黃文靜，李 潔

（株洲中車時代電氣股份有限公司，湖南 株洲412001）

一種新型低地板列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)

黃文靜，李 潔

（株洲中車時代電氣股份有限公司，湖南 株洲412001）

介紹了由分布式中央控制單元與集中式G300 IO機箱系統(tǒng)組成的低地板列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)架構(gòu)。分布式中央控制單元、集中式G300 IO機箱作為列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的核心部件，是專為現(xiàn)代軌道車輛設(shè)計的小型化標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，滿足城市軌道交通的空間和功能要求。

低地板；列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)；分布式中央控制單元

城市地鐵軌道交通具有建設(shè)高成本、地下運營高風(fēng)險以及低密度出行距離服務(wù)等特征，當(dāng)?shù)罔F運營線網(wǎng)達到一定網(wǎng)絡(luò)規(guī)模后，這些特征均局限了地鐵軌道交通的后勁發(fā)展。因而，必須根據(jù)我國大城市城鎮(zhèn)化發(fā)展、經(jīng)濟社會和綜合運輸體系發(fā)展的階段特征，特別是資源環(huán)境約束，從技術(shù)經(jīng)濟性能、系統(tǒng)服務(wù)性能、市場價值優(yōu)勢、產(chǎn)業(yè)發(fā)展?jié)撃艿确矫?，遵循“資源節(jié)約型和環(huán)境友好型”兩型社會理念，以城市軌道交通/有軌電車為骨干，以常規(guī)公交為主體，輔以其它公共交通等公共交通客運方式，逐步建立和完善多模式的一體化城市綜合公共交通系統(tǒng)，打造現(xiàn)代公交都市。

1 低地板車概述

低地板列車因其建設(shè)成本低、快速便捷、安全舒適、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點，逐漸成為城市輕軌車輛發(fā)展的主要方向，在我國具有廣闊的發(fā)展前景。低地板列車由于小巧輕便但是在結(jié)構(gòu)設(shè)計上又要求地板面低、客室寬敞，從而使得可用于安裝車輛設(shè)備的空間狹小，車輛設(shè)備在確保車輛運營的安全性、可靠性的基礎(chǔ)上需要優(yōu)化自身結(jié)構(gòu)以適應(yīng)低地板列車的設(shè)計要求。列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)作為列車控制的神經(jīng)系統(tǒng)及重要組成部分符合車輛結(jié)構(gòu)設(shè)計要求。低地板列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)由分布式中央控制單元和集中式G300 IO機箱組成，采用符合IEC 61375標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)及MVB多功能車輛總線連接，顯著減少各箱柜之間的連線，并方便將來對系統(tǒng)功能的擴展，適應(yīng)靈活編組的要求，同時具備高冗余性，提高了網(wǎng)絡(luò)可靠性。低地板列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)列車控制、通信管理、狀態(tài)顯示、故障診斷、第三方應(yīng)用接口，滿足有軌電車整車功能要求。

2 新型低地板列車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)拓撲及組成

低地板列車根據(jù)其組成的模塊數(shù)量的不同可以形成不同的列車編組，現(xiàn)以五模塊低地板車為例進行介紹，這些模塊包括司機室模塊CM車、轉(zhuǎn)向架模塊BM車和客室模塊SM.下面以我司五模塊低地板列車為例進行網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)介紹，具體五模塊低地板車示意圖如圖1所示，其中CM1和BM1固定連接作為一個模塊，CM7和BM7固定連接作為一個模塊，其余SM2、BM3、SM6分別作為一個模塊。

圖1 五模塊低地板示意圖

2.1 系統(tǒng)拓撲

圖2展示了五模塊低地板列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)圖。低地板列車控制系統(tǒng)設(shè)計符合國際《IEC61375-1：2012》標(biāo)準(zhǔn)，本方案同時采用以太網(wǎng)和MVB通訊冗余通訊方式，其中以太網(wǎng)采用總線環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，交換機通過環(huán)網(wǎng)方式構(gòu)成列車以太網(wǎng)通訊總線骨干網(wǎng)，終端設(shè)備采用星形連接方式，提高了網(wǎng)絡(luò)通訊冗余；關(guān)鍵設(shè)備同時采用MVB通訊作為冗余，MVB總線采用EMD電器中距離介質(zhì)的MVB多功能車輛總線。

