上海13號(hào)線列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究

徐紅星，張 曉

（1 中國(guó)南車集團(tuán) 南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司 動(dòng)車設(shè)計(jì)部，江蘇南京210031；2 南京林業(yè)大學(xué) 研究生院 機(jī)電系，江蘇南京210037）

上海13號(hào)線列車控制系統(tǒng)包括列車控制和子系統(tǒng)控制，采用列車通信網(wǎng)絡(luò)（TCN）控制。其中TCN是一種專門為2級(jí)網(wǎng)絡(luò)而開發(fā)出來的通信網(wǎng)絡(luò)，這2級(jí)被稱為MVB車輛總線和WTB列車總線［1］。這種總線概念理論上完全適用于那些為了在鐵路運(yùn)行時(shí)彼此連接，并且有一個(gè)貫通全車的供電等級(jí)。MVB是為了車輛內(nèi)部的通信，而WTB是為了車輛間的通信以及在運(yùn)營(yíng)過程中車輛編組的動(dòng)態(tài)變化。

對(duì)于上海13號(hào)線具有相同結(jié)構(gòu)的車輛組成的列車，并且僅僅在車間進(jìn)行編組的列車而言，TCN系統(tǒng)中已不需要WTB總線，貫通所有車輛的MVB是組成列車的各車間用來通信的媒介，它被稱為MVB－M（M指的是多單元車輛）。采用西門子的MVB－M分布式總線控制方式，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)由每節(jié)車上子系統(tǒng)間的MVB車輛總線和車輛間的MVB主干線組成，沒有MVB接口的外圍設(shè)備通過遠(yuǎn)程數(shù)字、模擬輸入、輸出接口－SIBAS R○KLIP與MVB網(wǎng)絡(luò)相連接。通過診斷屬性和人機(jī)通訊等，SIBAS R○可有效地將部件和子系統(tǒng)的故障和狀態(tài)信息提供給司機(jī)和維護(hù)人員。

1 TCN系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

列車控制網(wǎng)絡(luò)只有一個(gè)層級(jí)，由MVB－M總線連接列車的所有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，沒有 WTB列車總線。MVB－M分布式總線由每節(jié)車上子系統(tǒng)間的MVB車輛總線和車輛間的MVB主干線組成，上海13號(hào)線列車網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備及功能

上海13號(hào)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)備主要包括了連接MVB車輛總線和MVB主干線的MVB中繼器、總線管理器SKS及MVB維護(hù)接口（MVB－Ser vice）等設(shè)備。

（1）中繼器（MVB－Repeater）用于連接 MVB各區(qū)段，完成信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)功能。

（2）外設(shè)接口智能終端（SIBAS?KLIP Station）不僅是硬件信號(hào)和MVB信號(hào)的接口，還是TCN網(wǎng)絡(luò)的總線管理器，控制總線通信。作為總線管理器的SKS，每列車有6個(gè)，以令牌傳遞的方式輪流行使總線管理權(quán)。

上海13號(hào)線SKS由6個(gè)模塊組成，分別是電源模塊、AS 318模塊、總線模塊、數(shù)字量輸入模塊、數(shù)字量輸出模塊及模擬量輸入模塊。電源模塊負(fù)責(zé)提供24 V DC電源。AS 318模塊是SKS的核心部件，有SKS唯一的MVB接口，它通過內(nèi)部總線（總線模塊）與輸入、輸出模塊通信，并對(duì)其進(jìn)行監(jiān)視和控制。作為MVB接口設(shè)備，AS 318模塊通過下載節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫（NSDB）文件來定義其通信，包括其在TCN網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備地址的實(shí)現(xiàn)。總線模塊用于安裝輸入、輸出模塊，并通過內(nèi)部總線將輸入、輸出模塊和AS 318模塊相連。輸入和輸出模塊分別用作模擬或數(shù)字硬線信號(hào)的輸入和輸出接口。

1.3 系統(tǒng)冗余結(jié)構(gòu)

TCN網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)通常采用主控制器冗余、總線冗余及I／0口冗余來保證系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，上海13號(hào)線TCN系統(tǒng)采用了總線冗余和主控制器（VCU）冗余［3］。

（1）總線冗余

總線具備高冗余性，主要包括總線的可用性（A－vailability）和數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾裕↖ntegrity）。針對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾裕琈VB數(shù)據(jù)傳輸采用了曼徹斯特編碼；針對(duì)總線可用性，MVB采用了以下冗余機(jī)制：

①M(fèi)VB采用了總線物理介質(zhì)機(jī)制。如圖2、圖3所示，總線A、B為冗余結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)同時(shí)從A、B兩個(gè)通道發(fā)送，從其中一通道接收，協(xié)議控制器監(jiān)視正在使用的通道 ，若通道長(zhǎng)時(shí)間無響應(yīng)，則協(xié)議控制器自動(dòng)切換到另一通道，確保總線的可用性。

