基于电力线列车网络的旅客列车安全监测系统试验研究

王旭如， 张瑞芳， 延九磊

(中国铁道科学研究院 机车车辆研究所， 北京 100081)



基于电力线列车网络的旅客列车安全监测系统试验研究

王旭如， 张瑞芳， 延九磊

(中国铁道科学研究院 机车车辆研究所， 北京 100081)

研究基于电力线列车网络的铁路旅客列车安全监测系统。采用Lonworks电力线列车网络，针对普通客车非固定编组的管理模式的需求，在带宽较窄的电力线通信网络上，设计了普通客车安全监测列车网络解决方案。介绍了系统各主要部分的结构原理及实现方法，在列车监测仿真试验室的列车监测仿真试验台上进行的运行考核试验表明，系统本身可以做到工作稳定可靠。系统还做了与列车轴温集中报警系统并行布线运行试验，目前发现有一些互相干扰问题，在实际装车运用时还需解决该问题。

列车网络； 电力线通信； 客车安全监测； Lonworks应用

铁路目前还在使用着数量庞大的普通客车。随着社会经济发展对铁路运输能力和质量的要求不断提高，用人力保证客车安全运行已不能满足要求。自动检测技术和计算机智能诊断技术的应用加速了各类客车安全监测设备的发展。近年来，新型客车普遍采用了车载自动监测系统保障列车的运行安全。

由于普通客车的技术条件的限制铁路科研单位近年来研制的提速客车安全监测诊断系统不适合对25G/K/B型在用普通旅客列车进行加装改造。而铁路客车中这类客车占有很大的比例。以制动系统监测为例，普通旅客列车采用传统的自动式空气制动机，停站多制动动作频繁。制动系统故障时有发生，且发生的随机性强，影响行车安全。特别是给列车运行安全带来严重威胁的抱闸行车故障，已被铁路列为客车重点惯性故障之一，迫切需要安装客车安全监测设备。研制开发适合普通旅客列车的安全监测系统。实现对普通旅客列车的运行安全进行全过程监测报警，对铁路普通客车的运行安全具有重要的意义。

在25G/K/B型普通客车上加装安全监测系统，首先需要解决的是在该型客车上建立可靠性高且成本相对较低的列车通信网络的问题。本文介绍了一种适合于普通旅客列车应用的电力线列车网络及基于该网络的旅客列车安全监测系统。

1 25G/K/B型客车列车通信网络问题

1.1 25型客车列车通信控制线缆现状

构建列车网络通信的传统方法是敷设专用通信电缆，但现车改造中重新敷设网线改造工程量大，费用高。利用列车既有线缆解决通信问题是较好的解决方案。

目前在用的25G/K/B型车上已有的贯通全列的电缆有3种：两芯广播线、15芯通信控制线、43芯空调集控线。两芯广播线是各型车的标准配置，15芯通信控制线配置在25K和25G的部分车型上，一般情况下安装四合一柜子的25G都配有15芯通信控制线。43芯空调集控线有些25G车没有配置。

车端部的15芯列车通信连接器芯线占用情况是，13、14号线为广播线，同时用于传轴温和广播音频。中心的15号线为75 Ω射频电缆用于传送电视信号。电气集中监控占用4根芯线。15芯通信控制线可供使用的空闲线目前最多只有8根线。大部分既有车这些线缆都敷设的是普通控制用电缆线。

目前对列车既有线缆的组抗特性、衰减特性、干扰特性进行全面的分析还比较困难，各种列车既有线缆的信道特性非常复杂。未设屏蔽层的线缆电磁干扰较多，电缆特性有一定的随机性和时变性，无法建立线缆特性的精确数学模型。

这里我们将列车广播线也作为一种具有电力线电缆特性的线缆，以列车广播线为例分析通信信道的特性。列车广播线上目前已承担了列车音频广播和轴温集报器载波通信两项任务。线上并联的负载有每车厢一台轴温报警器和多个音频扬声器。主要传输特性是：干扰噪声大、衰减大、时变性。

列车广播线的主要干扰噪声有3种： 轴温报警器电力线载波通信噪声、 由车内电气设备辐射产生的窄带噪声和广播音频信号噪声。

列车广播线对电力线通信信号衰减有影响的是线上并联的广播机、扬声器、轴温报警器。当电力线通信线路负载电阻很小时，发送耦合电路的内阻会消耗较多功率。

线路衰减也是需要考虑的，在电力线通信时，若耦合器的内阻很小，线路的衰减会成为主要因素。距离越长信号衰减越大。列车广播线上打开扬声器的数量的变化会引起负载的变化，导致信道特性有一定的时变性。

