翟國銳,徐燕芬,代軍峰, 孟祥振
(1.中車長春軌道客車股份有限公司,吉林 長春 130062;2.中車青島四方車輛研究所有限公司,山東 青島 266031;3.北京市軌道交通建設管理有限公司, 北京 100000)
隨著經濟和社會發(fā)展,軌道交通裝備朝著智能化、集約化方向邁進,城軌車輛近年逐漸采用全自動無人駕駛模式控車[1-2],同時以太網在提升列車維護效率、降低維護成本、列車智能化方面逐漸展現(xiàn)出獨特優(yōu)勢,列車網絡控制系統(tǒng)(TCMS)采用工業(yè)以太網成為趨勢。全自動無人駕駛城軌車輛TCMS設計需要滿足全自動無人駕駛項目對TCMS可靠性、可用性和安全性的要求,同時滿足車輛維護、智能化需求的數據落地要求。
全自動無人駕駛城軌車輛TCMS網絡按照IEC 61375-2-3:2015《鐵路電子設備 列車通信網絡(TCN) 第2-3部分:TCN通信簡介》、IEC 61375-3-4:2014《鐵路電子設備 列車通信網絡(TCN) 第3-4部分:以太網組成網絡(ECN)》規(guī)定的列車通信網絡組建,以北京地鐵17號線地鐵列車為例,其網絡拓撲結構見圖1。
如圖1所示,北京地鐵17號線地鐵列車由8輛車組成,同時布置以太網和MVB網絡。以太網布置1套完全冗余且相互獨立的A、B網絡,一個網絡故障后不會影響另外一個網絡。入網設備通過冗余端口或者冗余設備同時接入以太網的A、B網絡和MVB網絡。北京地鐵17號線各列車設備配置見表1。
ESW.以太網交換機;REP.中繼器;HMI.人機接口單元;CCU.中央控制單元;RIOM.遠程輸入輸出模塊;ERM.數據記錄單元;PIS.旅客信息系統(tǒng);CZT.車載廣播臺;EDCU.車門控制單元;PA.廣播系統(tǒng);FAS.煙火報警系統(tǒng);TDS.走行部檢測系統(tǒng);HVAC.空調系統(tǒng);BMS.蓄電池管理系統(tǒng);TIDS.障礙物檢測系統(tǒng);ATC.信號;BCU/G、BCU/R.制動控制單元G閥、R閥;DCU/A.輔助控制單元;COMS.弓網監(jiān)測系統(tǒng);CCU-D、DCU/M.牽引控制單元;TGMS.軌道檢測系統(tǒng);LTE.長期演進;SGW.安全網關。
表1 北京地鐵17號線各列車設備配置 臺
根據表1可知,每輛車裝配2個百兆級全雙工的ESW,數據通信速率為100 Mbps,端口數量為16口或24口。每輛車均有REP,REP能夠實現(xiàn)MVB信號的再生和放大功能,延長MVB信號的傳輸距離。HMI分別位于2個Tc車,主要負責顯示設備狀態(tài)、指導司機操作、輸入人工干預指令以及向維修人員提供支持[3]。CCU分別位于2個Tc車,運行中互為熱備,正常情況下,主CCU負責對本單元車輛的控制、對車輛設備的監(jiān)視和診斷[4]。每輛車均有RIOM模塊,通過以太網接口和IO接口分別與車輛網絡和硬線相連,實現(xiàn)對110 V控制電路的主要信號、司機控制器模擬信號或數字信號、方向手柄等信號進行采集和控制。Tc1和Tc2車各有2個RIOM,用于重要信號的冗余采集。ERM位于Tc車,用于對列車主要設備的運行狀態(tài)和故障進行自動信息采集、記錄,并可通過便攜式測試單元(PTU)將數據讀出和顯示,同時可以將診斷數據發(fā)送至地面服務器。SGW位于Tc車,ERM通過SGW連接到LTE傳輸模塊,診斷數據經過SGW發(fā)送至地面服務器,防護列車控制網絡免受外部網絡的非法訪問和攻擊。
全自動無人駕駛車輛要求TCMS具有高可靠性,針對此項要求,研制并采用了雙線性雙歸屬網絡拓撲。TCMS網絡由相互獨立的工業(yè)以太網A、B網絡組成,入網設備同時接入相互獨立的A、B網絡,任何一條網絡故障時,系統(tǒng)功能不降級,可提高以太網的可靠性。同時,車輛布置有MVB網絡,在以太網A、B網絡同時故障工況下,采用MVB網絡控車,可進一步保證系統(tǒng)可靠性,滿足全自動無人駕駛對TCMS網絡拓撲的要求。
交換機支持軟硬件旁路功能,交換機斷電或發(fā)生軟件故障時不會影響列車級網絡通信。
TCMS中的重要設備如REP、HMI、CCU等均在網絡上按照冗余方式部署,當單個設備故障時,冗余設備會自動切換為主設備,保證車輛的正常運行。
一些列車控制的關鍵I/O信號,例如司控器參考電壓和實際輸出電壓信號等,均由Tc車2個相互冗余的RIOM同時進行采集,見圖2。
為提高列車運行的安全性和可靠性,MVB總線采用符合IEC 61375系列標準的MVB-EMD電纜,該電纜具有冗余結構,即存在線路A、線路B兩路通道(圖3),入網設備通過連接器X1和X2接入MVB網絡,對關鍵區(qū)域提供部分冗余,即在MVB網絡中發(fā)生單點故障不會導致列車停止運行。
