城軌車輛網絡通信實訓平臺的建設與優化設計

基金項目：云南省教育廳科學研究基金教師類項目；項目名稱：軌道車輛技術TCMS終端系統仿真裝置設計；項目編號：2023J1916。

作者簡介：朱紅崗（1990— ），男，助教，碩士；研究方向：城軌車輛電氣控制，列車網絡控制系統。

摘要：在城市軌道交通車輛運營中，網絡通信系統是城軌車輛的核心關鍵系統，它關系到車輛的可靠運行。文章分析了城軌車輛網絡通信實訓平臺建設的必要性，提出了建設的總體目標，實現了城軌車輛網絡通信實訓平臺的建設，并對該平臺進行了優化設計，為城軌車輛網絡通信實訓平臺的建設提供了參考。

關鍵詞：城軌車輛；網絡通信系統；實訓平臺；建設

中圖分類號：U270.38；TP273" 文獻標志碼：A

0" 引言

新型城市軌道交通車輛已經不再采用傳統的集中式電氣柜加繼電器的控制方式，而采用分布式列車控制與管理系統（Train Control and Management System，TCMS），列車電氣控制系統均在TCMS的控制、監控和管理下運行。基于多功能車輛總線（Multifunction Vehicle Bus，MVB）+絞線式列車總線（Wire Train Bus，WTB）的TCMS系統是國家鐵路局推薦的，是符合IEC61375國際標準的列車通信網絡控制系統，在新造城軌車輛中均普遍采用。列車通信網的配置、參數調試、網絡維護、設備檢修是城市軌道車輛應用技術專業學生必須掌握的知識和技能。建立城軌車輛網絡通信實訓平臺，可以供學生進行列車控制系統的調試、維護、檢修訓練，增強學生的職業核心能力，以滿足企業對城軌車輛專業高素質技能人才的要求，加強學院在城市軌道交通產業鏈的核心競爭力。

戴海波［1］介紹了城軌車輛網絡控制系統的種類、網絡拓撲形式，分析了多種網絡組網的優勢。徐燕芬［2］介紹了城軌車輛網絡控制系統調試過程中出現的故障現象，并對相應故障現象進行分析及排除。侯天祝［3］介紹了基于TCMS輔助供電控制邏輯的測試，通過Labview實現了輔助供電仿真測試系統方案。

1" 城軌車輛網絡通信實訓平臺建設的總體目標

城軌車輛網絡通信實訓平臺的總體目標包括：全列車所有網絡控制系統各設備間的聯網通信和資源共享；綜合車輛運行工況及各設備的工作狀態；根據系統設計需求，主要完成司機室激活控制、方向控制、駕駛模式選擇、司控器級位信號、列車參考速度、牽引封鎖控制、保持制動控制、網絡觸發緊急制動控制、擴展供電控制、空壓機啟動控制、空調順序啟動、高速斷路器控制、空電聯合制動控制、庫內動車、列車限速保護、虛擬電制動控制等控制功能；完成全列車的自檢、故障診斷決策和故障記錄等功能；完成車輛的監視功能，顯示車輛網絡設備的狀態、故障等信息；完成列車運行的相關參數的積累計算和保存、參數設置及列車性能測試等功能。

2" 城軌車輛網絡通信實訓平臺的建設

城軌車輛網絡通信實訓平臺以某城市地鐵1號線地鐵車輛列車網絡控制系統拓撲圖為例進行設計，如圖1所示，主要包括以下設備：車輛控制模塊（Vehicle Control Unit，VCU）、司機顯示器（Human Machine Interface，HMI）、數據記錄儀（Event Record Module，ERM）、中繼器（Repeater，REP）、數字量輸入輸出模塊（Digital Input/Output Mixed Module，DXM）、數字量輸入模塊（Digital Input Module，DIM）、模擬量輸入輸出模塊（Analog Input/Output Mixed Module，AXM）、司控器、模擬設備柜、以太網交換機。實訓平臺運行所需要的控制電源、MVB連接器、MVB通信雙絞線、以太網電纜、電源線纜等也包括在內。

