全自動無人駕駛城軌車輛列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)研究

翟國銳，徐燕芬，代軍峰, 孟祥振

(1.中車長春軌道客車股份有限公司，吉林 長春 130062；2.中車青島四方車輛研究所有限公司，山東 青島 266031；3.北京市軌道交通建設(shè)管理有限公司, 北京 100000)

隨著經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展，軌道交通裝備朝著智能化、集約化方向邁進(jìn)，城軌車輛近年逐漸采用全自動無人駕駛模式控車[1-2]，同時(shí)以太網(wǎng)在提升列車維護(hù)效率、降低維護(hù)成本、列車智能化方面逐漸展現(xiàn)出獨(dú)特優(yōu)勢,列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)(TCMS)采用工業(yè)以太網(wǎng)成為趨勢。全自動無人駕駛城軌車輛TCMS設(shè)計(jì)需要滿足全自動無人駕駛項(xiàng)目對TCMS可靠性、可用性和安全性的要求，同時(shí)滿足車輛維護(hù)、智能化需求的數(shù)據(jù)落地要求。

1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

全自動無人駕駛城軌車輛TCMS網(wǎng)絡(luò)按照IEC 61375-2-3：2015《鐵路電子設(shè)備 列車通信網(wǎng)絡(luò)(TCN) 第2-3部分：TCN通信簡介》、IEC 61375-3-4：2014《鐵路電子設(shè)備 列車通信網(wǎng)絡(luò)(TCN) 第3-4部分：以太網(wǎng)組成網(wǎng)絡(luò)(ECN)》規(guī)定的列車通信網(wǎng)絡(luò)組建，以北京地鐵17號線地鐵列車為例，其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見圖1。

如圖1所示，北京地鐵17號線地鐵列車由8輛車組成，同時(shí)布置以太網(wǎng)和MVB網(wǎng)絡(luò)。以太網(wǎng)布置1套完全冗余且相互獨(dú)立的A、B網(wǎng)絡(luò)，一個網(wǎng)絡(luò)故障后不會影響另外一個網(wǎng)絡(luò)。入網(wǎng)設(shè)備通過冗余端口或者冗余設(shè)備同時(shí)接入以太網(wǎng)的A、B網(wǎng)絡(luò)和MVB網(wǎng)絡(luò)。北京地鐵17號線各列車設(shè)備配置見表1。

ESW.以太網(wǎng)交換機(jī)；REP.中繼器；HMI.人機(jī)接口單元；CCU.中央控制單元；RIOM.遠(yuǎn)程輸入輸出模塊；ERM.數(shù)據(jù)記錄單元；PIS.旅客信息系統(tǒng)；CZT.車載廣播臺；EDCU.車門控制單元；PA.廣播系統(tǒng)；FAS.煙火報(bào)警系統(tǒng)；TDS.走行部檢測系統(tǒng)；HVAC.空調(diào)系統(tǒng)；BMS.蓄電池管理系統(tǒng)；TIDS.障礙物檢測系統(tǒng)；ATC.信號；BCU/G、BCU/R.制動控制單元G閥、R閥；DCU/A.輔助控制單元；COMS.弓網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)；CCU-D、DCU/M.牽引控制單元；TGMS.軌道檢測系統(tǒng)；LTE.長期演進(jìn)；SGW.安全網(wǎng)關(guān)。

表1 北京地鐵17號線各列車設(shè)備配置 臺

根據(jù)表1可知，每輛車裝配2個百兆級全雙工的ESW，數(shù)據(jù)通信速率為100 Mbps，端口數(shù)量為16口或24口。每輛車均有REP，REP能夠?qū)崿F(xiàn)MVB信號的再生和放大功能,延長MVB信號的傳輸距離。HMI分別位于2個Tc車，主要負(fù)責(zé)顯示設(shè)備狀態(tài)、指導(dǎo)司機(jī)操作、輸入人工干預(yù)指令以及向維修人員提供支持[3]。CCU分別位于2個Tc車，運(yùn)行中互為熱備，正常情況下，主CCU負(fù)責(zé)對本單元車輛的控制、對車輛設(shè)備的監(jiān)視和診斷[4]。每輛車均有RIOM模塊，通過以太網(wǎng)接口和IO接口分別與車輛網(wǎng)絡(luò)和硬線相連，實(shí)現(xiàn)對110 V控制電路的主要信號、司機(jī)控制器模擬信號或數(shù)字信號、方向手柄等信號進(jìn)行采集和控制。Tc1和Tc2車各有2個RIOM，用于重要信號的冗余采集。ERM位于Tc車，用于對列車主要設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和故障進(jìn)行自動信息采集、記錄，并可通過便攜式測試單元(PTU)將數(shù)據(jù)讀出和顯示，同時(shí)可以將診斷數(shù)據(jù)發(fā)送至地面服務(wù)器。SGW位于Tc車，ERM通過SGW連接到LTE傳輸模塊，診斷數(shù)據(jù)經(jīng)過SGW發(fā)送至地面服務(wù)器，防護(hù)列車控制網(wǎng)絡(luò)免受外部網(wǎng)絡(luò)的非法訪問和攻擊。

