現(xiàn)代有軌電車及其控制系統(tǒng)概述

趙智

湘電集團(tuán)有限公司企業(yè)運(yùn)營(yíng)部 湖南 湘潭 411101

1 國(guó)內(nèi)外列車監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展概述

列車監(jiān)控系統(tǒng)起源可以追溯至1980至1990年，Siemens及BBC均研發(fā)出了功能較為簡(jiǎn)單的控制系統(tǒng)。隨著科技發(fā)展，人們對(duì)舒適度及便捷度要求的增加，列車上的裝置越來(lái)越多，越來(lái)越復(fù)雜，因此列車上需要傳輸?shù)男畔⒁才c日俱增，車載微機(jī)得到快速發(fā)展，于是，一種能將全車各子系統(tǒng)及部件通過互相通信進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控的系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，并漸漸發(fā)展成熟。比較具有代表性的有西門子的SIBAS系統(tǒng)，龐巴迪的MITRAC系統(tǒng)，ABB的MICAS系統(tǒng)，阿爾斯通的AGATE系統(tǒng)，這些控制系統(tǒng)各有特色且自成體系，這也使得列車自控系統(tǒng)的發(fā)展受到阻礙，隨著科技發(fā)展，鐵路行業(yè)對(duì)列車控制通信提出了更高的要求，這就需要有一個(gè)能夠使各系統(tǒng)各設(shè)備互相通用替換的平臺(tái)，于是，經(jīng)過多年努力，一項(xiàng)數(shù)據(jù)通信的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)被制定出來(lái)。這項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)定義控制通信網(wǎng)絡(luò)為二級(jí)分層結(jié)構(gòu)，對(duì)應(yīng)于列車總線與車輛總線?，F(xiàn)如今，國(guó)外的列車監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)相當(dāng)成熟，瑞士的ADtranz、德國(guó)西門子等公司均處于世界領(lǐng)先水平。

2 列車網(wǎng)絡(luò)控制研究現(xiàn)狀1.3列車網(wǎng)絡(luò)控制研究現(xiàn)

近年來(lái)，列車網(wǎng)絡(luò)控制的研究工作如火如荼，國(guó)內(nèi)外許多研究者對(duì)控制網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了較為深入的研究，取得了大量的研究成果，Ng和Mohammed等[1]通過仿真分析等方式對(duì)控制網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)場(chǎng)總線性能進(jìn)行了研究，取得了業(yè)界普遍認(rèn)可的結(jié)論。N.Berge等通過建模分析等方法研究信息傳輸在網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中所起的作用。Tengdin，Skeie和M.A. Marsan等對(duì)控制系統(tǒng)中以太網(wǎng)的性能做了詳細(xì)的建模分析工作，研究了它的實(shí)時(shí)性能。肖錦棟等對(duì)CAN 通信進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)分析，研究了其實(shí)時(shí)特性。羅志強(qiáng)等基于平均信息通信時(shí)延對(duì)網(wǎng)絡(luò)控制之性能做了大量研究。周悅、彭可等通過建模分析方式對(duì)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中使用的各種通信協(xié)議進(jìn)行了研究，對(duì)網(wǎng)絡(luò)控制性能指標(biāo)做出了評(píng)估。原上海鐵道大學(xué)及南車株機(jī)所對(duì)于車載智能控制也做過許多的研究，研發(fā)出多種結(jié)構(gòu)的列車總線網(wǎng)卡及車輛總線網(wǎng)卡，在列車網(wǎng)絡(luò)控制中得到較好的應(yīng)用并進(jìn)行了試運(yùn)行。南車株機(jī)所針對(duì)伊朗地鐵網(wǎng)絡(luò)控制對(duì)FSK網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)進(jìn)行了研究。株洲電力機(jī)車研究所聯(lián)合同濟(jì)大學(xué)對(duì)MVB, WTB進(jìn)行深入研究，研發(fā)出了MVB網(wǎng)卡、WTB網(wǎng)卡等產(chǎn)品，并在“中華之星”等高鐵中獲得成功應(yīng)用。同時(shí)，同濟(jì)大學(xué)還將該產(chǎn)品與西門子、EKE等國(guó)際上同類產(chǎn)品研發(fā)公司進(jìn)行了聯(lián)合測(cè)試，提出相應(yīng)測(cè)試規(guī)范。西南交大、青島四方等相關(guān)機(jī)構(gòu)也對(duì)列車網(wǎng)絡(luò)控制相關(guān)設(shè)備做了大量分析與研究，此外，國(guó)內(nèi)許多高校對(duì)FPGA進(jìn)行了很多的設(shè)計(jì)，以期將其應(yīng)用于列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，但大多停留于實(shí)驗(yàn)室的仿真實(shí)驗(yàn)。株機(jī)所、四方所等單位研究LonWorks總線取得一定成果后成功用于內(nèi)燃動(dòng)車組的網(wǎng)絡(luò)控制之中。而對(duì)于CAN通信，同濟(jì)大學(xué)也做了較多的研究分析工作，最終將其成功用于列車控制系統(tǒng)中，使其連接控制單元和司控臺(tái)，株洲電力機(jī)車研究所經(jīng)過研究后將其成功應(yīng)用在監(jiān)控設(shè)備和控制單元之間，國(guó)防科技大學(xué)也進(jìn)行過CAN應(yīng)用于磁懸浮列車控制的研究。

