“復(fù)興號”動車組TCMS數(shù)據(jù)組織和傳輸機(jī)制分析

張順廣， 鄭 斌， 潘勇卓， 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)

TCMS(Train Control and Management System，列車控制和管理系統(tǒng))是動車組的神經(jīng)系統(tǒng)和指揮中樞，它實(shí)現(xiàn)動車組各子系統(tǒng)信息傳輸共享，協(xié)調(diào)中央控制系統(tǒng)與各子系統(tǒng)的控制、監(jiān)視與診斷任務(wù)，匯總各子系統(tǒng)工作狀態(tài)和故障診斷信息，提供信息顯示和人機(jī)交互接口。TCMS數(shù)據(jù)的組織、傳輸機(jī)制以及傳輸延時(shí)對動車組的性能指標(biāo)有著重要的影響。以CR400BF“復(fù)興號”動車組為例，深入探討TCMS的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制和傳輸延時(shí)。

“復(fù)興號”動車組標(biāo)準(zhǔn)列為8輛編組，采用4動4拖編組方式，每4輛車組成一個(gè)牽引單元，2列標(biāo)準(zhǔn)列車可重聯(lián)運(yùn)行。動車組TCMS采用TCN(Train Communication Network，列車通信網(wǎng)絡(luò))網(wǎng)絡(luò)作為列車控制網(wǎng)，采用兩級總線式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，列車級是WTB(Wired Train Bus，絞線式列車總線)總線，車輛級是MVB(Multifunction Vehicle Bus，多功能車輛總線)總線，列車級和車輛級數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換采用TCN GW(Gateway，網(wǎng)關(guān))。

1 列車級數(shù)據(jù)組織

牽引單元內(nèi)的CCU(Central Control Unit，中央控制單元)通過MVB總線與本牽引單元內(nèi)的TCU(Traction Control Unit，牽引控制單元)、BCU(Brake Control Unit，制動控制單元)、HMI(Human Machine Interface，人機(jī)接口單元)、RIOM(Remote Input Output Module，遠(yuǎn)程輸入輸出模塊)、GW等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和子系統(tǒng)交換數(shù)據(jù)。GW連接MVB總線和WTB總線，實(shí)現(xiàn)牽引單元之間數(shù)據(jù)的流動，本牽引單元的GW將MVB總線的數(shù)據(jù)映射到WTB總線，連接在WTB總線上的GW自身的根據(jù)需求配置表將WTB數(shù)據(jù)映射到GW的MVB總線。

1.1 MVB到WTB的數(shù)據(jù)映射

“復(fù)興號”動車組考慮到控制與監(jiān)視功能的實(shí)時(shí)性和互聯(lián)互通的穩(wěn)定性，列車級數(shù)據(jù)采用WTB過程數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，WTB的通信周期為25 ms。根據(jù)TCN標(biāo)準(zhǔn)，每個(gè)GW節(jié)點(diǎn)的WTB過程數(shù)據(jù)報(bào)文在每個(gè)通信周期內(nèi)只發(fā)送一幀長度為128 B的數(shù)據(jù)。動車組中用于控制、監(jiān)視和診斷的列車級數(shù)據(jù)包含牽引、制動、網(wǎng)絡(luò)、輔助供電、高壓、空調(diào)、照明、軸溫報(bào)警、安全環(huán)路等子系統(tǒng)的信息，信息量遠(yuǎn)大于128 B。

為了滿足應(yīng)用的需求，在“復(fù)興號”動車組中，WTB過程數(shù)據(jù)采用了分頁機(jī)制。將GW發(fā)送的WTB過程數(shù)據(jù)報(bào)文劃分為4段：P1/P2、P3、P4、P5段，各個(gè)分段用于傳輸不同功能目的的數(shù)據(jù)，根據(jù)分段內(nèi)數(shù)據(jù)的重要程度，定義該分段是否采用分頁機(jī)制，即分時(shí)復(fù)用。WTB過程數(shù)據(jù)各個(gè)分段發(fā)送的數(shù)據(jù)定義如下：

(1)P1/P2段占用WTB報(bào)文中相同位置的分段，每個(gè)周期都發(fā)送，不分頁。P1段數(shù)據(jù)由編組中的主控牽引單元(投入司機(jī)鑰匙的牽引單元)GW編排發(fā)出，用于發(fā)送列車級的控制命令，例如牽引方向、牽引指令等數(shù)據(jù)；P2段數(shù)據(jù)由編組中的從控牽引單元GW發(fā)出，發(fā)送本牽引單元的狀態(tài)信號，用于主控牽引單元進(jìn)行列車級的控制；

