一种新型低地板列车网络控制系统

黄文静，李 洁

（株洲中车时代电气股份有限公司，湖南 株洲412001）

一种新型低地板列车网络控制系统

黄文静，李 洁

（株洲中车时代电气股份有限公司，湖南 株洲412001）

介绍了由分布式中央控制单元与集中式G300 IO机箱系统组成的低地板列车网络控制系统架构。分布式中央控制单元、集中式G300 IO机箱作为列车网络控制系统的核心部件，是专为现代轨道车辆设计的小型化标准设备，满足城市轨道交通的空间和功能要求。

低地板；列车网络控制系统；分布式中央控制单元

城市地铁轨道交通具有建设高成本、地下运营高风险以及低密度出行距离服务等特征，当地铁运营线网达到一定网络规模后，这些特征均局限了地铁轨道交通的后劲发展。因而，必须根据我国大城市城镇化发展、经济社会和综合运输体系发展的阶段特征，特别是资源环境约束，从技术经济性能、系统服务性能、市场价值优势、产业发展潜能等方面，遵循“资源节约型和环境友好型”两型社会理念，以城市轨道交通/有轨电车为骨干，以常规公交为主体，辅以其它公共交通等公共交通客运方式，逐步建立和完善多模式的一体化城市综合公共交通系统，打造现代公交都市。

1 低地板车概述

低地板列车因其建设成本低、快速便捷、安全舒适、节能环保等优点，逐渐成为城市轻轨车辆发展的主要方向，在我国具有广阔的发展前景。低地板列车由于小巧轻便但是在结构设计上又要求地板面低、客室宽敞，从而使得可用于安装车辆设备的空间狭小，车辆设备在确保车辆运营的安全性、可靠性的基础上需要优化自身结构以适应低地板列车的设计要求。列车网络控制系统作为列车控制的神经系统及重要组成部分符合车辆结构设计要求。低地板列车网络控制系统由分布式中央控制单元和集中式G300 IO机箱组成，采用符合IEC 61375标准的以太网及MVB多功能车辆总线连接，显著减少各箱柜之间的连线，并方便将来对系统功能的扩展，适应灵活编组的要求，同时具备高冗余性，提高了网络可靠性。低地板列车网络控制系统能够实现列车控制、通信管理、状态显示、故障诊断、第三方应用接口，满足有轨电车整车功能要求。

2 新型低地板列车网络系统拓扑及组成

低地板列车根据其组成的模块数量的不同可以形成不同的列车编组，现以五模块低地板车为例进行介绍，这些模块包括司机室模块CM车、转向架模块BM车和客室模块SM.下面以我司五模块低地板列车为例进行网络系统介绍，具体五模块低地板车示意图如图1所示，其中CM1和BM1固定连接作为一个模块，CM7和BM7固定连接作为一个模块，其余SM2、BM3、SM6分别作为一个模块。

图1 五模块低地板示意图

2.1 系统拓扑

图2展示了五模块低地板列车网络控制系统拓扑结构图。低地板列车控制系统设计符合国际《IEC61375-1：2012》标准，本方案同时采用以太网和MVB通讯冗余通讯方式，其中以太网采用总线环网结构，交换机通过环网方式构成列车以太网通讯总线骨干网，终端设备采用星形连接方式，提高了网络通讯冗余；关键设备同时采用MVB通讯作为冗余，MVB总线采用EMD电器中距离介质的MVB多功能车辆总线。

图2 五模块低地板列车网络控制系统拓扑结构图

如图2所示，按照车辆类型的不同列车网络系统的配置也相应地进行调整，CM、BM、SM各车根据不同需求由不同数量或种类的网络产品构成。列车网络系统由中央控制单元EGWM-L、事件记录模块EDRM-L、显示单元HMI，远程输入输出模块G300 IO机箱、以太网交换机Switch组成。列车通过交换机组成列车及以太网环网冗余结构，各个子系统设备通过交换机车辆级M12接口接入以太网网络。列车关键设备中央控制单元EGWM-L、事件记录模块EDRM-L、牵引系统PCE、制动系统BCE、黑匣子SDR除了以太网通讯外，同时组成列车MVB网络作为冗余结构，其中MVB采用总线型结构，将分布于整个列车的各个关键设备联结成一个列车网络（当MVB网段传输距离不超过200 m且列车MVB节点数不超过32个时，作为列车级总线和车辆级总线网关的中继模块将会被取消，即整列车形成一个车辆段网络，缩减了列车网络系统的成员节约了车辆安装空间），具有良好的扩展性，扩展方式相对简单，可以很方便地适应不同形式的列车编组，以及列车的动态编组。

列车网络控制系统广泛地采用电子控制设备和串行数据通信来代替继电器、接触器和直接硬连线并且通过网络连接各个子系统的控制设备（如牵引控制、摩擦制动控制等），能够减少继电器、接触器、车辆/列车布线、端子排和连接器触点的使用。