圖3 MVB通信接口冗余
全自動無人駕駛車輛TCMS主要部件及其功能如下:
(1) 交換機。交換機在網絡中用于構建列車級以太網和車輛級以太網,具備通用3層交換機的功能、軟硬件旁路功能,并有簡易便捷的WEB配置管理工具。
(2) CCU。CCU負責對車輛進行控制,對車輛設備進行監(jiān)視和故障診斷,同時具備數據記錄儀功能,可以記錄列車狀態(tài)數據、故障數據,作為列車維修人員進行故障查詢的依據。
(3) RIOM。RIOM負責采集列車數字量和模擬量信號,同時依據CCU指令進行輸出控制。
(4) HMI。HMI支持多路高清視頻播放,可提供司機模式、乘務員模式、檢修模式等顯示工作模式,可以通過顯示屏發(fā)布部分控制操作指令,同時對各子系統(tǒng)工作狀態(tài)、故障信息、操作及維修提示信息進行集中顯示。
(5) ERM。ERM主要功能是通過以太網接口和MVB接口與列車網絡相連,對列車數據重新整理、解析、存儲,實現(xiàn)用戶對列車進行實時監(jiān)視、診斷、檢修的功能。
(6) SGW。SGW作為列車網絡與地面網絡的安全防火墻設備,具有報文過濾、狀態(tài)檢測、防攻擊、報文加解密等安全策略,用于保護列車控制及監(jiān)控系統(tǒng)網絡免受外部網絡非法訪問和攻擊。
(7) REP。REP滿足IEC 61375系列標準,是冗余管理的MVB-EMD中繼器,為列車網絡監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性提供保障。REP可以通過數據幀識別數據傳輸方向,將數據幀從一個網段傳輸到另一個網段,并能偵測網絡上的信號沖突且進行相應的處理。REP能夠對MVB總線上傳輸的信號進行接收、放大和發(fā)送,用于增強通信質量,延長通信距離。每個REP包含2個相互冗余的REP模塊。
列車診斷系統(tǒng)是列車網絡控制系統(tǒng)的重要組成部分,當故障發(fā)生時,可以協(xié)助司機采取適當的操作,使檢修人員更容易地查找并解決故障。列車診斷系統(tǒng)硬件包括CCU、HMI、RIOM、ERM等。ERM接收各個子系統(tǒng)通過以太網傳輸的故障信息,按照故障分類進行存儲和報警提示。
在HMI上,不論是故障記錄還是故障顯示,每條純文本信息都配有故障代碼,根據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HMI的界面上。此外,司機可以從HMI上獲得其他所必須實施的操作的指導說明。
對于重大故障(1級故障和2級故障),HMI進行實時報警。警告標志和故障提示界面會自動出現(xiàn)在HMI上,其中1級故障排在前面,2級故障排在后面,這2類故障提示會一直在顯示屏上顯示,直到司機手動確認。故障被確認后將返回故障出現(xiàn)前的界面。3級故障不進行顯示報警,但是可以通過HMI查詢故障記錄。故障記錄總數為999條,司機可以隨時調取查看歷史故障記錄。
ERM主要是通過列車網絡對列車主要設備的運行數據、故障等重要數據進行記錄,2臺ERM同時工作,維護人員可以從任意一臺ERM下載數據記錄。
TCMS網絡為控車網絡,屬于封閉式網絡,網絡黑客很難進行攻擊,但將車輛數據傳到地面數據中心需要通過車地無線通道實現(xiàn)。車地無線通道屬于非安全網絡,為保證控制網絡安全,在車輛網絡和無線通道之間布置防火墻設備[5],隔絕車輛控制網絡和車地無線通信網絡,以保證控車網絡安全。
全自動無人駕駛城軌車輛對列車網絡控制系統(tǒng)有安全等級要求[6]。為此,研制了滿足SIL2等級的列車網絡控制系統(tǒng)NG2000網絡平臺。NG2000網絡平臺具備安全通信功能、安全采集功能、安全輸出功能、系統(tǒng)自檢功能和邏輯運算功能。當安全功能失效后,故障導向安全側,保證系統(tǒng)安全。
本文針對全自動無人駕駛城軌車輛對列車網絡控制系統(tǒng)安全性、可靠性和可用性要求,采用滿足SIL2安全等級的NG2000網絡平臺,可保證系統(tǒng)安全;網絡拓撲采用以太網+MVB網絡冗余拓撲結構,以太網和MVB網完全獨立,互不影響,任一模式均能夠滿足控車要求;以太網采用雙網雙歸屬拓撲結構,交換機之間采用鏈路聚合技術,實現(xiàn)了網絡拓撲冗余、帶寬翻倍和維護、控制數據的多網融合;入網設備通過雙網口接入以太網雙網,單一網口故障不會影響列車功能;配置安全網關,保證了車地通信的信息安全,滿足全自動無人駕駛城軌車輛對智能化、信息安全的要求。