(2)P3段數(shù)據(jù)由編組中的所有牽引單元編排發(fā)出，主要為本牽引單元內(nèi)車輛關(guān)鍵設(shè)備狀態(tài)，每個(gè)周期都發(fā)送，不分頁；

(3)P4段數(shù)據(jù)由編組中的所有牽引單元編排發(fā)出，主要為本牽引單元內(nèi)車輛設(shè)備狀態(tài)，采用分頁機(jī)制，共20分頁，分時(shí)發(fā)送；

(4)P5段數(shù)據(jù)由編組中的所有牽引單元編排發(fā)出，主要為本牽引單元內(nèi)車輛故障信息，采用分頁機(jī)制，共60分頁，分時(shí)發(fā)送。

1.2 WTB到MVB的數(shù)據(jù)映射

各牽引單元GW根據(jù)應(yīng)用需求配置表將各個(gè)牽引單元的WTB數(shù)據(jù)映射為本牽引單元的MVB數(shù)據(jù)，供本牽引單元設(shè)備用于進(jìn)行控制、監(jiān)視和診斷。

由于GW在WTB總線傳輸P4段和P5段的數(shù)據(jù)采用了分頁機(jī)制，所以當(dāng)GW將P4和P5段的WTB數(shù)據(jù)映射到本地MVB總線時(shí)，GW有兩種處理方法：

(1)方法1，GW在MVB側(cè)對P4、P5數(shù)據(jù)編入MVB總線采用分時(shí)復(fù)用機(jī)制。網(wǎng)關(guān)設(shè)置接收緩存區(qū)對從WTB接收到的P4/P5數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存，在MVB側(cè)依次循環(huán)將各分頁數(shù)據(jù)通過同一個(gè)MVB源端口發(fā)送給本單元的設(shè)備。對于每個(gè)牽引單元，GW編入P4數(shù)據(jù)定義1個(gè)MVB源端口(1個(gè)源端口容納2頁數(shù)據(jù))，需要10個(gè)該MVB端口通信周期，才能完整發(fā)送完一遍P4數(shù)據(jù)；GW編入P5數(shù)據(jù)定義1個(gè)MVB源端口(1個(gè)源端口容納2頁數(shù)據(jù))，需要30個(gè)該MVB端口通信周期，才能完整發(fā)送完一遍P5數(shù)據(jù)；

(2)方法2，GW在MVB側(cè)對P4、P5數(shù)據(jù)編入MVB總線不采用分時(shí)復(fù)用機(jī)制。網(wǎng)關(guān)設(shè)置接收緩存區(qū)對從WTB接收到的P4/P5數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存，在MVB側(cè)各分頁占用固定的MVB源端口發(fā)送給本單元的設(shè)備。對于每個(gè)牽引單元，GW編入P4數(shù)據(jù)P4數(shù)據(jù)定義10個(gè)MVB源端口(1個(gè)源端口容納2頁數(shù)據(jù))，設(shè)置相同的MVB端口通信周期；GW編入P5數(shù)據(jù)定義30個(gè)MVB源端口(1個(gè)源端口容納2頁數(shù)據(jù))，設(shè)置相同的MVB端口通信周期。

方法1的優(yōu)點(diǎn)：牽引單元內(nèi)的MVB端口數(shù)量少，MVB總線的帶寬占用低；缺點(diǎn)：數(shù)據(jù)使用者需對相應(yīng)的MVB端口數(shù)據(jù)進(jìn)行分頁解析。增加數(shù)據(jù)使用者的復(fù)雜程度，一旦數(shù)據(jù)使用者錯(cuò)過了該MVB端口某幀數(shù)據(jù)，需至少等待下一遍的分頁循環(huán)發(fā)送才能接收到數(shù)據(jù)，導(dǎo)致引入更大的時(shí)延，同時(shí)還容易引起同一數(shù)據(jù)多個(gè)使用者解析不同步的問題。方法2的優(yōu)點(diǎn)：數(shù)據(jù)使用者無需對相關(guān)的MVB端口數(shù)據(jù)進(jìn)行分頁解析。數(shù)據(jù)關(guān)系相對簡單，對數(shù)據(jù)使用者沒有過多的要求；缺點(diǎn)：因一個(gè)牽引單元內(nèi)需考慮四個(gè)牽引單元(動車組重聯(lián)的工況)的列車級數(shù)據(jù)編入，GW的源端口數(shù)量急劇增加，MVB總線的通信負(fù)載率也會增大。在“復(fù)興號”CR400BF的研制過程中，對以上兩種方法均進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，且進(jìn)行了對比測試。采用方法2時(shí)，GW編入P4數(shù)據(jù)到MVB的端口通信周期采用512 ms，GW編入P5數(shù)據(jù)到MVB的端口通信周期采用1 024 ms，MVB通信負(fù)載率增加約5%，整個(gè)MVB網(wǎng)絡(luò)負(fù)載率還在安全的范圍內(nèi)；同時(shí)，具有良好的數(shù)據(jù)一致性和數(shù)據(jù)使用及分析便利。所以在“復(fù)興號”動車組批量運(yùn)用中，GW編入MVB的數(shù)據(jù)處理采用了方法2。

