一種城軌列車網(wǎng)絡(luò)拓撲優(yōu)化方法

林俊

摘要：通信網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)是高速軌道車輛的核心技術(shù)之一，是實現(xiàn)城軌列車快速發(fā)展的重要影響因素之一。本文介紹了國內(nèi)現(xiàn)有兩種城軌列車的通信網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)，并對比分析了兩種技術(shù)的優(yōu)缺點，為國內(nèi)城軌列車通信網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，具有一定的參考價值。

關(guān)鍵詞：通信;網(wǎng)絡(luò)拓撲;列車

城軌列車，是指能以一定速度持續(xù)運行的鐵路列車，最高行駛速度可以達到200km/h及以上。其具有快捷舒適、平穩(wěn)安全、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點，可滿足日益增長的出行需求，深受當代人們的歡迎。城軌列車的通信網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)通過貫穿列車的數(shù)據(jù)總線來傳遞信息。通過對列車的運行狀態(tài)，以及車載設(shè)備動作的相關(guān)信息進行采集管理，來達到有效地輔助司機及乘務員操縱列車，以提高服務質(zhì)量。目前，國內(nèi)外城軌列車發(fā)展日新月異，列車結(jié)構(gòu)也越來越復雜，特別是當前在線監(jiān)測技術(shù)、實時故障檢測技術(shù)、數(shù)據(jù)動態(tài)采集技術(shù)和大數(shù)據(jù)分析技術(shù)的大量應用，對通信網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)的要求也越來越高。因此，下文介紹和對比了國內(nèi)兩種現(xiàn)行，且應用范圍較廣的城軌列車的通信網(wǎng)絡(luò)拓撲控制系統(tǒng)的情況，分析了兩種通信網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的優(yōu)缺點，為后續(xù)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)的研究和發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

1、CRH380A型動車組通信網(wǎng)絡(luò)拓撲控制系統(tǒng)介紹

1.1、TCN列車通信網(wǎng)絡(luò)拓撲控制系統(tǒng)

CRH380A型動車組全稱“和諧號CRH380A型電力動車組”，又名“CRH2-380型”，是由中國中車旗下青島四方機車車輛股份有限公司設(shè)計團隊自主研發(fā)的CRH系列高速動車組。車輛采用TCN（Train Communication Network）列車通信網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)。TCN是一個分為兩級的通信網(wǎng)絡(luò)，由絞線式列車總線WTB和多功能車輛總線MVB組成，其中絞線式列車總線WTB是一種串行數(shù)據(jù)通信總線。它通過列車總線將各車輛控制計算機節(jié)點連接起來，形成上層分布式網(wǎng)絡(luò)，主要用于列車級的通信，其傳輸速率為1Mbps，可以實現(xiàn)過程數(shù)據(jù)和消息數(shù)據(jù)的傳輸，其最大特點就是具有列車初運行功能，即：列車初運行功能就是當列車車輛的配置發(fā)生變化后，能夠自動地對車輛進行編址，構(gòu)成新的列車拓撲結(jié)構(gòu)，而不需要人為的參與，因此，WTB總線特別適用于需要動態(tài)編組的列車車輛。多功能車輛總線MVB將車輛計算機與同一車輛內(nèi)的各子系統(tǒng)標準設(shè)備連接起來，組成下層分布式通信網(wǎng)絡(luò)。MVB主要用于有互操作性和互換性要求的互聯(lián)設(shè)備之間的串行數(shù)據(jù)通信，其傳輸速率為1.5Mbps，能提供最佳的響應速度，且在實時性、可靠性、可管理性、尋址方式等方面都具有一定的優(yōu)勢。

值得注意的是，CRH380A型動車組需經(jīng)常聯(lián)掛和解掛以改變組態(tài)，因此，使用WTB作為標準的列車總線是合適的。但固定編組的列車，也可以用MVB來代替WTB作為列車總線。

1.2、車輛通信網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)總線配置

根據(jù)CRH380A列車編組方式分配牽引單元，一列8編組動車組分為兩個牽引單元，列車中的牽引單元通過絞線式列車總線WTB相連，即各牽引單元間通過WTB總線進行通信。WTB是有冗余的雙線線路，用于總數(shù)據(jù)傳輸，因此，WTB節(jié)點可以同時監(jiān)視兩條雙絞線的數(shù)據(jù)接收情況并選擇數(shù)據(jù)接收情況較好的線路作為數(shù)據(jù)傳輸通道。每個牽引單元劃分1個多功能車輛總線MVB網(wǎng)段，每個牽引單元通過網(wǎng)關(guān)將MVB協(xié)議轉(zhuǎn)換為絞線式列車總線WTB協(xié)議，即通過網(wǎng)關(guān)將WTB和MVB相連。每個MVB網(wǎng)段采用主鏈-分支結(jié)構(gòu)，每輛車都設(shè)有中繼器，將1個牽引單元內(nèi)的MVB分成了多個分支。主鏈-分支結(jié)構(gòu)的優(yōu)點在于任何一個MVB分支故障后不會影響其他分支網(wǎng)絡(luò)以及主干網(wǎng)絡(luò)的通信。車輛的端車各設(shè)置2個MVB分支，重要的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備冗余安裝在2個分支上，一個MVB分支故障不會影響列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的正常工作。列車的通訊設(shè)備及控制系統(tǒng)等裝置通過MVB接入車輛，包括：中央控制單元CCU，網(wǎng)關(guān)，人機接口，牽引控制單元，制動控制單元和車門控制單元等，具體結(jié)構(gòu)如下圖1所示。

