可變編組動(dòng)車(chē)組制動(dòng)系統(tǒng)TCN網(wǎng)絡(luò)信號(hào)傳輸需求研究*

王學(xué)文， 馬永靖， 張笑凡， 曹宏發(fā)， 孟繁輝

(1 中車(chē)長(zhǎng)春軌道客車(chē)股份有限公司 國(guó)家軌道客車(chē)工程研究中心， 長(zhǎng)春 130062;2 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 機(jī)車(chē)車(chē)輛研究所， 北京 100081)

可變編組動(dòng)車(chē)組主要為滿足不同線路、或同一線路不同時(shí)段的運(yùn)營(yíng)需求，可實(shí)現(xiàn)對(duì)編組型式及編組數(shù)量進(jìn)行配置的車(chē)輛。文獻(xiàn)[1-2]可變編組不同于靈活編組車(chē)輛(可以任意數(shù)量配置編組)，常用的編組配置單元有1動(dòng)1拖(1M+1T)和2動(dòng)2拖(2M2T)，其中動(dòng)車(chē)組車(chē)輛的重聯(lián)運(yùn)營(yíng)即4個(gè)2M2T的典型應(yīng)用。

為更好滿足不同線路城際車(chē)編組型式多樣性需求，中車(chē)長(zhǎng)春軌道客車(chē)股份有限公司(簡(jiǎn)稱(chēng)：長(zhǎng)客股份)可變編組動(dòng)車(chē)組項(xiàng)目采用1動(dòng)1拖為一個(gè)編組單元?；谠擁?xiàng)目的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?一個(gè)牽引單元內(nèi)1動(dòng)1拖為一個(gè)網(wǎng)段，8輛編組)，借鑒列車(chē)級(jí)數(shù)據(jù)傳輸規(guī)范對(duì)實(shí)時(shí)性標(biāo)準(zhǔn)要求，文獻(xiàn)[3]對(duì)比分析制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行制動(dòng)力無(wú)主復(fù)合分配，在單網(wǎng)段內(nèi)與跨網(wǎng)段時(shí)的MVB與WTB信號(hào)傳輸量需求、系統(tǒng)復(fù)雜度差異。

1 信號(hào)及傳輸需求

制動(dòng)系統(tǒng)分配制動(dòng)力時(shí)優(yōu)先使用電制動(dòng)，出現(xiàn)單車(chē)故障時(shí)制動(dòng)力分配復(fù)合范圍越大，電制動(dòng)利用率越高、基礎(chǔ)制動(dòng)磨耗越小、對(duì)車(chē)輛運(yùn)營(yíng)線路影響越小。文獻(xiàn)[4]隨著分配復(fù)合范圍的擴(kuò)大，信號(hào)傳輸量和信號(hào)流將成倍增加，同時(shí)仍需保證信號(hào)的實(shí)時(shí)性，需在制動(dòng)系統(tǒng)性能及復(fù)雜度間權(quán)衡。文獻(xiàn)[5]按照制動(dòng)系統(tǒng)制動(dòng)力分配控制及監(jiān)測(cè)需求，將信號(hào)依響應(yīng)時(shí)間劃分為不同的數(shù)據(jù)包Dn，進(jìn)行信號(hào)量及信號(hào)流分析。

1.1 BCU與TCU上報(bào)信息

采用跨網(wǎng)段無(wú)主方式進(jìn)行制動(dòng)力分配時(shí)，各車(chē)制動(dòng)控制單元(BCU) BCU x.1都需接收其他BCU(本網(wǎng)段和跨網(wǎng)段內(nèi)的)的摩擦制動(dòng)能力、車(chē)重及與摩擦制動(dòng)施加相關(guān)的其他狀態(tài)信息；為與主控CCU發(fā)送的制動(dòng)試驗(yàn)指令進(jìn)行交互，需要傳輸制動(dòng)試驗(yàn)交互指令，兩者對(duì)響應(yīng)實(shí)時(shí)性要求都比較高，組成數(shù)據(jù)包D1。為上報(bào)BCU的狀態(tài)信息及BCUx.2監(jiān)測(cè)的軸不旋轉(zhuǎn)檢測(cè)(DNRA)信息，分別通過(guò)兩個(gè)響應(yīng)速度較慢的MVB端口上報(bào)數(shù)據(jù)包D2和D3。為實(shí)現(xiàn)空電復(fù)合控制，各車(chē)也需接收其他網(wǎng)段內(nèi)牽引控制單元(TCU)的電制能力值、實(shí)際值、防滑減量及TCU工作狀態(tài)信息(即數(shù)據(jù)包D4)。

