李一葉，粟愛軍，程玉溪，沈夢(mèng)玉，鄒智榮，唐鵬輝

（中車株洲電力機(jī)車研究所有限公司，湖南 株洲 412001）

0 引言

列車網(wǎng)絡(luò)控制管理系統(tǒng)(train control and management system，TCMS)是城市軌道交通車輛的“大腦”與“神經(jīng)”，其最重要的功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛的特性控制、邏輯控制、故障監(jiān)視和自我診斷，并將信息傳送到司機(jī)操縱臺(tái)，通過顯示屏給司機(jī)以直觀的、反映機(jī)車實(shí)時(shí)狀態(tài)的信息[1]。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用環(huán)境，TCMS系統(tǒng)需具備安全、可靠、靈活等特性。

目前已經(jīng)運(yùn)營的城市軌道交通列車多采用傳統(tǒng)的鉸接式列車總線（wire train bus，WTB）和多功能車輛總線（multifunction vehicle bus，MVB）兩級(jí)總線方式實(shí)現(xiàn)列車級(jí)/車廂級(jí)的控制數(shù)據(jù)交互，對(duì)某些特殊設(shè)備（如軸溫檢測(cè)裝置）還采用了控制器局域網(wǎng)絡(luò)（controller area network, CAN）或RS485總線進(jìn)行信息采集和傳輸。RS485總線與CAN總線在遠(yuǎn)距離跨車通信方面具有較大劣勢(shì)，通信質(zhì)量會(huì)隨著距離的增加而降低，無法同時(shí)滿足通信速率與通信質(zhì)量的要求[2]。同時(shí)，隨著城市軌道列車智能化、信息化水平的提升，即使采用通信速率為1.5 Mb/s的MVB總線，也難以滿足日益增長的設(shè)備與帶寬性能需求。在此背景下，采用以太網(wǎng)作為列車網(wǎng)絡(luò)傳輸制式成為動(dòng)車組、地鐵及有軌電車新的選擇；而智軌電車作為跨界創(chuàng)新的城市軌道交通產(chǎn)品，選用以太網(wǎng)作為整車通信骨干網(wǎng)絡(luò)成為必然。

智軌電車?yán)脤?shí)時(shí)以太網(wǎng)技術(shù)組建列車及車輛級(jí)網(wǎng)絡(luò)，并保留CAN總線以滿足部分設(shè)備的通信需求。本文概述了智軌電車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)組成及其功能特性，并對(duì)其未來技術(shù)趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

1 智軌電車TCMS系統(tǒng)需求

智軌電車為多編組列車，分布在不同車廂、不同位置的設(shè)備間進(jìn)行信息交互時(shí)需跨車廂通信，且通信距離較長。多系統(tǒng)的信息傳輸與功能實(shí)現(xiàn)不僅需要較大的帶寬，而且還對(duì)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的傳輸時(shí)延等指標(biāo)提出了較高要求。比如：乘客信息服務(wù)系統(tǒng)需要較大的帶寬來滿足系統(tǒng)功能；車輛環(huán)視系統(tǒng)需要足夠的帶寬來傳輸環(huán)視視頻流；而其他各系統(tǒng)，如車載信號(hào)系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、牽引系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、輔助駕駛系統(tǒng)及無軌導(dǎo)向系統(tǒng)等，都需要在系統(tǒng)運(yùn)行過程中與其他系統(tǒng)發(fā)生大量的數(shù)據(jù)交互，并且對(duì)交互數(shù)據(jù)的傳輸穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)質(zhì)量均有較高要求。同時(shí)，為保證系統(tǒng)的可靠性，對(duì)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)還應(yīng)保留一定程度的冗余。

