深圳地鐵3號(hào)線列車控制與診斷系統(tǒng)評(píng)價(jià)

李瑞榮 溫志強(qiáng)

(1.廣州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院,510430,廣州; 2.深圳市地鐵集團(tuán)有限公司,518115，深圳∥第一作者，副教授)

深圳地鐵3號(hào)線列車控制與診斷系統(tǒng)評(píng)價(jià)

李瑞榮1溫志強(qiáng)2

(1.廣州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院,510430,廣州; 2.深圳市地鐵集團(tuán)有限公司,518115，深圳∥第一作者，副教授)

介紹了深圳地鐵3號(hào)線列車采用的列車控制與診斷系統(tǒng)(TCDS)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、主要部件的功能及控制原理，分析了TCDS的優(yōu)缺點(diǎn)。該系統(tǒng)是一種分布式列車電子控制系統(tǒng),由雙絞線式列車總線(WTB)、多功能車輛總線(MVB)和RS 485串行總線3個(gè)層級(jí)構(gòu)成,能實(shí)時(shí)、全面、直觀地監(jiān)控列車各子系統(tǒng)的工作狀態(tài)。

地鐵; 列車通信網(wǎng)絡(luò); 列車控制與診斷系統(tǒng)

First-author′s address Guangzhou Railway Polytechnic,510430,Guangzhou,China

列車控制與診斷系統(tǒng)(TCDS)是專為軌道車輛的控制和故障診斷而設(shè)計(jì)的。它將分布于整個(gè)列車的各個(gè)智能單元聯(lián)結(jié)成一個(gè)3層的列車通信網(wǎng)絡(luò)(TCN)。韓國現(xiàn)代Rotem有限公司的TCDS采用分布式、模塊化的實(shí)時(shí)總線控制方式,系統(tǒng)設(shè)計(jì)符合列車通信網(wǎng)絡(luò)的IEC 61375-1標(biāo)準(zhǔn),具有高冗余性和可靠性,廣泛應(yīng)用于香港地鐵、臺(tái)灣地鐵、印度新德里捷運(yùn)、加拿大溫哥華架空列車線及深圳地鐵龍崗線等。本文對(duì)深圳地鐵3號(hào)線的TCDS進(jìn)行分析。

1 TCDS的構(gòu)成

韓國現(xiàn)代Rotem有限公司的TCDS分為列車控制、車輛控制和局部總線控制3個(gè)層級(jí),分別由雙絞線式列車總線(WTB)、多功能車輛總線(MVB)和RS 485串行總線實(shí)現(xiàn)。WTB用于實(shí)現(xiàn)兩個(gè)單元之間的通信,構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)列車控制級(jí)；MVB用于實(shí)現(xiàn)單元內(nèi)部的TCDS、牽引系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、輔助電源系統(tǒng)等設(shè)備間的通信,構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)車輛控制級(jí)；RS 485用于車輛控制單元(VCU)與乘客信息系統(tǒng)(PIS)、車門、空調(diào)間的通信,構(gòu)成局部總線控制級(jí),使不支持MVB的設(shè)備能夠方便地接入列車通信網(wǎng)絡(luò)。WTB通過專用的網(wǎng)關(guān)(VGWS)與MVB相連,進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。WTB和MVB的通信線路均采用雙通道冗余設(shè)計(jì),當(dāng)一路通信線路出現(xiàn)故障時(shí),系統(tǒng)可自動(dòng)切換到另一路通信線路。TCDS網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

一般地鐵列車由6節(jié)車輛編組組成,每3節(jié)為一個(gè)單元。其TCDS所需的典型硬件配置見表1。

2 TCDS主要部件的功能

2.1 中央控制單元(CCU)

CCU是TCDS的核心部件。每列車裝有2個(gè)CCU,分別位于2個(gè)拖車。CCU主要由中央處理器(VCPUS)、VGWS、存儲(chǔ)器板(VMS)、數(shù)字輸入板(VDIS)、數(shù)字輸出板(VDOS)和電源板(VPS)等組成,各板(除VPS外)均通過VME(Versa Module Eurocard)總線進(jìn)行通信。CCU具備如下功能:

(1) 列車級(jí)/車輛級(jí)過程控制:負(fù)責(zé)列車的牽引/制動(dòng)控制運(yùn)算,以及空壓機(jī)啟動(dòng)、空調(diào)啟動(dòng)等一系列控制功能。

