100%低地板有轨电车车辆管理与监测系统研究

■ 陈美霞 汤恒舟 邵国栋

陈美霞：南车南京浦镇车辆有限公司，高级工程师，江苏 南京，210031

汤恒舟：南车南京浦镇车辆有限公司，教授级高级工程师，江苏 南京，210031

邵国栋：南车南京浦镇车辆有限公司，工程师，江苏 南京，210031

世界上第一辆有轨电车于1881年诞生于德国，我国于1899年引进有轨电车技术，先后在天津、上海、大连、北京、沈阳、哈尔滨、长春等城市建成有轨电车交通系统，但是由于现代城市公共交通的竞争，并且早期的城市有轨交通系统具有运能小、挤占道路资源和噪声大等问题，到20世纪50年代末国内外大城市纷纷拆除有轨交通系统；然而随着城市的发展扩大，城市公共交通面临长距离集中客流等新情况，使得包括地铁在内的公共交通系统不堪重负，正是在这种情况下，现代有轨电车系统尤其是低地板车辆以其环境污染小、节省能源、投资少及运量大等优势得到广泛关注。

1 现代低地板有轨电车分类

现代有轨电车系统最常见的是低地板车辆系统，因受传动系统和电气设备布置的限制，其又有50%～70%低地板、100%低地板和超低地板之分，直观的区别在于其地板面距轨面的高度，通常地板面高度处于350～450 mm称为部分低地板，200～350 mm称为100%低地板，200 mm以下的称为超低地板。

2 100%低地板有轨电车车辆管理与监测系统总体描述

100%低地板有轨电车车辆管理与监测系统是一个综合性的车辆控制、监控、诊断及显示系统，采用分布式和模块化设计。通过冗余的多功能车辆总线MVB和以太网进行数据传输，可以有效减少车辆硬连线的数量。车辆管理与监测系统（TCMS）的总线主要分为多功能车辆总线（MVB）和以太网总线。

2.1 多功能车辆总线（MVB）

MVB主要连接涉及车辆安全的重要车载设备，如牵引、制动设备和数据记录仪等，实现部分子系统与TCMS之间的数据传输，传输介质为双绞屏蔽线。MVB通过总线连接器或I/O接口与各子系统连接，传递控制数据、信息数据等，控制各子系统完成相应的功能。MVB的主要特征：采用标准为IEC 61375-1（列车通信网络标准）；传输距离为电气中距离传输（EMD），不设中继器可传输200 m（采用双绞屏蔽线）；传输速率为1.5 Mb/s。

2.2 以太网总线

以太网总线采用IP通信协议，具有完善的状态监控、故障诊断、信息显示和信息储存功能，完成对车辆运行状态及故障的分析判断。

TCMS以太网主要连接涉及车辆非安全的车载设备，如辅助供电、车门、空调和乘客信息系统设备，实现部分子系统与TCMS之间的数据传输，传输介质为超5类屏蔽双绞线。此外，TCMS以太网还用于对所有微机控制子系统存储信息的下载、调试和在线测试。在司机室的IP维护端口上可以对整车牵引系统设计进行维护，通过便携式测试单元PTU软件与一个外部PC机连接。

以太网总线的主要特征：采用标准为IEEE 802.3/802.3u；传输距离为100 m（采用超5类屏蔽双绞线）；传输速率为10 Mb/s 或100 Mb/s。

TCMS与乘客信息系统通过以太网接口相连，一方面TCMS将指令（如车辆速度、线路号等）发给乘客信息系统，另一方面乘客信息系统也将自身的状态及故障信息（如乘客紧急报警器激活状态、动态地图故障等）发送给TCMS。TCMS根据收集到的乘客信息系统监控信号，在司机显示单元（DDU）上显示乘客紧急制动状态、乘客紧急报警状态、CCTV监控录像的画面和后视系统的监控画面；乘客信息系统的工作状态也会在DDU上显示。TCMS系统拓扑图见图1。

图1 100%低地板有轨电车TCMS拓扑图

3 100%低地板有轨电车TCMS设备及其特性

3.1 TCMS设备

100%低地板有轨电车TCMS按照功能分为车辆管理系统和车辆监测系统2个子系统，主要有以下7种设备组成：中央控制单元（VCU）、司机显示单元（DDU）、远程输入输出模块（RIOM）、模拟输入输出单元、数据记录仪（EVR）、以太网交换机（SWITCH）。