2 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治?/h2>

2.1 雙網(wǎng)冗余

全自動無人駕駛車輛要求TCMS具有高可靠性，針對此項(xiàng)要求，研制并采用了雙線性雙歸屬網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。TCMS網(wǎng)絡(luò)由相互獨(dú)立的工業(yè)以太網(wǎng)A、B網(wǎng)絡(luò)組成，入網(wǎng)設(shè)備同時(shí)接入相互獨(dú)立的A、B網(wǎng)絡(luò)，任何一條網(wǎng)絡(luò)故障時(shí)，系統(tǒng)功能不降級，可提高以太網(wǎng)的可靠性。同時(shí)，車輛布置有MVB網(wǎng)絡(luò)，在以太網(wǎng)A、B網(wǎng)絡(luò)同時(shí)故障工況下，采用MVB網(wǎng)絡(luò)控車，可進(jìn)一步保證系統(tǒng)可靠性，滿足全自動無人駕駛對TCMS網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞囊蟆?/p>

2.2 交換機(jī)旁路功能

交換機(jī)支持軟硬件旁路功能，交換機(jī)斷電或發(fā)生軟件故障時(shí)不會影響列車級網(wǎng)絡(luò)通信。

2.3 重要設(shè)備冗余配置

TCMS中的重要設(shè)備如REP、HMI、CCU等均在網(wǎng)絡(luò)上按照冗余方式部署，當(dāng)單個設(shè)備故障時(shí)，冗余設(shè)備會自動切換為主設(shè)備，保證車輛的正常運(yùn)行。

2.4 列車關(guān)鍵I/O信號冗余

一些列車控制的關(guān)鍵I/O信號，例如司控器參考電壓和實(shí)際輸出電壓信號等，均由Tc車2個相互冗余的RIOM同時(shí)進(jìn)行采集，見圖2。

2.5 MVB通信接口冗余

為提高列車運(yùn)行的安全性和可靠性，MVB總線采用符合IEC 61375系列標(biāo)準(zhǔn)的MVB-EMD電纜，該電纜具有冗余結(jié)構(gòu)，即存在線路A、線路B兩路通道(圖3)，入網(wǎng)設(shè)備通過連接器X1和X2接入MVB網(wǎng)絡(luò)，對關(guān)鍵區(qū)域提供部分冗余，即在MVB網(wǎng)絡(luò)中發(fā)生單點(diǎn)故障不會導(dǎo)致列車停止運(yùn)行。

圖3 MVB通信接口冗余

3 主要部件及其功能

全自動無人駕駛車輛TCMS主要部件及其功能如下：

(1) 交換機(jī)。交換機(jī)在網(wǎng)絡(luò)中用于構(gòu)建列車級以太網(wǎng)和車輛級以太網(wǎng)，具備通用3層交換機(jī)的功能、軟硬件旁路功能，并有簡易便捷的WEB配置管理工具。

(2) CCU。CCU負(fù)責(zé)對車輛進(jìn)行控制，對車輛設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視和故障診斷，同時(shí)具備數(shù)據(jù)記錄儀功能，可以記錄列車狀態(tài)數(shù)據(jù)、故障數(shù)據(jù)，作為列車維修人員進(jìn)行故障查詢的依據(jù)。

(3) RIOM。RIOM負(fù)責(zé)采集列車數(shù)字量和模擬量信號，同時(shí)依據(jù)CCU指令進(jìn)行輸出控制。

(4) HMI。HMI支持多路高清視頻播放，可提供司機(jī)模式、乘務(wù)員模式、檢修模式等顯示工作模式，可以通過顯示屏發(fā)布部分控制操作指令，同時(shí)對各子系統(tǒng)工作狀態(tài)、故障信息、操作及維修提示信息進(jìn)行集中顯示。

(5) ERM。ERM主要功能是通過以太網(wǎng)接口和MVB接口與列車網(wǎng)絡(luò)相連，對列車數(shù)據(jù)重新整理、解析、存儲，實(shí)現(xiàn)用戶對列車進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視、診斷、檢修的功能。

(6) SGW。SGW作為列車網(wǎng)絡(luò)與地面網(wǎng)絡(luò)的安全防火墻設(shè)備，具有報(bào)文過濾、狀態(tài)檢測、防攻擊、報(bào)文加解密等安全策略，用于保護(hù)列車控制及監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)免受外部網(wǎng)絡(luò)非法訪問和攻擊。