圖2 五模塊低地板列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)圖

如圖2所示，按照車輛類型的不同列車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的配置也相應(yīng)地進行調(diào)整，CM、BM、SM各車根據(jù)不同需求由不同數(shù)量或種類的網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品構(gòu)成。列車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由中央控制單元EGWM-L、事件記錄模塊EDRM-L、顯示單元HMI，遠程輸入輸出模塊G300 IO機箱、以太網(wǎng)交換機Switch組成。列車通過交換機組成列車及以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)冗余結(jié)構(gòu)，各個子系統(tǒng)設(shè)備通過交換機車輛級M12接口接入以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)。列車關(guān)鍵設(shè)備中央控制單元EGWM-L、事件記錄模塊EDRM-L、牽引系統(tǒng)PCE、制動系統(tǒng)BCE、黑匣子SDR除了以太網(wǎng)通訊外，同時組成列車MVB網(wǎng)絡(luò)作為冗余結(jié)構(gòu)，其中MVB采用總線型結(jié)構(gòu)，將分布于整個列車的各個關(guān)鍵設(shè)備聯(lián)結(jié)成一個列車網(wǎng)絡(luò)（當(dāng)MVB網(wǎng)段傳輸距離不超過200 m且列車MVB節(jié)點數(shù)不超過32個時，作為列車級總線和車輛級總線網(wǎng)關(guān)的中繼模塊將會被取消，即整列車形成一個車輛段網(wǎng)絡(luò)，縮減了列車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的成員節(jié)約了車輛安裝空間），具有良好的擴展性，擴展方式相對簡單，可以很方便地適應(yīng)不同形式的列車編組，以及列車的動態(tài)編組。

列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)廣泛地采用電子控制設(shè)備和串行數(shù)據(jù)通信來代替繼電器、接觸器和直接硬連線并且通過網(wǎng)絡(luò)連接各個子系統(tǒng)的控制設(shè)備（如牽引控制、摩擦制動控制等），能夠減少繼電器、接觸器、車輛/列車布線、端子排和連接器觸點的使用。

分布式中央控制單元EGWM-L作為列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的核心部件，是現(xiàn)代軌道車輛的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，滿足城市軌道交通的要求。它能夠?qū)崿F(xiàn)以下功能：

（1）通信管理：具有多功能車輛總線MVB的管理能力，具備MVB主權(quán)轉(zhuǎn)移功能；

（2）列車控制：執(zhí)行諸如牽引/制動控制、制動管理控制、安全聯(lián)鎖保護和輔助負載啟動等一系列控制功能；

（3）故障診斷：實時監(jiān)測列車狀態(tài)，對故障數(shù)據(jù)的采集處理，并通過顯示單元報告司機。

（4）信息顯示：與智能顯示裝置HMI顯示有關(guān)的數(shù)據(jù)傳輸，給司機和檢修人員提供其所需的必要信息。

事件記錄模塊EDRM-L功能：將司機操作數(shù)據(jù)、列車狀態(tài)數(shù)據(jù)、故障數(shù)據(jù)具體化，存儲在故障記錄存儲器上；通過以太網(wǎng)接口將記錄的數(shù)據(jù)下載，供便攜式維護工具分析。亦可通過以太網(wǎng)接口將記錄數(shù)據(jù)實時發(fā)送給地面控制中心。

G300 IO機箱主要包括主控板、數(shù)字量輸入DI板、數(shù)字量輸出DO板、模擬量入出AIO板、電源板及機箱，其具體功能如下：

（1）數(shù)字量的輸入輸出：將車輛間電氣信號轉(zhuǎn)換成控制信號，完成各種控制功能；將網(wǎng)絡(luò)控制信號轉(zhuǎn)換成電氣信號，控制諸如指示燈、繼電器等設(shè)備；

