陳 波

(中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 機(jī)車車輛研究所， 北京 100081)

截至2017年底，我國鐵路營業(yè)里程達(dá)到12.7萬km，其中有20%為高速鐵路/客運(yùn)專線，其余為普速鐵路。與之對應(yīng)的，我國現(xiàn)有客運(yùn)產(chǎn)品分動(dòng)車組和普速列車兩類，雖然統(tǒng)一的技術(shù)體系使動(dòng)車組跨線運(yùn)行于普速鐵路并不存在問題，但鐵路運(yùn)輸企業(yè)也從安全管理、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)等方面考慮，逐步減少在普速鐵路開行動(dòng)車組列車，而既有普速旅客列車以機(jī)車牽引25T、25G型客車為主，存在折返換端時(shí)間長、舒適度差、所需客運(yùn)工作人員多等問題，因此急需發(fā)展一種新的客運(yùn)產(chǎn)品，以完善客運(yùn)產(chǎn)品體系，形成新的客流增長點(diǎn)[1]。我國速度160 km/h 動(dòng)力集中電動(dòng)車組的研制即基于此需求背景，旨在充分利用既有線路和機(jī)、客車的檢修資源，提高既有線鐵路運(yùn)輸服務(wù)品質(zhì)。

世界上動(dòng)車組按動(dòng)力分布方式可以分為動(dòng)力集中和動(dòng)力分散式，Volker Müller[2]在從運(yùn)用、市場和列車型式的發(fā)展趨勢等方面，分析了這兩種方式的特點(diǎn)，特別利用了壽命周期成本(LCC)來比較二者的優(yōu)劣，認(rèn)為從LCC角度采用動(dòng)力分散的ICE3列車比采用動(dòng)力集中的ICE2列車具有一些優(yōu)勢。但同時(shí)他也提到，對于每一種列車要考慮其技術(shù)、運(yùn)用甚至政治因素，要對速度、站間距離、值勤人員情況、地形狀況、制造生產(chǎn)能力、使用和維護(hù)要求等各方面因素都要給予考慮。與國外動(dòng)力集中動(dòng)車組相比，我國速度160 km/h動(dòng)力集中電動(dòng)車組具有明顯的中國特征，設(shè)計(jì)尤需考慮不同廠家、不同平臺(tái)動(dòng)車組間互聯(lián)互通運(yùn)行的需求。通過介紹國外主要?jiǎng)恿袆?dòng)車組網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的技術(shù)情況，為我國動(dòng)力集中動(dòng)車組的發(fā)展提供借鑒。

1 國外動(dòng)力集中動(dòng)車組及推挽式列車

動(dòng)力集中式作為鐵路運(yùn)輸中最為傳統(tǒng)的列車牽引運(yùn)行方式，是相對于動(dòng)力分散式而言。其基本特點(diǎn)是由一臺(tái)動(dòng)力機(jī)車牽引無動(dòng)力車輛在軌道上行駛，機(jī)車大多是在列車的最前端牽引車輛，亦有自車尾頂推甚至機(jī)車置中牽引的情況，后來也出現(xiàn)由兩臺(tái)機(jī)車前后推挽的動(dòng)力集中列車模式。

國外對于動(dòng)車組(Multiple Units, MU)并無統(tǒng)一定義，例如國際電工委員會(huì)IEC定義為“由一個(gè)或多個(gè)單元組成的列車，可同時(shí)從一個(gè)司機(jī)室控制，并能在任一方向以正常速度運(yùn)行而無需重新編組”[3]，而歐盟鐵路機(jī)車車輛互聯(lián)互通技術(shù)規(guī)范TSI定義為“一種固定編組列車，其所有車輛都能運(yùn)載有效載荷(乘客、行李/郵件或貨物)”[4]。如果嚴(yán)格按照TSI的定義，將不存在動(dòng)力集中動(dòng)車組這種組合形式，例如法國TGV列車是動(dòng)力集中式，但不屬于動(dòng)車組。一般以IEC的動(dòng)車組定義應(yīng)用更為廣泛些，國際上的主要?jiǎng)恿惺絼?dòng)車組主要有TGV、Eurostar、AVE-S 100、ICE1、ICE2、ETR 500、Talgo 350 I、HSR 350 X、Electra 91、X2000等，動(dòng)力分散式動(dòng)車組主要有(Pendolino-ETR 450/ETR 460系列、Shinkansen-JR 100/JR 300/JR 500系列、ICE3、Velaro E等[6]。本節(jié)以德國ICE1/ICE2、意大利ETR 500和法國TGV-A等為例介紹早期動(dòng)力ICE1于集中式動(dòng)車組網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)，以及TCN標(biāo)準(zhǔn)的形成。

