高速動車組列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)與車門子系統(tǒng)接口功能分析

張曉晉

(1 中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 機(jī)車車輛研究所， 北京 100081；2 北京縱橫機(jī)電科技有限公司， 北京 100094)

列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)是高速動車組的核心技術(shù)。網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)由通信、控制、人機(jī)接口等設(shè)備和配套的電纜、連接器構(gòu)成，從邏輯上可劃分為網(wǎng)關(guān)、中繼器、總線管理單元、中央控制單元、車輛控制單元、故障診斷與記錄單元、輸入輸出單元、智能顯示單元[1]。列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)主要實現(xiàn)重要設(shè)備的控制、狀態(tài)監(jiān)視和故障診斷，包括高壓、牽引、制動、自動速度控制、輔助供電、車門、空調(diào)、火災(zāi)報警、PIS等等，從而保證列車安全可靠的運行，并為司機(jī)或機(jī)械師提供故障處理指南，為檢修維護(hù)提供數(shù)據(jù)支持。遵循IEC 61375國際標(biāo)準(zhǔn)，列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)既可以使用WTB/MVB，也可以使用實時以太網(wǎng)與各子系統(tǒng)交互。實時以太網(wǎng)是目前網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展趨勢。

車門是工作人員和旅客與動車組接觸的第一個子系統(tǒng)。隨著人類生活水平的不斷提高和生活需求的不斷多樣化，門的種類和功能也在增加，研究和分析列車網(wǎng)絡(luò)控制與車門子系統(tǒng)的通信接口具有重要意義。

1 列車網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

繼WTB/MVB通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)之后，隨著應(yīng)用數(shù)據(jù)量增長，對網(wǎng)絡(luò)性能的不斷追求驅(qū)動國內(nèi)外各大公司以及各大院校都在研制和推廣列車實時以太網(wǎng)相關(guān)產(chǎn)品。Moxa、Duagon、Kyland公司都推出了符合IEC 61375標(biāo)準(zhǔn)的實時以太網(wǎng)產(chǎn)品[2-3]。德國西門子研制的ICE4列車，基于Sibas PN架構(gòu)，分成ETB和ProfiNet(Process Field Net)兩級,目前已經(jīng)投入運營[4-5]。

列車實時以太網(wǎng)作為維護(hù)網(wǎng)在高鐵和地鐵領(lǐng)域已經(jīng)得到成熟應(yīng)用。實時以太網(wǎng)作為控制網(wǎng)實際運營還處于起步階段。根據(jù)IEC 61375標(biāo)準(zhǔn)，實時以太網(wǎng)基礎(chǔ)架構(gòu)是ETB/ECN。ETBN產(chǎn)品遵循IEC 61375-2-5[6]和IEC 61375-2-3[7]標(biāo)準(zhǔn)。ECN產(chǎn)品符合IEC IEC 61375-3-4[8]標(biāo)準(zhǔn)。列車級以太網(wǎng)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)協(xié)議TTDP(Train Topology Discovery Protocal)可實現(xiàn)列車通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的自動配置和維護(hù)。列車實時數(shù)據(jù)協(xié)議TRDP(Train Real-time Data Protocal)位于TCP/UDP傳輸層之上，可以實現(xiàn)車輛級或列車級的通信。

實時以太網(wǎng)以其明顯的傳輸速率優(yōu)勢備受國內(nèi)外廠家青睞。但是由于其自身成熟度問題，還需要發(fā)展時間，因此接下來幾年會是實時以太網(wǎng)和WTB/MVB網(wǎng)絡(luò)同時并存的時代。

