標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組網(wǎng)絡(luò)原理與處理措施

張偉 賈興強(qiáng)

摘要：高速列車為保證旅客乘車的安全與舒適，需對(duì)車輛的各種設(shè)備進(jìn)行可靠地控制、監(jiān)測(cè)和診斷而列車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是一種面向控制、連接車載設(shè)備的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，是分布式列車控制系統(tǒng)的核心，其集列車控制系統(tǒng)、故障檢測(cè)與診斷系統(tǒng)以及旅客信息服務(wù)系統(tǒng)于一體，通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)列車各個(gè)系統(tǒng)之間的信息交換，最終達(dá)到對(duì)車載設(shè)備的集散式監(jiān)視、控制和管理目的，因此，列車的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)對(duì)于車輛的安全可靠運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。本文著重介紹了列車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成、工作原理以及典型故障的分析和處理方法。

關(guān)鍵詞：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車 ? ?列車總線（WTB） ? ?車輛總線（MVB） ? ?通信 ? ?以太網(wǎng) ? ?MBA總線分析儀

一、系統(tǒng)概述

列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)用于動(dòng)車組的列車級(jí)和車輛級(jí)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸，并能夠?qū)崿F(xiàn)整車的邏輯控制、故障診斷和狀態(tài)顯示，提供調(diào)試和維護(hù)幫助。

1、網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)采用兩級(jí)總線

列車總線為WTB總線，車輛總線為MVB總線[1]，列車級(jí)和車輛級(jí)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換采用WTB/MVB 網(wǎng)關(guān)。WTB總線物理上采用兩根互為冗余的雙絞線，傳輸速率為1Mbit/s，兩個(gè)牽引單元之間通過WTB總線和冗余的網(wǎng)關(guān)連接，通過網(wǎng)關(guān)與本單元的MVB總線相連進(jìn)行數(shù)據(jù)交換[2]。MVB總線的傳輸介質(zhì)為EMD，物理層上采用兩對(duì)冗余的雙絞線總線結(jié)構(gòu)，MVB總線的傳輸速率為1.5Mbit/s。通過MVB總線和輸入輸出模塊實(shí)現(xiàn)各子系統(tǒng)與CCU之間的數(shù)據(jù)交換。

2、布設(shè)以太網(wǎng)，主要用于傳輸狀態(tài)數(shù)據(jù)和故障數(shù)據(jù)

列車同時(shí)布設(shè)以太網(wǎng)ETB列車總線，ETB總線的傳輸速率為100Mbit/s。每節(jié)車廂設(shè)有ETB交換機(jī)，通過以太網(wǎng)交換機(jī)與CCU、HMI、無線傳輸裝置等設(shè)備相連進(jìn)行數(shù)據(jù)交換[3]。ETB總線主要用于傳輸狀態(tài)數(shù)據(jù)和故障數(shù)據(jù)。同時(shí)以太網(wǎng)作為維護(hù)網(wǎng)絡(luò)，對(duì)連接至以太網(wǎng)的車載子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)軟件上載和故障下載。

動(dòng)車組按照牽引單元設(shè)置兩個(gè)網(wǎng)段，每個(gè)網(wǎng)段設(shè)有列車節(jié)點(diǎn)。每個(gè)牽引單元為一個(gè)或多個(gè)MVB網(wǎng)段，當(dāng)某個(gè)MVB網(wǎng)段出現(xiàn)故障時(shí)，只影響本網(wǎng)段內(nèi)子系統(tǒng)的通信，不影響動(dòng)車組其它網(wǎng)段中子系統(tǒng)的通信。

各子系統(tǒng)的控制設(shè)備通過MVB通信接口直接連接至車輛總線MVB，連接到車輛總線上的各子系統(tǒng)控制單元主要包括：牽引控制單元、制動(dòng)控制單元、輔助控制單元、空調(diào)控制單元、門控單元、充電機(jī)控制單元、PIS控制單元等。當(dāng)子系統(tǒng)或子系統(tǒng)控制器不具有MVB通信接口時(shí)，子系統(tǒng)的反饋狀態(tài)通過輸入輸出設(shè)備接入車輛網(wǎng)絡(luò)。

列車總線為WTB，傳輸速率為1Mbit/s，而車輛總線為MVB，傳輸速率為1.5Mbit/s，保證了控制指令的實(shí)時(shí)性。

二、列車的通訊與控制

1、中央控制單元

中央控制單元主要由網(wǎng)關(guān)、CPU處理板卡、IOM管理板卡、MVB通訊板卡、數(shù)字輸入輸出板卡、電源板卡、冷卻風(fēng)扇、機(jī)箱等組成。同時(shí)擴(kuò)展可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)側(cè)電流、變壓器差分電流、網(wǎng)壓、蓄電池電壓等模擬量采集功能。可實(shí)現(xiàn)WTB/MVB/ETH的通訊功能。中央控制單元在通用CPCI總線的技術(shù)上加入本控制單元特有的信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了擴(kuò)展性的CPCI總線技術(shù);除此之外，在背板上還包含數(shù)字和模擬的IO信號(hào);具有MVB、以太網(wǎng)接口。中央控制單元作為動(dòng)車組網(wǎng)絡(luò)控制核心單元，采集與車輛運(yùn)行狀況有關(guān)的各種信息，并對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯判斷處理后，發(fā)送到牽引、制動(dòng)、輔助供電、空調(diào)、旅客信息系統(tǒng)、充電機(jī)等連接到列車網(wǎng)絡(luò)上的各個(gè)子系統(tǒng)，從而對(duì)各種系統(tǒng)進(jìn)行控制、監(jiān)視和故障診斷。

