北京地鐵7號線列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)

趙 磊

（北京地鐵車輛裝備有限公司技術(shù)中心，100079，北京∥工程師）

北京地鐵7號線列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)

趙 磊

（北京地鐵車輛裝備有限公司技術(shù)中心，100079，北京∥工程師）

介紹了北京地鐵7號線的列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的硬件配置、關(guān)鍵控制功能、設(shè)計(jì)創(chuàng)新點(diǎn)，以及功能測試和型式試驗(yàn)。測試結(jié)果表明：北京地鐵7號線列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)符合設(shè)計(jì)預(yù)期，系統(tǒng)硬件的性能完全滿足功能需求，系統(tǒng)軟件的可靠性、穩(wěn)定性達(dá)到了列車運(yùn)行要求。但是，對于正線運(yùn)營的列車來說，列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的安全性和可靠性仍需要通過實(shí)際運(yùn)營來驗(yàn)證。

地鐵；列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)；多功能車輛總線

Author'saddressTechnology Center of Beijing Subway Rolling Stock Equipment Co.，Ltd.，100079，Beijing，China

北京地鐵7號線的列車為8輛編組，車輛為B1型電動客車。其列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)（Train Control and Manager System，簡為TCMS））采用的是北京地鐵車輛裝備有限公司（以下簡稱“京車公司”）自主研發(fā)的系統(tǒng)，硬件采用的是青島四方車輛研究所有限公司的國產(chǎn)化產(chǎn)品；網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)、控制邏輯軟件及顯示屏軟件均由京車公司獨(dú)立設(shè)計(jì)、開發(fā)。由于在7號線TCMS的采購合同中明確了：初期列車為6輛編組配置，7號線運(yùn)營后列車再擴(kuò)展到8輛編組。因此，TCMS按6輛編組列車進(jìn)行設(shè)計(jì)，預(yù)留了在TCMS架構(gòu)不變的原則下擴(kuò)編到8輛的接口。在7號線首列列車制造期間，用戶要求TCMS直接按照8輛編組開通，因此，京車公司又進(jìn)行“6改8”的擴(kuò)編設(shè)計(jì)。目前，已經(jīng)完成了TCMS（8輛編組列車）上車后的整車型式試驗(yàn)。

1 系統(tǒng)配置

北京地鐵7號線列車采用6動2拖的8輛編組形式，TCMS總線采用符IEC 61375標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的MVB-EMD（電氣中距離）總線。系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 北京地鐵7號線8輛編組TCMS拓?fù)鋱D

在圖1中，除了列車自動控制系統(tǒng)（ATC）控制器采用MVB-RS485網(wǎng)關(guān)進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換以外，其他所有的控制器均通過其自身的MVB-EMD通信接口接入到MVB（多功能車輛總線）網(wǎng)絡(luò)。關(guān)鍵子系統(tǒng)，如牽引控制系統(tǒng)、輔助電源控制系統(tǒng)、制動控制系統(tǒng)、信號系統(tǒng)、車門系統(tǒng)等均具有硬線接口，便于在TCMS故障時，進(jìn)行緊急牽引操作。系統(tǒng)配置縮略詞釋義見表1。

表1 TCMS設(shè)備配置縮略詞對照表

2 TCMS設(shè)備介紹

2.1 中央控制單元（CCU）

每輛帶司機(jī)室的拖車（TC）的司機(jī)室電氣柜中都有1臺CCU。CCU作為TCMS的中央控制單元，管理網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。在正常運(yùn)行情況下，其中1臺CCU為主控制設(shè)備，另1臺為備用設(shè)備，備用設(shè)備實(shí)時監(jiān)視主控制設(shè)備狀態(tài)；當(dāng)主控制設(shè)備出現(xiàn)故障時，備用設(shè)備將代替主控制設(shè)備行使中央控制單元的功能，以保障整個列車網(wǎng)絡(luò)正常工作；2臺設(shè)備切換時間小于2 s，不影響系統(tǒng)正常工作，不影響列車正常運(yùn)營。

CCU的主要功能有：

（1）MVB總線通信調(diào)度——通過CCU中內(nèi)置的總線管理器BA實(shí)現(xiàn)列車網(wǎng)絡(luò)的總線調(diào)度。

