于人生 石 勇 白 龍

(中車大連電力牽引研發(fā)中心有限公司，116052，大連∥第一作者，高級工程師)

新能源懸掛式單軌列車(以下簡稱為“單軌列車”)是一種以電池動力包為動力源的空中懸掛式軌道列車系統(tǒng)，是一款我國擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的新型軌道交通車輛。為適應(yīng)這種新型軌道交通車輛的特點，對其列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)進行了針對性設(shè)計，并通過在樣車上的裝載、調(diào)試和應(yīng)用，驗證了該設(shè)計的實際效果，積累了操作經(jīng)驗，同時也為后續(xù)進一步的設(shè)計優(yōu)化提供了借鑒。

1 新能源懸掛式單軌列車

單軌列車又稱為空軌列車，具有造價低、占地少、對城市景觀影響小等特點[1]。一般研究資料認為，1901年德國伍珀塔爾市的非對稱懸掛車是最早的單軌列車。我國首列懸掛式單軌列車，即“熊貓列車”，在中車浦鎮(zhèn)公司下線，標志了我國成為第3個掌握該種技術(shù)的國家。目前，國內(nèi)眾多機構(gòu)正在進行單軌列車的設(shè)計、制造與研究。與此同時，眾多城市如貴州雷山、四川大邑和湖北恩施等，也在積極論證和籌備建設(shè)這種交通方式的示范線路。

新能源單軌列車可視為繼“熊貓列車”之后的第二代產(chǎn)品。相比于第一代，其車體全透明，整車在減重、降噪、牽引制動性能等方面均有提升。新能源單軌列車照片如圖1所示。

圖1 新能源單軌列車照片F(xiàn)ig.1 Photo of new energy monorail train

2 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的設(shè)計要點

2.1 硬件設(shè)備

2.1.1 安裝空間和環(huán)境

一般軌道交通列車的機電系統(tǒng)設(shè)備的安裝空間相對充裕，而單軌列車的TCMS(列車控制與管理系統(tǒng))設(shè)備除顯示屏外均安裝于車頂控制電器箱中，與其他系統(tǒng)設(shè)備如牽引、制動及輔助供電等共用車頂空間，這就要求各種設(shè)備的體積要盡量小，因此更小的系統(tǒng)設(shè)備體積，其結(jié)構(gòu)更優(yōu)。

TCMS設(shè)備所在的控制電氣箱暴露在室外，溫度、濕度和沙塵條件相對惡劣。一般對車載電氣設(shè)備的環(huán)境要求按照GB/T 25119—2010《軌道交通 機車車輛電子裝置》標準進行設(shè)計，但其中對沙塵防護沒有明確要求；鹽霧試驗也是型式試驗中的可選項目。設(shè)計時若能同時考慮以上兩個因素，TCMS設(shè)備則更有優(yōu)勢。

2.1.2 集成化和低功耗

出于對布線和布局方面的考慮，整車對電氣信號進行就近采集，使得其他系統(tǒng)的傳感器和子網(wǎng)的通信接口需要通過TCMS進行數(shù)據(jù)采集和接口轉(zhuǎn)換。這就要求TCMS具備更多的電氣信號輸入輸出通道和更多制式的通信接口，因此TCMS設(shè)備集成化程度更高的設(shè)備更優(yōu)。

新能源單軌列車采用動力電池供電，為了提高續(xù)航里程，列車各系統(tǒng)的輕量化和低功耗設(shè)計尤為重要。雖然，TCMS各設(shè)備的功耗和體量設(shè)計在整車設(shè)計中所占比例較低，但降耗和減重設(shè)計顯然更符合整車的設(shè)計方向。

2.2 系統(tǒng)功能

2.2.1 能量管理

新能源單軌列車的動力電池性能是關(guān)系到列車可靠性和可用性的重要指標， TCMS對整車的能量管理是車輛設(shè)計的要點之一。能量管理主要從以下幾個方面考慮：

1) 動力電池組狀態(tài)和壽命監(jiān)控。TCMS能夠從電池管理系統(tǒng)中獲取電池的當前電量、損耗程度、充放電狀態(tài)和電池溫度等信息，利用TCMS的數(shù)據(jù)記錄功能，將這些信息進行長期匯總和統(tǒng)一分析。

2) 能量管理功能。TCMS對車輛能量管理的功能設(shè)計主要包括：根據(jù)動力電池容量對牽引系統(tǒng)進行限制，根據(jù)動力電池容量和健康狀態(tài)對輔助系統(tǒng)進行限制，根據(jù)輔助系統(tǒng)狀態(tài)對空調(diào)系統(tǒng)進行限制。

