可變編組動車組制動系統TCN網絡信號傳輸需求研究*

王學文， 馬永靖， 張笑凡， 曹宏發， 孟繁輝

(1 中車長春軌道客車股份有限公司 國家軌道客車工程研究中心， 長春 130062;2 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)

可變編組動車組主要為滿足不同線路、或同一線路不同時段的運營需求，可實現對編組型式及編組數量進行配置的車輛。文獻[1-2]可變編組不同于靈活編組車輛(可以任意數量配置編組)，常用的編組配置單元有1動1拖(1M+1T)和2動2拖(2M2T)，其中動車組車輛的重聯運營即4個2M2T的典型應用。

為更好滿足不同線路城際車編組型式多樣性需求，中車長春軌道客車股份有限公司(簡稱：長客股份)可變編組動車組項目采用1動1拖為一個編組單元。基于該項目的網絡拓撲(一個牽引單元內1動1拖為一個網段，8輛編組)，借鑒列車級數據傳輸規范對實時性標準要求，文獻[3]對比分析制動系統進行制動力無主復合分配，在單網段內與跨網段時的MVB與WTB信號傳輸量需求、系統復雜度差異。

1 信號及傳輸需求

制動系統分配制動力時優先使用電制動，出現單車故障時制動力分配復合范圍越大，電制動利用率越高、基礎制動磨耗越小、對車輛運營線路影響越小。文獻[4]隨著分配復合范圍的擴大，信號傳輸量和信號流將成倍增加，同時仍需保證信號的實時性，需在制動系統性能及復雜度間權衡。文獻[5]按照制動系統制動力分配控制及監測需求，將信號依響應時間劃分為不同的數據包Dn，進行信號量及信號流分析。

1.1 BCU與TCU上報信息

采用跨網段無主方式進行制動力分配時，各車制動控制單元(BCU) BCU x.1都需接收其他BCU(本網段和跨網段內的)的摩擦制動能力、車重及與摩擦制動施加相關的其他狀態信息；為與主控CCU發送的制動試驗指令進行交互，需要傳輸制動試驗交互指令，兩者對響應實時性要求都比較高，組成數據包D1。為上報BCU的狀態信息及BCUx.2監測的軸不旋轉檢測(DNRA)信息，分別通過兩個響應速度較慢的MVB端口上報數據包D2和D3。為實現空電復合控制，各車也需接收其他網段內牽引控制單元(TCU)的電制能力值、實際值、防滑減量及TCU工作狀態信息(即數據包D4)。

其中數據包D1和數據包D4都需要網關進行轉發到其他網段的BCUx.1或主控CCU。若采用單網段1動1拖間進行制動力復合時，數據包D1和D4內摩擦制動和電制動相關變量都不需要、或不需要高速上報(如上報，則僅用于監測顯示)。信號傳輸顯示及數據報信息分別參見圖1和表1。

表1 BCU與TCU上報信息數據包定義

圖1 BCU與TCU上報信息信號流

1.2 WTB數據傳輸

(1)WTB數據組包

當采用跨網段制動力分配方式時，網關接收到本網段內的BCUx.1、BCUx.2、TCU的數據包D1、D2、D3、D4后，將按照數據內容進行轉發，制動相關信號按響應的實時性要求，劃分為數據包D5和D6。

D5主要包含D1和D4數據包信息，傳輸周期短。當跨網段制動力分配時，要包含兩個D1數據包，分別對應動車BCU和拖車BCU，不跨網段制動力分配時，D5數據包將在D1+D4的基礎上減去不需上報顯示的制動力分配相關變量。因此，兩種分配方式D5的數據包大小相差約1倍。

D6數據包主要用于顯示監測，由數據包D2和數據包D3組成，傳輸速率要求不高。

WTB過程數據報文長度為128字節，D5和D6都走實時報文還需評估是否滿足需求傳輸需求，若不滿足，則需要進行分時分頁傳輸，增加系統的復雜度。WTB報文數據長度劃分需求如圖2所示。

圖2 WTB報文數據長度劃分需求

(2)傳輸周期

WTB過程數據應采用25 ms的傳輸周期，即在25 ms內所有WTB節點的過程數據至少發送一次。若采用分頁數據傳輸，則25 ms內發送一頁，但所有過程數據應在500 ms內至少發送一次。

WTB過程數據報文長度為128 Byte，根據GB/T 28029.1章節4.4.2.2中規定，發送一幀WTB過程數據報文的時間為1 756 us。因此在25 ms內至少將4個WTB節點的過程數據報文發送一次。WTB過程數據通信時序示意圖如圖3所示(4個節點)。

圖3 WTB報文傳輸周期需求

1.3 網關下發到本網段的信息

網關接收到主控CCU或其他網段發送的信息后，按照信號內容劃分為兩類數據包。D7主要包含列車時間、環路信息、來自CCU的制動指令、制動試驗及本網段制動力分配相關信息，約20 Byte。

D8/D9……其他車制動力分配相關信息，僅考慮摩擦制動可用值、設定值、電制能力值、實際值、請求值，一個網段一個數據包也需14 Byte，另也需考慮布爾量的狀態信息(需包含網段內動拖車的摩擦制動狀態與TCU狀態)，跨網段越多，D8/D9……依次類推包含其他車輛制動力分配相關端口越多。

若考慮將來一個網段內擴展為2動2拖，則D8/D9……類數據包大小仍需翻倍；且從制動角度不建議把不同網段的制動力分配信息通過同一個端口下發。WTB報文轉發如圖4所示。

圖4 WTB報文轉發示意圖

2 WTB信號流對比

2.1 單網段制動力復合

單網段制動力復合分配時，D5與D6數據量僅包含發送給主列控單元(CCU)和司機屏(HIM)用監控的數據信息，數據量約為跨網段復合分配的1/2。當實際設計時，若D5與D6數據量小可以不分時分頁傳輸。

8輛車4個牽引單元進行單網段制動力復合分配時，WTB傳輸的數據流如圖5所示，為保證響應的同步性，主控網段內的D5與D6也需通過網關傳輸，示意圖未畫出。

主控牽引單元網關接收到其他網段的D5與D6數據后，轉發只有CCU或HMI接收，用于監控顯示，主控網段內的BCU和TCU不接收。

圖5 單網段制動力復合WTB信號傳輸示意圖(8輛車)

2.2 跨網段復合

跨網段制動力復合分配時，D5與D6數據量僅包含發送給主列控單元(CCU)和司機屏(HIM)用監控的數據信息，還需包含各網段內制動力分配相關信息，數據量約為單網段復合分配的2倍。

6輛車3個牽引單元進行制動力復合分配時，WTB傳輸的數據流如圖6所示，對比單網段制動力復合分配時，傳輸的數據量、網關轉發的數據端口、BCU接收的端口及數據量，隨跨網段復合數量增加，信號量和信號流呈幾何特性增加。

圖6 跨3網段制動力復合分配WTB信號傳輸示意圖(6輛車)

3 總 結

從信號量和信號流對比分析，多網段制動力復合時，相對單網段制動力復合，需要WTB轉發的高實時響應數據量增加1倍，且隨跨網段數量的增多，WTB上的信號流方向也成倍擴展，制動系統和網絡系統的復雜度也隨之提高。因此從信號角度分析，單網段制動力復合方案優勢更為明顯。