LonWorks 技術及其在機車車輛中的應用

余水平 程玉娟

（武漢鐵路職業技術學院，湖北 武漢430205）

20 世紀90 年代初，美國Echelon 公司發表了LonWorks(Local Operating Network）技術，該技術作為一種工業現場總線，由于其開放性和互操作性強的特點，迅速在各個領域推廣普及開來。在鐵路運輸領域，LonWorks 技術也有著廣泛應用。如美國新澤西輕軌Comet IV 項目，舊金山灣區地鐵(BART)制動系統監視器和自動列車控制系統，ALSTOM公司的牽引系統，德國鐵路(DB)上的照明、供暖和空調控制系統等，加拿大BOMBARDIER和日本川崎等公司也將LonWorks 用作列車通信網絡，用在他們生產的車輛上。在我國，LonWorks 技術也已先后用于“新曙光”、“神州”、“金輪”等內燃動車組上。我國鐵路的客車電氣系統也采用了LonWorks 現場總線技術，實現對客車上的主要電氣設備進行監控。

1 LonWorks 技術特點

LonWorks ( Local Operating Network）技術結合了計算機技術、網絡技術和控制技術，同時兼有通信和控制的功能，是一種局部操作網絡技術。自推出后，LonWorks 技術在航空航天、智能樓宇、電力監控、鐵道運輸及工廠自動化等領域得到廣泛運用，究其原因，主要是因為LonWorks 技術有以下六方面的優點：

1.1 LonWorks 技術具有開放性。其網絡協議符合OSI 參考模型，同時對任何用戶都是對等的，任何制造商的產品都可以實現互操作。

1.2 LonWorks 技術兼容性強。其支持多種傳輸介質，包括雙絞線、同軸電纜、電力線、光纖、無線電波、紅外線等，并且多種傳輸介質可以在同一網絡中混合使用，使得不同設備及不同網絡之間都能實現互聯，具有較好的兼容性。

1.3 LonWorks 網絡拓撲結構具有靈活性。其網絡拓撲結構能根據實際應用需求采用不同的網絡拓撲結構，大大降低固定網絡拓撲結構帶來的局限性和復雜度。

1.4 LonWorks 網絡穩定性強。LonWorks 網絡沒有主從節點之分，均平等，且每個節點具有相同的控制和通信功能。因此當出現節點故障時，不會造成系統癱瘓，從而大大提高了網絡的安全性和穩定性。

1.5 LonWorks 技術硬件設計合理。一個神經元（Neuron）芯片擁有3 個處理單元和11 個輸入輸出（I/O）接口，分別作用于鏈路層控制、網絡層控制及用戶的應用程序。

1.6 LonWorks 技術軟件平臺充足。可提供現成的網絡管理工具、網絡維護診斷工具及實現網絡監控和人機界面應用程序所需的數據交換接口，并為用戶定制設計了一個軟件開放平臺LNS( LonWorks Network Service）。

2 LonWorks 技術在普通客車上應用——列車監測系統

目前，LonWorks 現場總線技術已經在普通客車上的車門、空調、車電、安全監視等系統中使用。其中，安全問題一直是鐵路客運事業關注的關鍵問題，因此針對列車監測系統的研究從未停止過。早期在[1]文中，作者安永祥就介紹了基于LonWorks 總線的列車信息檢測系統，該系統利用現代檢測技術、嵌入式違紀技術和總線通信技術，對空調列車各車型空調系統的電壓、電流、車廂溫度、主接觸器節點溫升、控制電路工作狀態、發電機軸承溫度等多向參數進行實時檢測，將檢測結果集中顯示在乘務員值班室, 并對檢測結果進行分析、判斷、存儲、報警、生成報表等。從而確保發電車及其空調系統安全運行。另外比較典型的，還有客車行車安全監測系統(KAX1)，這套系統在新型25T 型客車已經安裝使用，該網絡工作運行良好，數據通信及時、準確，能滿足了客車行車安全監測系統的要求，其網絡框圖如圖1 所示。

圖1 列車安全監測系統網絡結構

該系統采用LonWorks 現場總線技術，將列車網絡結構分成兩級：列車網絡和車輛網絡，兩級的網絡拓撲結構均為總線結構，傳輸介質采用雙絞線，通信方式采用主/從式，并且利用雙冗余技術，更好的確保了數據信息正常傳輸，保障了列車行車中的安全。網絡中各車輛的顯示、防滑、制動、車輛等功能子系統，根據列車行車的狀態，列車網絡管理器能及時獲取監測到的信息，分析數據并顯示在列車顯示屏上。