2、高壓控制單元

本高壓控制單元主要由CPU處理板卡、IOM管理板卡、MVB通訊板卡、數(shù)字輸入輸出模塊、模擬量輸入輸出板卡、電源板卡、冷卻風(fēng)扇、機(jī)箱等組成;主要實(shí)現(xiàn)高壓系統(tǒng)數(shù)字量輸入輸出監(jiān)視與控制、網(wǎng)側(cè)電流、網(wǎng)壓、變壓器差分電流、變壓器油流出入溫度、蓄電池電壓等模擬量采集功能。本高壓控制單元可實(shí)現(xiàn)MVB、ETH的通訊功能。

3、輸入輸出模塊

輸入輸出模塊（IOM）是一種用于采集車輛數(shù)字量輸入信號(hào)，同時(shí)具有數(shù)字量輸出信號(hào)功能的裝置，大量地用于軌道交通運(yùn)輸車輛。

本輸入輸出模塊主要由CPU板卡、MVB通訊板卡、DC110V數(shù)字量輸入板卡、DC24V數(shù)字量輸入板卡、DC110V數(shù)字量輸出板卡、電源板卡、機(jī)箱等組成;具有MVB、ETH接口，可實(shí)現(xiàn)MVB、ETH的通訊功能。

4、無線傳輸裝置

采用MVB網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、以太網(wǎng)技術(shù)、GSM無線傳輸技術(shù)、WLAN無線局域網(wǎng)技術(shù)，能夠滿足檢修部門對(duì)運(yùn)行動(dòng)車組動(dòng)態(tài)跟蹤控、提供遠(yuǎn)程技術(shù)支持和故障應(yīng)急指導(dǎo)并即時(shí)組織維修的實(shí)際需求。將高速動(dòng)車組運(yùn)行途中傳輸?shù)男畔⒎譃閯?dòng)態(tài)位置跟蹤信息、基本狀態(tài)信息和故障信息等。動(dòng)態(tài)位置跟蹤信息主要包括運(yùn)行動(dòng)車組位置，如經(jīng)緯度或線路公里標(biāo);基本狀態(tài)信息主要有：速度、牽引、制動(dòng)、車門、軸溫等安全相關(guān)信息，以及空調(diào)、衛(wèi)生間等旅客服務(wù)設(shè)施狀態(tài)信息等;故障信息主要是在車載網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)摹⒖色@取的故障事件及其相關(guān)環(huán)境參數(shù)，用于故障發(fā)生后支持車載故障診斷、分析、排除及動(dòng)車組檢修。

5、以太網(wǎng)關(guān)/交換機(jī)

TKD586A/B型以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)、交換機(jī)包括TKD568A型以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)和TKD568B型以太網(wǎng)交換機(jī)兩種設(shè)備。以太網(wǎng)技術(shù)在列車網(wǎng)絡(luò)中主要是與現(xiàn)有的MVB總線相結(jié)合的模式。

以太網(wǎng)在列車運(yùn)行過程中起監(jiān)視作用，不參與列車控制，當(dāng)以太網(wǎng)故障時(shí)，列車的運(yùn)行不受影響。以太網(wǎng)在列車上的應(yīng)用，大量的故障數(shù)據(jù)、事件記錄、設(shè)備運(yùn)行參數(shù)等都可以通過以太網(wǎng)通訊的方式傳輸給顯示屏和無線車載設(shè)備等，然后根據(jù)具體需求對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類存儲(chǔ)、顯示以及發(fā)送至地面監(jiān)視服務(wù)器，大大提高了對(duì)動(dòng)車組安全狀態(tài)和故障情況進(jìn)行監(jiān)控的能力，增加了對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備維護(hù)的手段。原來部分通過MVB網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，可通過以太網(wǎng)進(jìn)行傳輸，對(duì)傳輸信息可進(jìn)行更合理的分配，提高了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)通訊帶寬的利用率。

6、MVB中繼器

在列車的TCN網(wǎng)絡(luò)中，按照IEC61375-1標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，因受物理層RS-485驅(qū)動(dòng)能力的限制，MVB總線最多可以連接32個(gè)設(shè)備，因線纜長(zhǎng)度對(duì)信號(hào)造成衰減以及受物理層RS-485驅(qū)動(dòng)能力的限制，MVB線纜長(zhǎng)度最大不能超過200米，這種限制的存在對(duì)MVB網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)和應(yīng)用造成一定限制。為了克服這種限制，標(biāo)準(zhǔn)中提出可采用MVB中繼器設(shè)備對(duì)MVB的物理層信號(hào)進(jìn)行整形放大。因此在MVB網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，MVB中繼器得到了廣泛的應(yīng)用。

MVB中繼器由兩個(gè)完全獨(dú)立、冗余的主電路組成，每個(gè)主電路由接收/發(fā)送電路、FPGA控制邏輯電路以及電源電路三部分組成。

三、結(jié)束語

綜上我們了解到列車各控制裝置間的通信通過由列車總線 WTB（絞線式列車總線）和車輛總線 MVB（多功能車輛總線）組成的雙級(jí)通信網(wǎng)絡(luò)予以實(shí)現(xiàn)，列車組中的牽引單元通過列車總線 WTB 互相連接具有通信速率高、實(shí)時(shí)性好等特點(diǎn)。本文通過對(duì)中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)組成進(jìn)行了分析，并通過在實(shí)際工作中遇見的典型故障進(jìn)行了總結(jié)分析提煉了解決故障的快速思路和方法，確保了標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組的調(diào)試工作質(zhì)量，為旅客的旅途舒適安全保駕護(hù)航。

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