3) 能耗統(tǒng)計。新能源單軌列車對牽引系統(tǒng)能耗(牽引工況和制動工況)、輔助供電系統(tǒng)能耗和空調(diào)能耗的要求更高，其數(shù)據(jù)記錄和統(tǒng)計的需求更為多樣。電能消耗和動力電池容量變化的相關(guān)數(shù)據(jù)是支持電池組優(yōu)化的重要數(shù)據(jù)。

2.2.2 全自動駕駛

新能源單軌列車系統(tǒng)結(jié)合其自身特點，從信號系統(tǒng)的角度對CBTC(基于通信的列車自動控制)運控系統(tǒng)提出了新的思考，并且推薦采用DTO(有人值守的列車自動運行)運控系統(tǒng)[2]。除了基本的硬線指令，通過TCMS連接是另一種車輛與信號系統(tǒng)的接口方式，這就要求TCMS充分考慮到空鐵列車信號有司機自動化運行STO(半自動運行)模式的特點，以及DTO模式的設(shè)計需求。

2.2.3 顯示風格和交互安全

全景單軌列車采用無司機室的設(shè)計，使TCMS顯示屏“暴露”在乘客面前，因此要考慮界面與透明車體融合的美觀性，同時也要考慮無人值守或非激活側(cè)的人機交互安全性問題，既讓乘客等非專業(yè)人員感覺界面美觀，又不至于誤操作而發(fā)生交通意外。

3 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的實現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)設(shè)計

單軌列車的TCMS采用MVB(多功能車輛總線)網(wǎng)絡(luò)傳輸控制信號，整車一個網(wǎng)段的拓撲結(jié)構(gòu)省去了MVB網(wǎng)絡(luò)中繼器的配置。采用以太網(wǎng)構(gòu)成貫穿整車的維護網(wǎng)絡(luò)，用于更新軟件以及下載數(shù)據(jù)文件；采用定制化顯示屏用于同時接入TCMS和PIS(乘客信息系統(tǒng))以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，以實現(xiàn)顯示視頻監(jiān)控圖像的功能。采用RS485串行總線與信號系統(tǒng)進行通信。重要的牽引/制動指令采用硬線備份，在TCMS故障時滿足車輛基本的駕駛功能。新能源單軌列車的TCMS拓撲圖如圖2所示。

結(jié)合單軌列車TCMS的設(shè)計要點，新能源單軌列車的TCMS設(shè)計方案在以下幾個方面進行創(chuàng)新性設(shè)計，并成功應(yīng)用于樣車。

1) 小型化設(shè)備機箱。TCMS的中央控制機箱和遠程輸入輸出機箱均采用統(tǒng)一尺寸的小型化機箱，相比于同類機箱產(chǎn)品，其體積明顯有所減小。機箱尺寸對比如表1所示。

表1 機箱尺寸對比表Tab.1 Chassis size comparison

2) 多功能網(wǎng)關(guān)。RIOM(遠程輸入輸出模塊)機箱中的網(wǎng)關(guān)除了完成從IO(輸入輸出)板卡信號到MVB網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)換，還配置了USB(通用串行總線)接口用于維護，以及RS485串行總線接口和以太網(wǎng)用于與其他設(shè)備的連接，并完成到MVB的協(xié)議轉(zhuǎn)換。

圖2 新能源單軌列車的TCMS拓撲圖Fig.2 Topology of new energy monorail train TCMS

3) 雙以太網(wǎng)卡顯示屏。顯示屏采用雙以太網(wǎng)卡設(shè)計，可以分別接入不同段的以太網(wǎng)，優(yōu)化了顯示屏的操作系統(tǒng)軟件，以實現(xiàn)針對系統(tǒng)開銷動態(tài)分配運算能力。

3.2 主要功能的實現(xiàn)

新能源單軌列車的TCMS基于城市軌道交通(以下簡稱“城軌”)車輛平臺，其總體的監(jiān)控功能與其他城軌車輛類似，在控制功能的實現(xiàn)方面，需要特別介紹以下幾個方面。

3.2.1 制動力管理

新能源單軌列車的制動系統(tǒng)采用液壓制動方式為車輛提供摩擦制動力，整車制動力由TCMS計算，并面向各個轉(zhuǎn)向架的制動系統(tǒng)進行統(tǒng)一分配。TCMS制動力管理包括兩部分：制動力計算，包括整車制動力和各車制動力需求的計算；根據(jù)制動過程的不同階段分別實施制動力分配策略。面向制動過程的制動力管理策略如表2所示。

所提制動力管理方法的特點有：①按照整車計算制動力需求，而不是按照各車或各動力單元計算，以避免出現(xiàn)單節(jié)車或動力單元實際制動力不足而造成整車制動力不足的情況；②相比于由制動系統(tǒng)進行計算和分配的方式，TCMS統(tǒng)一管理減少了數(shù)據(jù)傳輸導致的延時或牽引系統(tǒng)和制動系統(tǒng)實際制動力疊加的情況；③對制動期間的不同階段針對性地制定控制策略，并在控制策略中考慮建立電制動力和液壓制動力所需的時間，有利于電液切換過程的平滑過渡；④將牽引系統(tǒng)和制動系統(tǒng)作為執(zhí)行機構(gòu)，在調(diào)試期間僅通過修改TCMS中的參數(shù)即可實現(xiàn)管理策略的修改，進而提升列車的調(diào)試效率。

