張 瑋

（西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，講師，陜西 西安 710014）

列車信息控制網(wǎng)絡(luò)的信息傳輸是由邏輯控制電路和列車控制微機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)兩部分組合完成，也可僅由列車控制微機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)完成。

動(dòng)車組列車信息控制網(wǎng)絡(luò)的主要作用是，實(shí)現(xiàn)各動(dòng)力車的重聯(lián)控制；實(shí)現(xiàn)全車所有由計(jì)算機(jī)控制的部件聯(lián)網(wǎng)通信和資源共享；實(shí)現(xiàn)全列車的制動(dòng)控制、自動(dòng)門控制、軸溫監(jiān)測和空調(diào)控制等功能；實(shí)現(xiàn)全列車的自檢及故障診斷決策〔1〕。要實(shí)現(xiàn)上述功能，控制網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)顯得非常重要。需要考慮結(jié)構(gòu)、介質(zhì)、信號編碼、數(shù)據(jù)格式、容錯(cuò)技術(shù)和通信協(xié)議等多方面要求和實(shí)現(xiàn)方式，以適應(yīng)現(xiàn)代列車對控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的技術(shù)要求〔2〕。

列車控制網(wǎng)絡(luò)采用的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)方式主要有，基于LONWORKS列車總線技術(shù)的內(nèi)燃動(dòng)車組；基于ARCNET的列車總線和基于HDLC的車輛總線的CRH2型動(dòng)車組；基于TCN標(biāo)準(zhǔn)的CRH1，CRH3和CRH5等。現(xiàn)以CRH2和CRH5為例，對它們的控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)方式進(jìn)行比較研究。

1 CRH2動(dòng)車組

1.1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) CRH2動(dòng)車組列車信息控制裝置采用貫穿全列車的總線來傳送信息，從而減輕了列車的重量，并且通過對列車運(yùn)行及車載設(shè)備動(dòng)作的相關(guān)信息進(jìn)行集中管理，列車信息控制網(wǎng)絡(luò)具有控制指令傳輸、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)視和故障診斷三大功能。

CRH2動(dòng)車組列車信息控制網(wǎng)絡(luò)主要由列車信息中央裝置、列車信息終端裝置、列車監(jiān)控顯示器、顯示控制裝置、IC卡讀寫裝置及服務(wù)乘客的信息顯示器等組成。在網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成上，中央裝置和終端裝置通過光纖雙重環(huán)路和自診斷傳輸線連接。具體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 CRH2列車信息控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

光節(jié)點(diǎn)之間通過光纖雙重環(huán)路結(jié)構(gòu)傳輸，雙向，主要實(shí)現(xiàn)控制指令傳輸。傳輸采用應(yīng)答方式，其中中央裝置可以同時(shí)向2個(gè)方向發(fā)送信息。傳輸控制采用令牌傳遞方式，傳輸周期10 ms，傳輸速度2.5 Mbps。

光節(jié)點(diǎn)與設(shè)備之間采用點(diǎn)對點(diǎn)通信，控制方式為輪詢方式，傳輸周期10 ms，傳輸速度192 kbps。

自我診斷信息通過段站總線結(jié)構(gòu)進(jìn)行單向傳輸，采用固定長度的循環(huán)傳輸方式，傳輸周期為10 ms，傳輸速度為38.4 kbps。

設(shè)備與監(jiān)視器部之間、顯示器與監(jiān)視器部之間、距離監(jiān)測裝置與監(jiān)視器部之間、廣播裝置與監(jiān)視器部之間均采用點(diǎn)對點(diǎn)2線單向傳輸，20 mA或30 mA電流環(huán)路方式，傳輸速率9 600 bps。

傳輸線有列車信息傳輸線（光纖）及自我診斷信息傳輸線（雙絞線）2種。列車信息傳輸線為環(huán)形結(jié)構(gòu)環(huán)路，如果在環(huán)路的一個(gè)方向沒有檢測到應(yīng)答時(shí)，就向環(huán)路的另一個(gè)方向發(fā)送信息，因此能夠避開故障部位。

