“复兴号”17辆编组动车组列车总线网段扩展的设计研究

王中尧，王 超，刘国梁

（1.中车长春轨道客车股份有限公司 国家工程技术中心，长春 130000；2.大连交通大学 机械工程学院，大连 116033）

近年来，我国动车组列车发展迅速，取得了举世瞩目的成绩，行驶速度不断刷新世界记录。随着《中长期铁路网规划》的颁布，我国高速铁路的总里程将达到4 万 km，彰显出高速铁路在我国基础交通设施中的重要地位。随着民众生活水平的不断改进，出行方式也愈加多样化，加快了我国高速铁路的发展进程。高速铁路凭借其速度快、服务好、安全舒适等优势深受民众青睐。国内铁路客运量持续提升，应此需求，我国于2019 年将“复兴号”17 辆编组投入商业化运营。列车总长达440 m，最大可承载乘客数达1 283 人次。从我国传统电力动车组到当前正在商业运营的“复兴号”动车组，基本都采用8 辆或16 辆编组设计[1]。使用多功能车辆总线（MVB，Multifunction Vehicle Bus）[2]与绞线式列车总线（WTB，Wire Train Bus）[3]组成通信网络。本文研究“复兴号”17 辆编组动车组列车总线网段的扩展方案，并测试“复兴号”17 辆编组动车组列车的网络控制系统MVB 及WTB 通信质量。

1 17 编组网段扩展设计方案

1.1 MVB 网段扩展测试设计方案

目前，“复兴号”16 辆编组动车组每4 辆车为1 个牵引单元[4]，本文在第1 个牵引单元内增加1 辆车的线路及设备，验证MVB 通信网络质量[5]和信号传输状况，并测试5 辆车编组构成的MVB 牵引单元网段实现的可能性。牵引单元网段扩展前后的网络拓扑结构，如图1、图2 所示。

图1 4 辆车编组牵引单元网段MVB 拓扑结构

图2 5 辆车编组牵引单元网段MVB 拓扑结构

MVB 网段扩展具体方案为：

（1）以1～4 车牵引单元作为测试单元，在3 车和4 车间桥接一辆车辆总线（含设备）作为扩充网段；

（2）把原5 车的中继器（REP）接入到3 车和4 车之间，原4 车网段变更为5 车网段，新接入的网段为4 车网段；

（3）新的4 车网段需要挂载相应设备来模拟真实的网络环境，为保证设备地址不发生冲突，对部分设备进行断电处理。新接入设备包括制动控制单元、牵引控制单元和轴温报警装置；

（4）通电后，完成所有系统设备初始化，把分析设备接入1 车驾驶室等位置，进行MVB 网络通信质量测试；

（5）由于MVB 网段设计线路冗余，单线模式中并未出现帧丢失、错误帧等情况。

1.2 WTB 网段扩展测试设计方案

把当前“复兴号”16 辆编组动车组列车总线长度加长60 m，同时监测列车总线信号传输状况；在此基础上，测试拓展后的“复兴号”17 辆编组动车组列车总线的通信网络情况与信号减弱过程。WTB网段扩展拓扑结构，如图3 所示。

WTB 网段扩展具体方案为：

（1）在1 车WTB 节点处外接约60 m 长的WTB，并按原接口接入1 车网关节点（1CCU2-GW）；

（2）在1 车网关1（1CCU1-GW）和网关2（1CCU2-GW）间接入WTB 分析仪；

（3）在1 车网关2 和WTB 分析仪间接入示波器，显示WTB 上各个网关节点的信号减弱程度。

2 17 编组网段扩展测试

2.1 MVB 网段扩展测试

2.1.1 扩展网段A 线通信质量测试

MVB 分析仪接入新增中继器的MVB 接口处，将分析仪的线路模式设为A 线，获得连接在通信网络中所有设备的状态帧状态。

利用MVB 分析仪测试约200 s 的总线数据帧，对数据进行过滤，查看通信质量。测试结果显示，连接在通信网络中所有设备的状态帧未出现异常，同时，分析仪未检测出错误帧、不合理帧丢失等情况。MVB 网段扩展A 线通信质量统计，如图4 所示。

图4 MVB 网段扩展A 线通信质量统计详情

2.1.2 扩展网段B 线通信质量测试

因MVB 总线采用A、B 线冗余模式[6]，不需要更换连接方式，将分析仪的线路模式设为B 线，获得连接在通信网络中所有设备的状态帧状态[7]。

利用MVB 分析仪测试约200 s 的总线数据帧，对数据进行过滤，查看通信质量。测试结果显示，连接在通信网络中所有设备的状态帧未出现异常，同时，分析仪检测未出现错误帧、不合理帧丢失等情况。MVB 网段扩展B 线通信质量统计，如图5 所示。

