动车组网络系统简析

动车组网络系统简析

于立中,闫朋飞,韩亚彬,娄莹 ,中车唐

山机车车辆有限公司   064000

摘要：高速列车为保证旅客乘车的安全与舒适，需对机车和车辆的各种设备进行可靠地控制、监测和诊断。随着现场总线技术的发展，这种过程控制已从集中型的直接控制系统发展成为基于网络的分布式控制系统。

列车通信网络是一种面向控制、连接车载设备的数据通信系统，是分布式列车控制系统的核心，其集列车控制系统、故障检测与诊断系统以及旅客信息服务系统于一体，以车载微机为主要技术手段，并通过网络实现列车各个系统之间的信息交换，最终达到对车载设备的集散式监视、控制和管理目的，实现列车控制系统的智能化、网络化与信息化。

关键词：TCN    列车总线(WTB)    车辆总线（MVB)    通信

一、TCN发展概述

高速列车为保证旅客乘车的安全与舒适。需对机车和车辆的各种设备进行可靠地控制、监测和诊断。随着现场总线技术的发展，这种过程控制已从集中型的直接控制系统发展成为基于网络的分布式控制系统。

现场控制总线出现于上世纪80年代，是一种开放式数字化多点通信的底层控制网络。这种总线技术把单个分散的测量控制设备变成网络节点，以现场总线为纽带，完成现场自动化设备之间的多点数字通信。相互共享信息。它打破了原来孤立的直接控制系统的信息孤岛局面，既是一个分布式控制系统，又是一个开放的通信网络。所以非常适合在列车上应用，即可用于车辆控制，又可传输旅客信息和进行故障诊断。

目前已发展出了很多总线技术，如WorldFIP，LonWorks，CAN总线及Profibus等，它们各有特点，在各个方面发挥着重要的作用。但由于多方面的原因，而未被业界一致接受作为列车通信网的行业标准。

为实现车载数据通信的国际标准化，国际电工技术委员会IEC于1999年通过了一项列车通信网络专用标准TCN（IEC-61375-1）。该标准将列车通信网络分成用于连接各节可动态编组的列车组通信网络WTB（绞接式列车总线）和用于连接车辆内固定设备的车辆通信网络MVB（多功能车辆总线）。

二、列车通信网络

列车通信网络即列车控制、诊断信息数据通信网络，其将列车微机控制系统的各个层次、各个单元之间连接起来，作为系统信息交换和共享的渠道，从而实现全列车环境下的信息交换。列车通信网络是铁路列车车辆之间和车辆内部可编程设备互连传送控制、检测与诊断信息的数据通信网络。它是用于列车这一流动性大、环境恶劣、可靠性要求高、实时性强、与控制系统紧密相关的特殊的计算机网络。

1、TCN网络结构

TCN分为两层结构，分别是WTB和MVB。

1）连接列车中各车厢的绞接式列车总线（WTB），WTB是一种串行数据数据通信总线，主要设计用于经常相互联挂和解编的重联车辆，总线能自己组态。

2）连接一个车辆内设备的多功能车辆总线（MVB），MVB是主要用于有互操作性和互换性要求的互联设备之间的串行数据通信总线，总线能快速响应。各段MVB总线在网关的连接下连接到列车的WTB总线。

（1）列车总线WTB

列车总线（WTB）是具有由列车编组引起的不同布局的总线。屏蔽双股绞合电缆（两倍冗余原因）用做传输媒介。两根单独的电缆用做冗余列车总线（WTB）线路。在中间车网关内使用两个独立插头。列车总线（WTB）和车辆总线（MVB）通过网关连接。

WTB用于连接各节可动态编组的车辆的列车级通讯网络。绞线式列车总线是一种串行数据通信总线，它是以列车运行控制计算机为核心，通过列车总线将各个车辆控制计算机节点连接起来，形成上层分布式网络。

最显著的特点是它以连续顺序给节点自动编号和让所有节点识别何处是车辆左侧或右侧的能力。在列车编组自适应能力上，WTB能够以顺序给节点自动编号和让所有的节点识别何处是列车的右侧或左侧的能力。每当列车组成改变时（例如联挂或解编），列车总线各节点执行初运行过程，该过程在电气上将各节点连接起来，并给每个节点分配连续地址。这是WTB最显著的特色，其它总线都不具备这个能力。WTB最多支持32个节点，在运行时可以进行自动配置，较适用于列车级网络。