中央裝置和終端裝置由光纖連接，采用不易發(fā)生故障的雙向環(huán)形環(huán)路傳輸信息。當(dāng)發(fā)生2處以上的線路故障時(shí)，可以繼續(xù)由其他連接線路進(jìn)行傳輸。另外，還設(shè)有備份傳輸線（自我診斷傳輸線），當(dāng)環(huán)形網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障時(shí)可以傳輸控制指令，對各設(shè)備進(jìn)行控制。

1.2 通信協(xié)議 CRH2型動(dòng)車組采用ARCNET網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)。ARCNET網(wǎng)絡(luò)訪問規(guī)程，由Datapoint公司制定，是一種應(yīng)用廣泛的嵌入式網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。ARC?NET是一種面向數(shù)據(jù)鏈路層的協(xié)議，且是一個(gè)真正開放的協(xié)議。設(shè)計(jì)者可以針對具體應(yīng)用自行設(shè)計(jì)應(yīng)用層。

ARCNET采用令牌傳遞實(shí)現(xiàn)介質(zhì)訪問，令牌從低位地址節(jié)點(diǎn)向高位地址節(jié)點(diǎn)傳遞，當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)獲得令牌則有權(quán)發(fā)送信息，而網(wǎng)絡(luò)上每個(gè)節(jié)點(diǎn)的MAC地址由管理員制定。在ARCNET中，所有總線上的站是平等的，共享總線帶寬。每個(gè)站得到令牌后只能發(fā)送1包信息，設(shè)計(jì)者可以方便地預(yù)測每個(gè)站發(fā)送消息的時(shí)間。因此，ARCNET很適合實(shí)時(shí)、小批量數(shù)據(jù)傳輸?shù)膱龊稀?/p>

2 CRH5動(dòng)車組

2.1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 在CRH5動(dòng)車組建立一個(gè)列車總線（Train Bus），又稱為WTB總線。動(dòng)車組每4節(jié)為一個(gè)動(dòng)力單元，每個(gè)動(dòng)力單元為一個(gè)網(wǎng)段，每個(gè)網(wǎng)段建立車輛總線（Vehicle Bus），又稱MVB總線。3條MVB總線連接，分別為信號線、牽引線和旅客服務(wù)線，連接相應(yīng)的系統(tǒng)設(shè)備，此外還有一個(gè)CAN總線標(biāo)準(zhǔn)的車輛總線，用于充電機(jī)、自動(dòng)車鉤、廁所單元的互連。

MVB總線通過網(wǎng)關(guān)和WTB總線連接，并通過WTB總線實(shí)現(xiàn)信息交互。根據(jù)設(shè)備數(shù)量和線路長度，可在必要處增加中繼器。列車總線使用冗余雙絞線為傳輸介質(zhì)，信息速率約為1 Mbps。列車總線的長度可以因?yàn)檫B掛/摘解操作而發(fā)生變化，可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)重組。車輛總線通信介質(zhì)采用雙絞線和光纖，通信速率為1.5 Mbps。具體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 CRH5列車信息控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

動(dòng)車組控制與監(jiān)測系統(tǒng)TCMS（Train Control and Monitor System）的信息傳輸結(jié)構(gòu)主要基于TCN標(biāo)準(zhǔn)（IEC 61375-1），具有WTB總線和MVB總線串行接口，使用冗余的微處理器單元MPU（Micro Pro?cessing Unit）模塊，每個(gè)動(dòng)力單元2對。2個(gè)動(dòng)力單元通過網(wǎng)關(guān)進(jìn)行動(dòng)力單元間和連掛列車間的通訊。系統(tǒng)具有完善的冗余和控制、診斷、監(jiān)視以及故障存儲功能〔3〕。其通過2個(gè)冗余設(shè)計(jì)的MPU對每條總線進(jìn)行控制。根據(jù)設(shè)備的數(shù)量或線路的長度，可利用“中繼器”來增加MVB總線的長度。MPU有2個(gè)車輛總線接口，第二個(gè)接口將2條總線的微處理器單元和列車/車輛總線、網(wǎng)關(guān)、司機(jī)臺顯示器及司機(jī)室遠(yuǎn)程輸入輸出模塊連接在一起。網(wǎng)關(guān)被用于動(dòng)力單元之間的信息傳輸。主要設(shè)備如牽引控制單元（TCU）、輔助控制單元（ACU）被連接在MVB總線上。非智能設(shè)備通過遠(yuǎn)程輸入/輸出模塊（RIOMS）與動(dòng)車組控制與監(jiān)測系統(tǒng)（TCMS）系統(tǒng)接口。遠(yuǎn)程輸入輸出單元（RIOM）被分布在每輛車中，從而減少配線和相應(yīng)的重量。