1.2 采用二进制相移键控调制解调技术的Lonworks电力线网络

Lonworks电力线网络系统适合用于解决25G/K/B型客车列车网络通信问题。Lonworks网络系统是一种对等式工业现场总线网络系统，广泛应用于工业控制领域。是标准TB/T 3035列车通信网络中推荐的L型网络， Lonworks电力线网络的PL3150智能电力线收发器。把神经元芯片的内核和电力线收发器集成在一起，内置基于DSP硬件的二进制移相键控(BPSK)电力线收发器，网络速率5.4 kb/s。

二进制相移键控调制解调技术BPSK具有较高的抗噪声性能。BPSK调制解调通信的处理过程为：数字信号对高频载波进行调制→频带信号→接收端解调恢复数字信号。BPSK信号的调制过程表达式:

s(t)是二进制差分脉冲序列。BPSK信号是差分码调相产生的。信号波形如图1所示。

图1 经过BPSK调制过程

BPSK信号的解调采用相位比较法，其解调框图见图2。

图2中①点的信号是e(t) =Acos(ωt+Φ(t)),乘②点的信号可得③点处信号为：

即：

图2 BPSK解调流程框图

④点处信号为对上式的低通滤波：

取样判决算法为：抽样值大于0判决为0，小于0判决为1。解调可得到网络数据的二进制码流。BPSK信号解调参考相位不会出现相位模糊的原因是信号与相对相位有关，与绝对相位无关。

1.3 列车通信系统解决方案

由以上的分析可知，BPSK技术不会出现相位模糊，有较强的抗干扰性能。目前的各种网络技术很多，其中Lonworks电力线载波通信网络采用了BPSK技术，用于25G/K/B型客车列车网络可以适应特性复杂的列车各种既有电缆线，能够利用现车既有的非专用通信线缆实现列车网络通信，包括各类电气控制线、双绞通信线、同轴电缆、广播线、空调集控线等。对25G/K/B型客车的现车改造提供极大的方便。

采用Lonworks电力线载波通信技术构建的列车网络拓扑结构为总线型，网络通信模式为对等式，适应非固定编组列车需求，列车编组辆数范围1～20辆编组。

Lonworks电力线列车总线无需配置终端电阻。每车厢配置两块电力线网卡时可实现双网冗余通信。网络的可传输距离10 km，网络传输波特率5.4 kb/s，网络协议为对等式，有自动组网功能。

2 基于电力线通信的客车安全监测系统

基于Lonworks电力线列车网络，我们设计了一种普通客车安全监测系统。它是一种分布式智能诊断系统，包括电力线列车网络和车厢监测报警主机(以下称车厢主机)。在设计中为了满足普通客车的需求，突出了结构简单、安装简便的特点。本监测系统在全列每个车厢安装一台车厢主机，全列的车厢主机通过电力线列车网实现互联并共享监测数据和诊断报警信息。车厢主机通过电力线列车网实现全列联网。可在任意车厢查看全列各车厢的监测数据。任一车厢发生报警时，全列所有车厢都同时显示报警信息。并可通过列车网络对各车厢的主机预置参数进行集中控制修改。

车厢主机整机采用模块化设计，各模块之间通过RS-485车厢总线通信，列车网络为对等模式，每一车厢主机都可接收全列车的监测信息。通过该系统可实现列车各车厢设备运行故障的实时在线诊断报警、列车运行过程工况参数的全程记录和下载。系统网络架构如图3所示。

在装有TCDS主机的车厢，车厢主机可通过RS-232串行接口与TCDS主机通信连接全路TCDS系统，将全列车的运行监测实时信息通过TCDS网络传输到TCDS地面专家系统，实现全路列车运行状态的集中实时在线监测。

图3 系统网络架构图

2.1 车厢主机硬件结构

客车安全监测系统车厢主机是集采集、诊断、报警、通信、显示、记录为一体的智能报警装置。整机采用模块化设计，车厢主机原理框图如图4所示。包括：列车网络通信模块(U1),显示记录模块(U2)，监测诊断模块(U3)3个模块，并留有无线监测终端接口、TCDS主机接口等扩展接口。各模块之间的通信采用RS-485总线通信。具有全列监测报警、过程数据显示记录、列车网络管理等功能。

图4 车厢主机原理框图

(1)监测诊断模块

目前本系统车厢级主要设计了车厢制动监测模块，制动监测诊断模块对本车制动机的在线监测诊断主要是依据制动机的工作状态特征和工作过程中的列车制动管、制动缸压力变化动态曲线特征进行故障识别判断。本系统监测的主要对象是目前铁路客车使用最广泛的104空气制动机，同时也能监测F8制动机。TB/T 1492-2002中规定的104空气制动机主要特性指标和104空气制动机的单车试验数据是诊断模型中确定故障判据的主要依据。

