新型軌道車輛網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

高 杰， 李文正

(1 重慶中車四方所科技有限公司 技術(shù)研發(fā)部， 重慶 401133；2 中車青島四方車輛研究所有限公司 電子事業(yè)部， 山東青島 266031 )

重慶軌道交通10號線的列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)按照IEC 61375-1—2007標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的列車通信網(wǎng)絡(luò)組建，車輛總線采用MVB總線。MVB網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是專為鐵路應(yīng)用而開發(fā)，能夠滿足鐵路行業(yè)的特殊需求，經(jīng)過了長期、大量的應(yīng)用驗(yàn)證。

重慶軌道交通10號線上網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為“T”型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，總線采用冗余傳輸，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴VB總線的傳輸速率為1.5 Mbit/s。此外，重慶軌道交通十號線加入了列車維護(hù)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，系采用以太網(wǎng)搭建，接入該維護(hù)網(wǎng)絡(luò)的子系統(tǒng)設(shè)備可在維護(hù)網(wǎng)交換機(jī)HUB上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)下載、應(yīng)用程序更新以及狀態(tài)監(jiān)測等功能。

1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1.1 拓?fù)渑渲?/h3>

重慶軌道交通10號線的列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)拓?fù)淙鐖D1所示。

VCU-中央控制單元；ERM-數(shù)據(jù)記錄單元；485GW-網(wǎng)關(guān)；RIOM-遠(yuǎn)程輸入輸出模塊；HMI-人機(jī)接口單元；EDCU-門控制單元；DCU-牽引控制單元；SIV-輔助控制單元；ATC-信號系統(tǒng)；RPT-中繼器；HVAC-通風(fēng)和空調(diào)設(shè)備；BCU-制動控制單元；BCCU-蓄電池管理單元；PIS-廣播系統(tǒng)；HUB-交換機(jī)；MC-司機(jī)控制器；Mc車-帶司機(jī)室的動車；Mp車-帶受電弓的動車；M車-動車。圖1 列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)及維護(hù)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)拓?fù)鋱D

1.2 系統(tǒng)功能

車輛總線采用EMD通信介質(zhì)的MVB，全列由兩個基本對稱的單元組成，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)及維護(hù)系統(tǒng)設(shè)備情況具體如下：

(1)中央控制單元VCU在Mc車各配備1臺，兩個VCU都是MVB總線的主設(shè)備，運(yùn)行中互為熱備。VCU是MVB網(wǎng)絡(luò)的總線管理器，正常情況下，主VCU負(fù)責(zé)對MVB總線進(jìn)行管理，同時實(shí)現(xiàn)對本單元車輛的控制、對車輛設(shè)備的監(jiān)視和診斷。

(2)人機(jī)接口單元HMI在司機(jī)室給配備1臺，主要負(fù)責(zé)人機(jī)交互的功能，負(fù)責(zé)顯示設(shè)備狀態(tài)、指導(dǎo)司機(jī)操作、輸入人工干預(yù)指令和向維修人員提供支持。

(3)車輛由遠(yuǎn)程輸入/輸出設(shè)備RIOM通過MVB接口和車輛總線連接，實(shí)現(xiàn)對車輛電路的主要控制信號采集和控制指令輸出。

(4)數(shù)據(jù)記錄單元ERM實(shí)現(xiàn)對列車主要設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和故障進(jìn)行自動信息采集、記錄，并可通過便攜式測試單元PTU將數(shù)據(jù)讀出和顯示。

(5)中繼器RPT在每輛車上均配置1臺，實(shí)現(xiàn)對MVB信號幀的中繼傳輸，具有冗余的供電和中繼功能模塊。

(6)交換機(jī)HUB在每輛車上均配置1臺，實(shí)現(xiàn)對維護(hù)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的組建。