1.1 德國ICE1/ICE2

1991年6月在漢諾威—維爾茨堡、曼海姆—斯圖加特線上投入運(yùn)行。改進(jìn)設(shè)計(jì)的ICE2的先期研究工作1992年完成，1993年訂貨，1997年5月首批交付運(yùn)用。ICE1是由動(dòng)力集中配置的2臺(tái)動(dòng)力車和最多14輛中間拖車組成的電動(dòng)車組，牽引功率9 600 kW(GTO牽引變流器)或7 600 kW(IGBT牽引變流器)，供電制式AC 15 kV/16.7 Hz，在Nuremberg-Ingolstadt高速線路最高運(yùn)營速度280 km/h[7-9]。早期的ICE1編組中，中間拖車有9～14輛不等，在2008年完成的車輛翻新項(xiàng)目中，均被調(diào)整為12輛中間拖車的標(biāo)準(zhǔn)編組[7]。ICE1的列車網(wǎng)絡(luò)通訊依賴于全列布置的通信光纖，以保證牽引和制動(dòng)指令在兩臺(tái)動(dòng)力車的同步實(shí)施，如果列車運(yùn)行時(shí)發(fā)生光纖斷裂，故障導(dǎo)向安全機(jī)制將觸發(fā)最大常用制動(dòng)使列車自動(dòng)停車。

ICE1的光纖網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D1所示[10]，上部為動(dòng)力車總線(Power car bus)，用以在兩動(dòng)力車間傳輸控制信息和交換狀態(tài)信息，在9車(Service car)也可以接入；下部為列車總線(Train bus)，用以向旅客傳輸服務(wù)信息，如列車徑路顯示、車廂號、座位預(yù)留狀態(tài)、下一站、預(yù)計(jì)到站時(shí)間、站臺(tái)開門側(cè)等以及用于列車長廣播和列車司機(jī)間的語音通話。列車總線在每節(jié)車廂進(jìn)行一次光電轉(zhuǎn)換，如圖1中藍(lán)色方塊所示。與所有安全關(guān)鍵系統(tǒng)一樣，ICE1的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)也具備冗余性，動(dòng)力車總線與列車總線共同構(gòu)成了環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，二者在動(dòng)力車中實(shí)現(xiàn)光耦合連接，如果動(dòng)力車總線出現(xiàn)故障，動(dòng)力車信號亦可以通過列車總線傳輸，且具有最高優(yōu)先級；如果某一車廂的列車總線出現(xiàn)故障，則列車總線數(shù)據(jù)可經(jīng)由動(dòng)力車總線環(huán)路傳至尾部動(dòng)力車，并通過光學(xué)饋送至受影響車廂，但傳輸優(yōu)先級較低。

圖1 ICE1的光纖網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

光纖通信具有傳輸容量大、保密性好等許多優(yōu)點(diǎn)，且不易受電磁干擾(EMI)，ICE1的研制階段正是光纖通信的迅速發(fā)展期。但與銅纜傳輸電氣信號相比，光纖通信也有一些缺點(diǎn)，例如成本較高、可維護(hù)性較差等。ICE1各車輛間的光纖連接器易受潤滑劑殘留物或其他污物影響，往往成為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的易損關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，此外車輛內(nèi)的光纖在使用多年后本身也容易遭受損壞。光纖斷點(diǎn)的診斷曾是困擾德國國家鐵路公司(DB)的棘手問題，早期只能通過半分法進(jìn)行測試判斷，這對于ICE1這種固定編組式列車效率非常低下，常需要16 h，后在橫河電機(jī)公司(Yokogawa)的協(xié)助下采用C-OTDR方法才使診斷效率提高，但處理光纖故障仍需3～4 h[10]。

ICE1屬長編組列車，不支持重聯(lián)運(yùn)行，因此德國鐵路從運(yùn)輸組織的需求出發(fā)，又設(shè)計(jì)了ICE2型列車，以獲得更高利用率。ICE2總體設(shè)計(jì)思想主要體現(xiàn)在列車編組的變化上，即將ICE1列車一分為二，由1臺(tái)動(dòng)力頭車+6輛拖車+1輛控制車組成短編組動(dòng)車組，頭車端部裝有自動(dòng)式Scharfenberg車鉤和頭罩，可以重聯(lián)運(yùn)行。在運(yùn)量較大的核心區(qū)段兩列短編動(dòng)車組重聯(lián)運(yùn)營，在該區(qū)段兩端解聯(lián)以短編組運(yùn)營[11]。ICE2除了增加了控制車這一新車種外，動(dòng)力車與ICE1非常相似，拖車則做了諸多改進(jìn)，軸重降至11.6～13 t，并優(yōu)化了車內(nèi)空間和設(shè)施，偶爾ICE2的動(dòng)力車和拖車也會(huì)用于ICE1列車的編組[7]。ICE2提升了控制計(jì)算機(jī)的性能，外部增設(shè)了終到站顯示(重聯(lián)列車可能在車站解編分別以短編組開往不同目的地)，以滿足重聯(lián)運(yùn)行的需求，并具有更好的防空轉(zhuǎn)/滑行能力[8]，采用了SIBAS 32控制系統(tǒng)。