城軌車輛網絡通信實訓平臺采用符合IEC61375標準的列車通信網絡（Train Communication Network，TCN）網絡協議，構建了分層的拓撲結構，分為上下兩級層次，上層為MVB列車總線，通過中繼器組成列車主干網絡，連接各個車廂的網絡節點，下層為MVB車輛總線，連接同一個車廂內的各模擬設備，實現了所有列車設備的信息共享、協調工作以及故障診斷和維護等具體工作。

圖1" 城軌車輛網絡通信實訓平臺

列車總線由電纜將中繼器互連而構成。列車各類型電氣系統控制單元的連接設備就是節點，此節點連接車輛總線，作為列車總線和車輛總線之間的網關。各控制單元共享總線，列車的操作端VCU作為控制節點，成為總線主設備。在一個運行周期內，由總線主設備來管理列車總線的運行，但此主設備可以進行熱備切換。

VCU是網絡通信實訓平臺的核心，執行牽引/制動控制、安全聯鎖保護、空調順序啟動等一系列控制功能，具有多功能車輛總線MVB的管理能力，能夠進行被動的主權轉移功能，進行系統狀態數據、故障數據的采集處理，并通過車輛屏HMI報告司機。

事件記錄儀模塊ERM是數據轉儲的關鍵部件，記錄司機操作數據、故障數據、事件數據，將ERM的故障數據具體化，通過車載信息網即以太網將記錄的數據下載，供便攜式維護工具分析。

中繼模塊REP實現信號中繼放大功能和兩級總線的數據轉化功能。

模擬量輸入輸出模塊AXM、數字量輸入輸出模塊DXM通過多功能車輛總線MVB與其他設備通信，將車輛間電氣信號轉換成控制信號，經由列車控制網絡傳送給VCU，完成各種控制功能，同時將網絡控制信號轉換成電氣信號，控制儀表、指示燈等設備。數字量輸入模塊DIM是IO數據采集的關鍵部件，具備采集硬線IO數據功能。

車輛屏HMI是網絡通信實訓平臺的終端顯示設備，是司機和維護人員操作城軌車輛的窗口，向車輛駕駛人員和維護人員提供車輛綜合信息、各設備的工作狀態、故障信息的綜合與處理等；對輪徑值、站點、時間日期等參數進行更改與設定；進行列車運行時加速度、減速度、制動距離等基本參數的測試。

模擬設備柜中主要集成模擬列車自動控制單元、乘客信息系統控制單元、空調系統控制單元、輔助逆變器控制單元、充電機控制單元、火災報警控制系統、門系統控制單元、牽引系統控制單元、制動系統控制單元、電氣柜控制電路等，實現車輛各電氣系統與TCMS系統的互聯互通、數據及狀態采集、故障檢測及處理、故障顯示等功能。

城軌車輛網絡通信實訓平臺除列車總線級和車輛總線外，數據采集站、設備站、司機控制站構成列車設備控制、監測與故障診斷的設備級網絡，設備級總線采用主要有RS485、RS422等通信。該實訓平臺具有實時控制系統，其網絡傳輸具有長距離、高傳輸率和實時性強的特點，傳送數據有設備狀態過程數據，一些非緊迫的用于診斷功能、旅客服務功能的消息數據，用于列車初運行和其他管理用的監督數據。實訓平臺網關設計采用OSI結構體系，根據ISO這樣一個開放協議標準，各網絡設備廠商可以遵照共同的標準來開發網產品，最終實現彼此兼容。

3" 城軌車輛網絡通信實訓平臺的優化設計

3.1" 增加WTB總線

WTB總線用于連接車輛單元，傳遞整車控制信息，多用于需要動態編組的列車。在現有實訓平臺中，暫未配置WTB總線。為了模擬真實列車WTB總線應用場景，且與TCMS系統真實控制功能一致，筆者將平臺中現有的數據記錄儀升級以兼做VCU，實現VCU冗余功能，同時在VCU和ERM中各增加一塊WTB板卡，用于模擬列車控制數據交互。為了實現可視化交互數據，在HMI中增加WTB交互數據顯示。