（2）列車運(yùn)行控制、監(jiān)視——CCU中運(yùn)行的程序作為列車運(yùn)行控制的軟邏輯，與列車硬線控制邏輯一起實(shí)現(xiàn)整車的控制、監(jiān)視功能。

2.2 司機(jī)室人機(jī)接口（HMI）

每輛TC車的司機(jī)臺上都安裝有1臺HMI，它通過車輛總線MVB獲取列車及設(shè)備信息，為司機(jī)及維修人員提供監(jiān)視及操作的人機(jī)接口，實(shí)時顯示車輛參數(shù)、系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，并實(shí)時提示車輛故障信息。另外，人機(jī)接口作為部分車輛參數(shù)的輸入接口，可以進(jìn)行時間、列車車次、輪徑等參數(shù)的設(shè)置。

2.3 列車數(shù)據(jù)及事件記錄器（ERM）

ERM是列車信息采集和記錄的關(guān)鍵設(shè)備，位于司機(jī)室電氣柜中，以滾動存儲的方式保存數(shù)據(jù)（先進(jìn)先出的原則FIFO）。在正常情況下，2臺ERM同時工作，互為備份，記錄主CCU收發(fā)的重要數(shù)據(jù)以及MVB總線上的故障信息。

2.4 遠(yuǎn)程輸入輸出模塊（RIOM）

RIOM備安裝在每輛車的電氣控制柜內(nèi)。遠(yuǎn)程輸入輸出模塊完成列車各種數(shù)字量信號采集、數(shù)字量開關(guān)信號輸出、模擬量信號采集等工作。其中，模擬量PWM、電壓、電流采集范圍可以根據(jù)外部負(fù)載的變化進(jìn)行配置，滿足車輛整體設(shè)計(jì)要求。

RIOM數(shù)量可進(jìn)行靈活配置，在滿足車輛整體原理設(shè)計(jì)需求的基礎(chǔ)上，預(yù)留了部分設(shè)計(jì)余量，充分滿足后續(xù)功能擴(kuò)展的需求。

2.5 中繼器（RPT）

中繼器是滿足IEC 61375標(biāo)準(zhǔn)的0類設(shè)備，是冗余管理的MVB-EMD中繼設(shè)備，為列車網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性提供了保障。中繼器可以通過接收到的數(shù)據(jù)幀識別數(shù)據(jù)傳輸方向，將數(shù)據(jù)幀從一個網(wǎng)段中繼傳輸?shù)搅硪粋€網(wǎng)段。

RPT的主要功能有：MVB信號再生及放大傳輸；偵測網(wǎng)絡(luò)上的信號沖突并進(jìn)行相應(yīng)的處理。

3 TCMS關(guān)鍵功能介紹

TCMS通過系統(tǒng)各硬件設(shè)備以及CCU軟件邏輯實(shí)現(xiàn)對列車的控制及監(jiān)視功能，其主要控制功能有：牽引制動指令控制、牽引制動力設(shè)定值控制、牽引母線高速斷路器BHB/BLB閉合控制、擴(kuò)展供電接觸器閉合控制、保持制動緩解指令控制、電制動指令控制。

3.1 牽引母線高速斷路器閉合控制

對于第三軌受流的列車牽引系統(tǒng)，每個動力單元之間的牽引母線在庫內(nèi)停車時需要斷開，當(dāng)列車進(jìn)入到正線運(yùn)營時，需要將牽引母線貫通，使每個動力單元的電力供應(yīng)在列車通過斷電區(qū)時不會中斷。對于高速斷路器的控制難度在于精確地閉合指令時長控制、閉合次數(shù)限制、異常動作保護(hù)以及故障復(fù)

位等。

TCMS接收到司機(jī)發(fā)出的閉合指令后，綜合判斷速度、車輛運(yùn)行狀態(tài)、故障狀態(tài)后，作出允許閉合或者禁止閉合指令，并將該指令發(fā)送給RIOM的DO模塊，最終控制斷路器閉合、斷開。