2 高速動車組車門

2.1 門分類

動車組車門按功能分為外門和內(nèi)門。外門按工作原理分為外掛式滑動門、內(nèi)藏式滑動門和塞拉門等，按驅(qū)動特性分為電動和氣動。

國外高速動車組設(shè)計還涉及裝貨門(loading door)，適用于需要運輸笨重物品(比如自行車)的車廂。

2.2 門性能

門涉及的性能有：開門和關(guān)門速度(約2.5～5 s)，擠壓力，障礙物探測能力，密封影響，空氣動力學(xué)影響，關(guān)門位置探測、傳熱系數(shù)以及隔聲量等。內(nèi)藏門和塞拉門在開關(guān)門時間方面略有不同。高速動車組外門目前采用具有良好密封、隔聲、隔熱性能的單扇電控氣動塞拉門。塞拉門因外觀與車輛外表面齊平而具有較好的空氣動力學(xué)特性[9]。塞拉門主要供應(yīng)商有IFE、康尼、BODE、FAIVELEY等。

2.3 門組成

電控氣動塞拉門由驅(qū)動裝置，鎖閉機(jī)構(gòu)，導(dǎo)向裝置，車內(nèi)車外開門裝置，密封附框及門體，電控氣動單元，活動腳蹬等主要裝置組成。

塞拉門可以參考標(biāo)準(zhǔn)TB/T 3108-2011鐵道客車塞拉門。

2.4 門配置

根據(jù)UIC 556方向定義，門配置示意圖如圖1所示。

線纜1：可以是CAN、 RS485、RS232、硬線中的一種IN1：內(nèi)門1， IN2：內(nèi)門2L1：左1門， R1：右1門L2：左2門， R2：右2門圖1 門配置示意圖

圖1中車輛總線可以是MVB或者ECN。高速動車組中不同車廂的配置如表1所示?？紤]到高速動車組旅客密度，一般配置4扇門。每扇門有獨立DCU(Door Control Unit，車門控制器)控制。

表1 高速動車組車門配置示例表

3 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

車門網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖2所示，共分為3個網(wǎng)絡(luò)層次。第1層為列車骨干網(wǎng)通信層，可以為WTB或者ETB。第2層為車輛級網(wǎng)絡(luò)通信層，可以為MVB或者ECN。第3層為子系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信層，可以為CAN，RS485，RS232總線或者硬線連接。TDCU是列車級DCU，一方面控制和監(jiān)視本單元所有車廂的MDCU；另一方面在占用端，通過列車骨干網(wǎng)，TDCU可以控制和監(jiān)視整車車門，例如監(jiān)視所有左車門開。TDCU功能一般包含在列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中央控制單元(CCU)內(nèi)。MDCU是主控DCU，負(fù)責(zé)控制和監(jiān)視本車廂所有門的DCU。DCU負(fù)責(zé)控制和監(jiān)視單個車門。

圖2 一種典型高速動車組門系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

DCU是基于微處理器(如DSP)的高性能數(shù)字閉環(huán)控制系統(tǒng),可以采用先進(jìn)的控制算法實現(xiàn)對門速度和動作的精確閉環(huán)控制，兼具故障監(jiān)測、自診斷和上位機(jī)管理與通訊等功能。DCU采用模塊化設(shè)計，例如包含電源模塊、輸入接口模塊、輸出接口模塊、電機(jī)控制模塊、CAN或RS485接口模塊、MVB和ETH接口模塊、USB接口模塊及存儲器模塊。

車輛級TDCU通過TBN與列車級網(wǎng)絡(luò)相連。TBN設(shè)備也可以被認(rèn)為是網(wǎng)關(guān)設(shè)備，可以是WTB/MVB網(wǎng)關(guān)，也可以是ETB/ECN網(wǎng)關(guān)。列車級網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸需遵循一定的傳送規(guī)范。列車級過程數(shù)據(jù)劃分為P1、P2、P3、P4、P55類數(shù)據(jù)，說明如下：

(1)P1數(shù)據(jù)由編組中的主控車編排發(fā)出，其中主控車發(fā)送命令，包括控制指令，速度等數(shù)據(jù)，每個周期都發(fā)送，不分時；