2、CR400AF型動車組通信網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)介紹

2.1、TCMS列車通信網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)

CR400AF型動車組全稱復興號CR400AF型電力動車組，由中國中車旗下青島四方機車車輛股份有限公司設(shè)計團隊自主研發(fā)，其通信網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)為TCMS，即列車控制和管理系統(tǒng)。TCMS作為CR400AF型動車組的中樞神經(jīng)系統(tǒng)，通過貫穿列車的總線進行信息傳輸，對車輛運行和車載設(shè)備動作的相關(guān)信息進行集中管理，實現(xiàn)車輛邏輯控制、狀態(tài)監(jiān)視、故障診斷及測試功能，從而保證列車安全可靠的運行。

在結(jié)構(gòu)上，TCMS采用TCN+以太網(wǎng)形式的拓撲架構(gòu)。TCN為兩級總線式拓撲結(jié)構(gòu)，和CRH380A型動車組相似，分為WTB和MVB。與CRH380A型動車組通信網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)最大的不同，就是CR400AF型動車組的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)增設(shè)診斷以太網(wǎng)ETB，以全面加強故障診斷和監(jiān)測數(shù)據(jù)的傳輸，并提供向地面實時傳輸數(shù)據(jù)的功能，使列車的智能化程度大幅提升。CR400AF型動車組ETB傳輸模式選擇100BASE-TX，即基帶傳輸，總線傳輸速率為100Mbit/s，傳輸介質(zhì)為雙絞線，全雙工模式。在網(wǎng)絡(luò)配置過程中，每節(jié)車輛均設(shè)置以太網(wǎng)交換機，采用環(huán)形拓撲結(jié)構(gòu)建立以太網(wǎng)。以太網(wǎng)在CR400AF型動車組的主要應用包括：

（1）監(jiān)控功能，即對牽引系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、車門系統(tǒng)、充電機、空調(diào)系統(tǒng)、軸溫、高壓系統(tǒng)及煙火報警系統(tǒng)等時刻進行監(jiān)控;

（2）數(shù)據(jù)傳輸功能，即采用全雙工模式快速即時地傳輸故障診斷、事件記錄、顯示等數(shù)據(jù)，方便檢修人員進行故障排查，使得故障處理更加的高效快捷。

（3）車載設(shè)備維護功能，即可以通過對以太網(wǎng)升級，優(yōu)化相應的報警或者控制邏輯，從而使得車載設(shè)備能夠更好的適應工作環(huán)境，避免造成設(shè)備損壞。

2.2、三種網(wǎng)絡(luò)的對比

將三種網(wǎng)絡(luò)的基本性能進行對比，如表1所示：

從表中可以看出，ETB的性能遠優(yōu)于WTB和MVB網(wǎng)絡(luò)，但是由于城軌列車網(wǎng)絡(luò)帶寬的限制，車輛控制網(wǎng)、狀態(tài)監(jiān)視網(wǎng)以及旅客信息網(wǎng)等都需要分別采用不同的網(wǎng)絡(luò)，如國內(nèi)現(xiàn)有車型的控制網(wǎng)大都采用TCN技術(shù)而旅客信息網(wǎng)則采用以太網(wǎng)，同時由于技術(shù)原因，以太網(wǎng)還未能完全覆蓋車輛網(wǎng)絡(luò)總線。

近年來，城軌列車通信網(wǎng)絡(luò)拓撲控制系統(tǒng)的性能提升，已經(jīng)成為高鐵技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵因素之一。以太網(wǎng)技術(shù)克服了現(xiàn)有城軌列車網(wǎng)絡(luò)總線傳輸速度低、組網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)單一等缺點，對城軌列車的通信網(wǎng)絡(luò)拓撲控制技術(shù)的發(fā)展有巨大的促進作用。以太網(wǎng)全面替代現(xiàn)有的總線，形成以以太網(wǎng)為主的車輛總線網(wǎng)絡(luò)，將會是未來城軌列車通信網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)的發(fā)展方向。

3、總結(jié)

本文首先介紹了CRH380A型動車組的通信網(wǎng)絡(luò)拓撲控制技術(shù)及其網(wǎng)絡(luò)總線配置，然后介紹了CR400AF型動車組的通信網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)并對兩種技術(shù)進行了對比，論述了CR400AF新型動車組在網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)上的提升和改進，為后續(xù)設(shè)計和研發(fā)更加快速，高級和安全的通信網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)奠定了理論基礎(chǔ)。

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