3.2 擴(kuò)展供電接觸器閉合控制

列車的兩套輔助電源系統(tǒng)為整車的中、低壓負(fù)載提供工作電源，在正常情況下，兩套輔助電源系統(tǒng)同時工作，分別為本單元半列車的中、低壓負(fù)載供電。當(dāng)其中一套輔助電源系統(tǒng)工作異常時，另外一套正常工作的輔助電源系統(tǒng)對另半列車進(jìn)行擴(kuò)展供電，承擔(dān)起整列車的中、低壓負(fù)載供電。在進(jìn)行擴(kuò)展供電之前，首先要將全列車的中、低壓負(fù)載進(jìn)行減半處理，確認(rèn)其處于半載運(yùn)行模式或者功耗低于半載的其他運(yùn)行模式后，進(jìn)行擴(kuò)展供電。當(dāng)故障的輔助電源系統(tǒng)恢復(fù)正常后，需要撤銷擴(kuò)展供電指令、撤銷減載指令，恢復(fù)正常供電狀態(tài)。

在擴(kuò)展供電動作中，輔助電源系統(tǒng)故障判斷、減載指令發(fā)出撤銷、減載狀態(tài)確認(rèn)以及接觸器閉合斷開動作，都是由TCMS的CCU在其軟件邏輯中實(shí)現(xiàn)的。

3.3 保持制動緩解指令控制

當(dāng)列車停車時，制動系統(tǒng)會自動施加保持制動以確保列車靜止；當(dāng)列車再次啟動時，應(yīng)首先緩解保持制動，TCMS的CCU根據(jù)牽引系統(tǒng)的牽引狀態(tài)以及牽引力大小進(jìn)行綜合判斷，如果滿足起車條件，將向制動系統(tǒng)發(fā)出緩解保持制動指令，避免坡道溜車以及列車在閘瓦未釋放的情況下啟動，造成閘瓦過度磨耗。

4 TCMS顯示屏界面介紹

TCMS顯示屏界面采用QtCreator 4.7軟件工具進(jìn)行開發(fā)，界面共126個，界面共分3級，如圖2所示。

圖2 HMI主要界面分級框圖

界面設(shè)計(jì)風(fēng)格簡潔、直觀，顯示信息量大，在“運(yùn)行”界面中，主要顯示了列車運(yùn)行的各種參數(shù)，便于司機(jī)對列車的操控以及對關(guān)鍵系統(tǒng)狀態(tài)的掌握。在“運(yùn)行”界面中，上部為列車狀態(tài)欄，中部為主信息顯示區(qū)，下部為導(dǎo)航按鈕區(qū)。在“網(wǎng)絡(luò)”界面中，主要顯示了TCMS的通信狀態(tài)，便于檢修、維護(hù)人員對TCMS的調(diào)試及維護(hù)。在“網(wǎng)絡(luò)”界面中，綠色的設(shè)備表示設(shè)備通信正?；蛘咴撛O(shè)備為主設(shè)備，黃色的設(shè)備表示設(shè)備通信正常且為從設(shè)備，紅色的設(shè)備表示設(shè)備通信異常。

5 TCMS的控制邏輯

TCMS的控制邏輯設(shè)計(jì)是在硬線控制邏輯的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，兩者相互配合，實(shí)現(xiàn)整車控制功能?？刂七壿嬮_發(fā)流程按照EN 50128執(zhí)行，開發(fā)工具采用Simulink。針對TCMS的功能需求，設(shè)計(jì)開發(fā)了專用的功能模塊庫，具有很大的開放性，使用靈活、便于集成。另外，控制邏輯采用分級、模塊化設(shè)計(jì)，易于設(shè)計(jì)和維護(hù)，如圖3所示。

圖3 邏輯開發(fā)流程圖

6 試驗(yàn)

在北京地鐵7號線TCMS的設(shè)計(jì)過程中，按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行了充分的測試、試驗(yàn)，主要包括以下5個階段：MVB-EMD一致性測試；通信協(xié)議功能測試；地面聯(lián)調(diào)試驗(yàn)；裝車后的型式試驗(yàn)；動態(tài)型式試驗(yàn)。其中，地面聯(lián)調(diào)試驗(yàn)包括6輛編組以及8輛編組列車的地面聯(lián)調(diào)試驗(yàn)。

6.1 MVB一致性測試

TCN（列車通信網(wǎng)絡(luò)專用標(biāo)準(zhǔn)）網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品一致性測試（MVB-EMD部分），是為驗(yàn)證被測設(shè)備遵循MVB-EMD通信設(shè)備的要求，是MVB-EMD網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品具有互操作性的依據(jù)，測試項(xiàng)點(diǎn)符合IEC 61375-2標(biāo)準(zhǔn)。