表2 面向制動過程的制動力管理策略

3.2.2 面向自動駕駛的軟件

新能源單軌列車與信號系統(tǒng)的接口和功能設(shè)計主要考慮實現(xiàn)STO模式，同時也考慮了預留DTO模式，其最主要的特征是TCMS改變了模式和工況管理在軟件結(jié)構(gòu)中的處理方式。

TCMS軟件設(shè)計常用的是面向功能的程序設(shè)計思想，用一個軟件邏輯模塊實現(xiàn)一個控制功能，在邏輯內(nèi)部分情況討論各工況下的處理方法，如圖3 a)所示。而新能源單軌列車的TCMS采用的是面向工況的設(shè)計，先是根據(jù)不同條件判斷當前工況，進而逐個完成在該工況下應(yīng)采取的控制功能。若在不同工況下對某種功能采用同樣的處理方法，就可以調(diào)用同一個邏輯處理模塊，如圖3 b)所示。

基于上述設(shè)計思想，TCMS首先預處理列車信號指令，識別出列車當前處于的工況或模式，然后選擇信任的信號源(列車、信號系統(tǒng)或計算邏輯)，最終在各子系統(tǒng)中根據(jù)預處理指令進行邏輯運算，并將所獲得的結(jié)果通過總線通訊分發(fā)至各設(shè)備。新能源單軌列車的TCMS控制軟件框架如圖3 c)所示。

圖3 TCMS軟件示意圖Fig.3 Diagram of TCMS software

3.2.3 顯示屏功能

1) 視頻監(jiān)視和廣播控制。新能源單軌列車取消了乘客信息系統(tǒng)的監(jiān)控屏，其部分功能融合到TCMS顯示屏中實現(xiàn)，包括客室/車外攝像機的實時監(jiān)控圖像顯示，以及異常狀態(tài)與監(jiān)控攝像頭的聯(lián)動和記錄。

2) 自動鎖屏和動態(tài)屏保。在非激活端或在無人值守自動駕駛模式下，TCMS顯示屏將自動進行鎖屏。在鎖屏狀態(tài)下，屏幕顯示時間、站點和列車速度等信息，屏幕背景為定時切換的圖片，且該圖片可由用戶靈活定制。

4 優(yōu)化方向

1) 車載子系統(tǒng)融合。新能源單軌列車雖然已經(jīng)對顯示屏進行了功能上的整合，但其系統(tǒng)層面仍保持子系統(tǒng)的獨立性。若能融合各子系統(tǒng)(如TCMS與PIS)將明顯減少設(shè)備及其布線。

2) 無線通信網(wǎng)絡(luò)。車地無線通信網(wǎng)絡(luò)可將所記錄的數(shù)據(jù)自動上傳，避免了由單軌列車車庫的條件限制所帶來的數(shù)據(jù)下載不便，同時也能夠?qū)崿F(xiàn)TCMS以及其他系統(tǒng)的無線調(diào)試和維護。

3) 無人駕駛。新能源單軌列車的TCMS還需要進一步加強其安全性和可靠性設(shè)計，系統(tǒng)的接口和功能還需進一步結(jié)合無人駕駛的應(yīng)用場景進行補充和完善。

4) 動力電池性能分析和管理。新能源單軌列車的動力電池技術(shù)是其核心技術(shù)之一。TCMS利用大容量數(shù)據(jù)存儲能力，結(jié)合數(shù)據(jù)自動傳輸網(wǎng)絡(luò)形成大數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)。通過數(shù)據(jù)分析技術(shù)，研究不同動力電池電量條件下的運營規(guī)則，合理規(guī)劃充電時間，進而使運營效率最大化。

5 結(jié)語

本文介紹了新能源單軌列車的設(shè)計要點、實現(xiàn)方案和未來的研究方向。實際上，這些設(shè)計要點也是近年來城軌車輛TCMS的研究熱點，如以太網(wǎng)列車網(wǎng)絡(luò)、車地無線系統(tǒng)及大數(shù)據(jù)、全自動無人駕駛等，而更優(yōu)化的電池管理、更美化的人機交互則是其相對獨特的設(shè)計需求。總之，新技術(shù)和新設(shè)計在新能源全景單軌列車上的成功應(yīng)用得益于我國城軌車輛研發(fā)水平的不斷提高，也是行業(yè)勇于創(chuàng)新的一種體現(xiàn)。