3.2 TCMS特性

在项目设计时，首先考虑到100%低地板有轨电车相比A、B型地铁车辆车体较小，导致车辆内部对TCMS电气设备的安装空间做出诸多限制；其次TCMS主要参与车辆运行的管理与监控，因而其对有轨电车行驶的安全稳定性负有重大责任，为了更好地保障乘客安全，100%低地板有轨电车TCMS具有以下特性。

3.2.1 系统的高度冗余性

系统冗余性又细分为MVB冗余、DDU冗余、车辆控制冗余。

（1）MVB冗余。车辆通信网络的MVB采用两对双绞屏蔽线的冗余结构。这两对双绞屏蔽线分为A线和B线，正常情况下设备只接收其中一条线路上的信号，当此线路发生故障时，设备自动从另一条线路上接收数据。

当某个设备因断电等故障与MVB不能通信时，只要2个MVB连接器与设备上的相关接口仍可靠连接，则不会影响MVB上其他设备通信，仅故障设备的通信丢失。

（2）DDU冗余。DDU采用冗余配置，每个司机室配有2台独立的DDU。在任意一台DDU故障的情况下，DDU的基本功能可以在另一台DDU上完成，极大地保证车辆的可用性。

（3）车辆控制冗余。车辆控制由车辆通信网络和车辆硬线电路联合完成，既采用网络控制技术，又充分考虑车辆运行和安全的实际措施。

正常运行情况下，通过车辆通信网络执行车辆控制功能。除此之外，部分关键指令、信号传输或显示也可由车辆硬件电路进行冗余。车辆配备紧急牵引模式，通过硬线传输紧急牵引指令、牵引指令、制动指令和方向指令保证在VCU故障时车辆仍可安全驶回车辆段。

3.2.2 故障诊断模块的高集成度和易传输性

100%低地板有轨电车的车辆故障诊断功能由VCU集中完成，充分利用车内本已不大的空间。在每个VCU中安装专用的微处理器，用于故障数据处理。所有诊断信息及车辆故障信息将自动提供给整组车辆。在该系统中，对于每个连接到TCMS的子系统控制单元，对各子系统可诊断到最小可更换单元。VCU通过车辆总线管理系统接收从各子系统传来的故障信息、相关环境数据和相应的时间。在整车的子系统单个部件故障发生时，故障诊断系统能够参考整列车辆的故障情况及该子系统部件故障对整车运营的影响程度，对故障综合评估，给出合适的故障处理建议。一些关键性的车辆状态也作为故障进行储存（如紧急制动等）。此外，100%低地板有轨电车的事件及其环境变量还保存在数据记录仪内，大大方便后期维修和分析。VCU收集各子系统的状态数据和故障信息并进行分析，根据故障对车辆的运行性能、安全性能或子系统的影响，将故障划分为不同等级。

VCU在其存储器内记录故障评估结果和其他故障信息，按FIFO先进先出进行存储。TCMS将经过分级评估的故障信息发送到DDU屏上进行显示，便于司机及时掌握车辆运行状态和故障信息，并提供给司机相应的故障处理建议。同时，发出警报提醒司机注意。

在司机室设有以太网服务插口与便携式测试单元（PTU）进行通信，PTU通过MVB或以太网可访问车辆任何子控制系统的状态信息和故障信息，并实现相应的控制功能。尤为方便的是车辆可利用无线网，通过无线天线将车载数据传输至地面车辆段接收设备，使调度维护人员可快速下载车辆数据进行分析，这对于运营调度和车辆故障快速诊断及检修具有重大的意义。车辆故障数据车地无线传输方式见图2。

4 结束语

图2 车地故障数据无线传输示意

随着我国新型城镇化方案的推广及交通机动化的发展，汽车数量迅速增加，由此带来的交通拥堵和环境污染等问题不容忽视。从国内外大量的工程实践及科技发展趋势看，现代低地板有轨电车因其具有运量适中、噪声小、无污染和高度安全稳定性等优点，成为解决城市交通问题的有效途径之一。因此必须因地制宜地发展低地板有轨电车，作为低地板有轨电车“脊椎”的TCMS以总线布置为主，已为大多数业主用户所认可采用，而以太网因其具有高数据传输速率等优点，近年来逐步在低地板有轨电车上采用。中国南车集团南京浦镇车辆有限公司在城市轨道车辆方面具有深厚的技术研究和丰富的维护经验，公司智能产品研发部开发的TCMS已在深圳轨道交通4号线、格鲁吉亚EMU、突尼斯DMU、南京地铁1号线南延线等国内外多个项目上得到应用并获得用户的一致好评，因此其也将为我国新型低地板有轨电车研究和应用做出重大贡献，保障我国新型城镇化建设的稳步推进。

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