(2) 通信管理:具有WTB/MVB管理及2個(gè)CCU間主/備轉(zhuǎn)移和管理的能力。

(3) 顯示控制:與顯示裝置(DU)相關(guān)的數(shù)據(jù)傳輸。

注:CCU—中央控制單元;VCPUS—中央處理器;VMS—存儲(chǔ)器板;VDIS—數(shù)字輸入板;VDOS—數(shù)字輸出板;VPS—電源板;DU—顯示裝置;MVB I/O—輸入輸出模塊;Tc—帶司機(jī)室的拖車;M—?jiǎng)榆?/p>

圖1 TCDS網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 表1 列車TCDS硬件配置表 個(gè)

(4) 故障診斷:采集處理與存儲(chǔ)列車輔助電源、牽引、制動(dòng)、車門、乘客信息、廣播、空調(diào)等子系統(tǒng)的狀態(tài)數(shù)據(jù)和故障數(shù)據(jù)，并通過DU報(bào)告司機(jī)或維護(hù)人員。

(5) 數(shù)據(jù)記錄存儲(chǔ)與下載:具有運(yùn)行記錄數(shù)據(jù)、故障數(shù)據(jù)、耗電量與公里數(shù)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與下載功能,同時(shí)可利用便攜式維護(hù)工具(PTU軟件)進(jìn)行在線查看分析。

2.2 車輛控制單元(VCU)

VCU與CCU的結(jié)構(gòu)組成基本相同,從網(wǎng)絡(luò)控制的角度來看,VCU可做CCU的備份。VCU比CCU少VMS和VDIS,不具備記錄功能,另外,兩者的接口、軟件也不一致。

2.3 多功能車輛總線輸入輸出模塊(MVB I/O)

多功能車輛總線輸入輸出模塊(MVB I/O)負(fù)責(zé)采集列車按鈕開關(guān)、硬線信號(hào)(DC 110 V繼電器控制電路)等數(shù)字輸入信號(hào)和司控器指令編碼等模擬信號(hào)。每列車裝有4個(gè)MVB I/O模塊,分別位于2個(gè)拖車(各2個(gè))。其具備如下功能:

(1) 輸入信號(hào)采集:將采集的數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為MVB網(wǎng)絡(luò)控制的報(bào)文,經(jīng)MVB EMD(電氣中等距離)傳輸給CCU。

(2) 信號(hào)輸出:將MVB網(wǎng)絡(luò)控制的報(bào)文轉(zhuǎn)換為電氣信號(hào),輸出速度信號(hào)給速度表等。

每輛拖車的2個(gè)MVB I/O輸入的信號(hào)完全相同,具備冗余能力。正常狀態(tài)下系統(tǒng)采用MVB_I/O 1的狀態(tài),當(dāng)MVB_I/O 1的生命信號(hào)置0后,采用MVB_I/O 2的輸入信號(hào)。MVB I/O具有28個(gè)數(shù)字輸入通道(DI 01～DI 28)、3 個(gè)模擬輸入通道和1個(gè)RS 485 接口(用于連接速度表)。

2.4 顯示裝置(DU)

DU是司機(jī)和維護(hù)人員的操作窗口,通過MVB EMD連接到CCU。它是一個(gè)基于Pentium M 650 MHz的PC,運(yùn)行Windows XP操作系統(tǒng),帶有觸摸屏彩色LCD(液晶顯示器),使用2 G的CF卡作為資料存儲(chǔ)媒介。每列車裝有2個(gè)DU,分別位于2個(gè)拖車中。其具備如下功能:

(1) 信息顯示:向司機(jī)或維護(hù)人員提供車輛各子系統(tǒng)設(shè)備的工作狀態(tài)、故障信息等。

(2) 參數(shù)設(shè)定:對(duì)空調(diào)溫度、時(shí)間日期、輪徑值和公里數(shù)等參數(shù)進(jìn)行更改與設(shè)定。

(3) 功能測(cè)試:進(jìn)行列車牽引、制動(dòng)、輔助電源、車門等子系統(tǒng)基本參數(shù)的測(cè)試。

(4) 數(shù)據(jù)下載:通過USB接口,將運(yùn)行記錄、故障信息、耗電量與公里數(shù)信息下載到裝有PTU軟件的電腦進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析。

圖2為韓國現(xiàn)代Rotem公司TCDS的DU界面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)框圖。