隨著時(shí)代進(jìn)步，傳統(tǒng)硬線運(yùn)行以及簡(jiǎn)單地微機(jī)控制系統(tǒng)的弊端慢慢體現(xiàn)出來(lái)：傳統(tǒng)硬線運(yùn)行操作便捷度不高，控制度不強(qiáng)，而且布線復(fù)雜，效率低；簡(jiǎn)單的微機(jī)控制系統(tǒng)安全性不高，控制性也不全面。因此，本文將會(huì)把列車監(jiān)控系統(tǒng)作為研究對(duì)象，以便提高列車運(yùn)行過程中的操作性、安全性和操控效率。

本文將在闡述國(guó)內(nèi)外有軌電車網(wǎng)絡(luò)控制研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)之上，以三模塊有軌電車為研究對(duì)象，簡(jiǎn)要介紹有軌電車的電氣構(gòu)造組成以及相關(guān)技術(shù)知識(shí)，描述了網(wǎng)絡(luò)控制單元（TCMS）的組成結(jié)構(gòu)，各部件原理以及整車控制功能需求，在此基礎(chǔ)上，介紹TCMS控制軟件，及如何針對(duì)三模塊有軌電車編制控制程序，并在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行測(cè)試，最后應(yīng)用在整車實(shí)驗(yàn)中，獲得較好的控制效果。

3 有軌電車系統(tǒng)組成及TCMS系統(tǒng)簡(jiǎn)介

現(xiàn)代有軌電車主要由牽引、制動(dòng)、乘客信息、網(wǎng)絡(luò)控制、照明、車門和空調(diào)等系統(tǒng)組成。牽引系統(tǒng)主要由受電弓、儲(chǔ)能裝置、牽引逆變器、電機(jī)等部件組成，其中受電弓或者儲(chǔ)能裝置通過牽引逆變器向轉(zhuǎn)向架上的電機(jī)提供能量，電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向架搭載車體運(yùn)行。制動(dòng)模塊包括六種制動(dòng)模式和三種制動(dòng)方式，六種模式分別為常用、緊急、安全、保持、停放、停車等，三種制動(dòng)方式分別是電控、液壓、磁軌。以上幾類制動(dòng)形式進(jìn)行不同的組合形成了五種制動(dòng)模式。空調(diào)系統(tǒng)分為客室和司機(jī)室空調(diào)，由受電弓或儲(chǔ)能裝置通過逆變器向空調(diào)供電，從而控制電車司機(jī)室和客室內(nèi)部溫度。乘客信息系統(tǒng)主要包括廣播、信息顯示和視頻監(jiān)視等功能，該系統(tǒng)直接面對(duì)乘客，向其提供一些基本信息，并可在緊急情況下實(shí)現(xiàn)乘客與司機(jī)的對(duì)話。網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)完成對(duì)列車牽引、制動(dòng)、輔助供電、車門、乘客信息等子模塊的監(jiān)控。該系統(tǒng)中的設(shè)備至少有司機(jī)顯示、車輛控制、數(shù)字量及模擬量的輸入輸出等模塊。

4 三模塊有軌電車控制單元分析與設(shè)計(jì)

4.1 有軌電車電氣方案設(shè)計(jì)