（2）模擬量的輸入輸出：將車輛間電氣信號轉(zhuǎn)換成控制信號，完成各種控制功能；將網(wǎng)絡(luò)控制信號轉(zhuǎn)換成電氣信號，控制諸如儀表等設(shè)備。

（3）強大的系統(tǒng)接口能力：為適應(yīng)不同的應(yīng)用，可通過插入不同類型的通訊板卡分別提供了MVB接口、RS485/RS422、CAN、以太網(wǎng)接口等。

2.2 系統(tǒng)組成單元

2.2.1 分布式中央控制單元EGWM-L

EGWM-L模塊通過多功能車輛總線MVB（EMD）和以太網(wǎng)方式與其他設(shè)備通信。

EGWM-L是TCMS的核心，具備如下功能：

（1）車輛級過程控制：執(zhí)行諸如牽引/制動控制、空電聯(lián)合控制和空調(diào)順序啟動等一系列控制功能；

（2）通信管理：具有多功能車輛總線MVB的管理能力，并且能夠進行被動的主權(quán)轉(zhuǎn)移功能；

（3）顯示控制：與智能顯示裝置HMI顯示有關(guān)的數(shù)據(jù)傳輸；

（4）故障診斷：狀態(tài)數(shù)據(jù)、故障數(shù)據(jù)的采集處理，并通過HMI報告司機。

2.2.2 事件記錄模塊EDRM-L

EDRM-L通過多功能車輛總線MVB（EMD）和以太網(wǎng)方式與其他設(shè)備通信。

EDRM-L是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲的關(guān)鍵部件，具備如下功能：

（1）數(shù)據(jù)記錄：司機操作數(shù)據(jù)、故障數(shù)據(jù)、事件數(shù)據(jù)的記錄，將VCMe的故障數(shù)據(jù)具體化；

（2）數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存：通過車載信息網(wǎng)（工業(yè)以太網(wǎng)）將記錄的數(shù)據(jù)下載，供便攜式維護工具分析。2.2.3 G300 IO機箱

G300 IO機箱采用3U機箱結(jié)構(gòu)，體積小、重量輕、功能強，其結(jié)構(gòu)尺寸如圖2所示。插件面板置于機箱前部，便于板卡維護、對外連接，背板置于后部，提供電源、控制總線。內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊湊，集成度高，有效的利用了空間，現(xiàn)場接線更加簡捷省力，安裝成本低；機箱背板提供機箱所有板卡電源和總線，與外部完全隔離，提高了可靠性；機箱前面直接插拔板卡，結(jié)構(gòu)簡單，安裝替換方便。所有對外連線各功能板前面板直接連接，系統(tǒng)最優(yōu)、最簡，布局非常好，防護等級高。

G300 IO機箱主要包括：主控板、數(shù)字量輸入DI板，數(shù)字量輸入DO板、模擬量入出AIO板，電源板及機箱和背板。主控板主要完成對機車采集的信息的分析、處理、通信、控制等工作，通過機箱背板及CPCI控制總線實現(xiàn)與DO板、DI板、AIO板交互數(shù)據(jù)及控制。電源插件為其它功能單元提供輸入電源，通過機箱背板供電，可提供+5 V、+3.3 V、±12 V電源。DI/DO插件實現(xiàn)24 V數(shù)字量輸入和輸出。DI插件包含18路數(shù)字量輸入通道，DO插件包含8路數(shù)字量輸出通道。AIO插件實現(xiàn)模擬量的輸入和輸出。AIO插件包含14路模擬量采集通道，4路模擬量輸出通道。DI/DO/AIO插件可以根據(jù)列車實際的設(shè)計情況進行任意配置，且DI/DO/AIO插件之間可以實現(xiàn)位置互換。