（2）多功能车辆总线MVB

多功能车辆总线（MVB）一个固定布局。两根屏蔽绞合电缆用做冗余原因的传输媒介。对于一个改进的可用性，为车辆总线（MVB）选择了一个所谓的构架结构。MVB分支段通过转发器连接到一条主线（构架）上。

MVB用于连接车辆内固定设备的车辆通讯网络。它是应用于客运列车各车厢系统的分层网络，是面向控制的一种连接车载设备的数据通信系统，是分布式列车控制系统的核心组成部分。任务主要包括车门控制、照明控制、空调控制、制动系统的信息交换与控制、火灾报警的处理、列车信息的集中显示与智能故障诊断等等。

WTB和MVB总线的优缺点：

WTB、MVB通信速率较高。WTB最多支持32个节点，在运行时可以进行自动配置，较适用于列车级网络；MVB组网方式为预先配置，较适用于固定编组列车的列车组网络和非固定编组列车的车辆组网络。

为适应列车结构的要求，列车通信网络一般采用列车级和车辆级2级网络，WTB和MVB组合可以较好地满足这一要求。

WTB、MVB采用主从方式下的确定性的介质访问控制。所有设备只能在受控的确定的时间访问介质，这样可以有固定的响应时间，但代价是需要发轮询帧，总线利用率相对较低。在响应时间要求严格的情况下，建议采用WTB、MVB总线。

WTB、MVB支持多服务种类的变量和消息服务，可以合理的安排实时和非实时的数据传输。

在可靠性方面，具有检错能力。WTB、MVB具备介质冗余能力和主设备冗余能力。

在可管理性方面，WTB、MVB都有各自的网络管理能力。

总体来说，TCN（WTB和MVB）作为专门为列车通信网制定的标准，包括实时的变量通信、非实时的消息通信、列车编组的自适应能力、网络的可靠性、网络的可管理性。

三、列车通信与控制

1、总体设计理念

列车各控制装置间的通信通过由列车总线 WTB（绞线式列车总线）和车辆总线 MVB（多功能车辆总线）组成的双级通信网络予以实现。一个 8 节车厢的列车被称为一个动车组。根据列车通信和控制可将一个动车组分为两个牵引单元，各牵引单元包括 4 节车。各牵引单元配有各自的车辆总线 MVB。列车组中的牵引单元通过列车总线 WTB 互相连接。

为了提高可用性，将使用一个主链结构实现车辆总线 MVB 的拓扑结构。MVB 分支段通过中继器连接至主线（主链）上。该结构的优点在于如果车内一个 MVB 分支段出现故障，通常不会对牵引单元其他车的通信产生影响。对动车组以及输入输出设备（CCU、司机 MMI、SIBAS KLIP 和 MVB COMPACT I/O 模块）的可用性很重要的冗余控制和操作设备均位于 EC01/EC08 车内。因此，EC01/EC08 车内安装有两个独立的 MVB 分支段，冗余设备分给了各分支段，如有必要，冗余设备可用于列车行驶和制动的操作中。

2、中央控制单元（CCU）和网关

中央控制单元（CCU）由西门子铁路自动化系统SIBAS 32微处理器控制单元组成，SIBAS32采用32位处理器。为确保机车微机控制系统的可靠性，CCU控制功能采用冗余设计。每节头车（EC01/EC08）车设计有两个相同中央控制单元CCU。它负责本牵引单元的车辆控制。除读取外围设备和列车总线 (WTB) 发出的指令和消息外，还向这些设备发出控制信号和反馈消息。在引导司机室的主 CCU 也被称作引导主 CCU。除执行主 CCU 的任务外，它还可对整个列车组进行优化控制。在相邻牵引单元中的主 CCU 被称为受引导主 CCU。

本文通过对列车通信网络及采用总线技术进行了分析，阐述了适应当前列车控制需要的列车通信网络拓扑结构。具体对MVB及WTB总线的应用进行了介绍。