高速動車組列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)自主化研制及應(yīng)用

■ 高楓 趙紅衛(wèi) 黃志平 王立文

高速動車組列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)自主化研制及應(yīng)用

■ 高楓 趙紅衛(wèi) 黃志平 王立文

高速動車組列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)作為動車組的神經(jīng)中樞系統(tǒng)，完成列車的控制、監(jiān)視、診斷與保護(hù)任務(wù)，是動車組的核心系統(tǒng)和關(guān)鍵技術(shù)，也是國外公司技術(shù)封鎖的重點(diǎn)。介紹自主研制的高速動車組列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的主要功能、關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用情況。運(yùn)用考核結(jié)果表明，該系統(tǒng)功能、性能和技術(shù)指標(biāo)滿足高速動車組技術(shù)指標(biāo)要求，突破了國外公司的技術(shù)壟斷和限制，系統(tǒng)掌握了列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的核心技術(shù)。

動車組；列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)；中央控制單元；人機(jī)界面顯示屏；輸入輸 出工作站

高速動車組列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)是動車組的核心系統(tǒng)和關(guān)鍵技術(shù)。通過對既有高速動車組列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)控制軟件、通信協(xié)議、硬件接口及系統(tǒng)功能和主要性能參數(shù)進(jìn)行研究，結(jié)合動車組運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了動車組列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的自主研制。在保證動車組的技術(shù)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)體系、硬件安裝尺寸與安裝方式、電氣接口以及功能和性能不變的前提下，實(shí)現(xiàn)了列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的自主替代。經(jīng)過引進(jìn)、消化、吸收并自主創(chuàng)新后，掌握了系統(tǒng)的核心技術(shù)，突破了國外公司的技術(shù)壟斷和限制。以下重點(diǎn)介紹自主研制的高速動車組列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)（簡稱系統(tǒng)）的主要功能、關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用情況。

1 系統(tǒng)組成

1.1 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)采用列車級、車輛級兩級總線式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（見圖1）。

8輛編組動車組由2個牽引單元構(gòu)成，每個牽引單元為一個多功能車輛總線（MVB）網(wǎng)段，每個MVB網(wǎng)段采用了主鏈-分支結(jié)構(gòu)，每輛車都設(shè)有中繼器，將一個牽引單元內(nèi)的MVB分成多個分支。主鏈-分支結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于任何一個MVB分支故障后不會影響其他分支網(wǎng)絡(luò)及主干網(wǎng)絡(luò)的通信。同時，在動車組的端車各設(shè)置了2個MVB分支，重要的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備冗余安裝在2個分支上，即使一個MVB分支故障也不會影響列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的正常工作。

每個牽引單元通過網(wǎng)關(guān)將MVB協(xié)議轉(zhuǎn)換為列車總線（WTB）協(xié)議，各牽引單元間通過WTB進(jìn)行通信。中央控制單元（主從CCU和附屬網(wǎng)關(guān)）、人機(jī)界面顯示器、分布式輸入輸出站、溫度采集裝置、遠(yuǎn)程無線傳輸裝置，以及各智能子系統(tǒng)控制器等設(shè)備通過MVB連接到一個牽引單元內(nèi)的通信控制網(wǎng)絡(luò)上。廁所系統(tǒng)、軸承溫度傳感器、車輛編碼器、煙霧探測器通過電纜連接到分布式輸入輸出工作站，再由工作站的車輛總線接口與牽引單元內(nèi)部設(shè)備進(jìn)行通信。

1.2 系統(tǒng)設(shè)備組成

動車組網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)主要包括：中央控制單元、人機(jī)接口顯示屏、輸入輸出工作站、C型輸入輸出模塊、溫度采集模塊、遠(yuǎn)程無線傳輸裝置、網(wǎng)關(guān)、中繼器等（見圖2）。

圖1 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)硬件研制

2.1 中央控制單元

中央控制單元（CCU）采用通用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并使用特殊的背板總線結(jié)構(gòu)。在該背板總線構(gòu)成的機(jī)箱中，可以經(jīng)過不同功能板卡的組合完成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的控制任務(wù)。CCU由9種14塊板卡組成，主要包括：

圖2 系統(tǒng)設(shè)備組成

（1）TCN網(wǎng)關(guān)板卡。每個牽引單元有2個網(wǎng)關(guān)，但只有加載在主CCU上的網(wǎng)關(guān)參與WTB和MVB通信，從CCU上的網(wǎng)關(guān)不工作。網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)WTB和MVB間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。此外，網(wǎng)關(guān)還進(jìn)行列車命名工作，包括“TCN命名”和“邏輯命名”（UIC命名），并提供配置信息。