1.2 意大利ETR 500

ETR 500是由安薩爾多百瑞達(dá)、阿爾斯通和龐巴迪聯(lián)合為意大利鐵路公司生產(chǎn)的動(dòng)力集中型高速列車，有ETR 500和ETR 500P兩代車型。ETR 500為2動(dòng)11拖編組，適用于DC 3 kV供電制式，于1992年至1996年間交付，運(yùn)營速度250 km/h；改進(jìn)的ETR 500P適用于DC 3 kV/AC 25 kV 50 Hz兩種供電制式，于2000年至2005年間交付，運(yùn)營速度300 km/h，早期ETR 500P維持2動(dòng)11拖編組，后來衍生出12輛拖車和8輛拖車的車型[12]。

ETR 500的信息系統(tǒng)的核心部分包括車載系統(tǒng)服務(wù)，即用于自動(dòng)化和電氣列車遠(yuǎn)程控制的冗余通信操作系統(tǒng)SOCRATE，由ANSALDO TRASPORTI公司提供。此外還有兩個(gè)附加系統(tǒng)與SOCRATE集成，分別為語音通信系統(tǒng)和旅客服務(wù)系統(tǒng)，后者可為旅客提供HiFi和視頻服務(wù)。所有系統(tǒng)采用分布于每輛車的模塊化設(shè)計(jì)，以便列車編組改變時(shí)不影響車輛的一致性[13]。

為了增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性，SOCRATE采用了冗余設(shè)計(jì)，但主要是在車輛節(jié)點(diǎn)和通信線纜布置上，如圖2所示。列車節(jié)點(diǎn)分為動(dòng)力車節(jié)點(diǎn)UCM和拖車節(jié)點(diǎn)UCC，節(jié)點(diǎn)間通過LAN相連，并以主/從方式工作，一般主節(jié)點(diǎn)為主控動(dòng)力車，發(fā)送并從其他從節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)傳輸介質(zhì)為冗余布置的屏蔽雙絞線，依據(jù)EIA RS485標(biāo)準(zhǔn)，傳輸速度為1 Mb/s。同時(shí)，SOCRATE可與光纖共同工作，光纖主要用于旅客服務(wù)系統(tǒng)。

每個(gè)節(jié)點(diǎn)(UCM或UCC)均包含兩個(gè)相同的單元，由微處理器系統(tǒng)構(gòu)成，布設(shè)于兩套總線上：系統(tǒng)總線和I/O總線。由于每個(gè)節(jié)點(diǎn)都通過兩個(gè)相同的單元連接到LAN，并通過分路器連接到設(shè)備，所有功能都是冗余的，所以可靠性很強(qiáng)。

主節(jié)點(diǎn)的功能包括：(1)通信線路控制：在列車啟動(dòng)時(shí)，主節(jié)點(diǎn)依次激活并識(shí)別從節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的初始化，線路故障時(shí)具有診斷和提示功能；(2)遠(yuǎn)程控制：操作指令如牽引和制動(dòng)等同步發(fā)送至從控動(dòng)力車，并將指令發(fā)送至各拖車相關(guān)設(shè)備；(3)故障診斷：主節(jié)點(diǎn)可在從節(jié)點(diǎn)獲取列車設(shè)備的警報(bào)和故障信息；(4)司機(jī)提示：主節(jié)點(diǎn)可向司機(jī)終端發(fā)送關(guān)于所有列車裝置的信息；(5)在線維護(hù)：主節(jié)點(diǎn)可向診斷控制臺(tái)發(fā)送所有與測量、狀態(tài)報(bào)警和故障相關(guān)信息；(6)線下維護(hù)：有關(guān)故障信息會(huì)同時(shí)發(fā)送至高速列車維修車間，以便提前準(zhǔn)備檢修設(shè)備或備件。