2 數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制

TCMS網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制的通信架構(gòu)遵循以下原則：

(1)各個(gè)子系統(tǒng)的MVB數(shù)據(jù)一般都是與CCU進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，依據(jù)能夠滿足TCMS和子系統(tǒng)之間的功能要求為前提配置MVB數(shù)據(jù)的通信周期；

(2)除了牽引和制動系統(tǒng)由于防滑的要求有直接數(shù)據(jù)交換外，子系統(tǒng)之間一般不直接通過MVB交換數(shù)據(jù)；

(3)制動系統(tǒng)由于安全性的要求，用于制動控制的列車級數(shù)據(jù)，制動系統(tǒng)通過MVB與本牽引單元GW的進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，GW僅起到透傳的作用，且CCU不參與該部分?jǐn)?shù)據(jù)的組織；

(4)除用于制動控制外的其他列車級數(shù)據(jù)，由CCU進(jìn)行編排后通過MVB發(fā)送給本牽引單元的GW，再由本GW通過WTB發(fā)送給其他單元的GW；

(5)GW接收WTB列車級數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到本牽引單元的MVB總線，用于制動控制的列車級數(shù)據(jù)發(fā)送給本單元的BCU；制動控制以外的其他數(shù)據(jù)發(fā)送給本牽引單元的CCU或HMI；

(6)根據(jù)WTB數(shù)據(jù)的類別和緊要程度設(shè)定GW映射WTB數(shù)據(jù)到MVB數(shù)據(jù)的MVB傳輸周期；

(7)整個(gè)MVB網(wǎng)絡(luò)通信負(fù)載率要保證在安全的使用范圍內(nèi)。

“復(fù)興號”CR400BF動車組TCMS依據(jù)上述原則構(gòu)建的MVB網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)中CCU、GW、HMI、BCU、TCU主要設(shè)備及其他子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制如圖1所示。GW只接收本牽引單元的CCU和BCU的MVB數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)映射到WTB上；GW把WTB數(shù)據(jù)映射到本牽引單元的MVB網(wǎng)給CCU、HMI和BCU接收和處理。TCU與CCU和BCU之間有數(shù)據(jù)交互。HMI的命令通過CCU傳輸給GW，并傳輸?shù)狡渌麪恳龁卧?。?gòu)建的MVB網(wǎng)絡(luò)通信最大負(fù)載率約55%，滿足MVB總線過程數(shù)據(jù)通信負(fù)載率小于70%(通常認(rèn)為的安全上限)的要求。

圖1 CR400BF動車組TCMS的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制

3 數(shù)據(jù)延時(shí)分析

動車組通過TCN網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行控制過程中，數(shù)據(jù)延時(shí)除了設(shè)備之間數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)外，還包括設(shè)備處理信號以及控制邏輯引入的延時(shí)。數(shù)據(jù)延時(shí)過大將影響整車控制的實(shí)時(shí)性。

3.1 數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)分析

僅在本牽引單元的MVB總線流動的過程數(shù)據(jù)延時(shí)就是該數(shù)據(jù)的MVB特征周期，數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖畲笱訒r(shí)T_max_delay = T_mvb。

跨牽引單元在MVB和WTB之間流動的過程數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)，由于WTB過程數(shù)據(jù)不同分段采用的處理方式不一樣，所以數(shù)據(jù)在TCN網(wǎng)絡(luò)中傳輸路徑具有多樣性，不同WTB分段的過程數(shù)據(jù)延時(shí)不同?？鐮恳龁卧獋鬏?shù)臄?shù)據(jù)最大延時(shí)T_max_delay計(jì)算公式:

