基于實時以太網的列車網絡控制系統設計

諶育民 張楊 葉鋒 彭冬良

摘要：隨著通信技術的不斷發展，實時以太網以高速率、高帶寬的優勢成為國內外軌道交通行業網絡通信發展應用的趨勢。本文介紹了一種基于實時以太網通信的列車網絡控制系統方案，為軌道交通車輛列車網絡控制系統設計提供一種選擇。

關鍵詞：軌道交通;實時以太網通信;網絡控制

1 概述

列車網絡控制系統（TCMS）是車輛的神經中樞，實現列車控制、診斷和監視。TCMS有多種網絡通信方式，如MVB、CANOpen、LonWork、以太網等。隨著軌道交通車輛智能化、舒適化、高速化需求的提高，列車網絡通信需要更多、更快、更好地進行數據通信。實時以太網以高速率、高帶寬等優勢成為國內外軌道交通行業網絡通信發展方向。基于IEC61375的實時以太網列車通信網絡標準已于2014年發布并開始逐步應用到市場中。

2 系統構成

2.1 通信網絡

實時以太網通信基本特性：

（1）實用波特率：100Mbps;

（2）過程數據最小循環周期：20ms;

（3）最大數據大小：1500字節;

（4）交換機星型結構連接節點，點對點通訊距離不大于100米;

（5）以太網編組網有直線、雙路連接直線、環形、雙路連接環形、雙路連接梯形等結構，在設計與應用時從系統可靠性、設備重要性、通信冗余性等角度綜合考慮。

2.2 網絡拓撲

本文設計的列車通信網絡采用環形拓撲結構，以4編組車輛設計為例：

（1）整車配置2個列車骨干網節點、冗余雙線連接構成列車骨干網;

（2）各節車以太網交換機以環形結構連接構成列車編組網;

（3）每節車的終端設備節點與以太網交換機采用星型連接。

2.3 設備組成

2.3.1 列車骨干網節點TBN

每節Mc車配置1個TBN，建立列車重聯網絡通信，整車兩個TBN互為熱備冗余。TBN通過冗余雙通道連接其他骨干網節點、通過單網口接入ECN。采用管理型以太網路由器，具備DHCP、LLDP、VLAN、SNMP、RSTP、鏈路聚合等功能。

2.3.2 以太網交換機CS

每節車配置一定數量的CS，以環形拓撲結構連接實現列車編組網數據交互。交換機數量根據終端設備數量、冗余設計情況確定。采用管理型交換機，具備DHCP、LLDP、VLAN、SNMP、RSTP、鏈路聚合等功能。

2.3.3 車輛控制單元VCU

每節Mc車配置1個VCU，實現整車邏輯功能控制。VCU是TCMS的核心設備，通過雙網口分別接入2個CS。兩個VCU互為熱備冗余，通過ECN和ETB與車輛其他設備進行通信，執行列車控制、顯示數據控制、故障診斷等功能。

2.3.4 人機交互界面HMI

每節Mc車司機臺配置1個HMI（司機顯示器），是TCMS的顯示終端設備，是司機和維護人員操作車輛的窗口。HMI通過雙網口冗余接入2個CS，實現信息顯示、參數設置、功能測試。

2.3.5 事件記錄模塊ERM

每節Mc車配置1個ERM，對列車運行狀態及故障信息進行記錄。ERM通過單網口接入ECN，兩個ERM同時記錄相同數據，實現設備級冗余。

2.3.6 輸入/輸出模塊IOM

每節車根據IO數量需求配置一定數量的輸入/輸出模塊IOM，完成對數字量/模擬量數據電氣信號與控制信號的轉換，實現硬線數據采集和輸出。每個IOM通過單網口接入ECN。

2.3.7 其它網絡設備

如有個別系統無法實現以太網通信，可增加協議轉換模塊將設備連入ECN。

3 系統功能

TCMS通過ECN/ETB網絡與車輛其他系統進行數據通信，主要實現控制、診斷和監視功能。

3.1 控制功能

TCMS綜合車輛運行工況及各設備的工作狀態，主要完成以下控制：

（1）司機室激活：激活判斷，司機室激活聯鎖報警;

（2）方向控制：對牽引電機的“正向”和“反向”控制;

（3）駕駛模式：根據優先級對各個模式控制，在同一時刻只執行一種模式;

（4）牽引封鎖：監視影響列車運行的條件，判斷并封鎖列車牽引;

（5）緊急制動：監視影響列車運行的條件，判斷并觸發緊急制動;

（6）空壓機管理：按單雙日控制不同的空壓機啟停，確保其損耗均勻;

（7）空調啟動控制：對空調機組壓縮機進行錯時啟動控制，避免交流負載嚴重過載;

（8）空電/液聯合制動控制：與BCU、DCU協調進行混合制動控制;

（9）超速保護：對列車速度進行監視、報警和保護;

（10）其他功能。

3.2 診斷功能

TCMS完成車載系統事件&故障數據的采集、分析、轉儲和顯示，VCU診斷、ERM記錄、HMI顯示;并可通過便攜式測試單元（PTU）下載、或通過WTD無線網絡實時上傳到地面，供數據實時分析、健康管理、智能運維和數據長期儲存。

（1）故障等級：

故障等級

故障描述

嚴重故障

嚴重影響運行的故障，可能導致乘客和車輛危險，需立即處理。如不能及時排除，列車需在運行的下一站清客，空車回庫處理。

中等故障

影響運行的故障，需立即處理。如不能及時排除，列車需在完成本次單程運營后退出運行，空車回庫處理。

輕微故障

不影響運行的故障，可以在列車運營結束后回庫再處理。

（2）故障信息：故障名稱、故障車號、故障設備、故障代碼、故障產生/消除時間、故障處理說明。

（3）記錄類型：觸發型和持續型。

（4）記錄模式：先入先出（FIFO），數據記滿后自動覆蓋以前的數據。

（5）PTU分析：采用PTU對診斷數據進行下載、顯示和作進一步分析研究。

（6）無線上傳：通過WTD的無線網絡將車輛狀態、故障信息實時發送至地面。

3.3 監視功能

HMI提供兩種用戶模式：運行模式和檢修模式，提供車輛的狀態、故障和事件信息監視：

（1）車輛狀態顯示：運行模式、速度、網壓、通信、旁路、各系統狀態;

（2）廣播控制：報站模式選擇、緊急廣播、緊急對講;

（3）空調啟動：空調啟停、工作模式、溫度;

（4）維護信息：IO、牽引、制動、輔助電源系統的詳細數據;

（5）累計數據：里程、牽引/制動能耗、空壓機運行時間;

（6）參數設置：時間、車號、輪徑;

（7）性能測試：加減速度測試、制動距離測試等。

4 結語

基于實時以太網的列車網絡控制系統通信數據量大、實時性高、可用性強，可靠性和安全性也在逐步地提高和優化;隨著多網融合、健康管理、智慧運維等列車智能化應用，基于實時以太網的列車網絡控制系統具有較高的優勢為列車智能化提供基礎，適用于地鐵、有軌電車、動車等多種軌道交通車輛。

參考文獻：

[1]王濤，王立德，周潔瓊，申萍.基于交換式以太網的列車通信網絡實時性研究[J].鐵道學報，2015，37（4）：3945.

[2]李超.列車ECN設備與ETBN節點通訊技術研究[D].大連交通大學，2017.