(2)P2數(shù)據(jù)由編組中的從控車發(fā)送狀態(tài)信號給主控車，用于主控車進(jìn)行列車級的控制(主控車本單元用于列車級控制的狀態(tài)信號可以從車輛總線中獲取，無需通過列車總線傳輸)。主控車P1過程數(shù)據(jù)與從控車P2過程數(shù)據(jù)的識別通過P1中某個字節(jié) 中的"主控車標(biāo)志"信號區(qū)分；

(3)P3數(shù)據(jù)由編組中的所有單元編排發(fā)出，主要為車輛關(guān)鍵設(shè)備狀態(tài)，每個周期都發(fā)送，不分時；

(4)P4數(shù)據(jù)由編組中的所有單元編排發(fā)出，主要為車輛設(shè)備狀態(tài)，可分時發(fā)送也可不分時發(fā)送；

(5)P5數(shù)據(jù)由編組中的所有單元編排發(fā)出，主要為車輛故障信息，可分時發(fā)送也可不分時發(fā)送。

由于端口長度的限制，P報文在WTB/MVB架構(gòu)使用5個端口，在實時以太網(wǎng)架構(gòu)編排成一個端口。

列車級P報文和相應(yīng)的車輛級過程數(shù)據(jù)按照一定的協(xié)議形成映射關(guān)系。

4 接口功能

4.1 通信接口通用模式

列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中央控制單元與子系統(tǒng)之間的接口通信遵循一定的通用模式，如圖3所示。通過本單元的CCU控制邏輯處理實現(xiàn)本單元子系統(tǒng)內(nèi)狀態(tài)、命令和診斷信息的交互。通過CCU和GW的控制邏輯處理實現(xiàn)了列車級子系統(tǒng)之間狀態(tài)、命令和診斷信息的交互。特殊情況是子系統(tǒng)之間直接交互，比如牽引和制動子系統(tǒng)。

圖3 列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)和子系統(tǒng)接口通用模式

4.2 兩種集控車門方式

(1)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)集控車門

集控車門通過網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)實現(xiàn)。輸入輸出工作站采集司機(jī)控制臺車門集控按鈕信號，通過車輛級網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給CCU。CCU經(jīng)過邏輯判斷將集控命令發(fā)送給所有單元MDCU執(zhí)行。

集控命令包括開左右側(cè)車門，關(guān)左右側(cè)車門，左門禁用/釋放，右門禁用/釋放。

車門集控命令和狀態(tài)監(jiān)視信號需通過列車級P1、P2、P3、P4、P5數(shù)據(jù)報文傳輸。

(2)硬線實現(xiàn)集控車門

車門子系統(tǒng)集中控制采用硬線傳輸指令，車門的狀態(tài)反饋采用MVB或ECN網(wǎng)絡(luò)，這樣既保證了可靠性，同時也可以實現(xiàn)司機(jī)或機(jī)械師對車門狀態(tài)查看的功能。

車門狀態(tài)監(jiān)視信號需通過列車級P3、P4、P5數(shù)據(jù)報文傳輸。

這兩種設(shè)計各有優(yōu)點，網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)集控車門可以實現(xiàn)CCU綜合集中管理功能，操作指導(dǎo)方便，而硬線實現(xiàn)集控車門相對網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)集控車門設(shè)計簡單。

4.3 車輛級車門接口功能

高速動車組列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)與外門控制器的通信接口功能實現(xiàn)車輛級外門的釋放、開門、關(guān)門、鎖閉狀態(tài)監(jiān)視，并實現(xiàn)車門與牽引、空調(diào)系統(tǒng)的聯(lián)鎖。列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)對內(nèi)門進(jìn)行110 V供電空開診斷。

(1)門狀態(tài)監(jiān)控

外門狀態(tài)主要有開門、關(guān)門、隔離、故障、釋放和緊急解鎖等6種。在TCMS與MDCU通信正常時，MDCU通過車輛總線將本車輛內(nèi)所有車門的狀態(tài)發(fā)給本單元CCU。本單元CCU和GW在列車總線上通過P3報文將車門關(guān)鍵狀態(tài)發(fā)布給所有CCU。主控CCU負(fù)責(zé)將車門狀態(tài)信息進(jìn)行管理，并發(fā)送到司機(jī)臺顯示器及機(jī)械師室顯示器上顯示。

