动车组网络控制系统及技术分析

动车组网络控制系统及技术分析

刘川

中车唐山机车车辆有限公司河北唐山063035

摘要：动车组的网络控制系统相当于人的大脑和神经，它在保证列车的行车安全、可靠性、舒适性方面具有至关重要的作用。为了给相关产品的网络控制系统设计提供借鉴，通过梳理中车已有典型动车组产品的网络控制系统，提取共性特征，总结归纳了动车组网络控制系统的组成、系统功能、拓扑功能、主要参数等内容。同时，乘客需求的提升以及轨道交通装备技术的不断升级，对动车组在速度、舒适性、智能化等方面提出了更高要求，为了明确动车组列车网络控制系统的发展方向，通过查询专利文献等途径，得出动车组网络控制系统新技术研究多集中在多网融合、列车冗余优化设计、列车自动驾驶、无线通信等方向，可以为轨道交通技术特别是网络控制系统技术的相关研究提供参考。

关键词：动车组；网络控制系统；多网融合；轨道交通技术

引言

动车组的控制、监测与诊断系统（简称ＴＣＭＳ）是车载分布式的计算机网络系统，承担动车组牵引及制动控制等指令的传输，同时对列车上的主要设备进行状态监测，并具有故障诊断及故障记录功能。信息通过车载网络进行传输，从而减轻了列车重量并提高了系统可靠性。该系统能够给司乘人员提供操作指导，并给维修人员提供技术支持。本文总结中车已有典型动车组产品的网络控制系统技术，提取共性要素，对动车组的网络控制系统进行简单介绍。

1动车组网络控制系统组成

网络控制系统组成主要有：主处理单元／网关单元（ＣＣＵ／ＧＷ）、主控／网关／事件记录仪单元（ＣＣＵ／ＧＷ／ＥＲＭ）、远程输入输出单元（ＲＩＯＭ）、二层网管型以太网交换机（ＣＳ）、三层网管型交换机（ＥＴＢ）、人机交互单元（ＨＭＩ）、接口网关单元（ＥＣＮ／ＭＶＢ／Ｌｏｎｗｏｒｋｓ）。

1.1主处理单元

主处理单元主要负责列车控制、监视和故障诊断的功能。所有列车网络控制系统的子系统都通过车辆总线与主处理单元进行通信，交换数据。主处理单元根据所连接车辆总线的不同分为牵引主处理单元和舒适主处理单元，其中牵引主处理单元（ＭＰＵ－ＬＴ）连接到ＭＶＢ信号线和ＭＶＢ牵引线，用于牵引、辅助和制动等列车运行相关系统的控制、监视和故障诊断，而舒适主处理单元（ＭＰＵ－ＬＣ）连接到ＭＶＢ信号线、ＭＶＢ舒适线和ＣＡＮ总线上，用于空调、厕所、塞拉门等其他辅助系统的控制、监视和故障诊断。

1.2ＴＣＮ网关

ＴＣＮ网关具有ＷＴＢ接口和ＭＶＢ－ＥＭＤ接口，它负责列车总线ＷＴＢ和车辆总线ＭＶＢ两个总线之间的信息转换和路由任务，并保证列车级总线和车辆级总线网络通信的实时性、可靠性，以及确保列车级总线和车辆级总线网络数据分配的合理性。

1.3远程输入输出模块

远程输入输出模块负责完成列车各种数字量、模拟量信号的采集和控制信号的输出，并将这些变量根据通讯协议与主处理单元进行信息交互。功能模块的组成可以根据实际需要进行配置，从而满足车辆整体设计要求。

1.4监视器（显示屏）

监视器（显示屏）具有ＭＶＢ－ＥＭＤ接口，内嵌ＷｉｎｄｏｗｓＸＰＥｍｂｅｄｄｅｄ操作系统，可对连接到ＭＶＢ车辆总线上的子系统状态、列车的基本运行数据、状态信息和故障诊断信息进行监视、存储，同时也可根据实际情况通过显示屏切除系统中的故障设备。

1.5高压控制单元

高压控制单元ＣＬＴ用于对高压电路的管理，主要负责高压开关管理、能量管理、高压保护、电流不平衡保护、谐波电流检测等功能。

2动车组网络控制系统功能

网络控制系统是列车的神经系统和指挥中枢，它实现各子系统信息传输共享，协调控制单元与各子系统的控制、监视与诊断任务，汇总各子系统工作状态和故障诊断信息，提供信息显示和人机交互接口，完成列车重联与解编、实现整车级的控制、故障诊断、状态监视等功能。