（2）中央處理單元CPU板卡。 該板卡由一個中央處理單元構(gòu)成，主要用于運(yùn)行操作系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)應(yīng)用程序。

（3）輸入/輸出信號調(diào)理板卡。用于中央處理單元CPU和其他所有輸入/輸出板卡的接口，其通過數(shù)據(jù)總線和地址總線與CPU卡相連接，此模塊可以實(shí)現(xiàn)23路外部模擬信號和2路內(nèi)部模擬信號的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換。

（4）多功能MVB板卡。MVB板卡完成與車輛總線的通信，自主研制的MVB板卡采用FPGA實(shí)現(xiàn)TCN通信協(xié)議棧，符合IEC 61375標(biāo)準(zhǔn)要求。

（5）模擬量輸入/輸出板卡。該板卡完成模擬信號的采集和轉(zhuǎn)化，主要用于讀取列車網(wǎng)壓信號。

（6）110 V二進(jìn)制輸入/輸出板卡。該板卡完成110 V二進(jìn)制電壓信號的讀取和輸出，主要用于對列車相關(guān)繼電器狀態(tài)進(jìn)行讀取或控制繼電器動作。

（7）源邊電流監(jiān)控板卡。該板卡專門針對動車組變壓器保護(hù)設(shè)計(jì)，對列車網(wǎng)流信號進(jìn)行監(jiān)控，一旦發(fā)現(xiàn)網(wǎng)流瞬時值超限，立刻通過CCU相關(guān)接口斷開列車主斷路器。

（8）電源啟動板卡。該板卡用于一、二次電源電壓監(jiān)控和控制系統(tǒng)電源的接通和斷開。在CCU啟動過程中，接通電源的瞬間啟動電流較大，但時間很短。該模塊允許出現(xiàn)瞬間的過流，但對正常工作后產(chǎn)生的過流，模塊將作為不穩(wěn)定的電源供應(yīng)，并切斷電源。

（9）電源板卡。完成110 V電壓到5 V的轉(zhuǎn)換，為整個機(jī)箱提供電源。

2.2 人機(jī)接口顯示屏

人機(jī)接口顯示屏（HMI）主要包括CPU電路（包括MVB通信部分）、電源模塊、顯示器模塊、存儲器及外圍接口電路。主CPU電路模塊采用超低功耗處理器，通過PC104總線接口與MVB通信模塊接口，規(guī)范化的設(shè)計(jì)提高了產(chǎn)品的可靠性。電源模塊部分采用110 V DC/DC高可靠車載隔離電源模塊，具有極高的轉(zhuǎn)換效率與良好的熱設(shè)計(jì)。顯示器模塊采用高對比度、低反射TFT顯示屏，LED背光，外部有防眩暈玻璃面板保護(hù)。人機(jī)接口顯示屏采用2個寬溫高可靠工業(yè)級存儲器，4G CF卡用于安裝操作系統(tǒng)，4G DOM用于存儲應(yīng)用數(shù)據(jù)。面板引出接口包括2路MVB接口、2路網(wǎng)絡(luò)接口、2路串口、電源接口、音頻接口等。

2.3 溫度采集模塊

溫度采集模塊實(shí)現(xiàn)對20個通道的Pt100溫度采集，每個采集通道采用四線制，模擬采集電路主要采用12位AD采樣芯片，輸出采用MVB通信接口。溫度采集模塊具有過程數(shù)據(jù)通信功能，設(shè)備的MVB端口地址與設(shè)備地址有關(guān)，通過4個外部輸入信號可以配置設(shè)備地址。模塊具有完善的診斷功能，可檢測斷路、短路及每一路溫度采集信號的有效性，溫度測量范圍為-40～250 ℃。主要技術(shù)參數(shù)見表1。

2.4 C型輸入輸出模塊

C型輸入輸出模塊具有2個DC 24 V電源輸出、2組16通道輸入、1組8通道輸出和2組10通道高速輸入。輸入輸出模塊具有過程數(shù)據(jù)通信功能，設(shè)備的MVB端口地址與設(shè)備地址有關(guān)，通過4個外部輸入信號可以配置設(shè)備地址。模塊具有完善的診斷功能，對輸入和輸出通道的DC 24 V供電進(jìn)行分組管理，具有限流和過流保護(hù)能力。通過MVB輸出端口把各分組電源供電的狀態(tài)傳輸?shù)組VB網(wǎng)絡(luò)上，并對MVB輸入數(shù)據(jù)有宿端口監(jiān)視功能。主要技術(shù)參數(shù)見表2。