智軌電車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)關(guān)聯(lián)關(guān)系示意如圖1所示。車輛系統(tǒng)涵蓋牽引、制動(dòng)、輔助電源、無軌導(dǎo)向、輔助駕駛、車載信號(hào)、車載儲(chǔ)能、空調(diào)、綜合無線及乘客信息等子系統(tǒng)，各子系統(tǒng)在列車網(wǎng)絡(luò)中完成信息交互；在網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的介入下，車載儲(chǔ)能、牽引及制動(dòng)系統(tǒng)完成列車的牽引制動(dòng)功能，輔助駕駛與無軌導(dǎo)向系統(tǒng)完成車輛的橫向控制及軌跡跟隨功能，最終由車輛網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)完成列車的狀態(tài)監(jiān)控及安全保護(hù)。

圖1 車輛網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)關(guān)聯(lián)關(guān)系Fig. 1 Train network control system association diagram

2 智軌電車TCMS系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1 通信方式及協(xié)議選擇

類比于WTB/MVB雙層分級(jí)式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，智軌電車設(shè)置有ETB/ECN雙層分級(jí)式實(shí)時(shí)以太網(wǎng)，其中骨干網(wǎng)選用ETB（Ethernet train backbone），車輛網(wǎng)絡(luò)選用以太編組網(wǎng)(Ethernet consist network, ECN)，用來承載電車控制數(shù)據(jù)及信息服務(wù)數(shù)據(jù)，以滿足智軌電車編組分割與合并的需求。MVB與WTB的通信速率分別為1 Mb/s和1.5 Mb/s，而ECN與ETB的傳輸速率則可分別達(dá)到100 Mb/s與1 000 Mb/s[3-4]。此外，智軌電車在部分節(jié)點(diǎn)保留了CAN通信方式，以滿足局部數(shù)據(jù)的傳輸需要。在網(wǎng)絡(luò)層，智軌電車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)采用IEC 61375標(biāo)準(zhǔn)約定的列車實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)協(xié)議(train real-time data protocol，TRDP）進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸[5]。

2.2 冗余設(shè)計(jì)

智軌電車TCMS系統(tǒng)的可靠性關(guān)系到車輛的可用性。為降低系統(tǒng)故障率，提高系統(tǒng)可靠性，需采用較為可靠的冗余設(shè)計(jì)方案，以保證系統(tǒng)即使在關(guān)鍵部件失效時(shí)仍能正常工作。對(duì)智軌電車TCMS系統(tǒng)進(jìn)行冗余設(shè)計(jì)時(shí)，從以下幾個(gè)方面進(jìn)行了考慮：

（1）骨干網(wǎng)絡(luò)冗余。在骨干網(wǎng)絡(luò)發(fā)生單節(jié)點(diǎn)故障時(shí)，網(wǎng)絡(luò)可短時(shí)自恢復(fù)，以保證骨干網(wǎng)絡(luò)的健壯性。

（2）控制數(shù)據(jù)冗余。對(duì)影響列車運(yùn)行的控制數(shù)據(jù)，考慮其在單個(gè)網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)的冗余性，以確保關(guān)鍵數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)列車級(jí)的冗余。

（3）子系統(tǒng)數(shù)據(jù)冗余。對(duì)關(guān)鍵子系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)，考慮多節(jié)點(diǎn)接入，以保證單節(jié)點(diǎn)失效時(shí)子系統(tǒng)功能的正常性。

（4）IO（輸入輸出）冗余。對(duì)關(guān)鍵IO，采用冗余模塊采集方式來保證IO的獨(dú)立冗余性。

（5）CCU（主控單元）冗余。一個(gè)主控單元故障時(shí)，另一個(gè)主控單元可無縫接管，以保證車輛的正常運(yùn)行。

（6）事件記錄冗余。用于保證車輛行駛過程中數(shù)據(jù)記錄的可靠性。

2.3 基于列車的系統(tǒng)簡化

基于通信方式及其協(xié)議選擇和冗余設(shè)計(jì)原則，從系統(tǒng)簡化的角度，將車輛的牽引力分配、制動(dòng)力分配及防滑控制等在傳統(tǒng)軌道交通車輛中的功能移植到智軌電車TCMS系統(tǒng)，這一原則將大大簡化智軌電車牽引及制動(dòng)等系統(tǒng)的設(shè)計(jì)并節(jié)省成本。