T_max_delay = T_ccu-gw + T_gw_mvb-wtb + T_wtb + T_gw_wtb-mvb + T_gw-user

其中：

T_ccu-gw：CCU通過MVB發(fā)送給GW的時(shí)間。P1/P2/P3的特征周期為64 ms；P4/P5特征周期128 ms。

T_gw_mvb-wtb：GW從MVB編出到WTB的時(shí)間。P1/P2/P3/P4/P5的數(shù)據(jù)處理周期均為20 ms。

T_wtb：數(shù)據(jù)在WTB總線上的傳輸?shù)臅r(shí)間，WTB基本周期為25 ms。P1/P2/P3數(shù)據(jù)不分頁，傳輸時(shí)間為25 ms；P4數(shù)據(jù)分20頁，最大傳輸時(shí)間：25 ms×20=500 ms；P5數(shù)據(jù)分60頁，最大傳輸時(shí)間： 25 ms×60=1 500 ms

T_gw_wtb-mvb: GW從WTB編入到MVB的時(shí)間：20 ms

T_gw-user ：GW發(fā)送數(shù)據(jù)到MVB的時(shí)間。GW編入P1/P2/P3數(shù)據(jù)到MVB的端口通信周期采用64 ms； GW編入P4數(shù)據(jù)到MVB的端口通信周期采用512 ms；GW編入P5數(shù)據(jù)到MVB的端口通信周期采用1 024 ms

根據(jù)以上分析，跨牽引單元的WTB數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)：

P1/P2/P3的數(shù)據(jù)最大延時(shí)T_max_delay 為193 ms；

P4的數(shù)據(jù)最大延時(shí)T_max_delay為1 180 ms；

P5的數(shù)據(jù)最大延時(shí)T_max_delay為2 692 ms；

3.2 控制指令的響應(yīng)延時(shí)分析

以動車組升弓指令傳輸和處理時(shí)間分析，進(jìn)一步說明動車組數(shù)據(jù)處理過程和系統(tǒng)響應(yīng)特點(diǎn)。司機(jī)在1車司機(jī)室操作升弓按鈕，升6車受電弓。從升弓請求到產(chǎn)生升弓指令，然后控制受電弓升起。升弓指令數(shù)據(jù)是從主控牽引單元RIOM到從控牽引單元RIOM。升弓指令數(shù)據(jù)傳輸流程如圖2所示。升弓指令屬于P1數(shù)據(jù)。

圖2 升弓指令數(shù)據(jù)流程

升弓指令數(shù)據(jù)傳輸和處理環(huán)節(jié)及時(shí)間如表1所示。升弓指令理論上最大響應(yīng)延時(shí)時(shí)間是457 ms，但是在實(shí)際動車組中，CCU、RIOM、GW的數(shù)據(jù)傳輸和處理環(huán)節(jié)是異步執(zhí)行，時(shí)間并不是嚴(yán)格串行而是有相互重疊，所以實(shí)測用時(shí)比理論時(shí)間要小很多。

表1 升弓指令數(shù)據(jù)傳輸和處理環(huán)節(jié)

4 結(jié)束語

“復(fù)興號”動車組TCMS充分利用了過程數(shù)據(jù)周期性和時(shí)間確定的特點(diǎn)，整車控制數(shù)據(jù)通信只采用了過程數(shù)據(jù)，整車通信性能和控制效果穩(wěn)定，能夠滿足整車控制的需求。隨著動車組功能擴(kuò)展和新增車型的需求，對WTB報(bào)文數(shù)據(jù)傳輸能力增加了新的要求。原有的通信框架的數(shù)據(jù)傳輸能力與需求的矛盾顯現(xiàn)出來，雖然可通過再增大WTB報(bào)文上的分頁數(shù)量再擴(kuò)大WTB數(shù)據(jù)傳輸能力，但同時(shí)也增加數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)和增加MVB網(wǎng)絡(luò)通信負(fù)載率，影響了整車控制的實(shí)時(shí)性，導(dǎo)致整車性能降低。動車組TCMS數(shù)據(jù)組織和傳輸需要探討在原有通信框架上使用消息數(shù)據(jù)，或使用更高網(wǎng)絡(luò)通信帶寬的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)，提高動車組列車級數(shù)據(jù)傳輸能力，滿足應(yīng)用的需求。