2.5 輸入輸出工作站

輸入輸出工作站主要包括：獨(dú)立電源模塊（110 V/24 V）、DC 110 V輸入模塊、DC 110 V輸出模塊，主CPU模塊和MVB總線模塊。根據(jù)需求可以掛接多個DC 110 V輸入模塊（最多12個模塊）和多個DC110 V輸出模塊（最多12個模塊）。每個輸入模塊包含16個DC 110 V輸入通道，每個輸出模塊包含8個DC 110 V輸出通道，輸入和輸出通道均有指示燈顯示當(dāng)前通道的工作狀態(tài)。工作站采用獨(dú)特的模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，擴(kuò)展性強(qiáng)，可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求進(jìn)行靈活配置。輸入、輸出和基座殼體設(shè)計(jì)立體效果見圖3，主要技術(shù)參數(shù)見表3。

表1 溫度采集模塊主要技術(shù)參數(shù)

表2 C型輸入輸出模塊主要技術(shù)參數(shù)

2.6 MVB中繼器

MVB中繼器提供了在不同的EMD介質(zhì)的MVB網(wǎng)段之間的物理連接。在節(jié)點(diǎn)數(shù)目超過32個或傳輸距離超過200 m的MVB網(wǎng)絡(luò)中必須使用中繼器。MVB中繼器通過對數(shù)據(jù)信號的重新發(fā)送或轉(zhuǎn)發(fā)進(jìn)而擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)傳輸距離。

2.7 遠(yuǎn)程無線傳輸裝置

遠(yuǎn)程無線傳輸裝置可滿足對運(yùn)行動車組的安全狀態(tài)與故障情況進(jìn)行實(shí)時動態(tài)跟蹤監(jiān)控、提供遠(yuǎn)程技術(shù)支持和故障應(yīng)急指導(dǎo)并即時組織維修的實(shí)際運(yùn)用需求。采用了車載網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、微處理器技術(shù)、GPRS無線傳輸技術(shù)、WLAN無線局域網(wǎng)技術(shù)。

3 系統(tǒng)軟件研制

系統(tǒng)軟件主要包括：中央控制單元軟件、人機(jī)接口顯示屏軟件、各網(wǎng)絡(luò)設(shè)備嵌入式軟件及通信數(shù)據(jù)庫軟件。

3.1 中央控制單元軟件

中央控制單元軟件開發(fā)過程根據(jù)EN 50126中定義的V模型，分為系統(tǒng)和要求定義、設(shè)計(jì)和制造、運(yùn)行系統(tǒng)等階段。

軟件開發(fā)采用的編程工具不但可以實(shí)現(xiàn)整列車運(yùn)行所需的各種控制、監(jiān)視、診斷功能，而且也可以實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜實(shí)時運(yùn)算和控制功能。軟件開發(fā)采用模塊化的圖形語言，編程者基于可視化的圖形編程就可以實(shí)現(xiàn)各種控制目標(biāo)，不需要編程者對硬件系統(tǒng)有非常深入的了解。

圖3 輸入、輸出和基座殼體設(shè)計(jì)立體效果

表3 輸入輸出工作站主要技術(shù)參數(shù)

中央控制單元軟件主要完成其本身牽引單元內(nèi)的車輛控制，從外圍設(shè)備和WTB讀取命令和信息，并向WTB發(fā)送控制信號和反饋信息。主CCU主要完成以下功能：主斷路器和受電弓控制，牽引控制單元（TCU）的牽引設(shè)置點(diǎn)生成，主變壓器保護(hù)，車載電源控制，前端車鉤和遠(yuǎn)端車鉤控制，車門、空調(diào)、照明等高等級命令的生成和控制，安全環(huán)、火警系統(tǒng)和轉(zhuǎn)向架診斷監(jiān)視，穩(wěn)定運(yùn)行控制，裝置診斷，列車總線和車輛總線通信診斷。作為占用端的列車級CCU，除以上工作外，還進(jìn)行整車的更高等級的控制，包括：評估司機(jī)操作臺上的控制元件，整車的牽引設(shè)置點(diǎn)生成，速度自動控制，司機(jī)安全裝置（DSD）、中心距離和速度記錄（CDS），聯(lián)掛/解編控制等。中央控制單元軟件系統(tǒng)架構(gòu)見圖4。

