一種市域車輛平臺網(wǎng)絡控制系統(tǒng)

于盼龍　周安德　李庭芳

摘 要：列車網(wǎng)絡控制系統(tǒng)是一種用于控制、通信、監(jiān)視整列車的車載計算機系統(tǒng)，它是列車的神經(jīng)系統(tǒng)和指揮中樞，實現(xiàn)各子系統(tǒng)信息傳輸共享，協(xié)調中央控制系統(tǒng)與各子系統(tǒng)的控制、監(jiān)視與診斷任務，匯總各子系統(tǒng)工作狀態(tài)和故障診斷信息，提供信息顯示和人機交互接口，完成整車級的控制、故障診斷、狀態(tài)監(jiān)視等工作。

關鍵詞：市域車 網(wǎng)絡控制系統(tǒng) DTECS平臺 MVB總線

中圖分類號：U271.7 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2019）04（a）-0159-03

隨著城市范圍的不斷擴大，城市群的形成使傳統(tǒng)的地鐵系統(tǒng)無法滿足市域范圍的長距離出行要求，給中心城與外圍地區(qū)的乘客出行增加了很大困難，于是一種介于地鐵與城際鐵路之間的新型軌道交通方式——市域快速軌道交通應運而生。它拉近了中心城與市域組團以及組團之間的距離，具有大載客量、快起快停、快速通過、既可高速連續(xù)運轉又可短時大扭矩工作的典型特征，成為當前城市軌道交通發(fā)展的新熱點。

本文所介紹的市域列車網(wǎng)絡控制系統(tǒng)，采用基于分布式列車網(wǎng)絡控制系統(tǒng)（DTECS）的平臺，特別適合軌道交通車輛的車載網(wǎng)絡控制和診斷，由于采用模塊化設計，使得系統(tǒng)的構成十分靈活，不但可以顯著減少系統(tǒng)布線距離，而且容易將來對系統(tǒng)的擴展。本文主要從系統(tǒng)構成、系統(tǒng)功能等多方面對市域列車網(wǎng)絡控制系統(tǒng)進行介紹。

1 系統(tǒng)構成

1.1 網(wǎng)絡拓撲

以某型市域車輛平臺為例，列車采用8輛編組，6動2拖，編組配置為Mc+T+M+M+M+M+T+Mc。網(wǎng)絡控制系統(tǒng)分為兩級網(wǎng)絡結構，列車控制級總線和車輛控制級總線均采用雙通道冗余的EMD電氣中距離介質的MVB多功能車輛總線，符合IEC 61375最新標準的要求；中繼模塊REP作為列車級總線和車輛級總線的網(wǎng)關，實現(xiàn)列車級總線到車輛級總線的數(shù)據(jù)轉發(fā)功能。同時設以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)貫穿全車，用于維護、檢修以及信息化功能，同時用于傳輸列車運維數(shù)據(jù)，方便進行車輛的實時跟蹤、故障實時分析、診斷。

不論是列車級總線還是車輛級總線，物理上的連接采用兩路通信線的冗余結構，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。它們對有關的關鍵區(qū)域提供部分冗余，即在列車控制單元、列車總線或車輛總線故障時，不會導致列車牽引停止。若單節(jié)車輛總線發(fā)生故障，不影響其它車輛總線的工作狀態(tài)。單個部件故障不影響整車運行。列車控制由列車通信網(wǎng)絡和列車硬線聯(lián)合完成，優(yōu)先采用網(wǎng)絡控制技術，列車硬連線作為列車運行和安全的補充措施。MVB總線介質為雙絞屏蔽線纜，通信速率為1.5Mbit/s，傳輸距離大約為200m。