3.2" 增加故障排除系統

為了更加直觀有效地對系統故障排除進行培訓教學，筆者在現有實訓平臺中增設一個電氣柜，布置接線端子、故障注入設備、PLC采驅設備，用于模擬實現IO硬線故障。升級后的實訓平臺可模擬的故障范圍廣，包括IO硬線故障、子系統內部故障、復合故障等；教員僅需在教員端勾選需要設置的故障即可，設置的故障對學員不可見。故障設置成功后，故障現象與真實列車故障現象一致，不會對學員故障排除過程造成困擾，學員定位故障點之后僅需進行少量操作即可復位故障，根據故障現象進行分析排除。在故障排除過程中，學員對TCMS系統控制原理、整車數據交互、萬用表和示波器等設備使用，整車電路圖識讀，電氣原理基礎知識、線纜制作等內容加以綜合理解和實踐，有效提升了培訓效果。

3.2.1" IO硬線故障排除

IO硬線故障排除如圖2所示。教員在教員端的故障列表中選擇需要設置故障的IO點位，學員通過觀察HMI界面、司機控制臺狀態、子系統仿真軟件狀態，結合理論知識逐步分析造成該問題的可能原因及對應的解決辦法，找到故障的硬線。學員根據配線表，找到故障硬線在電器柜中的輸入接線端子（端子2）和輸出接線端子（端子3）；分別斷開端子2和端子3；制作線纜，直接連接端子2和端子3；確認故障已排除，學員根據操作指導手冊操作實訓臺設備，確認系統已恢復正常。

3.2.2" 子系統內部故障排除

教員在教員端的故障列表中選擇需要設置的子系統內部故障；學員通過觀察HMI界面、司機控制臺狀態、子系統仿真軟件狀態，結合理論知識逐步分析可能造成該問題的原因及對應的解決辦法，找到故障的設備及故障點；學員在子系統仿真軟件故障模擬列表中強制已發生的故障無效，操作確認故障已排除，學員根據操作指導手冊操作實訓臺設備，確認系統已恢復正常。

3.2.3" 復合故障排除

復合故障即為多點故障，可以是IO硬線故障和子系統內部故障的任意組合，排除過程參見IO硬線故障排除和子系統內部故障排除。通過這種方式設置故障，教員操作簡單，學員在故障排除過程需要充分運用所掌握的知識，結合萬用表、示波器等檢測設備，從而有效增強學員對車輛控制系統原理、數據交互以及故障排除的理解。

4" 結語

本文分析了城軌車輛網絡通信實訓平臺建設的必要性，提出了以MVB總線為標準的實訓平臺建設總體目標，建設了以VCU、HMI、ERM、REP、DXM、DIM、AXM、模擬設備柜、控制電源、MVB連接器等模塊組成的城軌車輛網絡通信實訓平臺，并對該實訓平臺進行了增加WTB總線、IO硬線故障排除、子系統內部故障排除等優化設計，為城軌車輛網絡實訓平臺的建設提供了參考。本文僅從教學教研實現角度論證實訓平臺的可行性，仍有不足之處。

參考文獻

［1］戴海波.基于城軌車輛的網絡技術應用探討［J］.技術與市場，2016（5）：74-76.

［2］徐燕芬.下一代地鐵列車網絡控制系統的研制［J］.鐵道車輛，2017（7）：27-31.

［3］侯天祝.一種基于Labview的TCMS輔助供電仿真測試系統［J］.中國科技信息，2023（9）：85-88.

（編輯" 王永超）

Construction and optimization design of network communication training

platform for urban rail vehicles

Zhu" Honggang， Li" Qiuxia

（Faculty of Locomotive amp; Rolling Stock， Kunming Railway Vocational and Technical College，

Kunming 650208， China）

Abstract：" In the operation of urban rail transit vehicles， network communication system is the core and key system of urban rail transit vehicles， which is related to the reliable operation of vehicles. This paper analyzes the necessity of the construction of network communication training platform for urban rail vehicles， puts forward the overall goal of the construction， realizes and optimizes the design of the platform， which provides a reference for the construction of network communication training platform for urban rail vehicles.

Key words： urban rail transit vehicles; network communication system; training platform; construction