圖1 上海13號(hào)線列車控制網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

②總線主冗余，即總線管理器監(jiān)視總線活動(dòng)，若當(dāng)前總線主無活動(dòng)，則進(jìn)入總線主仲裁過程，若成功，則獲得總線控制。

圖2 MVB總線介質(zhì)冗余機(jī)制

圖3 冗余的EMD雙線連接

（2）VCU 冗余

每列車擁有兩個(gè)VCU，分別為主VCU和從VCU，兩者互相冗余。當(dāng)從VCU故障時(shí)，主VCU可以承擔(dān)起管理列車的責(zé)任，列車運(yùn)行不受影響；當(dāng)主VCU故障時(shí)，從VCU將轉(zhuǎn)為主VCU，此過程僅需要500 ms。

2 TCN系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)為2級(jí)結(jié)構(gòu)，分為列車級(jí)網(wǎng)絡(luò)和車輛級(jí)網(wǎng)絡(luò)。列車級(jí)網(wǎng)絡(luò)為MVB主干線，與MVB主干線有物理連接的設(shè)備僅有MVB中繼器。MVB中繼器負(fù)責(zé)將主干線上的信息轉(zhuǎn)發(fā)到車輛級(jí)網(wǎng)絡(luò)上。

車輛級(jí)網(wǎng)絡(luò)為總線形式，所有需要與MVB連接的系統(tǒng)都并行的連接在總線上，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞桨傅脑O(shè)計(jì)考慮以下幾點(diǎn)：

（1）總線的長(zhǎng)度盡量短；

（2）由于制動(dòng)供應(yīng)商和信號(hào)供應(yīng)商的鏈接要求，把制動(dòng)控制單元和信號(hào)主機(jī)分別布置在Tc車的MVB網(wǎng)絡(luò)的末端；

（3）根據(jù)西門子的要求，牽引箱不能布置在MVB網(wǎng)絡(luò)的末端；

（4）考慮到施工的方便，不同車型的網(wǎng)絡(luò)線布置盡量保持一致。

2.2 設(shè)備供電設(shè)計(jì)

車輛控制單元VCU、顯示控制器、MVB中繼器以及SKS站都使用DC110 V供電。其中VCU的供電由于供應(yīng)商的要求需要使用屏蔽線，屏蔽層采用兩端接地；顯示器控制器的供電也采用屏蔽線，并需要為其提供使能信號(hào)。

MVB中繼器的供電受SKS控制。根據(jù)西門子的MVB－M網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，在網(wǎng)絡(luò)第一次使用或重新配置時(shí)需要對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行重新配置。在重新配置的過程中，需要將每節(jié)車的網(wǎng)絡(luò)與MVB主干線分離開。為此，要求SKS有斷開MVB中繼器電源的能力。而為了保證網(wǎng)絡(luò)的全冗余，MVB中繼器內(nèi)部為2個(gè)獨(dú)立的模塊，需要分別供電。因此，在每一路供電的前端都串有一個(gè)繼電器的常閉觸點(diǎn)，這2個(gè)繼電器的線圈通過SKS站的2個(gè)輸出分別控制，在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)配置時(shí)，SKS輸出斷開電源命令，線圈得電后中繼器斷電。

顯示器H MI的供電由顯示控制器通過特殊電纜提供，不需要車輛供電。MVB維護(hù)接口不需要供電。

SKS的電源模塊能將DC110 V逆變?yōu)镈C24 V，再給其他模塊供電，需要24 V供電的模塊有：

（1）數(shù)字輸出模塊；

（2）模擬量輸入模塊；

（3）接口模塊。

同時(shí)，主控器模擬量參考值的24 V電源也由SKS電源模塊提供。

2.3 MVB配置設(shè)計(jì)

根據(jù)西門子的MVB－M網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，在網(wǎng)絡(luò)第一次使用或重新配置時(shí)需要對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行重新配置。重新配置需要車輛提供2個(gè)信號(hào)給TCMS：

（1）單元側(cè)信號(hào)；

（2）網(wǎng)絡(luò)重新配置信號(hào)。

其中網(wǎng)絡(luò)重新配置信號(hào)為列車線，將此信號(hào)給所有的SKS站，讓SKS開始重新配置。單元側(cè)信號(hào)區(qū)分兩個(gè)單元，在M車的短接線只有單元1才會(huì)短接，單元2不進(jìn)行短接。

