市域车列车网络控制及诊断系统

摘要：介绍了市域车列车网络拓扑结构，结合网络拓扑对列车控制及诊断系统的组成设备进行了简介。对列车控制及诊断系统的关键技术及主要功能进行了详细介绍。

关键词：列车控制及诊断系统；网络拓扑；关键技术；主要功能

市域车采用中车青岛四方机车车辆股份有限公司自主研制具有自主知识产权的满足IEC 61375-1标准要求的TCN网络系统。该网络控制系统采用MVB网络系统，具备中央控制功能、牵引控制功能和中央诊断功能。通过MVB实现车辆内部子系统间的通信。通过示范性项目，打造智能化市域动车组平台。

1 列车网络拓扑

列车网络控制及诊断系统（TCMS）是集列车的控制、监控和诊断为一体的集成控制系统，能为列车各子系统和模块提供各种实时控制信号，完成对列车的控制。

市域车列车控制及诊断系统网络划分为两级：列车控制级、车辆控制级。其中列车总线由双通道冗余MVB总线和环行以太网总线构成。MVB总线用来传输列车间的过程控制数据、消息数据。以太网总线用来传输数据记录文件，故障诊断信息，各系统程序下载及管理和整车调试等。

1.1 MVB控制网络

列车控制级总线和车辆控制级总线均采用EMD电气中距离介质的MVB多功能车辆总线。具体网络拓扑结构如图1所示。

车辆控制级总线采用EMD电气中距离介质的MVB多功能车辆总线，用于连接一个本车辆内部的所有智能控制单元。RIOM实现本车辆内部的硬线数据采集。

不论是列车级总线还是车辆级总线，均采用通信线路双通道冗余设计，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。

对于不具备MVB-EMD通信接口车载子系统，RIOM具有RS485接口。

2 TCMS设备介绍

2.1 中央控制单元

中央控制单元VCU为TCMS的关键组成部分，它主要用于实现列车的总线管理功能、列车控制功能、故障诊断功能、事件记录功能等。

2.2 远程输入输出单元

远程输入输出单元RIOM主要功能为采集列车数字量、模拟量信息，并将该信号转换为MVB数据发送至VCU，参与列车牵引制动等控制，同时该模块还可以接受来自主VCU的控制命令，对外进行相应的输出指令操作。

2.3 中继器

中继器REP可以实现信号的中继放大、整形，以及传输通道的故障隔离，将故障点造成的影响降到最低。每节车的所有设备通过MVB总线互连成车辆级通信网络并通过REP与列车级网络进行互联互通。

2.4 人机交互单元

人机交互单元HMI主要用于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，同时可以对轮径值、站点、时间日期等参数进行更改与设定，设置空调模式，控制车辆系统的自检、启动以及切除。

3 TCMS关键技术

3.1 VCU热备冗余技术

市域车TCMS对于列车中央控制单元VCU，采用热备冗余的配置。正常情况下，两个互为冗余设计的VCU通过竞争机制自动选取一个作为总线管理强主，负责對列车总线的管理，另外一个控制单元作为热备的弱主。弱主控制器实时监控强主的状态，当强主控制器出现故障时，例如在一定周期内收不到强主的生命信号，作为备用车辆控制模块将接管主车辆控制模块的职责，行使所有的总线管理和控制功能。但是不论哪个车辆控制模块为总线管理主，在控制逻辑上都以司机钥匙激活端的控制指令为准，总线管理主权的交换不会导致控制指令来源的切换。

3.2 MVB双通道冗余技术

市域车TCMS网络拓扑为两级网络结构：列车控制级和车辆控制级，不论是列车控制级总线还是车辆控制级总线，均采用通信线路双通道冗余设计，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 TCMS主要功能

4.1总线管理功能

TCMS具有MVB总线管理功能，对列车网络实现控制，管理列车总线上的通信数据。总线管理功能主要包括以下几点：

1、读取配置文件：包括端口、周期、数据长度；

2、生成周期扫描表：定义循环列表、分解列表；

3、生成主帧：实现过程数据、消息数据、监视数据传输；

4.2 列车控制功能

TCMS参与列车上各个子系统的控制，包括牵引系统、制动系统、空调系统、乘客信息系统等。主要控制功能有：牵引使能控制、防空转滑行控制、并网供电控制、牵引制动百分比控制、撒沙控制、空调模式控制、空调温度控制、站点设置、紧急广播控制等。

4.3 故障诊断功能

TCMS的故障诊断功能主要包括通信诊断、系统诊断两个方面。

TCMS会实时的检测与其他系统通信的每个MVB端口的生命信号，根据不同的端口周期，隔一定的周期数没有生命信号变化，系统会报该系统通信故障，几个连续的周期均有生命信号变化则故障恢复。

TCMS会实时接收各个系统上报的故障，同时会通过内部逻辑自身对一些整车级的故障进行判断，如：激活端同时有效、方向错误等，故障发生后，对故障进行存储、分级处理显示。

4.4 事件记录功能

TCMS系统的ERM模块配备了一个8G的内存单元，用于记录行车数据。TCMS将关键的行车数据按照一定周期记录到ERM中，其中包括牵引系统相关数据、制动系统相关数据、信号系统相关数据及RIOM采集的硬线数字量数据等。事件记录中的数据可保留列车上电14天的数据，采用先进先出的方式循环记录。

4.5 远程监控功能

TCMS可将总线上的所有数据发送给远程监控设备PTU，PTU可对数据进行解析并实时的显示。对所有的数字量和模拟量都可以通过选取的形式进行波形显示，当有故障发生时，便于我们更直观的解析故障发生时刻前后列车的环境变量的状态。同时，PTU还可以下载ERM中的行车数据，便于列车回库后对车辆的状态进行回放。

4.6 人机交互功能

通过TCMS人机交互界面，可以让司机直观的了解列车各个系统的健康状态及列车的运行环境，可以对空调模式温度、列车轮径车号等进行设置。其主要包括：运行界面、车辆界面、制动界面、空调界面、网络界面、帮助界面、检修界面以及设置界面等这几个主要的界面。

5 结语

市域车采用的TCMS列车网络系统，能够实现列车控制相关的所有功能，人性化的显示器界面设计给用户以更好的体验，高性能的硬件配置让行车安全更加可靠。通过一致性测试、功能测试以及地面静态调试动态调试，进一步验证了系统的可靠性和安全性。

参考文献：

[1]IEC 61375-1：1999，铁道电气设备列车总线第1部分：列车通信网络[S].

[2]倪文波，王雪梅.高速列车网络与控制技术[M].成都：西南交通大学出版社，2010

[3]刘建伟.轨道交通车辆MVB通信网络的研究与设计实现[D].北京：北京交通大学，2011.

作者简介：

马超（1986年年），男，山东省高密市，：汉族，硕士研究生，中车青岛四方机车车辆股份有限公司，工程师，研究方向：列车网络控制