利用以太網(wǎng)高帶寬的特性，將傳統(tǒng)軌道交通車輛中單獨(dú)成網(wǎng)的乘客信息系統(tǒng)（passenger information system, PIS）和視頻監(jiān)控系統(tǒng)（closed circuit television,CCTV）等的信息服務(wù)數(shù)據(jù)流融合進(jìn)智軌電車TCMS系統(tǒng)，以簡化系統(tǒng)并節(jié)省成本。

3 智軌電車TCMS系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

智軌電車TCMS系統(tǒng)由CCU裝置、交換機(jī)、IO采集模塊及CAN網(wǎng)關(guān)模塊構(gòu)成，其中CCU裝置包含CPU板卡、記錄板卡及交換板卡。車輛交換機(jī)與CCU裝置中的交換板卡是TCMS的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的連接通過跨車以太網(wǎng)線纜完成，構(gòu)成TCMS系統(tǒng)的基本拓?fù)洹?/p>

3.1 以太網(wǎng)拓?fù)?/h3>

對(duì)ETB網(wǎng)絡(luò)（列車級(jí)），根據(jù)控制網(wǎng)絡(luò)與信息服務(wù)網(wǎng)絡(luò)的需求，分別構(gòu)筑2套獨(dú)立的環(huán)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)環(huán)網(wǎng)間的物理隔離并分別提供100 Mb/s 和1 000 Mb/s網(wǎng)絡(luò)帶寬。在環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)中，環(huán)網(wǎng)協(xié)議保證環(huán)網(wǎng)的正常工作[6]，且環(huán)網(wǎng)本身具備鏈路冗余，任意一個(gè)環(huán)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)斷開后均可以短時(shí)恢復(fù)。

對(duì)ECN網(wǎng)絡(luò)（車輛級(jí)），系統(tǒng)通過交換機(jī)設(shè)置單個(gè)交換節(jié)點(diǎn)并提供100 Mb/s帶寬，以滿足車輛內(nèi)部信息傳輸?shù)男枨蟆?/p>

圖2示出車載雙環(huán)以太網(wǎng)拓?fù)?。圖中，藍(lán)色粗線所示為以太環(huán)網(wǎng)1，其由帶交換電路板的CCU機(jī)箱及交換機(jī)組成，承載列車級(jí)控制數(shù)據(jù)，除PIS主控外，所有車輛控制單元包括CCU主控、車載信號(hào)ATC、輔助駕駛系統(tǒng)（ADS）等均通過ECN網(wǎng)絡(luò)接入到環(huán)網(wǎng)1中；綠色加粗線所示為以太環(huán)網(wǎng)2，其由3臺(tái)分布在不同車輛的交換機(jī)組成，用于承載列車級(jí)信息服務(wù)數(shù)據(jù)及信息服務(wù)控制數(shù)據(jù)。PIS系統(tǒng)及CCTV系統(tǒng)的數(shù)據(jù)在以太環(huán)網(wǎng)2中傳輸與交互。

圖2 車載雙環(huán)以太網(wǎng)拓?fù)銯ig. 2 Topology of the dual-loop Ethernet for autonomousrail rapid tram

車內(nèi)關(guān)鍵設(shè)備包括CCU裝置、牽引系統(tǒng)及人機(jī)交互（human machine interface, HMI）顯示器等被布設(shè)了雙網(wǎng)口，同時(shí)被接入到環(huán)網(wǎng)1與環(huán)網(wǎng)2中，以實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)及端到端的冗余和關(guān)鍵部件的通信冗余。

3.2 CAN拓?fù)?/h3>

列車部分設(shè)備采用CAN總線且分布在不同側(cè)車廂。CAN數(shù)據(jù)通過各節(jié)車輛的CAN網(wǎng)關(guān)設(shè)備進(jìn)行車廂內(nèi)部的數(shù)據(jù)交互；網(wǎng)關(guān)設(shè)備接入交換機(jī)，通過ETB控制環(huán)網(wǎng)進(jìn)行列車級(jí)數(shù)據(jù)交互，以實(shí)現(xiàn)車輛的控制、診斷及服務(wù)功能（圖3）。

