基于MVB总线的北京地铁八通线国产化网络系统适用性研究

赵媛媛，郑子彬, 毕素楠, 邬春晖, 游 文，闫焕彬

(1. 北京市地铁运营有限公司 运营二分公司，北京 100043； 2.中车青岛四方车辆研究所有限公司 电子事业部，山东 青岛 266031；3.北京地铁车辆装备有限公司，北京 100043 )

目前国外地铁网络系统主要分为2种控制策略：第1种是以西门子、阿尔斯通、庞巴迪为代表的欧洲系，它们的网络系统偏向于采用软件去实现相应的车辆功能，即网络系统不仅负责监视和报警，而且负责控制；第2种是以日本为代表的，它们整体的设计思路偏向于采用硬线去实现相应的车辆功能，而网络系统仅仅负责监视和报警，不参与控制。国内从2007年开始，大部分网络系统供货商引进欧洲系的控制策略，采用软件去实现监视、报警和控制的功能，硬线作为备份。

综合目前城市轨道交通的发展趋势，总线形式趋向于MVB(Multifunction Vehicle Bus)总线，而且按照城市轨道交通国产化率的要求，国内各大地铁运营公司在网络系统产品的采购上，逐步采用国产化产品。

1 地铁列车通信网络

地铁列车通信网络是用于地铁列车这一特殊环境中的工业控制计算机局域网络，它是一个综合监控系统，可以实现对地铁列车的牵引、制动、辅助、车门、空调、车载广播等子系统的综合控制、状态监视以及故障诊断。早期的地铁列车大多采用硬线进行列车控制及信息传输，列车网络带宽低，传输数据量小，常用的有FSK(Frequency-shift keying)总线、RS485总线、CAN总线等。现在，随着工业控制技术的迅速发展以及列车控制方式的改变，地铁列车越来越多地依靠列车网络进行列车控制、监视以及诊断信息的传输，所采用的列车网络通信方式主要有MVB总线、WorldFIP总线、ARCNET总线等。

2 原车网络系统

原车网络系统拓扑结构如图1所示。北京地铁八通线列车采用6辆编组，原车网络系统为日本进口，列车总线采用FSK，车辆总线采用RS485。

图1 北京地铁八通线原车网络系统拓扑结构

RS485采用差分信号负逻辑，逻辑“1”以两线间的电压差为+(2～6) V表示，逻辑“0”以两线间的电压差为-(2～6) V表示，是一种常用的工业现场串行总线。

FSK是利用载波的频率变化来传递数字信息，它是利用基带数字信号离散取值特点去键控载波频率以传递信息的一种数字调制技术。FSK主要应用于早期铁路机车的列车总线，通信方式采用两线式半双工通信方式，通信速度为19 200 b/s，同步方式为起止同步，连接方式为轮询，编码方式为反向不归零码，调试方式为基带调制，传输介质为120 Ω屏蔽双绞线。

原车列车监控系统由监控中心-端末装置、端末装置以及列车监控显示器组成。其中，监控中心-端末装置包括中央控制单元、远程输入输出单元、电流环通信网关；端末装置包括远程输入输出单元、电流环通信网关。

连接到网络系统的各子系统有制动、牵引、辅助、客室报警、车门、司机台等设备和信息。其中制动、牵引、辅助系统采用20 mA电流环通信，其余子系统通过DI采集信号处理。

3 国产化列车网络系统

结合列车的厂修修程，对北京地铁八通线原车网络系统进行了国产化改造。相比于原车系统，八通线国产化网络系统对网络拓扑、硬件设备、软件功能等各方面进行了优化、改进，可更好地满足业主需求，更好地实现对车辆的操控及维护。国产化网络系统主要有以下创新：(1)升级改造后采用MVB网络，A/B路冗余总线制式，较原车可靠性增强；(2)优化了相关网络控制功能，包括空调的单车温度设置、模式设置等；(3)数据记录仪全数据记录，且增加了业主需求的硬线信号采集，便于后续车辆状态分析；(4)预留车地无线通信接口，便于后续实现车地通信；(5)MVB信息传输内容增多，主要包括硬线信号采集增加，与牵引、制动、辅助系统的通信内容增加等；(6)系统间接口协议统一，提高了软件开发效率，缩短了施工周期，便于项目整体资源的协调和管理；(7)国产化设备较原车进口部件设备成本可控，维护性强，技术支持和售后服务响应迅速。

国产化网络系统拓扑结构如图2所示。国产化网络系统采用满足IEC 61375-1：2012《铁路电气设备 列车总线 第1部分：列车通信网络》标准要求的MVB总线作为列车和车辆总线，系统原理及与网络系统的接口与原车保持不变。