圖2 DU界面結(jié)構(gòu)框圖

3 TCDS的控制原理

深圳地鐵3號(hào)線列車采用韓國現(xiàn)代Rotem有限公司的TCDS，其通過TCN(MVB+WTB)與全車各主要設(shè)備通信。TCDS將來自牽引手柄或ATO(列車自動(dòng)運(yùn)行)車載設(shè)備的牽引、制動(dòng)指令通過MVB網(wǎng)絡(luò)傳給牽引子系統(tǒng)和制動(dòng)子系統(tǒng),從而控制列車的牽引、制動(dòng)。同時(shí)，其接收來自各個(gè)子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息,以便對(duì)列車進(jìn)行更有效的控制和狀態(tài)監(jiān)測(cè)。當(dāng)列車網(wǎng)絡(luò)故障時(shí),TCDS由于無法有效地控制列車運(yùn)行而可能施加制動(dòng)停車,甚至列車將被迫轉(zhuǎn)入緊急運(yùn)行模式。

3.1 WTB的連接方式及其原理

每輛車的CCU/VCU均配有VGWS,通過雙路冗余的WTB電纜將6個(gè)VGWS串聯(lián),構(gòu)成列車通信級(jí)的WTB網(wǎng)絡(luò)。WTB的信息傳輸順序如圖3所示。WTB主要實(shí)現(xiàn)2個(gè)單元車的CCU的信息交換備份,而車2、3、4、5的VCU對(duì)信息只做傳輸不作處理。深圳地鐵3號(hào)線列車控制系統(tǒng)中,車1的CCU為WTB控制主站,只有車1的CCU能發(fā)出WTB主幀,車6的CCU不能發(fā)。當(dāng)車1的CCU故障后,相鄰車2的VCU自動(dòng)備份為WTB主站,代替車1發(fā)送WTB主幀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集;車2的VCU故障后則車3的VCU作為備份自動(dòng)切換為WTB主站。只有當(dāng)車1所在單元車的CCU和VCU全部故障后,WTB通信才中止。當(dāng)車2、3 VCU備份為WTB主站時(shí),其只能起到代替車1的CCU發(fā)送主幀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的作用,而不能存儲(chǔ)列車的信息,所有的信息經(jīng)WTB傳送至車6的CCU并存儲(chǔ)于VMS中。WTB的數(shù)據(jù)傳輸速度為1 Mbit/s,最大循環(huán)周期為25 ms。

3.2 MVB的連接方式及其原理

深圳地鐵3號(hào)線列車MVB同樣采用雙路冗余設(shè)計(jì),傳輸介質(zhì)為EMD,傳輸速度為1.5 Mbit/s,通信距離可達(dá)200 m。MVB將一個(gè)3車單元的內(nèi)部設(shè)備串聯(lián)構(gòu)成一個(gè)MVB網(wǎng)絡(luò)。2個(gè)單元內(nèi)部各有一個(gè)由MVB組成的通信網(wǎng)絡(luò)。連接到MVB的3車單元的子系統(tǒng)包括DU、MVB I/O、制動(dòng)電氣控制單元(BECU)、輔助電源單元(APU)、可變電壓和可變頻率(VVVF)及車載控制器(VATC)。一個(gè)3車單元構(gòu)成的MVB網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)訪問順序如圖4所示。

圖4 MVB通信拓?fù)鋱D結(jié)構(gòu)圖

MVB的主幀由CCU發(fā)出,與WTB不同,車1、車6的CCU都可以發(fā)出MVB主幀。CCU不停發(fā)出狀態(tài)數(shù)據(jù)請(qǐng)求(SDR),各子系統(tǒng)收到CCU發(fā)出的SDR后將其狀態(tài)數(shù)據(jù)(SD)發(fā)送給CCU。主幀包含了SDR,輔幀傳回的內(nèi)容包含SD。CCU通過發(fā)送SDR收集各個(gè)子系統(tǒng)的SD,通過收到的SD實(shí)時(shí)監(jiān)控各子系統(tǒng)的狀態(tài),并在有故障時(shí)通過DU顯示出來。每個(gè)單元的CCU同時(shí)向兩邊發(fā)送狀態(tài)數(shù)據(jù)請(qǐng)求指令,如圖4中淺色箭頭和深色箭頭所示。其中，淺色箭頭環(huán)路主要采集司控器的指令,進(jìn)行牽引制動(dòng)的控制；深色箭頭環(huán)路主要采集各個(gè)子系統(tǒng)的SD,進(jìn)行實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)控。CCU發(fā)出的牽引制動(dòng)指令通過MVB網(wǎng)絡(luò)傳給VVVF和BECU,以實(shí)現(xiàn)列車的網(wǎng)絡(luò)控制。