(2)列车网络通信模块

列车网络通信模块是一块独立的电力线网卡。主芯片为PL3150智能收发器，载波主频率为132 kHz，备用第2频率为115 kHz。通信方式为带有DSP增强接收器的双频BPSK，通信速率5.4 kb/s，工作温度范围 -40℃～+85℃。列车网络通信模块主要由电力线通信耦合器、PL3150智能收发器、SRAM、Flash、时钟、模块电源等电路组成。

因PL3150的0.5 KB EEPROM和2 KB RAM不能满足列车网络通信应用程序的需求，网卡电路在一般参考设计电路的基础上增加了24 KB的SRAM和32 KB Flash。为此，复位芯片采用Dallas DS1813-5产生大于10 ms的脉冲拉升电平满足扩展外部存储器时的使用要求。网卡晶振频率为10 MHz。

在通信模块设计中，列车网络电力线耦合电路的设计对网卡的通信性能影响较大，耦合电路是智能收发器和网络电缆线之间的高通滤波器。该电路在提供浪涌和线路瞬变保护的同时还可以阻止电力线常见的50/60 Hz的工频交流信号的干扰。列车网络电力线耦合器参照Lonworks厂家推荐的电力线耦合器参数定制，适合列车电力线网络应用条件。经过列车实车网络通信测试，效果良好。

系统可采用两块上述的电力线网卡，实现列车通信网双网冗余的通信方式，提高传输的可靠性，当一条网络出现故障时，能自动切换到另一网络工作。

(3)TCDS主机、无线监测终端接口

系统可通过全列任意车厢的车厢主机的RS-232串行接口与TCDS主机连接(如图 5 连接TCDS主机和无线监测终端所示)。车厢主机提供被动触发的通信接口协议，可自动识别、响应TCDS的接入。TCDS主机通过通信接口接受报文可获得全列各车厢实时工况参数、监测诊断报告，全列各车厢主机编组信息、主机配置信息。TCDS主机通过通信接口发送报文可向本车车厢主机提供列车速度，GPS时间等信息并由本车车厢主机向全列转发。

通过全列任意车厢的车厢主机还可以连接无线监测终端，车厢主机可自动识别无线监测终端的接入。在无法连接列车网线时，可通过无线监测终端实现对全列监测报警。TCDS主机和无线监测终端接口与车厢主机间采用统一的通信报文格式。

图5 连接TCDS主机和无线监测终端

(4)网络报文

Lonworks电力线网络的通信波特率5.4 kb/s，车厢RS-485总线的通信波特率11.52 kb/s，传输速率都很低，需要设计适合在低传输波特率上传输全列车的监测数据和网络管理信息的网络报文。在报文设计中主要采用了短报文的设计，减少单个报文的通信资源占用，非周期性的数据采用事件触发方式发送报文。报文设计采用按位占用的数据定义方式，避免了按字节占用的数据定义方式的位空置，提高了位资源的利用率。

车厢主机各模块之间的信息流如图 6所示。

图6 车厢主机系统信息流图

3 模拟通信网络试验

在客车安全监测系统样机研制完成后，我们首先在模拟的列车广播线网络上进行BPSK载波通信试验(图7)。在试验室搭建相当于20辆客车联网的列车网络。列车广播线上的负载有每辆车2个扬声器,一个轴温报警器，一个客车安全监测系统主机。

图7 模拟的列车广播线网络

在1号车注入频率为132 kHz 的BPSK波形信号，测量1号车、4号车、8号车、12号车、15号车、20号车电力线通信板卡入口信号BPSK信号在列车广播线上传输时会产生衰减。线路衰减、耦合衰减和介质反射衰减是3种主要的衰减。

线路衰减是电力线本身的直流电阻、辐射造成的载波信号衰减；耦合衰减是发射机与广播线的阻抗不匹配可造成发射信号衰减，接收机与电力线的阻抗不匹配也可造成信号衰减。介质反射衰减是因列车各车厢由于制造年代不同可能使用不同的电缆，电缆阻抗存在差异，信号在连接点发生反射造成信号衰减。

虽然各车厢广播线有可能有差异，但差异不大，介质反射衰减通常在列车上不会很大。可调整耦合器的内阻来与线路阻抗匹配，耦合衰减也是可以控制的。由于列车长度较长，线路衰减是列车广播线的主要衰减形式。因此我们重点做了列车广播线的线路衰减测试。