2.2.4 顯示單元（HMI）

HMI通過以太網(wǎng)與其他設(shè)備通信。

HMI是TCMS的顯示終端設(shè)備，是司機和維護人員操作機車的窗口，具備如下功能：

（1）信息顯示：向車輛駕駛?cè)藛T和維護人員提供車輛綜合信息，各設(shè)備的工作狀態(tài)，故障信息的綜合與處理等功能；

（2）參數(shù)設(shè)定：對輪徑值、列車重量、站點、時間日期等參數(shù)進行更改與設(shè)定；

（3）功能測試：進行列車運行時加速度、減速度、制動距離等基本參數(shù)的測試；

（4）數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲：通過USB接口，將故障信息轉(zhuǎn)儲地面進行統(tǒng)計、分析。

顯示單元安裝于司機室操作臺上，用于顯示與列車運行相關(guān)的各種信息以及各種設(shè)備狀態(tài)信息。此系統(tǒng)采用雙顯示器冗余，大大提高列車可靠性、冗余性。

2.3 系統(tǒng)性能

2.3.1 冗余設(shè)計與故障運行能力

為了提高故障情況下列車的可靠性，列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)采取了多種措施避免故障情況下的列車停運。主要有：（1）列車主要采用以太網(wǎng)通訊方式與所有子系統(tǒng)進行通訊，關(guān)鍵設(shè)備如列車控制模塊EGWM-L、牽引、制動、黑匣子、G300 IO機箱同時組成MVB網(wǎng)絡(luò)，如果以太網(wǎng)通訊出現(xiàn)問題，則采用MVB網(wǎng)絡(luò)作為備份控制，從而提到列車可靠性、可用性。（2）列車以太網(wǎng)骨干網(wǎng)采用交換機組成環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，當(dāng)任意子系統(tǒng)故障時不會影響其他系統(tǒng)；當(dāng)本地交換機故障時，不會影響其他車輛的設(shè)備正常工作，不會對列車造成任何影響，大大提高了列車可用性。（3）列車MVB總線采用雙通道冗余，當(dāng)某一路通信線路出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)可以自動切換到另一路通信線路。（4）EGWM-L熱備冗余配置，正常情況下兩個EGWM-L通過底層協(xié)議芯片的競爭機制自動選取一個EGWM-L為總線管理主，另外一個EGWM-L為備用主，當(dāng)主EGWM-L出現(xiàn)故障時，備用EGWM-L將接管主EGWM-L的職責(zé)，行使所有的總線管理和控制功能。（5）列車事件記錄模塊EDRM-L采用雙模塊熱備冗余，兩個設(shè)備同時記錄相同數(shù)據(jù)，當(dāng)一個故障時不會影響列車關(guān)鍵信號及故障記錄，提高了故障冗余，為列車維護、故障分析提供了可靠的數(shù)據(jù)支持。（6）顯示器HMI每個司機室配置2臺，當(dāng)一個故障時，司機可以通過另外一個HMI監(jiān)視列車，不影響列車運行，提高了列車可用性。（7）列車硬線作為網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的備份。

2.3.2 故障診斷及顯示

車載故障診斷是列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的一個重要功能，也是體現(xiàn)列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)高可靠性的一個重要組成部分，完成車載各部件故障數(shù)據(jù)的采集、分析、轉(zhuǎn)儲和顯示。故障信息在司機臺上通過顯示器顯示，并且通過維護工具上傳到地面維修和服務(wù)系統(tǒng)中，供長期的儲存和深入的地面分析。

列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的診斷功能可以協(xié)助司機和檢修人員進行工作。當(dāng)故障發(fā)生時，協(xié)助司機采取適當(dāng)?shù)牟僮?，并使維護人員更容易地查找并解決故障。

如果列車發(fā)生故障，將以純文本信息在顯示單元上顯示給司機。每條純文本信息都分配有故障代碼，根據(jù)不同的故障類別進行故障評估。故障類別和純文本信息顯示在顯示器的界面上。此外，司機也可以從顯示器上獲得所必須實施的操作指導(dǎo)說明。