MVB多功能车辆总线利用差分曼彻斯特编码来传输数字信息，是TCN标准推荐的车辆级总线，广泛应用于高速动车组列车以及城轨列车[1]。列车网络控制系统按照IEC 61375-1：2012标准规定的列车通信网络组建，列车网络控制系统的总线采用两层总线结构，列车总线和车辆总线均采用MVB，电气接口为电气中距离(EMD)介质。MVB传输介质为屏蔽双绞线；通信速率为1.5 Mb/s；最多可以挂256个智能总线站；基本周期可以为1，2，4，8，…，1 024 ms，最多可以定义4 096个报文。

HMI.显示屏；ERM.数据记录仪；VCU.中央控制单元；RIOM.远程控制单元；485GW.网关；ATC.信号系统；MDCU.车门系统； HVAC.空调控制系统；PIS.广播系统；VVVF.牵引系统；BCU.制动系统；BC.充电机；REP.中继器。图2 北京地铁八通线国产化6辆编组网络系统拓扑结构

MVB通过VCU实现列车级和车辆级总线控制。各个子系统的控制单元主要包括：牵引控制单元、制动控制单元、辅助逆变器控制单元、空调控制单元等[2]。整个列车网络控制系统包括车载硬件、操作系统、控制软件、诊断软件、监视软件和维护工具等。每台Mc车上有1个VCU，2个VCU互为冗余。每台Mc车上安装1个数据记录仪(ERM)，用于整列车运行数据及故障数据记录等。原车的VVVF、SIV将进行国产化，并采用MVB通信形式。每辆车都配有RIOM单元，用于其他各子系统的信号采集。在M和T1车上各安装1台冗余中继器用于列车线的中继传输。空调子系统采用MVB总线连接TCMS，由TCMS进行统一监视和控制。列车及车辆总线系统符合有关列车通信网络IEC 61375-1：2012及TB/T 3035—2002 《列车通信网络》，列车监控系统硬件满足EN 50155：2007《机车车辆电子设备》。列车网络系统为所有子系统设备留有标准的通信接口，并具有成熟可靠的接口通信规范，使得所有车辆子系统能可靠接入。

4 功能对比

原车列车网络系统主要实现监视功能，用于对车载各主要设备的运行状态、故障信息进行收集与记录并通过设置在司机室内的监控显示器进行显示。列车监控系统由监控中心-端末装置、端末装置以及列车监控显示器组成。彼此间采用串行数据通信方式。另外，列车监控系统还配有外接式数据读出装置[3-4]，通过数据读出装置能够进行特定参数的设定以及将监控系统所记录的故障信息读出和打印。

与原车相比，国产化网络系统在保证原有功能的基础上主要增加了空调控制功能，司机及检修人员可通过人机接口单元对空调系统进行集中控制，监视空调机组各模块的工作状态、各客室温度等信息，并且为实现北京地铁1号线与八通线贯通后空调隧道与地面线段冷暖转换预留了接口；还增加了级位信息(PWM信号)采集，用于牵引、制动控车需求，且预留了与广播系统实现自动广播接口。显示屏界面为车辆与司机及检修人员交互的接口，为适应司机操作，界面风格与原方案一致，与司机操作相关的界面保持不变；同时，增加了一些实用的显示内容，主要有帮助界面、通信状态界面、制动自检界面、版本界面、传送信息界面等。整体国产化网络系统功能设计更加能够适应北京地铁网络化运营的需求，将信号系统的ATS系统通过网络与广播系统、PIS系统进行联动触发，形成智能化控制的集合体。

5 国产化过程中的问题

国产化网络系统在替换过程中出现的问题及解决措施[5]如下：

(1) 与原车系统的接口问题，包括协议格式、协议内容等。在国产化替换实施中，由于仅作牵引、制动、网络系统的更换，而原有空调、广播、车门系统不做厂修替换，导致网络系统在调试期间出现与原系统协议内容及格式等对应不上的现象，整个网络系统不稳定。解决措施：协调各厂家完成车上接口测试、485校验位等核对。

(2) 硬件接口问题。国产化后网络系统设备仍保持原有机械接口、电气接口不变，导致出现多个设备共用一个空气开关的情况。由于网络设备冲击电流较大，导致空气开关频繁跳闸，后续经过增加空气开关容量，避免了此问题的发生。

(3) 车辆调试期间出现网络设备闪烁掉线、网络通信不稳定的现象，经查是由于牵引系统编码线错误，导致其他系统与牵引系统存在冲突。查实后将编码线改正，网络系统运行稳定。

目前，配装国产化网络系统的列车已经完成厂内静态、动态型式试验，系统运行稳定。与原车系统相比，国产化方案在保证原车功能的基础上，针对用户需求进行了改进和创新，增加了部分功能，提高了信息化程度，使得司机可以掌握更多的列车状态信息，有利于操控车辆，也有助于检修人员更好地维护车辆、排查故障。