列車設置了一條獨立的以太網(wǎng)并配置網(wǎng)關，每節(jié)車輛均設置以太網(wǎng)交換機。列車上各子系統(tǒng)控制器通過以太網(wǎng)連接到列車維護網(wǎng)絡，為走行部監(jiān)測系統(tǒng)、車門監(jiān)測、空調監(jiān)測、網(wǎng)軌檢測、牽引輔助、制動控制等子系統(tǒng)專業(yè)提供數(shù)據(jù)傳輸通道，通過設置在列車兩端的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)車地無線實時傳輸；同時維護人員可通過設在司機室的維護端口訪問各子系統(tǒng)，進行故障相愛在、在線監(jiān)控與測試等維護工作。列車網(wǎng)絡系統(tǒng)拓撲示意圖如圖1所示。

1.2 設備配置及冗余設計

網(wǎng)絡控制系統(tǒng)設備主要有網(wǎng)關模塊、輸入輸出模塊（包含數(shù)字量輸入輸出模塊、數(shù)字量輸入模塊、模擬輛輸入輸出模塊）、事件記錄模塊、中繼器、以太網(wǎng)交換機、顯示器等。為提高網(wǎng)絡傳輸?shù)姆€(wěn)定性和安全性，列車控制系統(tǒng)將在多個方面實現(xiàn)冗余。

（1）列車在每個頭車上各安裝1臺網(wǎng)關模塊、事件記錄模塊等重要設備，互為冗余。當主設備故障的情況下，從設備將自動接管工作，列車可繼續(xù)運營。

（2）每節(jié)車輛設置2個中繼器，A路、B路通道通過單獨的中繼器進行冗余工作。

（3）采用MVB特制連接器，連接器從子系統(tǒng)上斷開也不影響其他子系統(tǒng)正常通信。

（4）當列車網(wǎng)絡發(fā)生故障時，司機可激活緊急牽引，實現(xiàn)列車的基本運行功能。

（5）以太網(wǎng)作為EGWM和HMI之間MVB總線的備用冗余總線，當HMI與其他設備之間的MVB通訊中斷時，HMI的各項功能不受影響。

2 系統(tǒng)功能

列車網(wǎng)絡控制系統(tǒng)能夠實現(xiàn)信息傳輸、控制和顯示、故障診斷、故障預警、用戶支持等功能，從而把證列車安全可靠的運行。

2.1 信息傳輸功能

列車網(wǎng)絡控制系統(tǒng)對列車級總線、車輛級總線以及以太網(wǎng)總線進行控制和管理，按照通信協(xié)議完成列車數(shù)據(jù)、車輛數(shù)據(jù)的組織和轉發(fā)，實現(xiàn)列車控制、顯示屏的顯示、故障和狀態(tài)信息以及故障和事件記錄等功能。

2.2 控制與顯示功能

列車網(wǎng)絡控制系統(tǒng)能實現(xiàn)列車牽引/制動控制、再生制動特性控制、列車/車輛總線管理、顯示器控制、防滑/防空轉保護控制、壓縮機和空調機組順序啟動控制、緊急牽引控制、數(shù)據(jù)轉儲及自動過分相等邏輯控制功能。

在每節(jié)頭車司機操縱臺上設置1臺彩色顯示觸摸屏，為司機提供圖形化的顯示界面，向車輛駕駛人員和維護人員提供車輛綜合信息和設備工作狀態(tài)；主要實現(xiàn)列車運行狀態(tài)監(jiān)視、故障存儲、部分列車設置功能（輪徑設置/時間設置等）、故障信息的綜合與處理等功能。