除此之外，隨著技術的不斷發展，在[2]文中，石楠和周鳳星等作者提出了一種為實時的列車網絡監測系統，該利用單片機、神經元芯片、LonWorks 總線、ARM-Linux 等技術，能實現鐵路列車設備狀態的實時監測。在[3]文中，中國鐵道科學研究院機車車輛研究所的王旭如等研究員提出了一種普通客車安全監測列車網絡解決方案，該方案是針對普通客車非固定編組的管理模式的需求，采用LonWorks 電力線列車網絡。

3 LonWorks 技術在重載貨車上的應用——ECP 制動系統

從20 世紀80 年代以來，許多國家為運輸大宗貨物，普遍開行了重載單元列車，然而采用空氣制動系統的列車斷鉤事故和脫軌事故頻繁發生。但自1995 年美國開始在重載單元列車上研究采用電控空氣制動系統ECP（Electronically Controlled Pneumatic）后，安全事故問題得到了解決。目前，加拿大、南非、澳大利亞等國家的重載貨車上均使用了ECP 系統，運用效果良好。

ECP 制動系統之所以能解決安全事故問題，其主要原因在制動系統中引人了基于LonWorks 現場總線技術的列車通信網絡系統。通過LonWorks網絡，制動指令就可以通過網絡通信方式廣播出去，使得列車上所有制動裝置同時收到制動命令，從而實現全列車的同步制動；同時利用LonWorks網絡，還可以實時獲取各車輛的制動狀態，并顯示在機車顯示屏上。在文[4]中，白智峰等作者通過仿真分析得出：ECP 整個系統的制動過程在LonWorks 技術的參與下，表現出良好的操縱性。

ECP 系統的列車通信網絡系統由網絡總線和網絡設備組成，ECP 制動系統網絡框圖如圖2 所示。

網絡總線是由貫穿全列的雙芯電纜構成，網絡拓撲結構為總線形，以電力線的方式向所有的ECP 裝置提供電源和傳送通信信息，傳輸速率達到5 kbit/s。

網絡設備包括車輛制動控制設備、網絡接口設備(CID)、頭部終端單元(HEU)、電源供電設備(PSC)、列車尾部裝置(EOT)和事件記錄器等設備，分別安裝在機車和車輛上。HEU 管理和控制ECP 系統中各個功能設備，使得整個系統工作統一有序，保證了全列網絡通信中數據流量和通信信道的暢通。EOT 設備作為網絡完整性的監視設備存在，同時監視列車尾部的電源狀態和空氣壓力狀態。

4 LonWorks 技術在動車組上應用

近年來，動車組列車逐漸步入人們視野，其速度快、環境舒適、車票價格便宜等特點，吸引了越來越多的人們坐動車出行，同時出于對動車控制系統經濟性和實用性要求，使得許多研究人員開始考慮將LonWorks 技術應用在動車組上。

在文[5]中，中車南京浦鎮車輛有限公司的陳立等作者提出了一種基于LonWorks 技術通信原理的動力集中動車組拖車網絡控制系統，如圖3 所示。

針對實際應用，動力集中動車有2 種應用模式：短編組和長編組。“動力車+7 節拖車+ 控制車”是短編組模式，“動力車+18 節拖車+ 動力車”長編組模式，分別如圖4、圖5 所示。

圖2 基于LonWorks 的ECP 制動系統網絡結構

圖3 基于LonWorks 技術動力集中動車組網絡拓撲圖

圖4 基于LonWorks 技術動力集中動車組短編應用模式

圖5 基于LonWorks 技術動力集中動車組長編應用模式

該系統適用于時速160 km 的動力集中電動車組拖車，相比25T 型客車網絡控制系統，具有系統兼容性強、定位適當、實現簡單、穩定可靠及環境適應性強等優點。該系統將拖車網絡控制系統按列車級和車輛級兩級總線設計。兩級總線均采用LonWorks 總線，其中車輛級采用LonWorks 總線進行點對點通信，實現拖車各子系統間運行狀態、故障診斷等信息的傳輸以及對各子系統的控制、狀態及安全監測信息的實時查詢。為保障系統可靠性，列車級LonWorks 總線采用雙線熱備冗余，以便單線故障時LonWorks 網關自動切換信任線，從而保障通信的正常進行。

結束語

LonWorks 現場總線技術在列車影音系統[6]、普通客車、重載貨車及動車組上均有了應用，提高了普通客車行駛中的安全性，降低了重載貨車ECP 制動系統導致的事故率，實現了動車組拖車上的網絡控制，因此LonWorks 技術在機車車輛中具有良好的應用前景。但需要注意的是，LonWorks 技術目前還未在動力分散型的動車組上進行使用，因此基于LonWorks 技術的動車組網絡控制系統還需要深入研究和探索。