關(guān)鍵子系統(tǒng)可以通過2路CAN總線分別接入2臺(tái)不同的CAN網(wǎng)關(guān)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)2路不同的總線冗余。部分終端設(shè)備（圖3中綠色標(biāo)識(shí)設(shè)備）通過這種方式接入網(wǎng)絡(luò)，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的冗余傳輸。

圖3 CAN網(wǎng)絡(luò)拓?fù)銯ig. 3 Topology of the CAN networks

3.3 列車網(wǎng)絡(luò)VLAN配置

智軌電車上不同功能的車載設(shè)備彼此間若不需要通信，則可通過設(shè)置不同的虛擬局域網(wǎng)（virtual local area network，VLAN）進(jìn)行子網(wǎng)隔離，以防止廣播風(fēng)暴對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)帶來的影響。對(duì)于關(guān)鍵數(shù)據(jù)，通過VLAN劃分，使其具有跨VLAN通信的能力[7]。

為了確保數(shù)據(jù)的可靠性，在智軌電車TCMS系統(tǒng)中設(shè)置了多個(gè)VLAN對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行隔離。根據(jù)應(yīng)用數(shù)據(jù)類型，TCMS系統(tǒng)中的VLAN分為3類：

（1）綜合無線公網(wǎng)VLAN，負(fù)責(zé)同公網(wǎng)/外網(wǎng)的數(shù)據(jù)交互。智軌電車有多種控制/維護(hù)類數(shù)據(jù)需要進(jìn)行上傳或下載，將此類節(jié)點(diǎn)獨(dú)立為一個(gè)VLAN段。

（2）控制VLAN，負(fù)責(zé)控制類數(shù)據(jù)傳輸交互。所有控制相關(guān)節(jié)點(diǎn)均屬于該VLAN段，該VLAN段對(duì)數(shù)據(jù)的可靠性和實(shí)時(shí)性都有很高要求。

（3）無軌導(dǎo)向VLAN。無軌導(dǎo)向系統(tǒng)直接關(guān)聯(lián)整車運(yùn)行安全，為了保證無軌導(dǎo)向系統(tǒng)的可靠性，將無軌導(dǎo)向系統(tǒng)內(nèi)網(wǎng)獨(dú)立劃為一個(gè)VLAN段。

3個(gè)VLAN之間依靠3層交換機(jī)以實(shí)現(xiàn)特殊數(shù)據(jù)間的跨VLAN通信；同時(shí)3層交換機(jī)中對(duì)跨VLAN通信的數(shù)據(jù)也進(jìn)行了安全性配置，對(duì)需要轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控，以實(shí)現(xiàn)防火墻的功能。

4 智軌電車TCMS關(guān)鍵功能

智軌電車TCMS系統(tǒng)，除基本的列車控制與診斷外，還具有牽引制動(dòng)融合控制、監(jiān)視及安全防護(hù)等關(guān)鍵功能。

4.1 列車牽引制動(dòng)融合控制功能

智軌電車運(yùn)行模式在具備公路車輛特征的同時(shí)，也融合了軌道交通運(yùn)營的特征。在列車自動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)(automatic train protection，ATP)人工駕駛及完全人工駕駛模式下，設(shè)置了3種列車運(yùn)行模式：正常運(yùn)行模式下，列車執(zhí)行常用限速；當(dāng)列車達(dá)到常用限速時(shí)，牽引封鎖，轉(zhuǎn)換為惰行模式；當(dāng)列車速度超出列車限速一定值時(shí)，在人機(jī)交互HMI顯示屏上進(jìn)行報(bào)警并采取相應(yīng)的自動(dòng)剎車等措施。在應(yīng)急牽引模式下，列車依靠車輛硬線實(shí)現(xiàn)列車應(yīng)急牽引功能。在列車洗車模式下，實(shí)現(xiàn)列車低速限速，用于在低速情況下的洗車或其他工況。