車輛節(jié)點(diǎn)主要連接如下單元：靜止逆變器、充電機(jī)、車門控制單元、制動(dòng)控制單元、空調(diào)設(shè)備、照明設(shè)備、防滑控制單元、轉(zhuǎn)向架蛇行控制單元、旅客信息顯示、語音通信設(shè)備、旅客服務(wù)設(shè)備等。

圖2 車輛節(jié)點(diǎn)與通信線纜的冗余設(shè)計(jì)

語音系統(tǒng)(PHONIC SYSTEM)通過切換可用線路并解決同時(shí)占用的問題來處理不同用戶之間的語音通信，包括地面調(diào)度員和車上工作人員間、車載公用電話與國家SIP服務(wù)間、機(jī)務(wù)人員與乘務(wù)人員間等。

旅客服務(wù)系統(tǒng)(System for passenger SERVICE)包括：1個(gè)音頻雙向通道，用于向乘客和工作人員發(fā)出緊急警報(bào)；6個(gè)立體聲音樂頻道(6×15 kHz)；1個(gè)視頻頻道(5 MHz)。調(diào)制后的信號被轉(zhuǎn)換成波長為0.8 bm的光信號并通過光纖傳輸，在車輛末端光纖耦合由一個(gè)4路耦合器實(shí)現(xiàn)，但也可采用10 GHz頻率的無線電鏈路作為替代。后續(xù)ETR 500也有采用電力線通信實(shí)現(xiàn)旅客服務(wù)系統(tǒng)信息傳輸[14]。

可見，ETR 500的信息系統(tǒng)較為復(fù)雜，3部分功能結(jié)構(gòu)如圖3～圖5所示，這主要是為了達(dá)成兩大設(shè)計(jì)目標(biāo)：(1)在速度、旅行舒適度和諸多設(shè)施方面為旅客提供高水平服務(wù)；(2)基于設(shè)備質(zhì)量和高級維護(hù)系統(tǒng)的高服務(wù)可靠性。

圖3 ETR 500的SOCRATE系統(tǒng)

圖4 ETR 500的語音系統(tǒng)

圖5 ETR 500的旅客服務(wù)系統(tǒng)

1.3 法國TGV-A

法國國鐵TGV Atlantique列車(TGV-A)是第2代的TGV，采用2動(dòng)10拖編組，供電制式25 kV 50 Hz，牽引功率8 800 kW，最高運(yùn)營速度可達(dá)300 km/h，從1989年開始投入SNCF法國高速鐵路大西洋線的營運(yùn)。1990年TGV-A取得了最高515.3 km/h的世界紀(jì)錄，直至2007年4月3日被TGV POS以574.8 km/h的速度更新[15]。

TGV-A采用了TORNAD和CAN為主的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，TORNAD即“Token Ring Network Alsthom Device”，為Alstom自主開發(fā)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，屬于令牌環(huán)網(wǎng)，用于單列18臺(tái)車載計(jì)算機(jī)間的通信，支持重聯(lián)運(yùn)行，物理介質(zhì)主體為2股雙絞屏蔽雙芯線，傳輸速率1 Mb/s，以及少量安全控制硬線和音頻線；CAN網(wǎng)則主要用于牽引設(shè)備的控制與同步[16]。TGV-A的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D6所示，18臺(tái)車載計(jì)算機(jī)可分為3類：司機(jī)室計(jì)算機(jī)(Driver's cab computer)、電機(jī)組計(jì)算機(jī)(Motor bloc computer)和客車計(jì)算機(jī)(Passenger car computer)[17]。

每個(gè)司機(jī)室裝有1臺(tái)主計(jì)算機(jī)(Main cab computer)和1臺(tái)輔助計(jì)算機(jī)(Auxiliary cab computer)，主計(jì)算機(jī)由18塊板卡、200個(gè)輸入和75個(gè)輸出組成，并連有熒光顯示屏和字母數(shù)字鍵盤，用于駕駛室和客車間的交互。主計(jì)算機(jī)的功能包括：(1)控制列車網(wǎng)絡(luò)上所有計(jì)算機(jī)的信息交換(包括重聯(lián)列車)，發(fā)生故障時(shí)由從控端司機(jī)室的主計(jì)算機(jī)代替執(zhí)行；(2)通過無線數(shù)據(jù)傳輸，控制車載處理器和地面設(shè)備間的控制信息交互；(3)將通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送的各種信息和信令解碼，并在司控臺(tái)上顯示；(4)在發(fā)生故障時(shí)，向司機(jī)提供操作提示和預(yù)防信息。