2.1通信功能

动车组网络采用符合ＩＥＣ６１３７５标准的列车通讯网络，采用列车总线和车辆总线两级总线。列车总线为ＷＴＢ总线，用于传输各牵引单元间的信息。车辆总线为ＭＶＢ总线和ＣＡＮ总线，用于连接一个牵引单元内的设备，实现设备的控制、监视和故障诊断功能。该系统能够实现网络通信协议，为网络上的车载设备提供实时、确定的信息交互通道，保证网络上设备通信正常。

2.2控制功能

基于网络通信功能，完成对包括牵引系统、辅助系统、制动系统、空调系统等在内的列车控制。网络控制系统具备对牵引系统的控制功能与接口，能够传输牵引系统控制指令，并监视牵引系统工作状态，能够实现对牵引设备的隔离和恢复。网络控制系统能传输制动指令，并监视制动系统工作状态，可为制动系统提供与列车运行控制系统车载设备的制动指令接口。

网络控制系统具备与辅助变流器、充电机、蓄电池、负载设备（包括空气压缩机、牵引变流器冷却系统、牵引变压器冷却系统、空调等）的电气或通讯接口，对相应设备进行控制。网络控制系统能根据地面过分相信号（列车运行控制系统或过分相装置提供）实施自动过分相控制。网络控制系统具备恒速运行控制功能，司机可通过人机界面或恒速手柄等方式激活恒速运行模式。

2.3故障诊断功能

动车组列车网络控制系统具有完善的系统诊断功能，便于对车辆进行维修及保养；对重要的子系统及设备进行状态监视和诊断，指导维护人员快速排除故障；具有本地故障数据的记录存储功能并且提供便携式设备传输接口和无线信息传输接口，可用便携式设备采集数据和分析，也可根据需要将诊断设备记录的数据以无线方式传送至地面维护基地。

2.4人机交互功能

通过司机室和机械师室显示屏，司机和机械师可实时在线观测列车运行状态，司机、机械师和维修人员可观察列车各子系统当前的故障代码和故障发生的时间，能识别故障发生车辆，提供故障描述并可通过显示器控制相关系统的操作。

3网络控制系统的发展方向

目前我国对列车网络控制系统的研究还在不断进行中，在列车控制技术领域涉及到的技术主要有故障诊断系统、网络控制系统、显示系统、通信系统、报警系统及视频监控系统等。

3.1多网融合技术

多网融合技术可以实现各总线之间的互相通信功能，使多网能兼容使用，可靠性及稳定性高。网络架构中以太网与ＭＶＢ、ＣＡＮ、ＴＣＮ网关等多网融合通信是网络控制技术领域研发的重点。

3.2车辆冗余优化设计

当前列车网络控制系统在硬件设备、功能及通信上均存在冗余，导致建设与运营维护成本高、维护难度大等问题。对车辆冗余进行优化设计可以降低设备安装、维护成本，提高系统可靠性，能够使列车网络更加经济、高效地运行，有效节约成本，减少不必要的浪费和冗余。

3.3列车自动驾驶技术

目前列车网络控制系统主要采用超速防护功能，列车自动驾驶技术还不成熟。列车自动驾驶技术可以提高运营效率、保证乘坐舒适，替代司机驾驶等，因此近五年各国都在大力研发列车自动驾驶技术。

结语

动车组网络控制系统较为复杂，系统涉及方面较多，是列车技术中的研发热点和重点之一。通过对中车已有典型动车组产品的网络控制系统进行分析总结，提取了动车组网络控制系统的共性，并对其进行了简单介绍。同时，分析了动车组网络控制系统发展的方向，在多网融合技术、车辆冗余优化设计、列车自动驾驶技术、无线通信新技术等方面进行研究，有助于提升当前网络控制系统的综合性能，并可为其设计提供一定指导。

参考文献：

[1]沙淼，王伟，徐建波．ＣＲＨ５型和ＣＲＨ３型动车组列车网络控制系统的比较［Ｊ］．铁道车辆，2012，50（1）

[2]崔玉龙，田鹏，张永明．某型城际动车组列车网络控制系统［Ｊ］．电力机车与城轨车辆，2017，40（2）

[3]李方方，赵娟，冯伟．高速动车组网络控制系统探究［Ｊ］．现代制造技术与装备，2013（2）