(2)車外門釋放按鈕、開/關(guān)門按鈕的監(jiān)控

列車外門的釋放命令、開/關(guān)門命令通過硬線控制。網(wǎng)絡(luò)輸入輸出模塊對司機(jī)的外門釋放命令、開/關(guān)門命令進(jìn)行采集，通過車輛總線傳遞給本地CCU進(jìn)行診斷和監(jiān)視。門關(guān)閉到位且未釋放，才允許列車牽引。

(3)車門與牽引聯(lián)鎖功能

兩列動車組重聯(lián)時，車門環(huán)路形成大環(huán)路，如果車門環(huán)路斷開，將封鎖牽引。

CCU通過車輛總線將v>5 km/h信號速度信號發(fā)給MDCU作為零速信號，當(dāng)MDCU檢測到列車速度大于5 km/h，車門自動關(guān)閉。

CCU通過車輛總線將v>10 km/h信號速度信號發(fā)給MDCU作為車門是否可以開門的判斷依據(jù)。

(4)車門與空調(diào)聯(lián)鎖功能

為避免因車內(nèi)外壓力差導(dǎo)致的動車組塞拉門開門、關(guān)門發(fā)生異常，當(dāng)車輛進(jìn)行整列開、關(guān)門或本地開、關(guān)門操作時，將按鈕信號通過硬件或軟件方式反饋給空調(diào)，實現(xiàn)空調(diào)與外門的聯(lián)鎖。

4.4 故障導(dǎo)向安全功能

(1)門隔離

當(dāng)CCU發(fā)出關(guān)門或者開門命令信號后，門系統(tǒng)反饋門狀態(tài)。當(dāng)門系統(tǒng)由于障礙物或者自身系統(tǒng)原因關(guān)門失敗，應(yīng)發(fā)送故障信息。門系統(tǒng)故障不應(yīng)影響正常的商業(yè)運營，在多次重復(fù)關(guān)門失敗后，應(yīng)手動關(guān)閉故障車門，并且通過鑰匙進(jìn)行門隔離或者鎖閉。

(2)車門與TCMS通信故障狀態(tài)監(jiān)視

以下通信情況異常時CCU將故障信息通過顯示器及蜂鳴器通知司機(jī)及隨車機(jī)械師：①TCMS監(jiān)視列車所有MDCU的狀態(tài)，在某一個MDCU由于通信故障而離線。②MDCU和DCU之間發(fā)生通信故障。

4.5 診斷系統(tǒng)

門診斷系統(tǒng)如圖4所示，分為4個級別，分別是中央診斷系統(tǒng)，列車級DCU、車廂級DCU和單個門DCU診斷。TDCU和MDCU之間，以及MDCU和DCU之間都有診斷接口。根據(jù)應(yīng)用需求，TDCU和MDCU所有必要的診斷信息都必須傳送給TCMS中央診斷系統(tǒng)。車門子系統(tǒng)的故障信息通過P5報文傳輸。

DCU診斷和監(jiān)視各自門的相關(guān)部件和功能，識別故障原因和失效狀態(tài)，存儲這些信息到本地存儲器，并通過圖1中線纜1將故障和功能限制報告給MDCU。MDCU采集本地車廂所有門的診斷信息，并通過圖1中MVB或者以太網(wǎng)發(fā)送給TCMS的中央診斷系統(tǒng)。TDCU診斷所有列車級的門狀態(tài)，發(fā)送診斷信息給中央診斷系統(tǒng)。

圖4 門診斷系統(tǒng)

中央診斷系統(tǒng)采集和輸出MDCU和TDCU的診斷信息，同時存儲必要的信息，例如故障代碼、故障描述、解決方法建議、時間戳等。中央診斷系統(tǒng)將故障信息有選擇地顯示給不同的人員，比如司機(jī)、乘務(wù)人員和維護(hù)人員等。