智軌電車的速度信息，如列車慣導(dǎo)速度、制動(dòng)系統(tǒng)速度、牽引系統(tǒng)速度及無軌轉(zhuǎn)向系統(tǒng)速度等，源自不同的子系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)根據(jù)列車速度算法對(duì)多數(shù)據(jù)源的速度信息進(jìn)行處理，從而計(jì)算出列車速度。在對(duì)各速度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時(shí)，首先考慮單一速度源的可信度；在可信的前提下，對(duì)多數(shù)據(jù)值進(jìn)行排序比對(duì)，在去除速度最大值與最小值后，對(duì)剩余數(shù)據(jù)取平均值，得到電車的列車速度。列車速度將被作為參照速度用來判斷列車的滑行狀態(tài)并進(jìn)行防滑處理；同時(shí)其還將被作為列車運(yùn)行的重要狀態(tài)信息進(jìn)行監(jiān)控，一旦速度超過允許值，列車的牽引封鎖功能即被觸發(fā)，從而保證列車的安全運(yùn)行。

除速度外，列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)還對(duì)某些影響列車運(yùn)行的條件進(jìn)行監(jiān)視，當(dāng)條件不滿足時(shí)，列車網(wǎng)絡(luò)將封鎖列車的所有牽引指令，同時(shí)在列車顯示屏上顯示“牽引封鎖”提示信息。當(dāng)列車牽引功能被允許（牽引封鎖不成立）時(shí)，控制系統(tǒng)根據(jù)列車當(dāng)前牽引、制動(dòng)級(jí)位以及電機(jī)的力矩限制曲線計(jì)算出電機(jī)牽引力矩及其制動(dòng)力矩，通過列車網(wǎng)絡(luò)將力矩信息傳遞至電機(jī)控制器后，電機(jī)進(jìn)行列車牽引和電制動(dòng)力矩施加。

列車制動(dòng)系統(tǒng)的氣制動(dòng)功能主要通過引發(fā)貫通全車的制動(dòng)管路的壓力變化致使剎車片與制動(dòng)盤摩擦而完成。列車制動(dòng)管路壓力過低，則影響列車的正常運(yùn)行。列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)對(duì)空壓機(jī)進(jìn)行管控，以確保車輛制動(dòng)及其他系統(tǒng)的正常用氣。當(dāng)氣壓低于某定值時(shí)，控制空壓機(jī)進(jìn)行工作；當(dāng)氣壓上升到對(duì)應(yīng)閾值時(shí)，控制空壓機(jī)停止工作。由于氣制動(dòng)功能的施加依賴于氣壓變化及機(jī)械部件的動(dòng)作，如僅依靠氣制動(dòng)來完成列車制動(dòng)，則存在制動(dòng)延時(shí)問題，會(huì)造成列車制動(dòng)距離偏長。為提高列車制動(dòng)響應(yīng)的及時(shí)性，列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)將電池管理系統(tǒng)（battery management system, BMS）反饋的實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)（如當(dāng)前允許的電池最大充放電電流及電壓等）同牽引電機(jī)的牽引特性曲線進(jìn)行擬合，計(jì)算出當(dāng)前可發(fā)揮的實(shí)時(shí)電制動(dòng)力。當(dāng)列車制動(dòng)力需求值低于電制動(dòng)力值時(shí)，將全部投入電制動(dòng)力以提高能量的使用效率。在列車制動(dòng)力需求值高于電制動(dòng)力值時(shí)，優(yōu)先電制動(dòng)，不足部分由氣制動(dòng)補(bǔ)足，以滿足列車的制動(dòng)需求。

此外，列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)還對(duì)列車車門狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視，并在列車顯示屏上進(jìn)行顯示。列車開關(guān)門模式選擇“網(wǎng)絡(luò)”模式時(shí)，開門指令將發(fā)送至相應(yīng)車門進(jìn)行開關(guān)門功能控制。列車還通過顯示器對(duì)空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行控制，完成空調(diào)開關(guān)、溫度、風(fēng)速及模式等的設(shè)置。