在CRH5的動(dòng)車組控制和檢測系統(tǒng)中，采用了冗余設(shè)計(jì)。WTB和MVB總線都是采用雙通道冗余設(shè)計(jì)，GW網(wǎng)關(guān)、MPU微處理器單元和中繼器也均采用完全冗余設(shè)計(jì)。冗余設(shè)備采用熱備方式，無需手動(dòng)切換。對于重要設(shè)備的RIOM也采用了冗余設(shè)計(jì)。

2.2 通信協(xié)議 CRH5型動(dòng)車組采用TCN網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)。TCN（列車通信與微機(jī)控制網(wǎng)絡(luò)）于1999年6月正式成為國際標(biāo)準(zhǔn)，即IEC61735。該標(biāo)準(zhǔn)對列車通信與微機(jī)控制網(wǎng)絡(luò)的總體結(jié)構(gòu)、連接各車輛的列車總線、連接車輛內(nèi)部各智能設(shè)備的車輛總線及過程數(shù)據(jù)等內(nèi)容進(jìn)行了詳細(xì)的規(guī)定。

在TCN通信標(biāo)準(zhǔn)中，列車總線和車輛總線是2個(gè)獨(dú)立的通信子網(wǎng)，有不同的通信協(xié)議。通過網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的協(xié)議轉(zhuǎn)換。

WTB為一種串行通行總線，其通信標(biāo)準(zhǔn)為TCN標(biāo)準(zhǔn)。WTB數(shù)據(jù)幀遵循HDLC標(biāo)準(zhǔn)，每次通信均由主節(jié)點(diǎn)建立，被選擇節(jié)點(diǎn)對主節(jié)點(diǎn)的命令幀回復(fù)應(yīng)答幀?？偩€上有主節(jié)點(diǎn)采用輪詢方式實(shí)現(xiàn)通信控制〔4〕。

在列車的組成改變時(shí)，即進(jìn)行連掛、摘解時(shí)，主設(shè)備需要重新組織總線，該過程稱為列車初運(yùn)行。

MVB車輛總線用于連接位于同一節(jié)車輛內(nèi)或不同車輛內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，構(gòu)成列車通信網(wǎng)，其標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備包括可編程控制器、智能傳感器和執(zhí)行器。

MVB提供3種通信介質(zhì)，分別為標(biāo)準(zhǔn)RS-485收發(fā)器，屏蔽雙絞線和光纖。MVB上連接的設(shè)備都有一總線控制器，設(shè)備通過它來控制總線訪問?？偩€控制器以定時(shí)輪詢方式發(fā)送主控幀，其他設(shè)備需要根據(jù)收到的主控幀來回送從屬幀〔5〕。

3 網(wǎng)絡(luò)比較

3.1 協(xié)議標(biāo)準(zhǔn) CRH2型動(dòng)車組采用的控制網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)為通用的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)ARCNET，具有完全開放，簡單易用，通用性好，二次開發(fā)方便等優(yōu)勢。

CRH5采用的是TCN標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)為專用的列車通信與微機(jī)控制網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，具有功能強(qiáng)，實(shí)用性好，運(yùn)用靈活等優(yōu)點(diǎn)。

3.2 總線層次 從總線層次上看，CRH5采用非常明晰的雙層總線系統(tǒng)，列車總線和車輛總線在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上非常清晰，連接到總線上的設(shè)備可以在初運(yùn)行時(shí)自動(dòng)發(fā)現(xiàn)。