(7) REP。REP滿足IEC 61375系列標(biāo)準(zhǔn)，是冗余管理的MVB-EMD中繼器，為列車網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性提供保障。REP可以通過數(shù)據(jù)幀識別數(shù)據(jù)傳輸方向，將數(shù)據(jù)幀從一個網(wǎng)段傳輸?shù)搅硪粋€網(wǎng)段，并能偵測網(wǎng)絡(luò)上的信號沖突且進(jìn)行相應(yīng)的處理。REP能夠?qū)VB總線上傳輸?shù)男盘栠M(jìn)行接收、放大和發(fā)送，用于增強(qiáng)通信質(zhì)量，延長通信距離。每個REP包含2個相互冗余的REP模塊。

4 故障診斷

列車診斷系統(tǒng)是列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的重要組成部分，當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，可以協(xié)助司機(jī)采取適當(dāng)?shù)牟僮?，使檢修人員更容易地查找并解決故障。列車診斷系統(tǒng)硬件包括CCU、HMI、RIOM、ERM等。ERM接收各個子系統(tǒng)通過以太網(wǎng)傳輸?shù)墓收闲畔?，按照故障分類進(jìn)行存儲和報(bào)警提示。

4.1 HMI故障顯示與報(bào)警

在HMI上，不論是故障記錄還是故障顯示，每條純文本信息都配有故障代碼，根據(jù)不同的故障類別進(jìn)行故障評估。故障類別和純文本信息顯示在HMI的界面上。此外，司機(jī)可以從HMI上獲得其他所必須實(shí)施的操作的指導(dǎo)說明。

對于重大故障(1級故障和2級故障)，HMI進(jìn)行實(shí)時(shí)報(bào)警。警告標(biāo)志和故障提示界面會自動出現(xiàn)在HMI上，其中1級故障排在前面，2級故障排在后面，這2類故障提示會一直在顯示屏上顯示，直到司機(jī)手動確認(rèn)。故障被確認(rèn)后將返回故障出現(xiàn)前的界面。3級故障不進(jìn)行顯示報(bào)警，但是可以通過HMI查詢故障記錄。故障記錄總數(shù)為999條，司機(jī)可以隨時(shí)調(diào)取查看歷史故障記錄。

4.2 ERM數(shù)據(jù)記錄

ERM主要是通過列車網(wǎng)絡(luò)對列車主要設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)、故障等重要數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，2臺ERM同時(shí)工作，維護(hù)人員可以從任意一臺ERM下載數(shù)據(jù)記錄。

5 網(wǎng)絡(luò)信息安全分析

TCMS網(wǎng)絡(luò)為控車網(wǎng)絡(luò)，屬于封閉式網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)黑客很難進(jìn)行攻擊，但將車輛數(shù)據(jù)傳到地面數(shù)據(jù)中心需要通過車地?zé)o線通道實(shí)現(xiàn)。車地?zé)o線通道屬于非安全網(wǎng)絡(luò)，為保證控制網(wǎng)絡(luò)安全，在車輛網(wǎng)絡(luò)和無線通道之間布置防火墻設(shè)備[5]，隔絕車輛控制網(wǎng)絡(luò)和車地?zé)o線通信網(wǎng)絡(luò)，以保證控車網(wǎng)絡(luò)安全。

6 控車安全

全自動無人駕駛城軌車輛對列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)有安全等級要求[6]。為此，研制了滿足SIL2等級的列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)NG2000網(wǎng)絡(luò)平臺。NG2000網(wǎng)絡(luò)平臺具備安全通信功能、安全采集功能、安全輸出功能、系統(tǒng)自檢功能和邏輯運(yùn)算功能。當(dāng)安全功能失效后，故障導(dǎo)向安全側(cè)，保證系統(tǒng)安全。

7 結(jié)束語

本文針對全自動無人駕駛城軌車輛對列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)安全性、可靠性和可用性要求，采用滿足SIL2安全等級的NG2000網(wǎng)絡(luò)平臺，可保證系統(tǒng)安全；網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳捎靡蕴W(wǎng)+MVB網(wǎng)絡(luò)冗余拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以太網(wǎng)和MVB網(wǎng)完全獨(dú)立，互不影響，任一模式均能夠滿足控車要求；以太網(wǎng)采用雙網(wǎng)雙歸屬拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，交換機(jī)之間采用鏈路聚合技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙哂?、帶寬翻倍和維護(hù)、控制數(shù)據(jù)的多網(wǎng)融合；入網(wǎng)設(shè)備通過雙網(wǎng)口接入以太網(wǎng)雙網(wǎng)，單一網(wǎng)口故障不會影響列車功能；配置安全網(wǎng)關(guān)，保證了車地通信的信息安全，滿足全自動無人駕駛城軌車輛對智能化、信息安全的要求。