4.2 監(jiān)視及安全防護(hù)

智軌電車列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)通過列車網(wǎng)絡(luò)匯集來自于各個(gè)子系統(tǒng)的信息，包括子系統(tǒng)的運(yùn)行狀況及故障狀況等信息。這些信息經(jīng)列車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)篩選過濾后被送至列車車載顯示屏上按系統(tǒng)進(jìn)行顯示及提示。當(dāng)子系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生變化，顯示器上可實(shí)時(shí)顯示列車信息，實(shí)現(xiàn)列車的監(jiān)控功能。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)接收到子系統(tǒng)狀態(tài)異常信息時(shí)，可根據(jù)當(dāng)前運(yùn)行狀況采取適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)措施，以減少可能產(chǎn)生的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。下面以輔助駕駛系統(tǒng)故障狀態(tài)為例介紹控制系統(tǒng)的安全防護(hù)功能。

車輛輔助駕駛系統(tǒng)根據(jù)感知結(jié)果控制車輛的橫向運(yùn)動(dòng)路線。當(dāng)感知部件失效或感知結(jié)果不可信時(shí)，系統(tǒng)將相應(yīng)狀態(tài)信息傳送給車輛網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。車輛網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)接收到相應(yīng)狀態(tài)信息后即傳送給HMI系統(tǒng)，由其提示駕駛員及時(shí)進(jìn)行相應(yīng)操作；同時(shí)控制系統(tǒng)控制車輛并執(zhí)行牽引封鎖動(dòng)作，以降低事故風(fēng)險(xiǎn)。如在規(guī)定時(shí)間內(nèi)駕駛員未能進(jìn)行有效介入，則進(jìn)一步觸發(fā)安全動(dòng)作，使列車按照相應(yīng)減速度停車。

車輛網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)除對(duì)輔助駕駛系統(tǒng)執(zhí)行工作狀態(tài)監(jiān)控并進(jìn)行安全動(dòng)作保護(hù)外，還對(duì)輔助電源、無軌導(dǎo)向及車門等執(zhí)行相應(yīng)監(jiān)控并進(jìn)行安全動(dòng)作保護(hù)。

4.3 列車信息服務(wù)

智軌電車列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)為車輛信息服務(wù)提供可靠的傳輸通道。下面以列車環(huán)視功能為例，介紹其相應(yīng)的服務(wù)功能。

列車使用車身周圍廣角攝像頭對(duì)車周信息進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并將所采集的同一時(shí)刻多路視頻影像處理成一幅車身俯視圖后在列車顯示屏上進(jìn)行展示，以便駕駛員查看車輛周邊環(huán)境。圖4示出列車環(huán)視原理，列車網(wǎng)絡(luò)為攝像頭到視頻融合處理器、視頻融合處理器到列車顯示器的視頻傳輸提供通道。列車環(huán)視對(duì)視頻數(shù)據(jù)的同步要求較高，因此列車網(wǎng)絡(luò)所提供的傳輸通道需滿足低時(shí)延、高速率要求。

圖4 列車環(huán)視原理Fig. 4 Principle of the bird’s eye view system

除列車環(huán)視功能外，列車網(wǎng)絡(luò)還為車載信息服務(wù)系統(tǒng)、車載閉路電視系統(tǒng)及車載攝像頭等提供傳輸通道。得益于以太網(wǎng)的低時(shí)延、高速率等優(yōu)勢(shì)，車輛信息服務(wù)系統(tǒng)可以傳輸大量信息內(nèi)容，為列車信息化提供有力保障。

4.4 多網(wǎng)融合條件下冗余信息處理與響應(yīng)