在從控司機(jī)室，主計(jì)算機(jī)接收其功能執(zhí)行所需數(shù)據(jù)，并在運(yùn)行中將信號傳輸?shù)街骺厮緳C(jī)室。各司機(jī)室的主計(jì)算機(jī)均監(jiān)視轉(zhuǎn)向架的不穩(wěn)定性，接收并記錄故障數(shù)據(jù)，必要時(shí)提示列車運(yùn)行速度。

輔助計(jì)算機(jī)由9塊板卡、50個(gè)輸入和50個(gè)輸出組成，作為主計(jì)算機(jī)的備份提供如下功能：(1)在主控司機(jī)室中，對來自主控制器的命令進(jìn)行編碼和傳輸，以及數(shù)據(jù)解碼和司控臺(tái)顯示；(2)在從控司機(jī)室中，用于接收指令和傳輸信號。

00-固定電臺(tái)；0-車載電臺(tái)；1-司機(jī)室主計(jì)算機(jī)；2-司機(jī)室輔助計(jì)算機(jī)；3-電機(jī)組1計(jì)算機(jī)；4-電機(jī)組2計(jì)算機(jī)；5-客車1計(jì)算機(jī)；14-客車10計(jì)算機(jī)；15-電機(jī)組3計(jì)算機(jī)；16-電機(jī)組4計(jì)算機(jī)；17-司機(jī)室輔助計(jì)算機(jī)；18-司機(jī)室主計(jì)算機(jī)。圖6 TGV-A的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

電機(jī)組計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)向架2臺(tái)電機(jī)和相關(guān)設(shè)備(整流器、斬波器、變流器，功率因數(shù)校正設(shè)備和通風(fēng)設(shè)備等)的所有控制、調(diào)節(jié)和監(jiān)控功能。在牽引模式下，電機(jī)組計(jì)算機(jī)按供電網(wǎng)絡(luò)可用功率調(diào)整列車取用功率，并根據(jù)輪軌黏著條件計(jì)算最佳牽引力；在制動(dòng)模式下，計(jì)算機(jī)根據(jù)列車管減壓，并根據(jù)程序分配空氣制動(dòng)力和電氣制動(dòng)力，以減少制動(dòng)盤的磨損。

客車計(jì)算機(jī)的功能包括：(1)控制和調(diào)節(jié)空調(diào)設(shè)備；(2)車門控制；(3)監(jiān)控制動(dòng)器，如防滑系統(tǒng)、檢查正確的制動(dòng)施加和釋放、防止軸抱死等；(4)轉(zhuǎn)向架穩(wěn)定性監(jiān)測；(5)旅客信息顯示，列車名稱、車號、終到站和中途?？空镜?；(6)故障記錄以便于后續(xù)維修。需要立即處理的嚴(yán)重故障，將通過網(wǎng)絡(luò)提示相關(guān)人員，如轉(zhuǎn)向架失穩(wěn)、軸抱死信息發(fā)送給司機(jī)，車門未關(guān)閉、空調(diào)故障信息發(fā)送給乘務(wù)員，報(bào)警信號同時(shí)發(fā)送給司機(jī)和乘務(wù)員。

為了提高系統(tǒng)安全性，最大限度減小計(jì)算機(jī)故障的影響，一些功能采用冗余計(jì)算機(jī)或緊急備用計(jì)算機(jī)方式，例如一個(gè)轉(zhuǎn)向架的制動(dòng)同時(shí)由2臺(tái)計(jì)算機(jī)監(jiān)控，第1臺(tái)計(jì)算機(jī)作為主防滑系統(tǒng)，第2臺(tái)計(jì)算機(jī)則監(jiān)視軸抱死，但在第1臺(tái)計(jì)算機(jī)故障時(shí)作為備用防滑系統(tǒng)。

在后續(xù)的TGV車型中，Alstom將網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溆森h(huán)網(wǎng)改成了總線網(wǎng)絡(luò)，相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)命名為TORNAD*[18]。

1.4 TCN標(biāo)準(zhǔn)的形成及應(yīng)用

ICE1/IEC2、ETR 500以及TGV-A等動(dòng)車組均是1990年前后投入運(yùn)用，其主要研發(fā)時(shí)間在1990年以前，受當(dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)、通信等技術(shù)背景影響，車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的差異性較大。

1988年IEC TC9與世界上20多個(gè)主要鐵路運(yùn)營部門和機(jī)車車輛制造廠家代表，以及國際鐵路聯(lián)盟的代表，共同組成WG22工作組，旨在制訂一個(gè)開放的通信系統(tǒng)，從而使得各種鐵道機(jī)車車輛能夠相互聯(lián)掛，并且車上的可編程電子設(shè)備能夠互換。1992年6月WG22以委員會(huì)草案(Committee Draft)的形式向各國發(fā)出列車通信網(wǎng)絡(luò)的征求意見稿，該稿分成4個(gè)部分：第1部分為總體結(jié)構(gòu)，第2部分為實(shí)時(shí)協(xié)議，第3部分為多功能車輛總線(MVB)，第4部分為絞線式列車總線(WTB)。