TDCU對來自TCMS的控制命令進(jìn)行刷新監(jiān)視，MDCU對來自TDCU的控制命令進(jìn)行刷新監(jiān)視。TDCU對來自MDCU的狀態(tài)報告進(jìn)行刷新監(jiān)視。MDCU對來自DCU的狀態(tài)報告進(jìn)行刷新監(jiān)視。

5 發(fā)展趨勢

5.1 通信接口方式

實時以太網(wǎng)相對WTB/MVB具有明顯的優(yōu)勢：

(1)可以傳輸多樣化的數(shù)據(jù)，比如車載廣播系統(tǒng)、視頻系統(tǒng)、圖像等。傳輸視頻數(shù)據(jù)可以滿足用戶對旅客信息系統(tǒng)更高的娛樂需求[10]。

(2)高傳輸速率。目前應(yīng)用的實時以太網(wǎng)已經(jīng)達(dá)到100 Mb/s，但是實時以太網(wǎng)的傳輸實力遠(yuǎn)不止此，隨著數(shù)據(jù)量的需求和綜合技術(shù)的推進(jìn)，用更高的以太網(wǎng)傳輸速率解決實際問題是必然的趨勢。

(3)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載低。低負(fù)載率帶來較低的誤幀率和誤組率。

(4)具有較好的經(jīng)濟(jì)性。超五類雙絞線比WTB/MVB具有更好的價格優(yōu)勢。隨著實時以太網(wǎng)應(yīng)用的不斷深入，實時以太網(wǎng)將會成為列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)主流通信網(wǎng)絡(luò)。

5.2 車門技術(shù)方向

日益增長的旅客數(shù)量和公共交通工具的不斷發(fā)展需要高可靠性的門系統(tǒng)，高速動車組對門系統(tǒng)的要求更加嚴(yán)苛。機(jī)車車輛制造商、系統(tǒng)供應(yīng)商、列車運營商都面臨相同的挑戰(zhàn)：

(1)安全性、旅客舒適度使用便捷性需求不斷提高?？梢苿优_階可以根據(jù)不同站臺自動調(diào)節(jié)，方便行動不便人員和老弱群體。

(2)探測技術(shù)更加精準(zhǔn)。一方面位置探測系統(tǒng)確保開關(guān)門位置的安全可靠探測，另一方面創(chuàng)新的障礙物探測技術(shù)將更加精準(zhǔn)，減少誤判帶來的晚點。

(3) 兼顧技術(shù)先進(jìn)性和經(jīng)濟(jì)性。輕質(zhì)量、低能耗、低維護(hù)成本和安裝方便性將進(jìn)一步降低產(chǎn)品生命周期成本。例如，電動塞拉門擺脫了容易受損的氣動部件讓系統(tǒng)變得更加可靠和更易使用和維護(hù)；采用新材料和新結(jié)構(gòu)來減少質(zhì)量。

(4)智能化。高速動車組門控器往智能化自學(xué)習(xí)功能以及智能化自動故障監(jiān)視、診斷和報告方向發(fā)展[11]。

6 結(jié)束語

基于WTB/MVB或者ETB/ECN通信網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)，分析了高速動車組列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)和車門子系統(tǒng)的接口功能，包括集控功能、門狀態(tài)監(jiān)控、與牽引和空調(diào)的聯(lián)鎖、診斷系統(tǒng)，以及故障導(dǎo)向安全功能。接著分析了實時以太網(wǎng)通信技術(shù)優(yōu)勢和車門技術(shù)發(fā)展趨勢。實時以太網(wǎng)相對WTB/MVB網(wǎng)絡(luò)具有明顯優(yōu)勢，將會越來越多地得到應(yīng)用和推廣。車門技術(shù)總體朝著更具安全性、舒適度、便捷性、經(jīng)濟(jì)性和智能化方向發(fā)展。