3 MVB－M總線技術(shù)

3.1 應(yīng)用條件

由于上海13號(hào)線列車具備以下特點(diǎn)：

（1）車輛由中間車和末端車組成。中間車都有相同的結(jié)構(gòu)，末端車的通信是相同的；

（2）車輛很少重聯(lián)并且只在車間進(jìn)行；

（3）列車不連掛運(yùn)行，特殊情況下列車連掛用于救援。

在列車網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)設(shè)計(jì)階段，采用了西門子先進(jìn)的MVB－M總線技術(shù)，也就是說MVB－M概念是建立在上述初始情形的基礎(chǔ)上的。單個(gè)車輛中的MVBs形成MVB段，這些段在MVB中繼器的轉(zhuǎn)換下通過主干線彼此連接，主干線連接了車輛的所有部分［1］。

3.2 MVB段

MVB－M的基礎(chǔ)是主干線，單獨(dú)的 MVB段通過MVB中繼器被連接到主干線上。除了MVB中繼器之外，再?zèng)]有別的MVB－M節(jié)點(diǎn)被連接到主干線。在主干線的末端，主干線總線通常通過末端車的終止模塊（T M）電力終止。

每輛車形成它自己的MVB段。在每個(gè)MVB段，有一個(gè)特殊的節(jié)點(diǎn)——車輛配置器（WK）。它能連接和解連MVB中繼器，并且通過一種特殊的被稱為配置端口（KP）報(bào)文的方式將配置數(shù)據(jù)報(bào)告給MVB－M從節(jié)點(diǎn)，MVB－M總線拓?fù)湟妶D4所示。

圖4 MVB－M總線拓?fù)鋱D

車輛在車間內(nèi)以一個(gè)特定的順序排列，并且這個(gè)順序在操作過程不會(huì)改變。為了使總線終止，盡管中間車的數(shù)量可變，但是末端車總是必需的。MVB－M總線拓?fù)鋱D最大支持10輛相同的中間車（M1～M10）和2輛末端車（E1～E2），末端車在通信上也是相同的。

3.3 MVB中繼器

MVB中繼器通過主干線連接單個(gè)的MVB段。MVB中繼器是連接到主干線的唯一物理設(shè)備。

MVB段的長(zhǎng)度禁止超過200 m。因?yàn)橹鞲删€是個(gè)不受約束的MVB段，它必須貫穿所有的車輛，因此這個(gè)限制有時(shí)會(huì)被超過。在這種情況下，最好的解決方法是在鏈路中的一個(gè)特定區(qū)域安裝一個(gè)更遠(yuǎn)的MVB中繼器。這里只有一個(gè)問題就是會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生擁有不同總線結(jié)構(gòu)的列車。

每個(gè)信號(hào)絕對(duì)禁止通過MVB上3個(gè)以上的MVB中繼器。通過在鏈路中設(shè)置單獨(dú)一個(gè)MVB中繼器不會(huì)違反這個(gè)規(guī)則。

3.4 地址段

通信用一個(gè)已經(jīng)定義好的基本地址段中的地址設(shè)定，這些地址也被稱作基本地址，它們被用來配置但并不在正常通信中使用。除了基本地址段以外，還為每輛車定義了專用的地址段。在車輛的操作中，通信在這些地址段中進(jìn)行。通過添加一個(gè)車輛專用地址變化值到設(shè)定的基本地址上去，得到正常通信的地址。地址段根據(jù)它們的寬度而不相同，由于擁有大量的設(shè)備，末端車的地址段寬度是中間車的兩倍。

每輛車都有一個(gè)指定的總線節(jié)點(diǎn)，即車輛配置者。這個(gè)節(jié)點(diǎn)有硬件輸入設(shè)備，車輛位置號(hào)碼可以在上面被設(shè)置和重置。段中所有其他的總線節(jié)點(diǎn)被定義為MVB－M從節(jié)點(diǎn)，在配置過程中，車輛配置器將要設(shè)置的車輛位置號(hào)碼報(bào)告給它段中的所有從節(jié)點(diǎn)，然后每個(gè)從節(jié)點(diǎn)知道了當(dāng)前的工作范圍，并且將初始的相對(duì)地址轉(zhuǎn)化為絕對(duì)地址。實(shí)際上，地址轉(zhuǎn)換的意思是將一個(gè)相對(duì)設(shè)備地址或者端口地址轉(zhuǎn)換為一個(gè)絕對(duì)地址。在MVB－M從節(jié)點(diǎn)配置完之后，只有絕對(duì)地址用來進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

這樣一個(gè)編址方法的優(yōu)點(diǎn)是MVB節(jié)點(diǎn)的配置數(shù)據(jù)（NSDB）不需要包括所有可能的車輛配置。相反，節(jié)點(diǎn)用包括基本地址的普通NSDB來配置。在配置過程中，普通NSDB被用來計(jì)算“操作NSDB”，在操作NSDB中，取決于車輛位置號(hào)碼的必要地址轉(zhuǎn)換被添加到配置基本地址上去。

MVB－M總線上的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備地址主要通過下載NSDB文件以軟件配置為主。在設(shè)備互換前必需根據(jù)不同的地址需求更新相應(yīng)的NSDB文件。