設(shè)備測試波形如圖4所示，在該波形中，可以看出MVB幀的穩(wěn)態(tài)幅值為2.25 V左右，過沖小于10%，兩個連續(xù)脈沖的穩(wěn)態(tài)幅值差在±100 m V以內(nèi)，符合IEC 61375-2標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖4 控制器波形測試

6.2 通信協(xié)議功能測試

為了確保CCU與各子系統(tǒng)控制器之間的正常數(shù)據(jù)通信，在地面聯(lián)調(diào)之前進(jìn)行了通信協(xié)議功能測試。按照事先制定的通信協(xié)議，CCU與各子系統(tǒng)控制器之間對逐個變量進(jìn)行接收、發(fā)送測試。通信協(xié)議測試是確保MVB通信一致性的重要措施。

6.3 地面聯(lián)調(diào)試驗(yàn)

地面聯(lián)調(diào)試驗(yàn)是將TCMS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中所有的MVB控制器在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行組網(wǎng)試驗(yàn)。地面聯(lián)調(diào)試驗(yàn)是在上車調(diào)試之前對TCMS功能的全面驗(yàn)證。在北京7號線的地面聯(lián)調(diào)試驗(yàn)中，分別對6輛編組和8輛編組列車的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了兩次全面試驗(yàn)，組網(wǎng)時嚴(yán)格按照實(shí)車接線方式、線路長度布置，并在試驗(yàn)室靜態(tài)環(huán)境下對網(wǎng)絡(luò)功能進(jìn)行了有效測試。

為了充分驗(yàn)證系統(tǒng)功能、更加真實(shí)地模擬實(shí)車操作，特地制作了數(shù)字量輸入、數(shù)字量輸出以及模擬量輸入工裝以模擬實(shí)車開關(guān)、司控器手柄、ATC等設(shè)備。

在地面聯(lián)調(diào)試驗(yàn)中，除了進(jìn)行軟件邏輯測試外，還利用特殊電纜分析儀、示波器、TCN協(xié)議分析儀等工具進(jìn)行了線路特性測試。如圖5所示，曲線為A線MVB幀波形，從該波形可以看出，其主幀脈沖穩(wěn)態(tài)幅值約為950 m V，從幀脈沖穩(wěn)態(tài)幅值約為700 mV，幀期長度符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

6.4 型式試驗(yàn)

為了實(shí)車驗(yàn)證網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)功能，制定了詳細(xì)的型式試驗(yàn)大綱，并嚴(yán)格按照大綱要求逐條進(jìn)行詳細(xì)驗(yàn)證和記錄。主要驗(yàn)證了牽引限速控制、里程累積記錄、能耗計(jì)算記錄、電空制動配合控制等功能。

圖5 線路波形測試

7 優(yōu)化及創(chuàng)新點(diǎn)設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)之初，針對北京地鐵7號線TCMS招標(biāo)文件要求進(jìn)行了充分分析、論證，對于以往項(xiàng)目中沒有過的新要求進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

7.1 擴(kuò)編接口預(yù)留

北京地鐵7號線項(xiàng)目在招標(biāo)時，設(shè)計(jì)為4動2拖6輛編組，同時要求預(yù)留8輛編組擴(kuò)編接口。在設(shè)計(jì)時響應(yīng)了招標(biāo)文件要求，在設(shè)計(jì)6輛編組網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時充分考慮了擴(kuò)編需求，在M1、M2車上預(yù)先鋪設(shè)了擴(kuò)編電纜、分線盒；在擴(kuò)編時，無需對6輛編組列車上的設(shè)備做任何改動即可完成擴(kuò)展，方便后續(xù)操作，如圖6所示。

圖6 北京地鐵7號線6輛編組列車網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

與圖1相比較，擴(kuò)編之后無需改動干線，并且可以保證擴(kuò)編之后的網(wǎng)段長度滿足IEC61375標(biāo)準(zhǔn)中對MVB-EMD線路長度的要求。