2.3.3 列車控制功能

綜合車輛運行工況及各設(shè)備的工作狀態(tài)，對車輛進行控制是列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的主要功能之一。列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)對接收到的數(shù)據(jù)進行邏輯處理，輸出相關(guān)的控制命令。列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)諸如牽引制動控制、制動管理、輔助負載管理等功能。以制動管理為例，列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)根據(jù)司機室操作指令，在不同的制動工況下協(xié)調(diào)電制動及制動系統(tǒng)完成列車制動。尤其在空氣與電制動混合階段，列車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通過對總的制動力分配及管理，減少了電制動與制動系統(tǒng)的信息交互時間，提高了制動效率，避免了制動系統(tǒng)基礎(chǔ)制動對車輪閘瓦的磨耗。

2.3.4 列車保護功能

為了保證列車行車安全及車載設(shè)備的安全，列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)需要對某些影響列車運行的條件進行監(jiān)視。當(dāng)這些條件發(fā)生時，列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)根據(jù)影響程度對列車進行限速控制、牽引封鎖控制、故障導(dǎo)向安全控制、緊急制動控制。

2.3.5 輔助功能

列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)還提供輔助控制功能，包括列車加減速度測試、自動報站管理等。

自動報站管理根據(jù)列車線路運營圖進行站點管理，自動報站。對于“一”字形、“Y”字形、“X”字形運營線路具有良好的識別性，并且能設(shè)別列車折返。在列車運營線路不更改的前提下只需要在列車發(fā)車前進行一次站點設(shè)置，列車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)就能自動進行站點管理直至列車運營結(jié)束。

3 結(jié)束語

低地板列車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)采用集成中央控制單元加分布式模塊設(shè)計，系統(tǒng)簡潔，具有較高的靈活性，可以滿足不同編組的列車配置需求。采用國內(nèi)城市軌道交通列車網(wǎng)絡(luò)普遍使用的MVB_EMD網(wǎng)絡(luò)，技術(shù)成熟可靠，系統(tǒng)穩(wěn)定，擁有自主知識產(chǎn)權(quán)。集成中央控制單元可靠性高、體積小、重量輕，符合車輛安裝空間以及車輛輕量化要求。分布式模塊使用靈活，完善了列車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的遠程IO信號輸入，以及信號中繼放大及網(wǎng)關(guān)功能，擴展了集成中央控制單元的外圍功能。

[1]趙明花，牛錫平，楊丹燕，等.我國自主研發(fā)100%低地板輕軌車[J].機車電傳動，2013（3）：59-63.

[2]李 剛，李 芾，黃運華.100%低地板輕軌車輛發(fā)展與運用[J].機車電傳動，2013（4）：51-55.

[3]李小平.TM3型機車微機網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)[J].機車電傳動，2011（2）：1-4.

[4]曾 嶸，楊衛(wèi)峰，劉 軍.列車分布式網(wǎng)絡(luò)通信與控制系統(tǒng)[J].機車電傳動，2009（3）：17-19.

[5]曾 嶸，李 銘.國產(chǎn)化北京地鐵列車控制及網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[J].機車電傳動，2006（2）：40-42.

[6]IEC61375-1:2007，鐵道電氣設(shè)備列車總線（第一部分）：列車通信網(wǎng)絡(luò)[S].

A New Train Network Control System of Low Floor LRVS

HUANG Wen-jing，LI Jie
（Zhuzhou Crrc Times Electric Co.，Ltd.，Zhuzhou Hunan 412001，China）

The architecture of a low floor train network control system composed of a distributed central control unit and a centralized IO G300 chassis system are introduced.The distributed central control unit，centralized G300 IO chassis as the core components of the train network control system，is designed for small standard equipment design and modern rail vehicle，meeting the space and function of city rail traffic requirements.

low floor LRVs；train network control system；integrated central control unit

U482.1

A

1672-545X（2017）09-0131-04

2017-06-11

黃文靜（1985-），女，江西南昌人，工程師，碩士，長期從事城軌網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)應(yīng)用研發(fā)工作；李 潔（1983-），男，陜西渭南人，工程師，本科，長期從事城軌網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)應(yīng)用研發(fā)工作。