图8为列车广播线的等效分布参数模型,可据此分析列车广播线电缆的直流电阻造成的在传输过程中的信号衰减。

图8 列车广播线的等效分布参数模型

列车广播线可以等效为由电阻Rz、电容Cz、电感Lz和电导Gz组成的分布参数网络模型，根据模型可推导出传输线的传输常数y：

A为衰减系数;B相移系数;传输常数y是单位长度传输线上入射波和反射波的衰减及相位变化的参数。BPSK信号应随传输距离的增长衰减增大。

试验中我们采用频点电压比较法，使用信号发生器、示波器对BPSK信号的衰减进行测量。比较波形的变化得出信号在传输过程中的衰减量。

通过广播线传输后的BPSK信号逐渐衰减过程如图11所示，图9为1号车发送输出的波形，图10为20号车位置的波形。从图中看到BPSK信号衰减量，试验中广播线线路可以满足正常通信要求。但是本试验是试验室环境下进行的，在列车上的实际运行试验数据还有待进一步验证。

图9 1号车信号波形

图10 20号车信号波形

信号衰减/dB1号车04号车-2．442198号车-2．3301112号车-3．2700415号车-6．8229420号车-7．60422

图11 BPSK信号衰减

4 系统功能验证仿真试验

本系统的监测功能仿真试验是在列车安全监测仿真试验室的列车安全监测仿真试验台上进行的，试验项目有以下3项：

(1)预置各种正常工况参数，进行正常情况下的动态运行考核，测试正常情况下的动态参数、曲线显示，列车编组显示等。

(2)预置故障仿真工况参数，进行故障情况下的动态运行考核，测试故障诊断报警、显示、记录功能。

(3)在列车安全监测仿真试验网络系统上导入了已有的客车安全监测实车运行过程数据记录。通过信号仿真器生成全列安全监测仿真测试信号。对18辆车的车厢主机进行一周的仿实车运行考核试验。

在一周的仿实车运行考核试验中，系统能够诊断产生出与客车安全监测实车运行过程数据记录中相符的报警记录，各项功能正常。

5 目前存在的问题

因目前在列车上使用电力线载波通信的系统还有轴温集中报警系统，在进行系统单独运行考核后与轴温集中报警系统进行了共用线缆的运行考核试验。在试验中发现两系统有互相干扰，因此本系统在实际装车运用时，需解决与其他现有监测系统的互相干扰问题。

列车网络的通信速率与现已装车运用的双绞线列车网络相比还有较大差距，若需要扩展监测功能，需研究进一步提升列车网络通信速率的方法。

6 结束语

针对普通客车安全监测需求，利用车内现有的线缆解决列车网络通信问题。设计了适合普通客车的安全监测网络解决方案——基于电力线通信的客车安全监测报警系统。系统采用Lonworks电力线网络通信技术，试验室试验证明Lonworks电力线的BPSK载波信号在现有列车播线上可以正常通信。已在列车安全监测仿真试验网络系统上进行了连续一周的仿真运行考核。试验证明系统工作稳定，各项功能正常。

[1] 夏寅荪,黄德山,何 力,等.104型空气制动机及电空制动机[M].北京：中国铁道出版社,2001.

[2] 孙晓达,翟明岳,李 丹,等.低压电力线窄带载波通信信道的衰减测量及分析[J].电力信息与通信技术,2014,12(2):28-33.

[3] 耿煊，李永辉．低压电力线通信的信道特性分析及模型研究[J].电力系统通信,2004,(4):19-24.

[4] 刘永生.Echelon公司的电力线载波通信技术[J].仪器仪表标准化与计量,2005,(4):20-33.

[5] PL 3120 & PL 3150.电力线智能收发器产品数据手册[Z]. 美国Echelon 公司, 2003.

[6] PLT-22 电力线收发器产品数据手册[Z].美国 Echelon 公司, 2002.

Experimental Study on Power Line Communication Based Alarm System for Monitoring Passenger Train Safety Monitoring System

WANGXuru,ZHANGRuifang,YANJiulei

( Locomotive & Car Research Institute, China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China)

In this article, we describe an alarm system designed for monitoring the railway trains. The monitoring system relies on network communication over the power lines and can be adapted to regular passenger coach cars. Using PL3150 power line smart transceiver we achieved network communication over existing control cables that offers high reliability and cost-reduction. This system is compatible with random grouping of passenger cars, therefore provides a complete network solution for monitoring of safety through the narrow bandwidth in the power line communication network. This paper introduces each of the principal components of the system, architectural principles and implementation methods. We have conducted simulated train operation tests in the simulation laboratory and demonstrated that the overall design is rational and the system is stable and reliable.

train communication network; power line communication; passenger train safety monitoring system; Lonworks application

1008-7842 (2015) 03-0036-06

��)男，副研究员(

2015-01-15)

U284.48+2

A

10.3969/j.issn.1008-7842.2015.03.09