分布式中央控制单元EGWM-L作为列车网络控制系统的核心部件，是现代轨道车辆的标准设备，满足城市轨道交通的要求。它能够实现以下功能：

（1）通信管理：具有多功能车辆总线MVB的管理能力，具备MVB主权转移功能；

（2）列车控制：执行诸如牵引/制动控制、制动管理控制、安全联锁保护和辅助负载启动等一系列控制功能；

（3）故障诊断：实时监测列车状态，对故障数据的采集处理，并通过显示单元报告司机。

（4）信息显示：与智能显示装置HMI显示有关的数据传输，给司机和检修人员提供其所需的必要信息。

事件记录模块EDRM-L功能：将司机操作数据、列车状态数据、故障数据具体化，存储在故障记录存储器上；通过以太网接口将记录的数据下载，供便携式维护工具分析。亦可通过以太网接口将记录数据实时发送给地面控制中心。

G300 IO机箱主要包括主控板、数字量输入DI板、数字量输出DO板、模拟量入出AIO板、电源板及机箱，其具体功能如下：

（1）数字量的输入输出：将车辆间电气信号转换成控制信号，完成各种控制功能；将网络控制信号转换成电气信号，控制诸如指示灯、继电器等设备；

（2）模拟量的输入输出：将车辆间电气信号转换成控制信号，完成各种控制功能；将网络控制信号转换成电气信号，控制诸如仪表等设备。

（3）强大的系统接口能力：为适应不同的应用，可通过插入不同类型的通讯板卡分别提供了MVB接口、RS485/RS422、CAN、以太网接口等。

2.2 系统组成单元

2.2.1 分布式中央控制单元EGWM-L

EGWM-L模块通过多功能车辆总线MVB（EMD）和以太网方式与其他设备通信。

EGWM-L是TCMS的核心，具备如下功能：

（1）车辆级过程控制：执行诸如牵引/制动控制、空电联合控制和空调顺序启动等一系列控制功能；

（2）通信管理：具有多功能车辆总线MVB的管理能力，并且能够进行被动的主权转移功能；

（3）显示控制：与智能显示装置HMI显示有关的数据传输；

（4）故障诊断：状态数据、故障数据的采集处理，并通过HMI报告司机。

2.2.2 事件记录模块EDRM-L

EDRM-L通过多功能车辆总线MVB（EMD）和以太网方式与其他设备通信。

EDRM-L是数据转储的关键部件，具备如下功能：

（1）数据记录：司机操作数据、故障数据、事件数据的记录，将VCMe的故障数据具体化；

（2）数据转存：通过车载信息网（工业以太网）将记录的数据下载，供便携式维护工具分析。2.2.3 G300 IO机箱

G300 IO机箱采用3U机箱结构，体积小、重量轻、功能强，其结构尺寸如图2所示。插件面板置于机箱前部，便于板卡维护、对外连接，背板置于后部，提供电源、控制总线。内部结构紧凑，集成度高，有效的利用了空间，现场接线更加简捷省力，安装成本低；机箱背板提供机箱所有板卡电源和总线，与外部完全隔离，提高了可靠性；机箱前面直接插拔板卡，结构简单，安装替换方便。所有对外连线各功能板前面板直接连接，系统最优、最简，布局非常好，防护等级高。

G300 IO机箱主要包括：主控板、数字量输入DI板，数字量输入DO板、模拟量入出AIO板，电源板及机箱和背板。主控板主要完成对机车采集的信息的分析、处理、通信、控制等工作，通过机箱背板及CPCI控制总线实现与DO板、DI板、AIO板交互数据及控制。电源插件为其它功能单元提供输入电源，通过机箱背板供电，可提供+5 V、+3.3 V、±12 V电源。DI/DO插件实现24 V数字量输入和输出。DI插件包含18路数字量输入通道，DO插件包含8路数字量输出通道。AIO插件实现模拟量的输入和输出。AIO插件包含14路模拟量采集通道，4路模拟量输出通道。DI/DO/AIO插件可以根据列车实际的设计情况进行任意配置，且DI/DO/AIO插件之间可以实现位置互换。

