制系統MVB總線上的過程數據及故障信息，同時可將數據下載至本地分析設備，通過專用軟件可對數據進行離線分析，為后續故障分析提供了強有力的支撐。

5 結束語

重慶軌道交通10號線列車網絡控制系統采用了新型拓撲結構。通過運營半年來的情況觀察，新型拓撲結構的應用提高了網絡控制系統通信穩定性及可靠性，維護網絡系統的應用更是極大地提高了列車檢修維護的效率，系統冗余設計、關鍵控制技術的應用提高了軌道交通車輛運行控制效率及精確度，降低了列車運行故障率。新型軌道交通車輛網絡控制技術的應用對提高軌道交通列車的可靠性及可維護性起到了強有力的推動作用。