3.2 人機(jī)界面顯示屏軟件

人機(jī)界面顯示屏軟件基于硬件平臺，采用QNX嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)，使用開源的Eclipse的開發(fā)環(huán)境，支持C/C++/Java等語言。

圖4 中央控制單元軟件系統(tǒng)架構(gòu)

人機(jī)界面顯示屏軟件設(shè)計(jì)主要包括界面設(shè)計(jì)和診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)。其中界面設(shè)計(jì)主要包括數(shù)據(jù)狀態(tài)顯示、故障信息處理及顯示屏界面的冗余切換。人機(jī)界面設(shè)計(jì)遵循以下原則： 以用戶為中心的原則、順序原則、功能原則、一致性原則、頻率原則、重要性原則、面向?qū)ο笤瓌t。以司機(jī)室左屏為例，頁面層次結(jié)構(gòu)見圖5。

列車故障診斷是人機(jī)界面顯示屏的重要功能之一。高效的診斷系統(tǒng)能夠提高列車故障的檢修效率，保證列車正常運(yùn)行。診斷系統(tǒng)對故障的診斷可分為在線故障診斷和檢修部門故障診斷兩個階段。其中在線故障診斷主要工作為識別故障、確定列車運(yùn)行狀態(tài)的受限制情況，以及對運(yùn)行限制做出提示/通報(bào)、提供操作說明、保存數(shù)據(jù)，供檢修部門進(jìn)一步診斷故障。檢修部門故障診斷主要工作為提出功能受限的零部件、描述零部件與正常功能時的狀態(tài)偏差及處置建議、維護(hù)人員與故障的管理。

為了高效完成上述兩個階段的工作，診斷系統(tǒng)采用了分級診斷的設(shè)計(jì)思想，即將列車的整體故障診斷分為子系統(tǒng)層面、牽引單元層面和列車組層面。子系統(tǒng)層面主要診斷子系統(tǒng)和零部件故障，分布在各子系統(tǒng)控制單元，診斷出故障原因和功能失效，進(jìn)行本地存儲，功能失效繼續(xù)通報(bào)到中央控制單元故障診斷；牽引單元層面主要診斷中央控制單元故障，分布于各中央控制單元，控制必要報(bào)警的輸出，存儲由各子系統(tǒng)所通報(bào)的功能限制，存儲本單元的所有故障報(bào)警；列車組層面主要診斷列車組綜合故障，主要由司機(jī)顯示屏承擔(dān)中央診斷中心的功能，負(fù)責(zé)存儲所有故障診斷報(bào)警，根據(jù)各單元單個事件，綜合評定全列事件，為用戶（司機(jī)、隨車機(jī)械師、列車乘務(wù)員）形成報(bào)警描述。

圖5 司機(jī)室左屏頁面層次結(jié)構(gòu)

4 系統(tǒng)測試平臺建設(shè)

為確保系統(tǒng)硬件產(chǎn)品質(zhì)量可靠和系統(tǒng)軟件功能正確，自主建立了一整套測試平臺（見圖6）。主要包括：

（1）中央控制單元板卡及整機(jī)出廠例行試驗(yàn)自動測試平臺；

（2）TKD581溫度采集模塊試驗(yàn)臺；

（3）TKD582輸入輸出模塊試驗(yàn)臺；

（4）TKD583輸入輸出工作站試驗(yàn)臺；

（5）TKD584 MVB中繼器試驗(yàn)臺；

（6）列車網(wǎng)絡(luò)一致性測試平臺；

圖6 系統(tǒng)測試平臺

（7）單車調(diào)試平臺：基于車載網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)和以太網(wǎng)通信技術(shù)，為單車調(diào)試測試人員提供了一種便捷的圖形化車輛設(shè)備工作狀態(tài)的識別方法，提高了動車組電氣系統(tǒng)的調(diào)試效率，有效降低了調(diào)試時出錯的概率，為保障動車組的制造質(zhì)量提供了必要的調(diào)試手段；

（8）列車網(wǎng)絡(luò)控制半實(shí)物仿真測試平臺：解決了高速動車組在設(shè)計(jì)開發(fā)過程中，大量實(shí)物試驗(yàn)導(dǎo)致產(chǎn)品研制周期長、成本高及某些試驗(yàn)難以通過實(shí)物試驗(yàn)開展等問題，實(shí)現(xiàn)了以網(wǎng)絡(luò)通信為基礎(chǔ)，輸入信號動態(tài)采集、輸出信號動態(tài)可控、試驗(yàn)仿真可視化，建成了集控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)開發(fā)、控制與診斷邏輯關(guān)系驗(yàn)證、通信性能測試、硬件網(wǎng)絡(luò)設(shè)備測試、各子系統(tǒng)接口和功能測試為一體的高速動車組網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)半實(shí)物仿真測試平臺。