3.3 WTB和MVB傳輸數(shù)據(jù)類型

(1) 過程數(shù)據(jù)。過程變量表示列車的狀態(tài),如速度、電機(jī)電流、操作員的命令,過程變量的值稱為過程數(shù)據(jù)。過程數(shù)據(jù)的傳輸時(shí)間是確定的和有界的,為保證這一延遲時(shí)間,這些數(shù)據(jù)被周期性地傳送。

(2) 消息數(shù)據(jù)。消息被分成小的包,這些包分別被編號(hào)并由目的站確認(rèn)。消息包及與之相關(guān)的控制數(shù)據(jù)形成消息數(shù)據(jù)。消息數(shù)據(jù)以命令方式傳輸。功能消息被應(yīng)用層所使用，服務(wù)消息用于列車通信系統(tǒng)的管理等。

(3) 監(jiān)視數(shù)據(jù)。監(jiān)視數(shù)據(jù)為短的幀,主設(shè)備用它作同一總線內(nèi)設(shè)備的狀態(tài)校驗(yàn)、聯(lián)機(jī)設(shè)備的檢測(cè)、主權(quán)傳輸、列車初運(yùn)行和其它管理功能。

3.4 幀和報(bào)文格式

以MVB為例,MVB的基本周期為1 ms,由主幀和從幀構(gòu)成,如圖5所示。

圖5 主幀和從幀的構(gòu)成

主幀格式:以主開始分隔符MSD開始,4位F_code碼限制下面的12位并指示從幀大小,Address為F-code碼所限制的12位邏輯地址,用于數(shù)據(jù)處理,CS為時(shí)序校驗(yàn),ED為結(jié)束分隔符。

從幀格式:以輔開始分隔符SSD開始,接著是16位,32位,64位,128位或256位幀數(shù)據(jù),8位時(shí)序校驗(yàn)CS在16位、32位、64位幀數(shù)據(jù)后。當(dāng)幀數(shù)據(jù)長度超過64位時(shí)，幀文每隔64位后就有一個(gè)校驗(yàn)序列CS,最后為結(jié)束分隔符ED。

報(bào)文時(shí)序:主幀和響應(yīng)它的從幀稱為一個(gè)報(bào)文。

報(bào)文類型:過程數(shù)據(jù)、信息數(shù)據(jù)和監(jiān)管數(shù)據(jù)報(bào)文。

4 對(duì)TCDS的評(píng)價(jià)

4.1 TCDS的優(yōu)點(diǎn)

韓國現(xiàn)代Rotem有限公司的TCDS分為列車控制、車輛控制和局部總線控制3個(gè)層級(jí),該控制網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)點(diǎn):

(1) 全面監(jiān)控列車各系統(tǒng)狀態(tài):該系統(tǒng)將列車自動(dòng)控制(ATC)、牽引、制動(dòng)、輔助電源、空調(diào)、乘客信息、廣播、車門以及硬線控制信號(hào)等接入網(wǎng)絡(luò),因此CCU可更加全面地了解車輛各系統(tǒng)的狀態(tài)和故障信息。

(2) 高備份能力:①CCU-VCU功能備份,列車在運(yùn)行過程中,若主控鑰匙激活端的CCU發(fā)生故障,由其相鄰VCU直接替代并對(duì)列車進(jìn)行管理,列車不受任何限制可繼續(xù)運(yùn)行;②CCU-CCU記錄備份,任何一個(gè)CCU發(fā)生故障,另一個(gè)CCU具備事件記錄功能的備份;③WTB和MVB冗余,WTB和MVB通信線路均采用雙通道冗余設(shè)計(jì),當(dāng)一路通信線路出現(xiàn)故障時(shí),系統(tǒng)可以自動(dòng)切換到另一路通信線路,不會(huì)影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的通信;④MVB I/O冗余,每個(gè)拖車各有2個(gè)MVB I/O,其輸入的信號(hào)完全一致,MVB I/O 2長期為MVB I/O 1提供備份功能。