(7)網(wǎng)關(guān)485GW在Mc車上各配置1臺，實(shí)現(xiàn)RS485/MVB通訊之間的轉(zhuǎn)換。

1.3 新型拓?fù)?/h3>

傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為“一”字型串行拓?fù)?，MVB總線的A/B路共用同一個連接器和線纜，該結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是線路簡單，成本較低，其缺點(diǎn)是不同設(shè)備的線路延時相差較大，一旦線路上出現(xiàn)中斷，可能影響全列車的設(shè)備通信，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 傳統(tǒng)“一”字型串行拓?fù)鋱D

在重慶軌道交通10號線上網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)應(yīng)用了新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為"T"型，全車共分為7個網(wǎng)段，每節(jié)車輛網(wǎng)絡(luò)自成一個網(wǎng)段，干線為主網(wǎng)段。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 “T”型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是：

(1)支路網(wǎng)段故障不會影響其他支路網(wǎng)段及干線網(wǎng)段，降低單個支路網(wǎng)段故障對整個網(wǎng)絡(luò)的影響。

(2)具備冗余的MVB傳輸線纜及連接器，能夠避免因單個連接器故障、松動或線纜故障以及子設(shè)備故障等引起整個傳輸網(wǎng)絡(luò)癱瘓。

(3)方便擴(kuò)編，只需在M1和M2車預(yù)留擴(kuò)編用的MVB車端連接器，可直接進(jìn)行擴(kuò)編，不需要對原車的MVB線路重新設(shè)計(jì)更改。

1.4 維護(hù)網(wǎng)絡(luò)

列車檢修過程中對各子系統(tǒng)設(shè)備(特別是車下設(shè)備)的數(shù)據(jù)下載、應(yīng)用程序更新以及狀態(tài)監(jiān)測等維護(hù)較為不便。檢修人員通常需要在不同車廂的各設(shè)備間來回觀察設(shè)備數(shù)據(jù)、更新程序等操作。

鑒于以上在列車運(yùn)營維護(hù)中的檢修問題，重慶軌道交通10號線上增加了基于以太網(wǎng)搭建的維護(hù)網(wǎng)絡(luò)，由交換機(jī)HUB實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)并成功接入了VCU、ERM、HMI、DCU、BCCU、SIV、PIS等子系統(tǒng)設(shè)備。通過預(yù)分配的IP地址，可在HUB上實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)設(shè)備的數(shù)據(jù)下載、應(yīng)用程序更新以及狀態(tài)監(jiān)測等維護(hù)操作。為列車檢修帶來了極大的便利。

2 冗余設(shè)計(jì)

在重慶軌道交通10號線車輛中，為提高列車運(yùn)行的安全性和可靠性，MVB總線采用符合IEC-61375標(biāo)準(zhǔn)的MVB-EMD電纜，具有冗余結(jié)構(gòu)，即線路A、線路B兩路通道，對關(guān)鍵區(qū)域提供部分冗余，即在MVB中單點(diǎn)故障不會導(dǎo)致列車運(yùn)行停止。MVB通過總線連接器與各子系統(tǒng)連接，傳遞過程數(shù)據(jù)、消息數(shù)據(jù)、監(jiān)視數(shù)據(jù)，控制各子系統(tǒng)完成相應(yīng)的功能。MVB總線冗余技術(shù)方案如下所述。

2.1 VCU冗余

中央控制單元(VCU)是車輛MVB網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的總線管理器，每列由兩臺硬件完全一樣的中央控制單元(VCU)構(gòu)成，兩臺設(shè)備具備同樣的功能，它們在工程實(shí)現(xiàn)上應(yīng)具備相同配置，包括相同的應(yīng)用級過程數(shù)據(jù)源端口及宿端口配置。正常工作時，默認(rèn)頭車VCU定義為主設(shè)備，尾車VCU定義為從設(shè)備。主從VCU均可實(shí)時監(jiān)測對方工作狀態(tài)，若主設(shè)備發(fā)生故障，從設(shè)備將自動切換為主設(shè)備繼續(xù)工作，確保網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)不會癱瘓。