經(jīng)過多年的努力，WG22在西門子公司和Adtranz公司原有技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，共同開發(fā)出了一套系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)。1994年5月至1995年9月歐洲鐵路研究所(ERRI)在瑞士因特拉肯至荷蘭阿姆斯特丹之間的鐵路，對瑞士聯(lián)邦鐵路(SBB)、德國鐵路股份公司(DB)、意大利國家鐵路(FS)、荷蘭鐵路(NS)的車輛編組而成的試驗(yàn)列車進(jìn)行了全面的TCN實(shí)驗(yàn)。1999年6月TCN標(biāo)準(zhǔn)草案61375-1正式成為國際標(biāo)準(zhǔn)[19]。

因此，在ICE1和ICE2上可以看出TCN網(wǎng)絡(luò)的雛形，后續(xù)的動(dòng)力分散型動(dòng)車組ICE3則采用了標(biāo)準(zhǔn)的TCN網(wǎng)絡(luò)，具有WTB和MVB兩層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。ETR 500的SOCRATE也可歸于TCN網(wǎng)絡(luò)，但因其采用了UIC的舊13芯連接器，WTB通信線定義與標(biāo)準(zhǔn)TCN不同，故稱為TCN*，而TGV-A的TORNAD則并不符合TCN網(wǎng)絡(luò)特征。

TCN標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布后，被大量的動(dòng)車組、機(jī)車和地鐵車輛采用，我國中華之星動(dòng)力集中動(dòng)車組也采用了WTB/MVB的TCN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。韓國在基于TGV研發(fā)KHST-7試驗(yàn)動(dòng)車組時(shí)，采用了如圖7所示的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?以牽引和制動(dòng)系統(tǒng)為主畫出)，詳細(xì)的介紹可以參考文獻(xiàn)[20]。

圖7 KHST-7的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(牽引與制動(dòng))

2 中國速度160 km/h動(dòng)力集中電動(dòng)車組CR200J

速度160 km/h動(dòng)力集中電動(dòng)車組動(dòng)力配置和編組形式包括：短編組(1Mc+7T+1Tc)、長編組(1Mc+18T+1Mc)和靈活編組(1Mc+9T～18T+1Mc)3種方式，其中Mc為動(dòng)力車，T為拖車，Tc為控制車，動(dòng)車組的車種可根據(jù)運(yùn)用需求靈活配置。研制廠家包括中車旗下多家公司，需實(shí)現(xiàn)不同生產(chǎn)廠家的動(dòng)力車與動(dòng)力車、控制車與動(dòng)力車之間的匹配，短編動(dòng)車組需實(shí)現(xiàn)控制車與動(dòng)力車端連掛、控制車與控制車端連掛組合的重聯(lián)運(yùn)行。

速度160 km/h動(dòng)力集中電動(dòng)車組動(dòng)力車以八軸客運(yùn)電力機(jī)車技術(shù)平臺(tái)為基礎(chǔ)，參照中國既有動(dòng)車組經(jīng)驗(yàn)及要求進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)；拖車、控制車以既有25T型客車為基礎(chǔ)，在平面布置、內(nèi)部裝飾、人機(jī)界面等方面參照既有CRH動(dòng)車組進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2.1 動(dòng)力車

速度160 km/h動(dòng)力集中電動(dòng)車組動(dòng)力車目前有兩個(gè)平臺(tái)，均符合TCN標(biāo)準(zhǔn)的兩級網(wǎng)絡(luò)(列車級WTB/車輛級MVB)進(jìn)行通信和控制，同時(shí)在動(dòng)力車內(nèi)部布設(shè)以太網(wǎng)。

動(dòng)力車平臺(tái)A的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D8所示，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)由WTB/MVB網(wǎng)關(guān)GW、中央處理單元CCU、記錄存儲(chǔ)模塊ERM、司機(jī)室輸入輸出單元CIO、機(jī)械間輸入輸出單元MIO和司機(jī)室顯示單元DDU等組成，通過MVB與牽引控制單元TCU、制動(dòng)控制單元BCU、列車供電系統(tǒng)ETS等進(jìn)行通信。同時(shí)，控制系統(tǒng)設(shè)置MVB/Lonworks網(wǎng)關(guān)，可與拖車實(shí)現(xiàn)諸如車門狀態(tài)、火災(zāi)報(bào)警等信息交換。以太網(wǎng)僅作為監(jiān)視網(wǎng)運(yùn)行，因此在圖8中未畫出。