其中數(shù)據(jù)包D1和數(shù)據(jù)包D4都需要網(wǎng)關(guān)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)到其他網(wǎng)段的BCUx.1或主控CCU。若采用單網(wǎng)段1動(dòng)1拖間進(jìn)行制動(dòng)力復(fù)合時(shí)，數(shù)據(jù)包D1和D4內(nèi)摩擦制動(dòng)和電制動(dòng)相關(guān)變量都不需要、或不需要高速上報(bào)(如上報(bào)，則僅用于監(jiān)測(cè)顯示)。信號(hào)傳輸顯示及數(shù)據(jù)報(bào)信息分別參見(jiàn)圖1和表1。

表1 BCU與TCU上報(bào)信息數(shù)據(jù)包定義

圖1 BCU與TCU上報(bào)信息信號(hào)流

1.2 WTB數(shù)據(jù)傳輸

(1)WTB數(shù)據(jù)組包

當(dāng)采用跨網(wǎng)段制動(dòng)力分配方式時(shí)，網(wǎng)關(guān)接收到本網(wǎng)段內(nèi)的BCUx.1、BCUx.2、TCU的數(shù)據(jù)包D1、D2、D3、D4后，將按照數(shù)據(jù)內(nèi)容進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，制動(dòng)相關(guān)信號(hào)按響應(yīng)的實(shí)時(shí)性要求，劃分為數(shù)據(jù)包D5和D6。

D5主要包含D1和D4數(shù)據(jù)包信息，傳輸周期短。當(dāng)跨網(wǎng)段制動(dòng)力分配時(shí)，要包含兩個(gè)D1數(shù)據(jù)包，分別對(duì)應(yīng)動(dòng)車(chē)BCU和拖車(chē)BCU，不跨網(wǎng)段制動(dòng)力分配時(shí)，D5數(shù)據(jù)包將在D1+D4的基礎(chǔ)上減去不需上報(bào)顯示的制動(dòng)力分配相關(guān)變量。因此，兩種分配方式D5的數(shù)據(jù)包大小相差約1倍。

D6數(shù)據(jù)包主要用于顯示監(jiān)測(cè)，由數(shù)據(jù)包D2和數(shù)據(jù)包D3組成，傳輸速率要求不高。

WTB過(guò)程數(shù)據(jù)報(bào)文長(zhǎng)度為128字節(jié)，D5和D6都走實(shí)時(shí)報(bào)文還需評(píng)估是否滿足需求傳輸需求，若不滿足，則需要進(jìn)行分時(shí)分頁(yè)傳輸，增加系統(tǒng)的復(fù)雜度。WTB報(bào)文數(shù)據(jù)長(zhǎng)度劃分需求如圖2所示。

圖2 WTB報(bào)文數(shù)據(jù)長(zhǎng)度劃分需求

(2)傳輸周期

WTB過(guò)程數(shù)據(jù)應(yīng)采用25 ms的傳輸周期，即在25 ms內(nèi)所有WTB節(jié)點(diǎn)的過(guò)程數(shù)據(jù)至少發(fā)送一次。若采用分頁(yè)數(shù)據(jù)傳輸，則25 ms內(nèi)發(fā)送一頁(yè)，但所有過(guò)程數(shù)據(jù)應(yīng)在500 ms內(nèi)至少發(fā)送一次。

WTB過(guò)程數(shù)據(jù)報(bào)文長(zhǎng)度為128 Byte，根據(jù)GB/T 28029.1章節(jié)4.4.2.2中規(guī)定，發(fā)送一幀WTB過(guò)程數(shù)據(jù)報(bào)文的時(shí)間為1 756 us。因此在25 ms內(nèi)至少將4個(gè)WTB節(jié)點(diǎn)的過(guò)程數(shù)據(jù)報(bào)文發(fā)送一次。WTB過(guò)程數(shù)據(jù)通信時(shí)序示意圖如圖3所示(4個(gè)節(jié)點(diǎn))。

圖3 WTB報(bào)文傳輸周期需求

1.3 網(wǎng)關(guān)下發(fā)到本網(wǎng)段的信息

網(wǎng)關(guān)接收到主控CCU或其他網(wǎng)段發(fā)送的信息后，按照信號(hào)內(nèi)容劃分為兩類(lèi)數(shù)據(jù)包。D7主要包含列車(chē)時(shí)間、環(huán)路信息、來(lái)自CCU的制動(dòng)指令、制動(dòng)試驗(yàn)及本網(wǎng)段制動(dòng)力分配相關(guān)信息，約20 Byte。

