王學(xué)文， 馬永靖， 張笑凡， 曹宏發(fā)， 孟繁輝

(1 中車長春軌道客車股份有限公司 國家軌道客車工程研究中心， 長春 130062;2 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)

可變編組動車組主要為滿足不同線路、或同一線路不同時(shí)段的運(yùn)營需求，可實(shí)現(xiàn)對編組型式及編組數(shù)量進(jìn)行配置的車輛。文獻(xiàn)[1-2]可變編組不同于靈活編組車輛(可以任意數(shù)量配置編組)，常用的編組配置單元有1動1拖(1M+1T)和2動2拖(2M2T)，其中動車組車輛的重聯(lián)運(yùn)營即4個2M2T的典型應(yīng)用。

為更好滿足不同線路城際車編組型式多樣性需求，中車長春軌道客車股份有限公司(簡稱：長客股份)可變編組動車組項(xiàng)目采用1動1拖為一個編組單元。基于該項(xiàng)目的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?一個牽引單元內(nèi)1動1拖為一個網(wǎng)段，8輛編組)，借鑒列車級數(shù)據(jù)傳輸規(guī)范對實(shí)時(shí)性標(biāo)準(zhǔn)要求，文獻(xiàn)[3]對比分析制動系統(tǒng)進(jìn)行制動力無主復(fù)合分配，在單網(wǎng)段內(nèi)與跨網(wǎng)段時(shí)的MVB與WTB信號傳輸量需求、系統(tǒng)復(fù)雜度差異。

1 信號及傳輸需求

制動系統(tǒng)分配制動力時(shí)優(yōu)先使用電制動，出現(xiàn)單車故障時(shí)制動力分配復(fù)合范圍越大，電制動利用率越高、基礎(chǔ)制動磨耗越小、對車輛運(yùn)營線路影響越小。文獻(xiàn)[4]隨著分配復(fù)合范圍的擴(kuò)大，信號傳輸量和信號流將成倍增加，同時(shí)仍需保證信號的實(shí)時(shí)性，需在制動系統(tǒng)性能及復(fù)雜度間權(quán)衡。文獻(xiàn)[5]按照制動系統(tǒng)制動力分配控制及監(jiān)測需求，將信號依響應(yīng)時(shí)間劃分為不同的數(shù)據(jù)包Dn，進(jìn)行信號量及信號流分析。

1.1 BCU與TCU上報(bào)信息

采用跨網(wǎng)段無主方式進(jìn)行制動力分配時(shí)，各車制動控制單元(BCU) BCU x.1都需接收其他BCU(本網(wǎng)段和跨網(wǎng)段內(nèi)的)的摩擦制動能力、車重及與摩擦制動施加相關(guān)的其他狀態(tài)信息；為與主控CCU發(fā)送的制動試驗(yàn)指令進(jìn)行交互，需要傳輸制動試驗(yàn)交互指令，兩者對響應(yīng)實(shí)時(shí)性要求都比較高，組成數(shù)據(jù)包D1。為上報(bào)BCU的狀態(tài)信息及BCUx.2監(jiān)測的軸不旋轉(zhuǎn)檢測(DNRA)信息，分別通過兩個響應(yīng)速度較慢的MVB端口上報(bào)數(shù)據(jù)包D2和D3。為實(shí)現(xiàn)空電復(fù)合控制，各車也需接收其他網(wǎng)段內(nèi)牽引控制單元(TCU)的電制能力值、實(shí)際值、防滑減量及TCU工作狀態(tài)信息(即數(shù)據(jù)包D4)。

其中數(shù)據(jù)包D1和數(shù)據(jù)包D4都需要網(wǎng)關(guān)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)到其他網(wǎng)段的BCUx.1或主控CCU。若采用單網(wǎng)段1動1拖間進(jìn)行制動力復(fù)合時(shí)，數(shù)據(jù)包D1和D4內(nèi)摩擦制動和電制動相關(guān)變量都不需要、或不需要高速上報(bào)(如上報(bào)，則僅用于監(jiān)測顯示)。信號傳輸顯示及數(shù)據(jù)報(bào)信息分別參見圖1和表1。

表1 BCU與TCU上報(bào)信息數(shù)據(jù)包定義

圖1 BCU與TCU上報(bào)信息信號流

1.2 WTB數(shù)據(jù)傳輸

(1)WTB數(shù)據(jù)組包

當(dāng)采用跨網(wǎng)段制動力分配方式時(shí)，網(wǎng)關(guān)接收到本網(wǎng)段內(nèi)的BCUx.1、BCUx.2、TCU的數(shù)據(jù)包D1、D2、D3、D4后，將按照數(shù)據(jù)內(nèi)容進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，制動相關(guān)信號按響應(yīng)的實(shí)時(shí)性要求，劃分為數(shù)據(jù)包D5和D6。

D5主要包含D1和D4數(shù)據(jù)包信息，傳輸周期短。當(dāng)跨網(wǎng)段制動力分配時(shí)，要包含兩個D1數(shù)據(jù)包，分別對應(yīng)動車BCU和拖車BCU，不跨網(wǎng)段制動力分配時(shí)，D5數(shù)據(jù)包將在D1+D4的基礎(chǔ)上減去不需上報(bào)顯示的制動力分配相關(guān)變量。因此，兩種分配方式D5的數(shù)據(jù)包大小相差約1倍。