動(dòng)力車平臺(tái)B的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D9所示，列車級網(wǎng)絡(luò)采用標(biāo)準(zhǔn)WTB網(wǎng)絡(luò)，以實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通互控；車輛級網(wǎng)絡(luò)采用MVB+ETH雙網(wǎng)熱備方式，ETH采用環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)符合IEC 61375-3-4標(biāo)準(zhǔn)。網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)主要部件包括：WTB/MVB/ECN網(wǎng)關(guān)GW、以太網(wǎng)交換機(jī)CS、中央處理單元CCU、記錄存儲(chǔ)模塊ERM、遠(yuǎn)程控制單元RIOM、和司機(jī)室顯示單元DDU等組成，通過MVB與牽引控制單元TCU、輔助供電單元APU、制動(dòng)控制單元BCU、列車供電單元LGU等進(jìn)行通信。同時(shí)，控制系統(tǒng)也設(shè)置MVB/Lonworks網(wǎng)關(guān)，用以與拖車進(jìn)行信息交換。

圖8 動(dòng)力車平臺(tái)A網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫疽?/p>

圖9 動(dòng)力車平臺(tái)B網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫疽?/p>

2.2 拖車/控制車

速度160 km/h動(dòng)力集中電動(dòng)車組拖車車輛電氣監(jiān)控系統(tǒng)由車輛控制單元、供電系統(tǒng)、電源裝置、軸溫、煙火、塞拉門、防滑器、車廂監(jiān)控屏、列車級電氣監(jiān)控系統(tǒng)主機(jī)及顯示屏(僅餐座合造車或普通座車(帶餐吧))和兩級Lonworks網(wǎng)絡(luò)(列車級、車輛級)等組成?？刂栖嚨目褪也糠志W(wǎng)絡(luò)同拖車，司機(jī)室部分網(wǎng)絡(luò)同動(dòng)力車(目前為平臺(tái)A的簡化)，通過在動(dòng)力車或控制車設(shè)置的MVB/LonWorks網(wǎng)關(guān)將拖車信息通過網(wǎng)絡(luò)直接顯示在司機(jī)室顯示屏，整列網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D10所示。

圖10 動(dòng)力集中電動(dòng)車組網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫疽?短編組)

在25T客車成熟旅客信息系統(tǒng)(PIS)的基礎(chǔ)上增加車外信息顯示屏，集成廣播播音系統(tǒng)，如圖11所示。為保證PIS系統(tǒng)互聯(lián)互通，有RS485總線、音頻總線和主從信號線貫穿全列，但動(dòng)力車和控制車司機(jī)室并不接入。乘務(wù)員室照明控制開關(guān)可控制本車廂照明，播音室可集控全列照明。

圖11 動(dòng)力集中電動(dòng)車組PIS系統(tǒng)示意

2.3 安全與監(jiān)控

動(dòng)力車和控制車安裝機(jī)車車載安全防護(hù)系統(tǒng)(6A系統(tǒng))和遠(yuǎn)程監(jiān)測與診斷系統(tǒng)(CMD系統(tǒng))，實(shí)現(xiàn)走行部安全監(jiān)測、防火監(jiān)控、高壓絕緣檢測、視頻監(jiān)控、列車供電監(jiān)控、制動(dòng)安全監(jiān)控等；拖車安裝行車安全監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對拖車的轉(zhuǎn)向架、制動(dòng)和防滑器的狀態(tài)監(jiān)測與診斷，并將車輛電氣監(jiān)控系統(tǒng)對拖車的煙火、塞拉門、防滑、軸溫、空調(diào)、供電監(jiān)測信息通過TCDS主機(jī)與TCDS地面系統(tǒng)進(jìn)行無線通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)落地和遠(yuǎn)程監(jiān)控。同時(shí)TCDS主機(jī)將塞拉門、軸溫、煙火、制動(dòng)等信息傳遞給動(dòng)力車和控制車。

此外，動(dòng)車組設(shè)硬線安全環(huán)，包括門控安全環(huán)線、制動(dòng)安全環(huán)線、軸溫報(bào)警安全環(huán)線和火災(zāi)報(bào)警安全環(huán)線等，并設(shè)列車及單車旁路。拖車車門未關(guān)閉，列車牽引封鎖，司機(jī)顯示單元報(bào)警；拖車軸溫絕對溫度超過90℃報(bào)警時(shí)，列車自動(dòng)實(shí)施常用制動(dòng)直至停車，司機(jī)顯示單元報(bào)警；拖車發(fā)生嚴(yán)重制動(dòng)報(bào)警，列車自動(dòng)實(shí)施常用制動(dòng)直至停車，司機(jī)顯示單元報(bào)警；拖車火災(zāi)報(bào)警時(shí)，司機(jī)操縱臺(tái)產(chǎn)生聲光報(bào)警。