D8/D9……其他車(chē)制動(dòng)力分配相關(guān)信息，僅考慮摩擦制動(dòng)可用值、設(shè)定值、電制能力值、實(shí)際值、請(qǐng)求值，一個(gè)網(wǎng)段一個(gè)數(shù)據(jù)包也需14 Byte，另也需考慮布爾量的狀態(tài)信息(需包含網(wǎng)段內(nèi)動(dòng)拖車(chē)的摩擦制動(dòng)狀態(tài)與TCU狀態(tài))，跨網(wǎng)段越多，D8/D9……依次類(lèi)推包含其他車(chē)輛制動(dòng)力分配相關(guān)端口越多。

若考慮將來(lái)一個(gè)網(wǎng)段內(nèi)擴(kuò)展為2動(dòng)2拖，則D8/D9……類(lèi)數(shù)據(jù)包大小仍需翻倍；且從制動(dòng)角度不建議把不同網(wǎng)段的制動(dòng)力分配信息通過(guò)同一個(gè)端口下發(fā)。WTB報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)如圖4所示。

圖4 WTB報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)示意圖

2 WTB信號(hào)流對(duì)比

2.1 單網(wǎng)段制動(dòng)力復(fù)合

單網(wǎng)段制動(dòng)力復(fù)合分配時(shí)，D5與D6數(shù)據(jù)量?jī)H包含發(fā)送給主列控單元(CCU)和司機(jī)屏(HIM)用監(jiān)控的數(shù)據(jù)信息，數(shù)據(jù)量約為跨網(wǎng)段復(fù)合分配的1/2。當(dāng)實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，若D5與D6數(shù)據(jù)量小可以不分時(shí)分頁(yè)傳輸。

8輛車(chē)4個(gè)牽引單元進(jìn)行單網(wǎng)段制動(dòng)力復(fù)合分配時(shí)，WTB傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流如圖5所示，為保證響應(yīng)的同步性，主控網(wǎng)段內(nèi)的D5與D6也需通過(guò)網(wǎng)關(guān)傳輸，示意圖未畫(huà)出。

主控牽引單元網(wǎng)關(guān)接收到其他網(wǎng)段的D5與D6數(shù)據(jù)后，轉(zhuǎn)發(fā)只有CCU或HMI接收，用于監(jiān)控顯示，主控網(wǎng)段內(nèi)的BCU和TCU不接收。

圖5 單網(wǎng)段制動(dòng)力復(fù)合WTB信號(hào)傳輸示意圖(8輛車(chē))

2.2 跨網(wǎng)段復(fù)合

跨網(wǎng)段制動(dòng)力復(fù)合分配時(shí)，D5與D6數(shù)據(jù)量?jī)H包含發(fā)送給主列控單元(CCU)和司機(jī)屏(HIM)用監(jiān)控的數(shù)據(jù)信息，還需包含各網(wǎng)段內(nèi)制動(dòng)力分配相關(guān)信息，數(shù)據(jù)量約為單網(wǎng)段復(fù)合分配的2倍。

6輛車(chē)3個(gè)牽引單元進(jìn)行制動(dòng)力復(fù)合分配時(shí)，WTB傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流如圖6所示，對(duì)比單網(wǎng)段制動(dòng)力復(fù)合分配時(shí)，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量、網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)端口、BCU接收的端口及數(shù)據(jù)量，隨跨網(wǎng)段復(fù)合數(shù)量增加，信號(hào)量和信號(hào)流呈幾何特性增加。

圖6 跨3網(wǎng)段制動(dòng)力復(fù)合分配WTB信號(hào)傳輸示意圖(6輛車(chē))

3 總 結(jié)

從信號(hào)量和信號(hào)流對(duì)比分析，多網(wǎng)段制動(dòng)力復(fù)合時(shí)，相對(duì)單網(wǎng)段制動(dòng)力復(fù)合，需要WTB轉(zhuǎn)發(fā)的高實(shí)時(shí)響應(yīng)數(shù)據(jù)量增加1倍，且隨跨網(wǎng)段數(shù)量的增多，WTB上的信號(hào)流方向也成倍擴(kuò)展，制動(dòng)系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的復(fù)雜度也隨之提高。因此從信號(hào)角度分析，單網(wǎng)段制動(dòng)力復(fù)合方案優(yōu)勢(shì)更為明顯。