列車網絡控制系統主備CCU數據分時同步方法及應用

艾皖東，張 楊，王建榮，蘇 醒

(中車株洲電力機車有限公司，湖南 株洲 412000)

0 引言

列車網絡控制系統(train control and management system，TCMS)是列車控制系統的大腦，其接收各部件系統狀態數據、輸出車輛控制指令的同時，也在時刻記錄網絡系統數據[1]。其中，中央控制單元(central control unit，CCU)作為TCMS系統中央控制單元，可通過設備內置的鐵電存儲器記錄列車運行數據。

為保證TCMS系統穩定可靠運行，列車配備2個CCU設備，二者互為主備冗余，當一個運行故障時，另一個立刻接替網絡控制。當CCU運行故障或因車輛試驗需要手動關閉，或者通過HMI對2個CCU設置數據不同時，都將導致2個CCU所記錄的列車運行數據產生差異，當不同CCU作為主控時，發送給HMI的列車運行數據就會出現差異錯誤。因此，需要通過應用層完成對2個CCU存儲列車運行數據的比較及同步，保證2個CCU存儲列車運行數據的一致性。

CCU具有專用同步通信通道，但是隨著列車智能化和數字化的快速發展普及，原通信通道容量無法滿足智能化列車大數據的同步需要。因此，本文將主備CCU同步數據按照時間片傳輸，提出一種主備CCU數據分時同步方法，從時間維度增擴數據同步容量，同時制定同步數據協議，更好地滿足列車運行數據同步功能。

1 列車網絡控制系統

基于DTEC-2系統的TCMS采用模塊化分布式控制技術[2]，具有車輛控制、通信管理、狀態監控、故障診斷、顯示控制和數據累積等功能，其中，顯示控制包括與HMI交互數據并傳輸狀態數據故障報警等；數據累積包括記錄存儲列車車號、列車輪徑、列車里程和列車能耗等運行數據。

CCU采用主備雙冗余結構，CCU通過總線與各系統通信并交互狀態數據和指令數據，協同控制車輛各個設備工作。同時CCU將列車運行數據發送給HMI顯示，直觀地展示列車數據或提示報警異常數據。

2 CCU數據分時同步

2.1 主備通信

CCU保留了0xFF0、0xFF1端口，用于主備CCU之間數據通信。0xFF0和0xFF1周期為512 ms，長度為32 Byte，前4個Byte為底層保留用，后28個Byte為應用層數據。

首先在CCU設備配置文件mvb_confm中配置0xFF0和0xFF1為源端口，然后在應用層調用MVB_MASTER_SEND和MVB_MASTER_RECV函數，即開啟主備CCU之間數據發送和接收。

2.2 數據記錄

主備CCU列車運行數據會存儲在CCU設備鐵電存儲器(FRAM，Ferroelectric RAM)中，FARM具備非易失性、更高讀寫耐久性和更低功耗等特點，斷電后FARM記錄的列車運行數據不會丟失。

CCU設備鐵電存儲器達1 024塊，每塊存儲器容量達128 Byte，由應用層配置觸發CCU鐵電存儲器數據的讀取和寫入，調用SYS_SET_FDDATA函數將數據寫入鐵電存儲器，調用SYS_GET_FDDATA從鐵電存儲器讀取數據。

2.3 數據分時同步

為更清晰地劃分同步時間片，更好地傳輸列車運行數據，根據列車功能需求制定主備CCU數據分時同步協議[3-4]，如表1所示。0xFF0、0xFF1端口的長度均為32字節，其中1～4字節為CCU設備系統預留，應用層不可進行讀寫操作；5～30字節為應用層自定義數據；第31字節為分時碼(范圍0～255，0代表分時無效)。

表1 主備CCU通信數據協議

表1中，第1時間片(分時碼1)主備CCU互相傳輸CCU版本、CCU狀態字、列車總里程、列車總能耗和列車車號等；第2時間片(分時碼2)互相傳輸列車輪徑值和空壓機工作時間；第3時間片(分時碼3)互相傳輸車輛各系統能耗；直到第N時間片(分時碼N)傳輸完成后，從第1時間片(分時碼1)重新傳輸。

協議中第32字節為本CCU自累加生命信號，他CCU借助數據同步可收到本CCU生命信號，他CCU通過連續8個周期本CCU生命信號是否跳變判斷本CCU是否正常運行，同樣地，本CCU也在判斷他CCU的運行狀態。

主備CCU數據分時同步方法主要包括獲取同步數據、打包同步數據、發送同步數據、接收同步數據、解析同步數據和使用同步數據6個步驟，具體如圖1所示。

圖1 數據分時同步流程圖

1)獲取同步數據。應用層獲取對應的實時數據。

2)打包同步數據。分時碼通過對本地循環計數值取余得到，若協議設定有3個分時碼，則循環計數對數值3取余。應用層在對同步數據打包時，根據協議將獲取的數據對應字節賦值，分時1傳輸的數據為同步數據內容+分時碼1+本CCU生命信號，分時2傳輸的數據為同步數據內容+分時碼2+本CCU生命信號，以此類推。

3)發送同步數據。使用MVB_MASTER_SEND函數發送數據。

4)接收同步數據。使用MVB_MASTER_RECV函數接收數據。

5)解析同步數據。本CCU接收到他CCU同步數據后，首先根據協議位解析他CCU的生命信號，若他CCU運行異常，則將他CCU同步數據置為0，防止數據錯誤。若他CCU運行正常，則解析分時碼數值，將分時的同步數據按照對應協議解析取出后使用。

6)使用同步數據。本CCU完成對他CCU同步數據解析后，對于同步的數據變量，存在本CCU和他CCU兩個數據值，則需要本CCU對2個數據值進行對比分析，具體處理規則示例如表2所示。

表2 主備CCU數據同步處理規則示例

根據同步規則處理后，使用SYS_SET_FDDATA函數將同步后的數據寫入鐵電存儲器，并在CCU上電啟動時使用SYS_GET_FDDATA函數從鐵電存儲器讀取數據。

3 數據同步驗證

列車總里程、列車總能耗和各系統能耗等數據可通過HMI設置。占有端HMI在設置列車運行數據時須遵守數據同步規則，若HMI設置數據不滿足同步規則(如HMI設置主CCU車輛能耗數據小于主備CCU車輛能耗數據)，HMI設置數據無效。

根據列車網絡拓撲連接CCU、HMI及供電電源，通過試驗測試，本文方法達到預期功能，如圖2所示。圖2(a)、2(b)為在HMI上分別單獨設置Ⅰ端、Ⅱ端CCU設備列車數據；圖2(c)為將2個CCU設備通過MVB總線連接后同步的列車數據。

圖2(a)中累計里程、總能耗、再生能耗、牽引能耗、輔助能耗、空調能耗數據分別為10、21、32、43、54、65；圖2(b)中對應為10、32、21、54、43、66；數據同步后，圖2(c)對應為10、32、32、54、54、66。其中，空調能耗差值未達到設定閾值，HMI顯示II端主CCU數據。

圖2 列車運行數據分時同步

主備CCU數據分時同步方法在低地板儲能式有軌電車上通過試驗驗證，達到了預期功能效果，并且已批量裝車應用。

4 結語

智能化列車的發展和普及對數據量提出了新的需求，限于原主備CCU數據同步通信容量，本文提出的主備CCU數據分時同步方法，將同步數據按照規定時間片傳輸，同時根據列車功能需求制定了數據協議，不僅從時間維度增擴數據同步容量，更好地滿足現在的數據同步需求，也為后續項目提供應用參考。