2.2.4 显示单元（HMI）

HMI通过以太网与其他设备通信。

HMI是TCMS的显示终端设备，是司机和维护人员操作机车的窗口，具备如下功能：

（1）信息显示：向车辆驾驶人员和维护人员提供车辆综合信息，各设备的工作状态，故障信息的综合与处理等功能；

（2）参数设定：对轮径值、列车重量、站点、时间日期等参数进行更改与设定；

（3）功能测试：进行列车运行时加速度、减速度、制动距离等基本参数的测试；

（4）数据转储：通过USB接口，将故障信息转储地面进行统计、分析。

显示单元安装于司机室操作台上，用于显示与列车运行相关的各种信息以及各种设备状态信息。此系统采用双显示器冗余，大大提高列车可靠性、冗余性。

2.3 系统性能

2.3.1 冗余设计与故障运行能力

为了提高故障情况下列车的可靠性，列车网络控制系统采取了多种措施避免故障情况下的列车停运。主要有：（1）列车主要采用以太网通讯方式与所有子系统进行通讯，关键设备如列车控制模块EGWM-L、牵引、制动、黑匣子、G300 IO机箱同时组成MVB网络，如果以太网通讯出现问题，则采用MVB网络作为备份控制，从而提到列车可靠性、可用性。（2）列车以太网骨干网采用交换机组成环网结构，当任意子系统故障时不会影响其他系统；当本地交换机故障时，不会影响其他车辆的设备正常工作，不会对列车造成任何影响，大大提高了列车可用性。（3）列车MVB总线采用双通道冗余，当某一路通信线路出现故障时，系统可以自动切换到另一路通信线路。（4）EGWM-L热备冗余配置，正常情况下两个EGWM-L通过底层协议芯片的竞争机制自动选取一个EGWM-L为总线管理主，另外一个EGWM-L为备用主，当主EGWM-L出现故障时，备用EGWM-L将接管主EGWM-L的职责，行使所有的总线管理和控制功能。（5）列车事件记录模块EDRM-L采用双模块热备冗余，两个设备同时记录相同数据，当一个故障时不会影响列车关键信号及故障记录，提高了故障冗余，为列车维护、故障分析提供了可靠的数据支持。（6）显示器HMI每个司机室配置2台，当一个故障时，司机可以通过另外一个HMI监视列车，不影响列车运行，提高了列车可用性。（7）列车硬线作为网络控制系统的备份。

2.3.2 故障诊断及显示

车载故障诊断是列车网络控制系统的一个重要功能，也是体现列车网络控制系统高可靠性的一个重要组成部分，完成车载各部件故障数据的采集、分析、转储和显示。故障信息在司机台上通过显示器显示，并且通过维护工具上传到地面维修和服务系统中，供长期的储存和深入的地面分析。

列车网络控制系统的诊断功能可以协助司机和检修人员进行工作。当故障发生时，协助司机采取适当的操作，并使维护人员更容易地查找并解决故障。

如果列车发生故障，将以纯文本信息在显示单元上显示给司机。每条纯文本信息都分配有故障代码，根据不同的故障类别进行故障评估。故障类别和纯文本信息显示在显示器的界面上。此外，司机也可以从显示器上获得所必须实施的操作指导说明。

2.3.3 列车控制功能

综合车辆运行工况及各设备的工作状态，对车辆进行控制是列车网络控制系统的主要功能之一。列车网络控制系统对接收到的数据进行逻辑处理，输出相关的控制命令。列车网络控制系统能够实现诸如牵引制动控制、制动管理、辅助负载管理等功能。以制动管理为例，列车网络控制系统根据司机室操作指令，在不同的制动工况下协调电制动及制动系统完成列车制动。尤其在空气与电制动混合阶段，列车网络系统通过对总的制动力分配及管理，减少了电制动与制动系统的信息交互时间，提高了制动效率，避免了制动系统基础制动对车轮闸瓦的磨耗。

2.3.4 列车保护功能

为了保证列车行车安全及车载设备的安全，列车网络控制系统需要对某些影响列车运行的条件进行监视。当这些条件发生时，列车网络控制系统根据影响程度对列车进行限速控制、牵引封锁控制、故障导向安全控制、紧急制动控制。

2.3.5 辅助功能

列车网络控制系统还提供辅助控制功能，包括列车加减速度测试、自动报站管理等。

自动报站管理根据列车线路运营图进行站点管理，自动报站。对于“一”字形、“Y”字形、“X”字形运营线路具有良好的识别性，并且能设别列车折返。在列车运营线路不更改的前提下只需要在列车发车前进行一次站点设置，列车网络系统就能自动进行站点管理直至列车运营结束。

3 结束语

低地板列车网络系统采用集成中央控制单元加分布式模块设计，系统简洁，具有较高的灵活性，可以满足不同编组的列车配置需求。采用国内城市轨道交通列车网络普遍使用的MVB_EMD网络，技术成熟可靠，系统稳定，拥有自主知识产权。集成中央控制单元可靠性高、体积小、重量轻，符合车辆安装空间以及车辆轻量化要求。分布式模块使用灵活，完善了列车网络系统的远程IO信号输入，以及信号中继放大及网关功能，扩展了集成中央控制单元的外围功能。

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[6]IEC61375-1:2007，铁道电气设备列车总线（第一部分）：列车通信网络[S].

A New Train Network Control System of Low Floor LRVS

HUANG Wen-jing，LI Jie
（Zhuzhou Crrc Times Electric Co.，Ltd.，Zhuzhou Hunan 412001，China）

The architecture of a low floor train network control system composed of a distributed central control unit and a centralized IO G300 chassis system are introduced.The distributed central control unit，centralized G300 IO chassis as the core components of the train network control system，is designed for small standard equipment design and modern rail vehicle，meeting the space and function of city rail traffic requirements.

low floor LRVs；train network control system；integrated central control unit

U482.1

A

1672-545X（2017）09-0131-04

2017-06-11

黄文静（1985-），女，江西南昌人，工程师，硕士，长期从事城轨网络控制系统应用研发工作；李 洁（1983-），男，陕西渭南人，工程师，本科，长期从事城轨网络控制系统应用研发工作。