基于CRH3型動車組的列車通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)構(gòu)架分析

許麗媛 宋嘉健

【摘 要】CRH3型動車組每列車上一共有2個牽引單元，每個牽引單元內(nèi)又包括多個設(shè)備、模塊，這些設(shè)備和模塊通過MVB連在一起，MVB通過中央控制單元CCU中的網(wǎng)關(guān)GW實現(xiàn)了與WTB的連接，實現(xiàn)了整組列車的互聯(lián)互通。

【關(guān)鍵詞】列車通信網(wǎng)絡(luò)；TCN；列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)；SIBAS32

隨著我國鐵路客運專線和既有線提速的運輸要求，列車動車組在我國日益得到關(guān)注與重視，而列車通信網(wǎng)絡(luò)作為動車組監(jiān)控管理的重要組成部分，其重要性非常顯著。

一、車組通信網(wǎng)絡(luò)組成及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.動車組通信網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。在目前已經(jīng)投入運行的系統(tǒng)中，基本上采用了總線型網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。每一節(jié)車廂作為一個獨立的監(jiān)控單元，各車廂之間通過列車總線（Train Bus）通信。每一監(jiān)控單元內(nèi)根據(jù)需求不同，所需節(jié)點數(shù)量也不同，同一單元內(nèi)各節(jié)點通過車輛總線（Vehicle Bus）相連。通過在每一監(jiān)控單元內(nèi)安裝一個代理節(jié)點來完成本單元內(nèi)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的管理，同時也提供本單元同列車總線及其他單元的接口。在司機室或發(fā)電車內(nèi)有一監(jiān)控主機，通過網(wǎng)卡模塊與列車總線相連，負責數(shù)據(jù)的顯示、存貯等工作。

2.通信網(wǎng)絡(luò)控制結(jié)構(gòu)。機車計算機控制裝置與人機交互部分（一般采用顯示器LCD）組成動車組通信網(wǎng)絡(luò)。動車的機車計算機控制單元是整個控制系統(tǒng)的核心，完成全部信號采集、控制與通信管理功能。機車計算機控制裝置按功能又可分為機車計算機控制單元LCU（Locomotive Control Unit）、通信網(wǎng)絡(luò)和人機接口三部分。

二、CRH3型動車組列車通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

1.牽引單元。每列CRH3型動車組都由8輛車編組而成，可進一步分為兩個分別由4輛車組成的牽引單元。牽引單元一包括EC01/TC02/IC03/BC04，牽引單元二包括EC08/TC07/IC06/FC05，車廂號為01一08。每個牽引單元內(nèi)用車輛總線MVB連接單元內(nèi)4輛車及同一車廂內(nèi)的車內(nèi)設(shè)備、傳感器、執(zhí)行機構(gòu)，牽引單元內(nèi)各車的拓撲結(jié)構(gòu)固定不變。兩個牽引單元之間由列車總線WTB連接，車輛總線和列車總線二者通過網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)通信。CRH3列車編組情況如圖1所示。

2.列車通信網(wǎng)絡(luò)總線組成。CRH3采用SIBAS 32列控系統(tǒng)，列車通信網(wǎng)絡(luò)基于國際標準ICE61375，即TCN列車通信網(wǎng)絡(luò)包括多功能車輛總線MVB和絞線式列車總線WTB。這兩種總線在設(shè)計時都采用了冗余設(shè)計方法，在列車正常工作過程中，MVB和WTB各只有一條處于工作狀態(tài)，另一條總線處于備用狀態(tài)，在工作總線發(fā)生故障時接替其工作，保障列車的正常運行，如圖2所示。除了列車總線WTB和車輛總線MVB，列車上還使用了另一種總線——CAN總線。在CRH3中，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中的某些二級系統(tǒng)中用了CAN總線，包括火災報警和煙霧探測系統(tǒng)、電池充電機以及車門控制單元。火災報警和煙霧探測系統(tǒng)中光電感煙探測器和煙探測控制器之間通過CAN實現(xiàn)通信；電池充電機的兩個重要控制模塊之間也用了CAN總線進行連接；車門控制單元中主門控制單元通過CAN和其他外門控制單元連接起來。

3.絞線式列車總線WTB。（1）列車總線WTB的基本性能。列車總線WTB在CRH3中用于連接兩個牽引單元，使用的傳輸介質(zhì)是屏蔽雙絞線，其傳輸速度為1.0Mbps?？偩€總長可達860米，可以連接的節(jié)點數(shù)多達32個。WTB最大的特點是可以進行WTB初運行。（2）WTB幀結(jié)構(gòu)。WTB幀分為兩種：主設(shè)備發(fā)出的主幀和從設(shè)備對其響應時發(fā)送的從幀，二者組合在一起，形成一個WTB報文。所有的幀格式固定，具有相同的編碼結(jié)構(gòu)，需要遵從HDLC（ISO/IEC3309）規(guī)范。