D6數(shù)據(jù)包主要用于顯示監(jiān)測，由數(shù)據(jù)包D2和數(shù)據(jù)包D3組成，傳輸速率要求不高。

WTB過程數(shù)據(jù)報(bào)文長度為128字節(jié)，D5和D6都走實(shí)時(shí)報(bào)文還需評估是否滿足需求傳輸需求，若不滿足，則需要進(jìn)行分時(shí)分頁傳輸，增加系統(tǒng)的復(fù)雜度。WTB報(bào)文數(shù)據(jù)長度劃分需求如圖2所示。

圖2 WTB報(bào)文數(shù)據(jù)長度劃分需求

(2)傳輸周期

WTB過程數(shù)據(jù)應(yīng)采用25 ms的傳輸周期，即在25 ms內(nèi)所有WTB節(jié)點(diǎn)的過程數(shù)據(jù)至少發(fā)送一次。若采用分頁數(shù)據(jù)傳輸，則25 ms內(nèi)發(fā)送一頁，但所有過程數(shù)據(jù)應(yīng)在500 ms內(nèi)至少發(fā)送一次。

WTB過程數(shù)據(jù)報(bào)文長度為128 Byte，根據(jù)GB/T 28029.1章節(jié)4.4.2.2中規(guī)定，發(fā)送一幀WTB過程數(shù)據(jù)報(bào)文的時(shí)間為1 756 us。因此在25 ms內(nèi)至少將4個WTB節(jié)點(diǎn)的過程數(shù)據(jù)報(bào)文發(fā)送一次。WTB過程數(shù)據(jù)通信時(shí)序示意圖如圖3所示(4個節(jié)點(diǎn))。

圖3 WTB報(bào)文傳輸周期需求

1.3 網(wǎng)關(guān)下發(fā)到本網(wǎng)段的信息

網(wǎng)關(guān)接收到主控CCU或其他網(wǎng)段發(fā)送的信息后，按照信號內(nèi)容劃分為兩類數(shù)據(jù)包。D7主要包含列車時(shí)間、環(huán)路信息、來自CCU的制動指令、制動試驗(yàn)及本網(wǎng)段制動力分配相關(guān)信息，約20 Byte。

D8/D9……其他車制動力分配相關(guān)信息，僅考慮摩擦制動可用值、設(shè)定值、電制能力值、實(shí)際值、請求值，一個網(wǎng)段一個數(shù)據(jù)包也需14 Byte，另也需考慮布爾量的狀態(tài)信息(需包含網(wǎng)段內(nèi)動拖車的摩擦制動狀態(tài)與TCU狀態(tài))，跨網(wǎng)段越多，D8/D9……依次類推包含其他車輛制動力分配相關(guān)端口越多。

若考慮將來一個網(wǎng)段內(nèi)擴(kuò)展為2動2拖，則D8/D9……類數(shù)據(jù)包大小仍需翻倍；且從制動角度不建議把不同網(wǎng)段的制動力分配信息通過同一個端口下發(fā)。WTB報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)如圖4所示。

圖4 WTB報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)示意圖

2 WTB信號流對比

2.1 單網(wǎng)段制動力復(fù)合

單網(wǎng)段制動力復(fù)合分配時(shí)，D5與D6數(shù)據(jù)量僅包含發(fā)送給主列控單元(CCU)和司機(jī)屏(HIM)用監(jiān)控的數(shù)據(jù)信息，數(shù)據(jù)量約為跨網(wǎng)段復(fù)合分配的1/2。當(dāng)實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，若D5與D6數(shù)據(jù)量小可以不分時(shí)分頁傳輸。

8輛車4個牽引單元進(jìn)行單網(wǎng)段制動力復(fù)合分配時(shí)，WTB傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流如圖5所示，為保證響應(yīng)的同步性，主控網(wǎng)段內(nèi)的D5與D6也需通過網(wǎng)關(guān)傳輸，示意圖未畫出。

主控牽引單元網(wǎng)關(guān)接收到其他網(wǎng)段的D5與D6數(shù)據(jù)后，轉(zhuǎn)發(fā)只有CCU或HMI接收，用于監(jiān)控顯示，主控網(wǎng)段內(nèi)的BCU和TCU不接收。

圖5 單網(wǎng)段制動力復(fù)合WTB信號傳輸示意圖(8輛車)

2.2 跨網(wǎng)段復(fù)合

跨網(wǎng)段制動力復(fù)合分配時(shí)，D5與D6數(shù)據(jù)量僅包含發(fā)送給主列控單元(CCU)和司機(jī)屏(HIM)用監(jiān)控的數(shù)據(jù)信息，還需包含各網(wǎng)段內(nèi)制動力分配相關(guān)信息，數(shù)據(jù)量約為單網(wǎng)段復(fù)合分配的2倍。

6輛車3個牽引單元進(jìn)行制動力復(fù)合分配時(shí)，WTB傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流如圖6所示，對比單網(wǎng)段制動力復(fù)合分配時(shí)，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量、網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)端口、BCU接收的端口及數(shù)據(jù)量，隨跨網(wǎng)段復(fù)合數(shù)量增加，信號量和信號流呈幾何特性增加。

圖6 跨3網(wǎng)段制動力復(fù)合分配WTB信號傳輸示意圖(6輛車)

3 總 結(jié)

從信號量和信號流對比分析，多網(wǎng)段制動力復(fù)合時(shí)，相對單網(wǎng)段制動力復(fù)合，需要WTB轉(zhuǎn)發(fā)的高實(shí)時(shí)響應(yīng)數(shù)據(jù)量增加1倍，且隨跨網(wǎng)段數(shù)量的增多，WTB上的信號流方向也成倍擴(kuò)展，制動系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的復(fù)雜度也隨之提高。因此從信號角度分析，單網(wǎng)段制動力復(fù)合方案優(yōu)勢更為明顯。