7.2 ERM設(shè)計(jì)

北京地鐵7號線列車ERM采用單獨(dú)機(jī)箱設(shè)計(jì)，并采用獨(dú)立電源，確保了設(shè)備工作的可靠性和穩(wěn)定性。在本項(xiàng)目中，ERM的記錄容量為：運(yùn)行數(shù)據(jù)保存15天、故障數(shù)據(jù)保存10 000條、乘車率記錄保存

1 000條、試運(yùn)行記錄保存500條、版本號記錄保存1 000條、輪徑記錄保存1 000條、AW0（空載）載荷記錄文件保存1 000條。ERM記錄的大部分?jǐn)?shù)據(jù)來自于MVB網(wǎng)絡(luò)，除此之外，ERM還具有充足數(shù)量的數(shù)字量采集模塊和模擬量采集模塊，可以直接采集硬線信息。其中數(shù)字量采集模塊可以用于硬線控制指令、狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集，模擬量采集模塊可以用于牽引、制動設(shè)定值的采集。這樣設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)主要有兩點(diǎn)，一是硬線采集數(shù)據(jù)速度更快；二是當(dāng)MVB通信故障時，ERM還可以繼續(xù)記錄一些重要信息，有利于列車運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控以及系統(tǒng)故障分析、解決。

7.3 分線過橋設(shè)計(jì)

按照IEC 61375標(biāo)準(zhǔn)，MVB-EMD采用冗余介質(zhì)進(jìn)行傳輸。為了減少因車輛間過橋電纜斷裂或者連接器松動對MVB通信造成的影響，MVB電纜在車輛間過橋時采用分線設(shè)計(jì)；通過MVB分線盒將電纜的A、B兩路分為兩根獨(dú)立的電纜，通過兩個不同的車端連接器跨過車輛間，到下一節(jié)車廂后，再通過MVB分線盒將兩根電纜合為一根電纜。這種設(shè)計(jì)能夠提供MVB通信的可靠性，進(jìn)而提升網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

8 結(jié)語

北京地鐵7號線TCMS硬件均采用工業(yè)級元件，并且在選型上采用經(jīng)過多個項(xiàng)目運(yùn)營考驗(yàn)的成熟、穩(wěn)定產(chǎn)品，并且針對本項(xiàng)目需求進(jìn)行優(yōu)化、升級，性能上完全滿足列車功能需求。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)、測試流程按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行，其可靠性、穩(wěn)定性達(dá)到列車運(yùn)行要求。系統(tǒng)控制功能設(shè)計(jì)以整車硬線原理為基礎(chǔ)，經(jīng)過多次設(shè)計(jì)聯(lián)絡(luò)、論證，并在聯(lián)調(diào)過程中，不斷優(yōu)化、完善。

北京地鐵7號線TCMS經(jīng)過了一致性測試、功能測試、地面聯(lián)調(diào)試驗(yàn)、型式試驗(yàn)等全面驗(yàn)證，并且完成了廠內(nèi)試驗(yàn)以及在長春軌道客車股份有限公司試驗(yàn)線上的型試試驗(yàn)，測試結(jié)果符合設(shè)計(jì)預(yù)期。但是對于正線運(yùn)營來說，仍需要通過運(yùn)營來驗(yàn)證系統(tǒng)的安全性和可靠性。

［1］ IEC 61375 Train Communication Network［S］.

［2］ 倪文波，王雪梅.高速列車網(wǎng)絡(luò)與控制技術(shù)［M］.成都：西南交通大學(xué)出版社，2008.

［3］ 陽憲惠.現(xiàn)場總線技術(shù)及其應(yīng)用［S］.2版.北京：清華大學(xué)出版社，2008.

［4］ 謝維達(dá)，邵德榮.城市地鐵與輕軌列車的微機(jī)控制系統(tǒng)［J］.電力機(jī)車技術(shù)，2001，24（3）：10.

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

［6］ 朱琴躍.列車通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)時性理論與方法研究［D］.上海：同濟(jì)大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院，2008.

Train Control and Management System of Beijing Metro Line 7

Zhao Lei

In this paper，the TCMS of Beijing metro Line 7 is introduced，including the hardware configuration，key control function，innovative design and the functional test，which confirms with the design purpose，both the hardware and software could meet the requirements of train operation.But for a train in line operation，the safety and reliability of TCMS shall be further validated through practical operation.

metro；train control and manager system（TCMS）；multifunction vehicle bus（MVB）

U 231.7

2014-03-28）