3.5 網(wǎng)絡(luò)配置

在配置過程中一個(gè)段的所有設(shè)備被配置。配置是由WK開始的，每個(gè)段中WK只恰好出現(xiàn)一次。在配置中，所有設(shè)備必須啟動(dòng)。在輸入時(shí)，WK已經(jīng)設(shè)置好了車輛類型和車輛位置號(hào)碼，同時(shí)通過硬件輸入接收配置請(qǐng)求（KA）。在一個(gè)指定的時(shí)間之后，WK從主干線分離它的段，通過切斷供應(yīng)給MVB－Repeater的供電。WK然后利用MVB上的配置端口報(bào)文將車輛類型和它自己所在車的號(hào)碼告知段中的所有設(shè)備。從這些數(shù)據(jù)中，設(shè)備為設(shè)備地址和端口計(jì)算偏離量，每個(gè)MVBM段都有它自己的配置端口。

3.6 數(shù)據(jù)段

MVB－M總線用來傳送3種類型的數(shù)據(jù)，包括進(jìn)程數(shù)據(jù)，消息數(shù)據(jù)及監(jiān)視數(shù)據(jù)。針對(duì)3種不同數(shù)據(jù)采用了3種不同的通訊方式：

（1）周期性通訊：主要用于過程數(shù)據(jù)（典型的值：32 ms，64 ms，128 ms，…，1 024 ms），如總線內(nèi)各子系統(tǒng)的信息交換、制動(dòng)力值等；

（2）偶發(fā)性通訊：主要用于消息數(shù)據(jù)，此類數(shù)據(jù)僅用于某些事件的觸發(fā)，如PIS中發(fā)出的站名信息；

（3）監(jiān)督性通訊：主要用于監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，用于交接總線管理者功能的信息［2］。

4 TCN系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)及發(fā)展

上海13號(hào)線列車通信網(wǎng)絡(luò)（TCN）采用西門子的MVB－M分布式總線控制方式，上海13號(hào)線列車總線控制具備以下特點(diǎn)：

（1）列車控制單元能接受各系統(tǒng)發(fā)送的數(shù)據(jù)，對(duì)其狀態(tài)進(jìn)行診斷，并通過診斷結(jié)果采取措施，控制各系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，保證列車的安全運(yùn)行。

（2）高速、大容量的信息傳輸通道。因?yàn)榈罔F列車子系統(tǒng)多，信息量大，且需及時(shí)地傳遞給VCU，所以必須采用高速、大容量的信息傳輸通道。上海13號(hào)線MVB總線，可以達(dá)到1.5 Mb／s。

（3）具有診斷、控制功能。地鐵運(yùn)輸最重要的是確保每位乘客的安全，乘客的安全來源于列車運(yùn)行的安全，所以列車的診斷及控制非常重要。診斷的功能應(yīng)包括對(duì)各系統(tǒng)狀態(tài)的評(píng)估，列車的控制功能以列車的診斷為依據(jù)，通過對(duì)各系統(tǒng)的評(píng)估，采取相應(yīng)措施，如限速、觸發(fā)緊急制動(dòng)、牽引隔離來保證列車運(yùn)行的安全。上海13號(hào)線網(wǎng)絡(luò)控制具備了列車制動(dòng)系統(tǒng)故障，列車限速或緊急制動(dòng)；車門故障，列車牽引隔離或緊急制動(dòng)，同時(shí)提示司機(jī)處理門故障等。

（4）冗余性。在滿足了以上要求之后，還需要提高冗余性，而冗余性的提高則表現(xiàn)在總線通道和主控制器的冗余。

上海13號(hào)線列車網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)代表了軌道交通行業(yè)先進(jìn)水平，成為列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的目前發(fā)展趨勢(shì)，具有下列優(yōu)勢(shì)：

（1）減少列車的誤診斷，大大提高列車診斷功能的正確性；

（2）更大程度的細(xì)化列車診斷功能，為司機(jī)提供了強(qiáng)大的故障處理提示；

（3）加強(qiáng)列車自我監(jiān)控及調(diào)制功能，如軸溫的檢測(cè)點(diǎn)［4］。

［1］IEC.IEC 61375－1：1999（E）Electric rail way equipment－Train bus［S］.1999.

［2］李常賢，吳 健，寧壽輝.分布式 MVB通訊控制模塊［J］.內(nèi)燃機(jī)車，2005，3：20－21.

［3］謝維達(dá)，趙亞輝，徐曉松.現(xiàn)場(chǎng)總線與列車通信網(wǎng)絡(luò)［J］.工業(yè)控制計(jì)算機(jī).2002，15（1）：5－10.

［4］張?jiān)?列車控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)［J］.電力機(jī)車與城軌車輛，2006，4：24－26.