(3) 總線控制方式簡單:總線管理器為CCU,一列車有2個(gè)CCU,以主/從方式工作。

(4) 均衡各層級(jí)傳輸通信數(shù)據(jù):每個(gè)層級(jí)負(fù)責(zé)不同數(shù)據(jù)的傳輸,均衡了各級(jí)總線的數(shù)據(jù)傳輸量，使得數(shù)據(jù)傳輸周期變短變快,實(shí)現(xiàn)控制功能的實(shí)時(shí)性。

4.2 對(duì)TCDS的改進(jìn)意見

通過分析深圳地鐵3號(hào)線列車的列車控制系統(tǒng)及其他地鐵列車控制系統(tǒng)的特點(diǎn),結(jié)合當(dāng)今科技發(fā)展以及對(duì)安全性和速度的追求,提出以下改進(jìn)意見:

(1) WTB和MVB網(wǎng)絡(luò)的A通道和B通道在物理上可改進(jìn)為2根獨(dú)立的電纜。雖然深圳地鐵3號(hào)線也有冗余的A、B通道,但都集中在一根電纜中并共用一個(gè)插頭,當(dāng)一個(gè)設(shè)備的WTB或MVB插頭故障后將影響列車通信。若A、B通道單獨(dú)設(shè)置WTB或MVB插頭,則單個(gè)插頭的故障不會(huì)影響網(wǎng)絡(luò)通信。

(2) 可簡化網(wǎng)絡(luò)層級(jí),進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)傳輸速率,以獲得更短的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間和設(shè)備響應(yīng)時(shí)間,并降低系統(tǒng)成本。例如,西門子公司提供的地鐵列車通信網(wǎng)絡(luò)僅有MVB一個(gè)層級(jí)。由于WTB的傳輸速率是1 Mbit/s,而MVB的傳輸速率是1.5 Mbit/s,全部采用MVB總線可提高數(shù)據(jù)的傳輸速率；同時(shí),層級(jí)的減少可使網(wǎng)絡(luò)更緊湊,提高數(shù)據(jù)傳輸效率。另外,減少層級(jí)可節(jié)省昂貴的網(wǎng)關(guān)設(shè)備,有效降低系統(tǒng)成本。

(3) 可進(jìn)一步擴(kuò)大TCDS的監(jiān)視和控制范圍,將更多的子系統(tǒng)控制器接入網(wǎng)絡(luò)。目前，深圳地鐵3號(hào)線的MVB網(wǎng)絡(luò)沒有將車門子系統(tǒng)和空調(diào)子系統(tǒng)串進(jìn)來,而是通過RS 485串行總線連通到CCU或VCU，經(jīng)內(nèi)部轉(zhuǎn)換才能進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，車門監(jiān)控不能通過網(wǎng)絡(luò)控制。如果將車門和空調(diào)通過MVB網(wǎng)絡(luò)連起來,那么車的可控性能會(huì)更高,效率也會(huì)更高。

5 結(jié)語

深圳地鐵3號(hào)線TCDS采用WTB、MVB和RS 485局部控制總線構(gòu)成的3層結(jié)構(gòu),將分布于整個(gè)列車的各個(gè)子系統(tǒng)聯(lián)結(jié)成一個(gè)列車網(wǎng)絡(luò),以控制和監(jiān)視整個(gè)列車。該系統(tǒng)采用CCU冗余、I/O冗余和總線冗余設(shè)計(jì),且在網(wǎng)絡(luò)故障時(shí)能夠轉(zhuǎn)入緊急運(yùn)行模式,通過硬線控制列車。系統(tǒng)配有診斷設(shè)備、人機(jī)界面、標(biāo)準(zhǔn)化硬件和軟件模塊,使司機(jī)能隨時(shí)對(duì)車輛狀態(tài)進(jìn)行全面、直觀的了解,及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障,具有很高的可靠性和可用性。

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Analysis of Train Control and Dignosis System Adopted in Shenzhen Metro

LI Ruirong, WEN Zhiqiang

The network structure, main functions and control principle of train control and diagnosis system (TCDS) adopted on Shenzhen Metro Line 3 are introduced,the advantrages and disadvantages of TCDSare analyzed.The system is a distributed electronic train control system,there are 3 levels of wire train bus(WTB),multifunction bus(MVB)and 485 serial bus,it could monitor all the status of train subsystems timely,ditrectly and visually.

metro; train communication network; train control and diagnosis system

U 231.6

10.16037/j.1007-869x.2016.07.023

2015-11-05)