本文中所描述的三模塊有軌電車電氣系統(tǒng)包含：雙VCU設(shè)計(jì)，提供備用車輛控制單元；司機(jī)室及客室雙區(qū)空調(diào)；現(xiàn)代 PIS系統(tǒng)提供車輛旅程在線信息；視頻監(jiān)控；帶乘客開門請(qǐng)求功能的塞拉門系統(tǒng)以及其他特性底架區(qū)域僅提供司機(jī)室加熱器、感應(yīng)環(huán)式天線、喇叭、電鈴、載荷傳感器安裝空間。每個(gè)轉(zhuǎn)向架上安裝有一對(duì)電機(jī)、磁軌制動(dòng)器、液壓制動(dòng)單元、輔助制動(dòng)緩解單元。車內(nèi)安裝大部分的低壓設(shè)備。特別是兩端司機(jī)室的電氣柜中，低壓設(shè)備尤為集中。

4.2 有軌電車TCMS系統(tǒng)方案及需求分析

4.2.1 TCMS系統(tǒng)方案。列車網(wǎng)絡(luò)采用以太網(wǎng)環(huán)形網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)車輛控制系統(tǒng)與遠(yuǎn)程輸入輸出系統(tǒng)的實(shí)時(shí)過程數(shù)據(jù)傳輸。車輛網(wǎng)絡(luò)通過CAN網(wǎng)絡(luò)與各子系統(tǒng)連接。列車控制系統(tǒng)可以

實(shí)現(xiàn)事件記錄及數(shù)據(jù)記錄的功能，各子系統(tǒng)監(jiān)視和控制、配合司機(jī)完成駕駛功能、配合HMI進(jìn)行人機(jī)交互、故障診斷。

4.2.2 TCMS系統(tǒng)組成

①車輛控制單元VCU。車輛控制單元VCU采用32位微處理器，64M內(nèi)存，4G閃存，用于數(shù)據(jù)的處理，同時(shí)具備實(shí)時(shí)時(shí)鐘、總線管理等功能，還具有CANopen接口、USB接口、以太網(wǎng)接口以及串行接口。VCU具有故障和事件記錄功能，2個(gè)VCU記錄內(nèi)容相同。儲(chǔ)存器采用先進(jìn)先出的方式，其容量至少為4G。②遠(yuǎn)程輸入/輸出終端。RIOM可通過以太網(wǎng)接口連接到列車網(wǎng)絡(luò)上，和車輛控制單元進(jìn)行通信。它將車輛子系統(tǒng)的狀態(tài)、車重信息、司控器信息發(fā)送給VCU，VCU能夠通過RIOM實(shí)時(shí)了解相關(guān)狀態(tài)；同時(shí)車輛控制單元也可以通過RIOM來(lái)控制相關(guān)系統(tǒng)。RIOM是數(shù)據(jù)采集和控制的設(shè)備。③事件記錄儀 EVR(集成在VCU內(nèi))?？赏ㄟ^便攜式測(cè)試單元PTU將數(shù)據(jù)讀出。本項(xiàng)目EVR功能集成于VCU中。④HMI。HMI顯示列車狀態(tài)的信息并接收司機(jī)發(fā)出的控制指令。

以上設(shè)備通過以太網(wǎng)形成環(huán)路，其他由TCMS監(jiān)控的各子系統(tǒng)通過CAN網(wǎng)絡(luò)連接在環(huán)網(wǎng)上，從而實(shí)現(xiàn)TCMS對(duì)整車的監(jiān)視和控制。

4.3 有軌電車控制軟件設(shè)計(jì)

TCMS軟件系統(tǒng)集成了對(duì)牽引、制動(dòng)、門、空調(diào)、PIS等子系統(tǒng)的控制。所使用的編程工具為ISaGRAF平臺(tái)，對(duì)VCU編程后可實(shí)現(xiàn)以下功能：系統(tǒng)初始化、系統(tǒng)時(shí)間讀寫、司機(jī)室激活控制、司控器手柄控制信號(hào)、牽引狀態(tài)監(jiān)視、牽引使能控制、牽引關(guān)閉命令、PIS狀態(tài)監(jiān)視和控制、PIS自動(dòng)，半自動(dòng)報(bào)站功能、故障監(jiān)視并記錄、HMI數(shù)據(jù)顯示、事件記錄、看門狗程序，當(dāng)VCU程序運(yùn)行停止，立即重啟。VCU每周期監(jiān)控Cycle_Counter的狀態(tài)，如果該變量的值在某一周期內(nèi)未跳變則說(shuō)明系統(tǒng)運(yùn)行錯(cuò)誤，自動(dòng)重啟設(shè)備。

