一種城軌列車網絡拓撲優化方法

林俊

摘要：通信網絡控制技術是高速軌道車輛的核心技術之一，是實現城軌列車快速發展的重要影響因素之一。本文介紹了國內現有兩種城軌列車的通信網絡控制技術，并對比分析了兩種技術的優缺點，為國內城軌列車通信網絡控制系統的發展奠定了基礎，具有一定的參考價值。

關鍵詞：通信;網絡拓撲;列車

城軌列車，是指能以一定速度持續運行的鐵路列車，最高行駛速度可以達到200km/h及以上。其具有快捷舒適、平穩安全、節能環保等優點，可滿足日益增長的出行需求，深受當代人們的歡迎。城軌列車的通信網絡控制系統通過貫穿列車的數據總線來傳遞信息。通過對列車的運行狀態，以及車載設備動作的相關信息進行采集管理，來達到有效地輔助司機及乘務員操縱列車，以提高服務質量。目前，國內外城軌列車發展日新月異，列車結構也越來越復雜，特別是當前在線監測技術、實時故障檢測技術、數據動態采集技術和大數據分析技術的大量應用，對通信網絡控制技術的要求也越來越高。因此，下文介紹和對比了國內兩種現行，且應用范圍較廣的城軌列車的通信網絡拓撲控制系統的情況，分析了兩種通信網絡控制系統的優缺點，為后續網絡控制技術的研究和發展奠定了基礎。

1、CRH380A型動車組通信網絡拓撲控制系統介紹

1.1、TCN列車通信網絡拓撲控制系統

CRH380A型動車組全稱“和諧號CRH380A型電力動車組”，又名“CRH2-380型”，是由中國中車旗下青島四方機車車輛股份有限公司設計團隊自主研發的CRH系列高速動車組。車輛采用TCN（Train Communication Network）列車通信網絡控制技術。TCN是一個分為兩級的通信網絡，由絞線式列車總線WTB和多功能車輛總線MVB組成，其中絞線式列車總線WTB是一種串行數據通信總線。它通過列車總線將各車輛控制計算機節點連接起來，形成上層分布式網絡，主要用于列車級的通信，其傳輸速率為1Mbps，可以實現過程數據和消息數據的傳輸，其最大特點就是具有列車初運行功能，即：列車初運行功能就是當列車車輛的配置發生變化后，能夠自動地對車輛進行編址，構成新的列車拓撲結構，而不需要人為的參與，因此，WTB總線特別適用于需要動態編組的列車車輛。多功能車輛總線MVB將車輛計算機與同一車輛內的各子系統標準設備連接起來，組成下層分布式通信網絡。MVB主要用于有互操作性和互換性要求的互聯設備之間的串行數據通信，其傳輸速率為1.5Mbps，能提供最佳的響應速度，且在實時性、可靠性、可管理性、尋址方式等方面都具有一定的優勢。

值得注意的是，CRH380A型動車組需經常聯掛和解掛以改變組態，因此，使用WTB作為標準的列車總線是合適的。但固定編組的列車，也可以用MVB來代替WTB作為列車總線。

1.2、車輛通信網絡控制系統總線配置

根據CRH380A列車編組方式分配牽引單元，一列8編組動車組分為兩個牽引單元，列車中的牽引單元通過絞線式列車總線WTB相連，即各牽引單元間通過WTB總線進行通信。WTB是有冗余的雙線線路，用于總數據傳輸，因此，WTB節點可以同時監視兩條雙絞線的數據接收情況并選擇數據接收情況較好的線路作為數據傳輸通道。每個牽引單元劃分1個多功能車輛總線MVB網段，每個牽引單元通過網關將MVB協議轉換為絞線式列車總線WTB協議，即通過網關將WTB和MVB相連。每個MVB網段采用主鏈-分支結構，每輛車都設有中繼器，將1個牽引單元內的MVB分成了多個分支。主鏈-分支結構的優點在于任何一個MVB分支故障后不會影響其他分支網絡以及主干網絡的通信。車輛的端車各設置2個MVB分支，重要的網絡設備冗余安裝在2個分支上，一個MVB分支故障不會影響列車網絡控制系統的正常工作。列車的通訊設備及控制系統等裝置通過MVB接入車輛，包括：中央控制單元CCU，網關，人機接口，牽引控制單元，制動控制單元和車門控制單元等，具體結構如下圖1所示。

2、CR400AF型動車組通信網絡控制系統介紹

2.1、TCMS列車通信網絡控制系統

CR400AF型動車組全稱復興號CR400AF型電力動車組，由中國中車旗下青島四方機車車輛股份有限公司設計團隊自主研發，其通信網絡控制系統為TCMS，即列車控制和管理系統。TCMS作為CR400AF型動車組的中樞神經系統，通過貫穿列車的總線進行信息傳輸，對車輛運行和車載設備動作的相關信息進行集中管理，實現車輛邏輯控制、狀態監視、故障診斷及測試功能，從而保證列車安全可靠的運行。

在結構上，TCMS采用TCN+以太網形式的拓撲架構。TCN為兩級總線式拓撲結構，和CRH380A型動車組相似，分為WTB和MVB。與CRH380A型動車組通信網絡控制系統最大的不同，就是CR400AF型動車組的網絡控制系統增設診斷以太網ETB，以全面加強故障診斷和監測數據的傳輸，并提供向地面實時傳輸數據的功能，使列車的智能化程度大幅提升。CR400AF型動車組ETB傳輸模式選擇100BASE-TX，即基帶傳輸，總線傳輸速率為100Mbit/s，傳輸介質為雙絞線，全雙工模式。在網絡配置過程中，每節車輛均設置以太網交換機，采用環形拓撲結構建立以太網。以太網在CR400AF型動車組的主要應用包括：

（1）監控功能，即對牽引系統、制動系統、車門系統、充電機、空調系統、軸溫、高壓系統及煙火報警系統等時刻進行監控;

（2）數據傳輸功能，即采用全雙工模式快速即時地傳輸故障診斷、事件記錄、顯示等數據，方便檢修人員進行故障排查，使得故障處理更加的高效快捷。

（3）車載設備維護功能，即可以通過對以太網升級，優化相應的報警或者控制邏輯，從而使得車載設備能夠更好的適應工作環境，避免造成設備損壞。

2.2、三種網絡的對比

將三種網絡的基本性能進行對比，如表1所示：

從表中可以看出，ETB的性能遠優于WTB和MVB網絡，但是由于城軌列車網絡帶寬的限制，車輛控制網、狀態監視網以及旅客信息網等都需要分別采用不同的網絡，如國內現有車型的控制網大都采用TCN技術而旅客信息網則采用以太網，同時由于技術原因，以太網還未能完全覆蓋車輛網絡總線。

近年來，城軌列車通信網絡拓撲控制系統的性能提升，已經成為高鐵技術發展的關鍵因素之一。以太網技術克服了現有城軌列車網絡總線傳輸速度低、組網拓撲結構單一等缺點，對城軌列車的通信網絡拓撲控制技術的發展有巨大的促進作用。以太網全面替代現有的總線，形成以以太網為主的車輛總線網絡，將會是未來城軌列車通信網絡控制技術的發展方向。

3、總結

本文首先介紹了CRH380A型動車組的通信網絡拓撲控制技術及其網絡總線配置，然后介紹了CR400AF型動車組的通信網絡控制技術并對兩種技術進行了對比，論述了CR400AF新型動車組在網絡控制技術上的提升和改進，為后續設計和研發更加快速，高級和安全的通信網絡控制系統奠定了理論基礎。

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