其運行模式操作流程如圖2所示。

（1）顯示器根據(jù)用戶操作需求分為運行模式（主要面向司機）與檢修模式（主要面對檢修技術人員），運行模式切換至檢修模式需輸入密碼。

（2）給司機顯示列車的基本運行數(shù)據(jù)、故障和評估，以及列車狀態(tài)信息。

（3）給維修人員顯示故障信息的記錄及已定義的環(huán)境條件，利于維修。

可以進行列車運行時加速度、減速度、制動距離等基本參數(shù)的功能測試。通過USB接口，將故障信息轉儲地面進行統(tǒng)計、分析。

（4）故障報警信息，應包含故障代碼、故障名稱、故障類型、車號、故障設備的名稱、故障發(fā)生/恢復的日期和時間、同類故障統(tǒng)計數(shù)、公里數(shù)及相關的環(huán)境數(shù)據(jù)。嚴重故障時顯示屏還應發(fā)出聲光報警。另外，當列車出現(xiàn)故障時，診斷系統(tǒng)可以根據(jù)環(huán)境數(shù)據(jù)進行綜合判斷，并在顯示屏提示最優(yōu)的處理指引。

2.3 故障診斷功能

車載故障診斷系統(tǒng)是列車控制系統(tǒng)的一個重要組成部分，完成車載各部件故障數(shù)據(jù)的采集、分析、轉儲和顯示功能。故障信息在司機臺上通過HMI顯示，并且可以通過PTU上傳到地面維修和服務系統(tǒng)中，供長期的儲存和深入的地面分析。

列車網(wǎng)絡控制系統(tǒng)診斷功能可以協(xié)助司機和檢修人員進行工作。當故障發(fā)生時，協(xié)助司機采取適當?shù)牟僮鳎@示司機實施操作的指導說明，并使維護人員更容易地查找并解決故障。

對于維修工作，除了可直接利用司機顯示器外，還能夠通過服務接口（串行/USB/以太網(wǎng)接口）將存儲在顯示器中的存儲數(shù)據(jù)傳輸?shù)狡胀ǖ膫€人計算機。在個人計算機中借助專用的專家分析軟件對故障數(shù)據(jù)進行分析。對重要的故障信息的記錄給出跟蹤數(shù)據(jù)，并通過分析數(shù)據(jù)記錄能顯示出連續(xù)的數(shù)據(jù)曲線圖形。

2.4 故障預警功能

地面運維中心通過WTD接收列車傳送的數(shù)據(jù)信息并進行分析、診斷及健康評估，從系統(tǒng)或狀態(tài)部件大數(shù)據(jù)及故障機理模型中預測故障趨勢，并根據(jù)預定的各種參數(shù)指標極限值/閾值來提供故障預警，給出列車當前運營建議，減少列車正線發(fā)生故障的概率，提高運行安全性、可靠性。

2.5 用戶支持

（1）在線監(jiān)視讀取。通過列車以太網(wǎng)，利用便攜式測試單元（PTU）軟件，對連接到以太網(wǎng)的各子系統(tǒng)狀態(tài)、運行參數(shù)、故障等進行實時數(shù)據(jù)讀取以及實時監(jiān)控記錄。

（2）下載和分析。列車可以通過PTU軟件下載有關的故障信息和列車數(shù)據(jù)，維修人員可以借助PTU軟件分析列車狀態(tài)并獲得故障源的信息。

（3）遠程維護。系統(tǒng)能夠遠程在線監(jiān)視列車總線傳送的數(shù)據(jù)，遠程單點更新車載所有連接到以太網(wǎng)的智能設備的程序，遠程單點下載車載所有連接到以太網(wǎng)的智能設備的數(shù)據(jù)，并通過PTU可實現(xiàn)對列車的遠程維護。

3 結語

某型市域車輛平臺列車網(wǎng)絡控制系統(tǒng)基于DETCS平臺，采用模塊化設計手段，構建了完整的拓撲結構，實現(xiàn)了列出控制及信息顯示、故障診斷等功能；通過冗余設計和故障導向安全設計，保障了系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性。采用以太網(wǎng)技術，把列車各智能設備連接到以太網(wǎng)交換機上，通過WTD將數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛孢M行存儲、分析以及大數(shù)據(jù)挖掘，從而提高車輛的實時監(jiān)控水平和車輛狀態(tài)評估能力，提高運維體系以及人員對車輛故障的響應速度和處理能力。

參考文獻

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