智軌電車具有雙環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)（圖2），其中環(huán)網(wǎng)1為列車控制網(wǎng)，環(huán)網(wǎng)2為信息服務(wù)網(wǎng)。正常情況下，環(huán)網(wǎng)2內(nèi)為信息服務(wù)數(shù)據(jù)，同時(shí)也包含部分需要冗余的控制數(shù)據(jù)，通過多網(wǎng)融合技術(shù)實(shí)現(xiàn)控制數(shù)據(jù)域信息服務(wù)數(shù)據(jù)的融合，并根據(jù)環(huán)網(wǎng)1數(shù)據(jù)包與網(wǎng)絡(luò)實(shí)際情況完成數(shù)據(jù)的熱備冗余。

冗余信息的處理，可使列車在系統(tǒng)部分失效時(shí)其功能仍能保持正常或受影響較小。這一冗余實(shí)現(xiàn)了在列車骨干線束斷開、部分?jǐn)?shù)據(jù)失效情況下系統(tǒng)功能的短時(shí)自恢復(fù)，對(duì)車輛運(yùn)行影響較小。

關(guān)鍵部件的雙網(wǎng)口接入，實(shí)現(xiàn)了子系統(tǒng)在節(jié)點(diǎn)失效、IO失效、主控單元失效或事件記錄單元失效時(shí)的熱切換，從而不影響列車正常的運(yùn)行功能。例如，輔助駕駛系統(tǒng)雙網(wǎng)口接入，即便某個(gè)網(wǎng)口失效，仍能通過冗余網(wǎng)絡(luò)接口接收到列車主控的數(shù)據(jù)，從而保證自身系統(tǒng)功能正常。2個(gè)列車網(wǎng)絡(luò)CCU單元間通過列車網(wǎng)絡(luò)交互信息，正常時(shí)默認(rèn)單個(gè)CCU單元完成車輛控制功能，另一CCU單元保持熱備狀態(tài)；當(dāng)作為主控的CCU單元發(fā)生故障時(shí)，另一CCU單元通過交互信息檢測(cè)進(jìn)行判斷和熱備切換。

5 結(jié)語

目前，由TCMS系統(tǒng)與信息服務(wù)系統(tǒng)融合而構(gòu)成的列車控制與服務(wù)網(wǎng)絡(luò)（train control and service network,TCSN）系統(tǒng)被安裝在智機(jī)電車上并已安全運(yùn)營20萬km以上里程。在運(yùn)營過程中，TCSN系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，列車以太網(wǎng)控制性能與穩(wěn)定性優(yōu)良，信息服務(wù)網(wǎng)絡(luò)能保障服務(wù)數(shù)據(jù)的正常傳輸。TCSN系統(tǒng)在為智軌電車提供性能良好的網(wǎng)絡(luò)控制服務(wù)及足夠帶寬的同時(shí)，還減少了電車的布線量，節(jié)約了一定的成本。未來,TCSN系統(tǒng)還將進(jìn)一步提供信息化通道,為更加人性化的乘客信息服務(wù)提供載體。

智軌電車運(yùn)行環(huán)境更接近于公路交通環(huán)境，采用雙環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)的TCSN系統(tǒng)將在智軌電車二代平臺(tái)上提供具有冗余且更加可靠的控制服務(wù)網(wǎng)絡(luò)以及與之隔離的信息服務(wù)網(wǎng)絡(luò)，為車輛的穩(wěn)定可靠運(yùn)行及更加豐富的信息服務(wù)內(nèi)容提供可靠的通道。

車輛的控制與服務(wù)網(wǎng)絡(luò)融合已成為未來發(fā)展趨勢(shì)，車載TCSN系統(tǒng)不僅可以滿足車輛內(nèi)部局域網(wǎng)的控制與信息服務(wù)功能，還為車輛間大量數(shù)據(jù)的傳輸保留了接口。隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展（如5G技術(shù)的出現(xiàn)）[8]，TCSN系統(tǒng)將在列車邊緣計(jì)算及云端實(shí)時(shí)連接與數(shù)據(jù)提供方面提供相應(yīng)服務(wù)，結(jié)合高精度位置信息的利用，可為車輛自動(dòng)駕駛、編隊(duì)行駛等方面提供服務(wù)。