2.2 RPT冗余

每輛車均安裝了一臺中繼器，每個中繼器含有兩個互為冗余的中繼器模塊，每個中繼器模塊均可對MVB總線A路、B路傳輸?shù)男盘栠M(jìn)行中繼傳輸。如圖4所示為中繼器模塊傳輸信號的示意圖。

正常運(yùn)行時，只有一個中繼器模塊工作，對信號進(jìn)行一次中繼傳輸，另一個處于熱備狀態(tài)。當(dāng)一個中繼器故障時，另一個中繼器將對原有的A路或B路進(jìn)行中繼傳輸，不影響各子系統(tǒng)對信號的接收。

2.3 線路及連接器冗余

MVB的線路A和線路B同步發(fā)送相同的數(shù)據(jù)，但各節(jié)點(diǎn)只接收信任線的數(shù)據(jù)。假設(shè)信任線為線路A，監(jiān)視線為線路B。如圖5所示，如果線路A出現(xiàn)故障，線路B切換為信任線，節(jié)點(diǎn)將接收線路B的數(shù)據(jù)，因此當(dāng)線路A故障時，列車網(wǎng)絡(luò)通信正常，系統(tǒng)的性能沒有影響。當(dāng)線路B故障時，信任線為線路A，不發(fā)生變化，列車網(wǎng)絡(luò)通信仍然正常。

該冗余設(shè)計(jì)可以防止傳輸線、引腳接點(diǎn)以及收發(fā)器的錯誤、連接器故障或連接不牢靠等引起的MVB傳輸故障。

圖4 中繼器冗余示意圖

圖5 MVB線纜及連接器冗余示意圖

3 控制技術(shù)

在重慶軌道交通10號線車輛中，列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)增加了許多關(guān)鍵控制技術(shù)?？蓪?shí)現(xiàn)對牽引、制動、廣播、輔助供電等各個子系統(tǒng)的控制管理。

(1)牽引制動控制管理

網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)通過RIOM單元采集ATC發(fā)出的控車命令、司控器的編碼線以及各模式開關(guān)、限速信號，通過綜合邏輯分析計(jì)算后，向牽引、制動系統(tǒng)發(fā)出牽引制動控制指令、級位以及限速信號?？刂屏鞒倘鐖D6所示。

圖6 牽引制動控制管理

(2)電空混合制動管理

列車制動時優(yōu)先采用電制動，空氣制動作為補(bǔ)償，并采取全列車合理分配的原則，由網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)進(jìn)行制動力計(jì)算及分配，并控制電空制動轉(zhuǎn)換。網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)發(fā)出電制動退出信號時，牽引系統(tǒng)以固定的斜率進(jìn)行電制動力衰減，制動系統(tǒng)則以相同的斜率進(jìn)行空氣制動力補(bǔ)充，直至電制動力完全退出。

傳統(tǒng)電制動退出控制方案為固定速度點(diǎn)退出方案，如圖7所示。當(dāng)速度降低至va時電制動開始退出，如果退出時刻的電制動力較小，則電制動很快就完全退出(如圖中速度點(diǎn)v2)，此時則需要空氣制動一直施加至列車停下來。

圖7 電制動固定速度點(diǎn)退出控制策略

考慮到空氣制動的機(jī)械屬性，其響應(yīng)遠(yuǎn)不如電制動靈敏，同時為了減少空氣制動的機(jī)械磨損，制動控制應(yīng)充分利用電制動，將電空轉(zhuǎn)換點(diǎn)速度盡可能地降低。重慶10號線電空混合制動采用了電制動浮動速度點(diǎn)退出的控制策略，如圖8所示。根據(jù)電制動力級位大小浮動調(diào)整電制動開始退出的速度點(diǎn)(如圖中速度點(diǎn)va/vb/vc)，使電制動力完全退出的速度點(diǎn)均保持為v0，從而盡可能地發(fā)揮電制動力的作用，提高列車制動控車精確度，同時減少空氣制動的機(jī)械磨損。