4.多功能車輛總線MVB。（1）車輛總線MVB主要特征。車輛總線MVB接同一牽引單元中的各種車載設(shè)備和傳感器，使用的傳輸介質(zhì)是雙絞線，其傳輸速度為1.5Mbps。（2）MVB幀結(jié)構(gòu)。MVB幀分為兩種：主設(shè)備發(fā)出的主幀、從設(shè)備對其響應時發(fā)送的從幀，二者組合在一起，形成一個MVB報文。主幀具有固定的數(shù)據(jù)長度33bits，從幀的數(shù)據(jù)長度不唯一，包含5種可能的尺寸：33、49、81、153、297bits。MVB的信號編碼采用曼徹斯特編碼正向定義傳輸數(shù)據(jù)，定義從低到高表示為“0”，從高到低表示為“1”。同時，MVB增加了兩個非數(shù)據(jù)符編碼：“NH”和“NL”。MVB幀結(jié)構(gòu)包括3大部分：9位設(shè)備源起始分界符，中間部分的幀數(shù)據(jù)以及最后固定的8位校驗序列。

三、動車組通信網(wǎng)絡(luò)控制功能

1.網(wǎng)絡(luò)通信規(guī)范。網(wǎng)絡(luò)通信規(guī)范如下：拓撲結(jié)構(gòu)為總線拓撲，傳輸介質(zhì)為雙絞屏蔽線，介質(zhì)訪問控制方式為CSMA/CD，通信錯誤檢測方式為CRC，數(shù)據(jù)編碼為差分曼徹斯特編碼，傳輸速率為78Kbps，通信方式采用半雙工，主CPU與網(wǎng)絡(luò)通過雙口RAM交換數(shù)據(jù)。主CPU采用輪詢方式，定時從雙口RAM輸入緩沖區(qū)讀取網(wǎng)絡(luò)節(jié)點信息并校驗，當校驗正確時，返回正確標志，將數(shù)據(jù)提供給本車使用；反之，若校驗出錯，則返回錯誤標志，將所收到的數(shù)據(jù)丟棄。正常情況下，兩個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點是同時工作的，當主CPU檢測到一路通信故障時，由軟件識別并自動切換到另一路，并在顯示器上提示該路網(wǎng)絡(luò)通信故障。

2.列車重聯(lián)控制功能。首車將司機控制指令及機車狀態(tài)信號傳送給尾車，控制尾車運行，可實現(xiàn)尾車無人駕駛。尾車檢測機車狀態(tài)信號，傳送給首車，以便司機了解它車運行情況，確保列車工況一致。（1）首尾車監(jiān)控數(shù)據(jù)的通信功能。首尾車實時檢測機車及柴油機的速度、電流、電壓、溫度、壓力等信號，通過網(wǎng)絡(luò)傳遞給它車供顯示器顯示，以便司機及時了解運行信息，確保正常運行。（2）列車重聯(lián)控制邏輯。操縱端設(shè)置為防止機車控制邏輯錯誤，首先必須搶占控制權(quán)，即進行操縱端設(shè)置，搶得控制權(quán)者為首車，另一動車為尾車。若兩動車同時設(shè)置為首車，則顯示“操縱端設(shè)置錯誤”提示司機，兩車控制均處于無效狀態(tài)，計算機不加載。

3.系統(tǒng)監(jiān)視和保護。網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)周期性地采集動車組各關(guān)鍵設(shè)備的狀態(tài)，實現(xiàn)對設(shè)備的實時保護，主要有以下幾種保護控制。（1）液力傳動系統(tǒng)油溫高報警以及控制。車輛控制單元周期性地讀取“液力油溫報警”信號，一旦該信號有效，車輛控制單元將自動封鎖本動車的牽引輸出，同時輸出卸載指令，在顯示屏上報警。（2）動車組停放制動保護控制。當Me車檢測到“停放制動”信號有效時，系統(tǒng)自動封鎖所有動車的牽引輸出，同時輸出卸載指令。

以CRH3動車組為分析對象，對該型號動車組的列車通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)構(gòu)架進行分析，對目前在我國使用較多的列車通信網(wǎng)絡(luò)TCN進行了介紹，可以指導相關(guān)崗位上的工作人員更好地對列車通信網(wǎng)絡(luò)進行使用、維護與調(diào)試，同時對于相關(guān)專業(yè)的學生學習列車通信網(wǎng)絡(luò)也具有一定的參考價值。

參考文獻：

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（作者單位：中車唐山機車車輛有限公司）