5 系統(tǒng)應(yīng)用

自主研制的列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)硬件已經(jīng)在廣州鐵路（集團(tuán)）公司的動車組上裝車，載客運(yùn)營超過60萬km；自主研制的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)軟件已經(jīng)裝載到北京鐵路局的動車組列車上進(jìn)行載客運(yùn)用考核，運(yùn)營里程已經(jīng)超過40萬km。在此期間，針對京津城際鐵路動車組重聯(lián)運(yùn)行時后弓受流效果不佳造成牽引頻繁丟失情況，協(xié)同主機(jī)廠幫助鐵路局將受電弓的控制模式改為自動控制模式，使受電弓能夠根據(jù)不同速度自動調(diào)整壓力，改善受流狀況。此后軟件裝車考核范圍擴(kuò)大到10列。在運(yùn)用考核期間，系統(tǒng)工作正常，沒有出現(xiàn)影響行車安全及行車秩序的故障。

6 結(jié)束語

列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)作為高速動車組神經(jīng)中樞系統(tǒng)，是動車組的核心系統(tǒng)和關(guān)鍵技術(shù)。在經(jīng)過引進(jìn)、消化、吸收并自主創(chuàng)新后，掌握了列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的核心技術(shù)，主要包括：列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)集成技術(shù)、動車組整車控制邏輯、診斷邏輯與系統(tǒng)冗余設(shè)計(jì)技術(shù)、列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)硬件開發(fā)技術(shù)、列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)軟件開發(fā)技術(shù)、列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)測試平臺建設(shè)、列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)測試及調(diào)試技術(shù)。

該系統(tǒng)經(jīng)過方案設(shè)計(jì)、需求分析、詳細(xì)設(shè)計(jì)、硬件制造、實(shí)驗(yàn)室軟硬件聯(lián)調(diào)測試、裝車?yán)袦y試、正線動靜態(tài)測試和載客運(yùn)行考核各階段，考核結(jié)果表明：自主化列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)功能、性能和技術(shù)指標(biāo)與動車組原型產(chǎn)品相同，可實(shí)現(xiàn)對等替代，滿足高速動車組技術(shù)指標(biāo)要求；系統(tǒng)達(dá)到國外同類產(chǎn)品技術(shù)水平，突破了國外公司的技術(shù)壟斷和限制，同時也對動車組運(yùn)用維護(hù)的各個階段開始產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)和社會效益，具體體現(xiàn)如下：

（1）服務(wù)價值。既吸收國外已有平臺的成功經(jīng)驗(yàn)，又能避免國外平臺在我國運(yùn)用維修中出現(xiàn)的問題，降低運(yùn)用維護(hù)成本。

（2）間接經(jīng)濟(jì)價值。打造動車組網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)平臺，突破既有平臺的技術(shù)約束，使相關(guān)技術(shù)創(chuàng)新不再受限制。

（3）社會價值。開展自主研發(fā)和技術(shù)創(chuàng)新，從頂層設(shè)計(jì)到技術(shù)和產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)，實(shí)踐正向設(shè)計(jì)的全過程，最終全面掌握了系統(tǒng)的核心技術(shù)，為實(shí)現(xiàn)我國動車組的持續(xù)創(chuàng)新和標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)奠定良好基礎(chǔ)。

高 楓：中國鐵道科學(xué)研究院機(jī)車車輛研究所/北京縱橫機(jī)電技術(shù)開發(fā)公司，助理研究員，北京，100081/ 100094

趙紅衛(wèi)：中國鐵道科學(xué)研究院機(jī)車車輛研究所/北京縱橫機(jī)電技術(shù)開發(fā)公司，研究員，北京，100081/ 100094

黃志平：中國鐵道科學(xué)研究院機(jī)車車輛研究所/北京縱橫機(jī)電技術(shù)開發(fā)公司，副研究員，北京，100081/ 100094

王立文：中國鐵道科學(xué)研究院機(jī)車車輛研究所/北京縱橫機(jī)電技術(shù)開發(fā)公司，副研究員，北京，100081/ 100094

責(zé)任編輯 盧敏

U266

A

1672-061X（2015）02-0077-06

鐵道部科技研究開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2012J002）。

所獲獎項(xiàng)：2014年度中國鐵道學(xué)會科學(xué)技術(shù)獎二等獎。