4.4 有軌電車控制軟件測(cè)試

4.4.1 TCMS測(cè)試平臺(tái)試驗(yàn)。為了能夠更好地驗(yàn)證在上車試驗(yàn)前邏輯功能的可行性、正確性、完整性，提前解決邏輯、信號(hào)采集等相關(guān)項(xiàng)點(diǎn)，需要在模擬試驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行基本功能的驗(yàn)證。TCMS試驗(yàn)平臺(tái)由三個(gè)機(jī)柜組成，其中HMI、VCU、ROIM之間使用以太網(wǎng)連接，模擬子系統(tǒng)輸入設(shè)備與RIOM設(shè)備間采用CANOPEN進(jìn)行通訊。試驗(yàn)平臺(tái)模擬整車，主要測(cè)試內(nèi)容有司控器的控制信號(hào)邏輯檢測(cè)、載荷傳感器的輸入信號(hào)邏輯檢測(cè)、整車電氣系統(tǒng)的輸入/輸出點(diǎn)位的邏輯檢測(cè)、VCU與HMI顯示屏之間的通訊以及對(duì)應(yīng)功能的檢測(cè)、強(qiáng)弱主的切換測(cè)試、整車方向信號(hào)的測(cè)試等。

試驗(yàn)結(jié)果證明，在試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)測(cè)試邏輯程序正確。但是模擬試驗(yàn)平臺(tái)只能模擬部分試驗(yàn)數(shù)據(jù)，完整的型式試驗(yàn)還需要在車輛上進(jìn)行實(shí)踐。

4.4.2 TCMS車載試驗(yàn)。根據(jù)整車設(shè)計(jì)需求，RIOM的AIM模塊采集司控器的4~20mA模擬電流信號(hào)，RIOM通過TRDP協(xié)議將采集的信息發(fā)送給VCU進(jìn)行信息處理。同時(shí)司控器有硬線指令通過VCU的DIO模塊給到VCU，VCU根據(jù)相應(yīng)的牽引、制動(dòng)、惰性硬線指令判斷是在牽引位、制動(dòng)位、惰性位。VCU收到RIOM轉(zhuǎn)發(fā)過來(lái)的4~20mA的電流信號(hào)，結(jié)合牽引、制動(dòng)硬線指令對(duì)應(yīng)相應(yīng)的牽引力的需求、制動(dòng)力的需求。

TCMS車載試驗(yàn)將分兩部分進(jìn)行，第一部分為整車的靜態(tài)試驗(yàn)部分，主要是與TCMS、TCU、BCU有關(guān)的靜態(tài)試驗(yàn)部分；第二部分為整車的動(dòng)態(tài)測(cè)試部分，主要是與TCMS、TCU、BCU有關(guān)的動(dòng)態(tài)試驗(yàn)部分。

在平臺(tái)實(shí)驗(yàn)中，TCMS控制軟件有效可行，邏輯符合預(yù)期要求。在整個(gè)車載試驗(yàn)過程中，TCMS與TCU、BCU之間收發(fā)數(shù)據(jù)正常。TCMS能完整的根據(jù)采集的司控器的控制信號(hào)以及級(jí)位信息給TCU、BCU發(fā)出相應(yīng)的控制信息，充分驗(yàn)證了本文研究的TCMS系統(tǒng)對(duì)于有軌電車安全運(yùn)行是可行的，且操作更加便利高效。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文通過論述現(xiàn)代有軌電車發(fā)展史，在有軌電車單純硬線控制的基礎(chǔ)上增加了網(wǎng)絡(luò)控制，引入TCMS系統(tǒng)，使其對(duì)現(xiàn)代有軌電車各個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)視和控制，增強(qiáng)了電車的可控性和操作便捷性，使現(xiàn)代有軌電車在運(yùn)行中可以做到硬線控制和網(wǎng)絡(luò)控制雙模式切換。文中介紹了TCMS硬件組成結(jié)構(gòu)，CAN通信和以太網(wǎng)基礎(chǔ)知識(shí)，以及編程環(huán)境和編程語(yǔ)言，描述了三模塊樣車的結(jié)構(gòu)組成，電氣原理以及樣車上搭載的TCMS的原理，功能等。結(jié)合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和樣車實(shí)際運(yùn)行，進(jìn)行了一系列的實(shí)驗(yàn)，充分論證了本文論述的TCMS有效可行。