圖8 電制動浮動速度點(diǎn)退出控制策略

(3)中壓負(fù)載啟動及分配管理

為了避免中壓負(fù)載同時啟動給輔助電源系統(tǒng)帶來沖擊，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)對制動空壓機(jī)、空調(diào)壓縮機(jī)進(jìn)行統(tǒng)一管理。

制動空壓機(jī)啟?？刂撇捎弥?輔空壓機(jī)概念，由網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)根據(jù)日期(單雙日)來指定一臺為主，另一臺為輔，主空壓機(jī)優(yōu)先啟動，主/輔空壓機(jī)的工作每天調(diào)換。網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)實(shí)時讀取總風(fēng)壓力，根據(jù)壓力值大小控制主/輔空壓機(jī)的啟停。

空調(diào)壓縮機(jī)的啟動優(yōu)先級低于制動空壓機(jī)，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)按照順序給空調(diào)發(fā)送壓縮機(jī)允許啟動信號，當(dāng)制動空壓機(jī)啟動時，在一段時間內(nèi)停止給空調(diào)發(fā)送允許啟動信號，如圖9陰影部分所示。待空壓機(jī)啟動完成后，繼續(xù)循環(huán)發(fā)送空調(diào)壓縮機(jī)允許啟動信號。

圖9 中壓負(fù)載啟動順序管理

(4)保持制動緩解控制

當(dāng)列車停止后，制動系統(tǒng)會施加保持制動。當(dāng)列車再次運(yùn)行時，需要及時緩解保持制動，保持制動緩解的控制由網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)列車處在坡度上時，其受力分析如圖10所示。

圖10 列車坡道受力分析

當(dāng)列車上坡時，列車下滑力F向后，為保證列車不后溜，牽引工況時牽引力應(yīng)大于最大坡度及載重時產(chǎn)生的下滑力F后才能緩解保持制動；

當(dāng)列車下坡時，列車下滑力F向前，為避免輪對不必要的磨耗，牽引工況時只需要檢測到列車具有向前的速度，即可緩解保持制動。

4 故障診斷

網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)在重慶軌道交通10號線車輛上搭建了一套完整的故障診斷及數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)。

中央控制單元VCU作為故障診斷系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)接收列車各系統(tǒng)的數(shù)據(jù)并經(jīng)過邏輯分析判斷，然后將診斷結(jié)果發(fā)送至人機(jī)接口單元HMI；

人機(jī)接口單元HMI接收來自中央控制單元VCU的故障診斷信息后，通過友好的顯示畫面顯示出當(dāng)前設(shè)備的狀態(tài)，同時根據(jù)故障的隱患程度將故障進(jìn)行分級，將中等及嚴(yán)重故障通過彈窗提醒，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互；

數(shù)據(jù)記錄單元ERM接收并存儲網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)MVB總線上的過程數(shù)據(jù)及故障信息，同時可將數(shù)據(jù)下載至本地分析設(shè)備，通過專用軟件可對數(shù)據(jù)進(jìn)行離線分析，為后續(xù)故障分析提供了強(qiáng)有力的支撐。

5 結(jié)束語

重慶軌道交通10號線列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)采用了新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。通過運(yùn)營半年來的情況觀察，新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的應(yīng)用提高了網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)通信穩(wěn)定性及可靠性，維護(hù)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的應(yīng)用更是極大地提高了列車檢修維護(hù)的效率，系統(tǒng)冗余設(shè)計(jì)、關(guān)鍵控制技術(shù)的應(yīng)用提高了軌道交通車輛運(yùn)行控制效率及精確度，降低了列車運(yùn)行故障率。新型軌道交通車輛網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)的應(yīng)用對提高軌道交通列車的可靠性及可維護(hù)性起到了強(qiáng)有力的推動作用。