3 對比分析

由于計(jì)算機(jī)和通信技術(shù)發(fā)展日新月異，國外幾個(gè)典型動(dòng)力集中動(dòng)車組的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是特定時(shí)期的產(chǎn)品，于今并無太多技術(shù)借鑒價(jià)值，表1列出了文中各動(dòng)力集中動(dòng)車組的網(wǎng)絡(luò)對比。IEC 61375標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布以來，TCN網(wǎng)絡(luò)得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展，我國速度160 km/h動(dòng)力集中電動(dòng)車組動(dòng)力車即采用了TCN網(wǎng)絡(luò)，并且嘗試部署了以太網(wǎng)，形成了MVB/ETH雙網(wǎng)冗余結(jié)構(gòu)。

表1 文中動(dòng)力集中動(dòng)車組的網(wǎng)絡(luò)對比

從上述分析可知，ICE1/ICE2、ETR 500和TGV-A等車型雖然是早期車型，但網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)整體性較強(qiáng)，動(dòng)力車和拖車遵循同一網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。同時(shí)，運(yùn)用單位和制造企業(yè)對旅客體驗(yàn)較為重視，尤其是ETR 500專設(shè)光纖以滿足音、視頻功能需求。

而我國CR200J動(dòng)車組在動(dòng)力車和拖車分別部署了TCN和Lonworks兩套網(wǎng)絡(luò)，通過MVB/Lonworks網(wǎng)關(guān)連通，增加了網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性，且MVB/Lonworks網(wǎng)關(guān)將成為動(dòng)力車與拖車間通信的瓶頸。例如動(dòng)力車和控制車間有35根貫穿線，分制動(dòng)系統(tǒng)、標(biāo)志燈控制、緊急牽引、重聯(lián)電話、遠(yuǎn)端控制電源控制等功能組，以及3組通訊功能接口：WTB總線、VDSL2總線及CAN總線通訊接口，其中后兩者用于6A系統(tǒng)；與拖車信息交互亦需35根貫穿線和3組通訊功能接口，貫穿線分為車列電空、拖車車門控制、拖車安全環(huán)路、集控供電等功能組，通訊功能接口有RS485總線、廣播音頻總線和Lonworks信息線等。動(dòng)力車/控制車外重聯(lián)端采用了196芯電氣連接器。

CR200J動(dòng)車組的這種網(wǎng)絡(luò)布置，主要是為了最大限度沿用八軸客運(yùn)機(jī)車和25T型客車的既有產(chǎn)品，一定程度上減小了研發(fā)成本，但導(dǎo)致了全列網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)較為復(fù)雜，整體性考慮欠佳，例如目前拖車僅支持手動(dòng)設(shè)置PIS車廂號，不具備車廂號自動(dòng)編號功能，且各拖車電氣綜合控制柜、PIS車廂控制器、TCDS和火災(zāi)報(bào)警控制器的車廂號設(shè)置相互獨(dú)立，需分別更改才能實(shí)現(xiàn)各設(shè)備車廂號統(tǒng)一，這可能會(huì)為后續(xù)的運(yùn)營維護(hù)帶來不便。

4 結(jié)束語

國外早期主要?jiǎng)恿袆?dòng)車組車型如德國ICE1/ICE2、意大利ETR 500和法國TGV-A等均在1990年附近研制并投入運(yùn)用，其網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)差異性較大，隨著TCN標(biāo)準(zhǔn)的形成和廣泛應(yīng)用，列車級和車輛級分別采用WTB和MVB兩層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)成為動(dòng)車組網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)主流，我國速度160 km/h動(dòng)力集中電動(dòng)車組動(dòng)力車/控制車采用了TCN網(wǎng)絡(luò)，并同時(shí)部署了以太網(wǎng)，拖車則沿用了25T型客車的Lonworks網(wǎng)絡(luò)，通過動(dòng)力車/控制車設(shè)置的MVB/Lonworks網(wǎng)關(guān)與動(dòng)力車/控制車進(jìn)行通信，一定程度上減小了研發(fā)成本，希望同時(shí)借鑒國外動(dòng)力集中動(dòng)車組網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，以用戶體驗(yàn)為導(dǎo)向，提高我國動(dòng)力集中動(dòng)車組網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的整體性。