CRH2采用雙環(huán)網(wǎng)，加自我診斷信息傳輸線方式，加上光節(jié)點(diǎn)與設(shè)備和設(shè)備之間的鏈接，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜。

3.3 傳輸介質(zhì) CRH2采用的傳輸介質(zhì)為光纖和雙絞線。雙環(huán)網(wǎng)采用光纖介質(zhì)，自我診斷傳輸線采用雙絞線，光節(jié)點(diǎn)與設(shè)備之間亦采用光纖點(diǎn)對點(diǎn)連接。光纖作為傳輸介質(zhì)傳輸可靠性高，但是通信設(shè)備構(gòu)成略復(fù)雜。

CRH5列車總線和車輛總線均采用屏蔽雙絞線，設(shè)備連接方便，傳輸性能也可以滿足列車控制的基本要求。

3.4 經(jīng)濟(jì)性 由于CRH2采用的是開放的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)ACRNET，因此其芯片生產(chǎn)、產(chǎn)品研發(fā)等方面具有更好的市場環(huán)境，控制系統(tǒng)總體經(jīng)濟(jì)性要好于基于專用的TCN標(biāo)準(zhǔn)的CRH5，也更利于設(shè)備的國產(chǎn)化。

4 結(jié)束語

日系CRH2動(dòng)車組中央裝置和終端裝置由光纖連接，采用不易發(fā)生故障的雙向環(huán)形環(huán)路傳輸信息。當(dāng)發(fā)生2處以上的線路故障時(shí)，可以繼續(xù)由其他連接線路進(jìn)行傳輸。另外，還設(shè)有備份傳輸線（自我診斷傳輸線），當(dāng)環(huán)形網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障時(shí)可以傳輸控制指令，對各設(shè)備進(jìn)行控制。因此出現(xiàn)2處以上網(wǎng)絡(luò)故障時(shí)仍能保證基本的列車控制，充分體現(xiàn)了機(jī)控優(yōu)先的總體系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想。

歐洲系列CRH5動(dòng)車組中，2個(gè)動(dòng)車組之間的連接通過穿過頭車自動(dòng)車鉤的WTB總線型冗余鏈路來實(shí)現(xiàn)。此總線是TCN網(wǎng)絡(luò)的一部分，它的長度因連掛/摘解操作而發(fā)生變化時(shí)可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)重組（網(wǎng)關(guān)重新編號）。車輛總線MVB（Multifunc?tion Vehicle Bus，多功能車輛總線）使用阻抗受控的冗余介質(zhì)，每個(gè)車組有3條總線：牽引、車內(nèi)設(shè)施和信號。專用協(xié)議應(yīng)用性能穩(wěn)定完備，系統(tǒng)組織靈活，功能強(qiáng)大。

通過對CRH2與CRH5動(dòng)車組的信息控制網(wǎng)絡(luò)的比較表明，這2種動(dòng)車組通信網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)用性能各有優(yōu)勢，但整體的應(yīng)用效果比較及進(jìn)一步的技術(shù)消化和研發(fā)還有待實(shí)踐過程的研究和驗(yàn)證。

〔1〕張曙光.構(gòu)建動(dòng)車組自主創(chuàng)新體系推動(dòng)鐵路技術(shù)裝備現(xiàn)代化快速發(fā)展〔J〕.中國鐵路，2007（9）：35-38.

〔2〕劉子建，桂武鳴，丁榮軍.基于Lonworks技術(shù)的動(dòng)車組計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)〔J〕.工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置，2003（6）：55-56.

〔3〕嚴(yán)云升.列車計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制〔J〕.電力機(jī)車技術(shù)，1999（3）：6-8.

〔4〕常振臣，牛得田，王立德，田永洙.基于TCN技術(shù)的內(nèi)燃動(dòng)車組列車通信網(wǎng)絡(luò)〔J〕.鐵道車輛，2006（5）：31-33.

〔5〕奚國華，路向陽，夏寅.我國列車通信網(wǎng)絡(luò)的實(shí)踐與開發(fā)探討〔J〕.機(jī)車電傳動(dòng)，2000（1）：2-5.