图5 MVB 网段扩展B 线通信质量统计详情

2.1.3 MVB 网段扩展测试结论

在“复兴号”16 辆编组动车组网络拓扑结构基础上，在1～4 车牵引单元中增加1 辆车，前5 辆车为一个牵引单元，经过实验验证，通信质量未受影响，未出现错误帧、异常丢帧问题，测试结果满足IEC—61375 标准，因此，MVB 网段由4 辆车增加为5 辆车可行。

2.2 WTB 网段扩展测试

2.2.1 16 辆编组WTB 网段测试

车辆总线扩展前，在“复兴号”的司机室接入分析仪，监测4 辆车编组牵引单元信号减弱情况，用于与扩展后的网段做对比。

如图6 所示，对于16 辆编组，此时WTB 网段数据帧信号最小峰值约为±2.71 V。按照1 车、8 车、9 车和16 车网关从左到右的数据帧信号情况，WTB总线各网关节点信号随距离增长而减弱。

图6 WTB 总线最小数据帧信号波形

如图7 所示，对于16 辆编组，此时WTB 网段数据帧信号最大峰值约为±4.98 V。按照1 车、8 车、9 车和16 车网关从左到右的数据帧情况，WTB 总线各网关节点信号随距离增长而减弱。

图7 WTB 总线最大数据帧信号波形

2.2.2 扩展后的17 辆编组WTB 网段测试

本文在“复兴号”16 辆编组动车组基础上，扩展17 辆编组动车组WTB 总线，在1 车网关节点接入示波器，监测WTB 网段扩展后4 个牵引单元信号减弱情况，并与扩展前的WTB 网段信号减弱程度做对比。WTB 总线采用A、B 线冗余设计，连接器及总线均具备冗余功能，测试时不需要进行接口变更，设置示波器线路可分别监控。

（1）WTB 网络A 线扩展测试

如图8 所示，WTB 网络A 线上的数据帧信号最小峰值约为±2.49 V，此时WTB 网段A 线数据帧信号最小峰值约是±2.71 V，信号减弱极值约为±0.2 V，从左到右依次为1 车、8 车、9 车、16 车网关数据帧发送情况。

图8 扩展后WTB 网络A 线最小数据帧信号波形

如图9 所示，WTB 网络A 线上的数据帧信号最大峰值约为±4.79 V，此时WTB 网段A 线数据帧信号最大峰值约为±4.98 V，信号减弱极值约为±0.2 V，从左到右依次为1 车、8 车、9 车、16 车网关数据帧发送情况。

图9 扩展后WTB 网络A 线最大数据帧信号波形

（2）WTB 网络B 线扩展测试

如图10 所示，WTB 网络B 线上的数据帧信号最小峰值约为±2.50 V，此时WTB 网段B 线数据帧信号最小峰值约为±2.71 V，信号减弱极值约为±0.2 V，从左到右依次为1 车、8 车、9 车、16 车网关数据帧发送情况。

图10 扩展后WTB 网络B 线最小数据帧信号波形

如图11 所示，WTB 网络B 线上的数据帧信号最大峰值约为±4.89 V，此时WTB 网段B 线数据帧信号最大峰值约为±4.98 V，信号减弱极值约为±0.1 V，从左到右依次为1 车、8 车、9 车、16 车网关数据帧发送情况。

图11 扩展后WTB 网络B 线最大数据帧信号波形

2.2.3 WTB 网段扩展测试结论

在16 辆编组动车组基础上扩展为17 辆编组动车组WTB 总线时，WTB 数据帧信号幅值减弱较小，满足IEC—61375 标准要求，WTB 网络通信正常，具备将16 辆编组的WTB 网段扩展为17 辆编组的WTB 网段的能力[8]。

3 结束语

本文在16 辆编组动车组MVB 及WTB 网段基础上进行了17 辆编组的网段扩展测试，测试结果均符合IEC—61375 及GB/T—28029 相关标准，数据帧信号的减弱及通信质量均正常，理论上可以满足将16 辆编组动车组扩充至17 辆编组动车组的网络系统设计要求。但在实验过程中所有动车组均停靠在站台，处于采用蓄电池供电的工况，因此动车组在实际运用中可能受到多设备同时在线、长大交路运营、电磁干扰及外界环境等影响，测试结果会存在一定误差，所以编组扩充需在动车组实际运用考核中进一步验证。

动车组编组扩展在满足站台长度、检修库长度、总线长度要求的情况下，可显著提升客运动车组的载客量。网络系统总线网段的扩展，使动车组编组形式更加灵活多样，增加动车组附加价值，提高利用率。