■ 陳美霞 湯恒舟 邵國棟

陳美霞：南車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司，高級(jí)工程師，江蘇 南京，210031

湯恒舟：南車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司，教授級(jí)高級(jí)工程師，江蘇 南京，210031

邵國棟：南車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司，工程師，江蘇 南京，210031

世界上第一輛有軌電車于1881年誕生于德國，我國于1899年引進(jìn)有軌電車技術(shù)，先后在天津、上海、大連、北京、沈陽、哈爾濱、長春等城市建成有軌電車交通系統(tǒng)，但是由于現(xiàn)代城市公共交通的競(jìng)爭(zhēng)，并且早期的城市有軌交通系統(tǒng)具有運(yùn)能小、擠占道路資源和噪聲大等問題，到20世紀(jì)50年代末國內(nèi)外大城市紛紛拆除有軌交通系統(tǒng)；然而隨著城市的發(fā)展擴(kuò)大，城市公共交通面臨長距離集中客流等新情況，使得包括地鐵在內(nèi)的公共交通系統(tǒng)不堪重負(fù)，正是在這種情況下，現(xiàn)代有軌電車系統(tǒng)尤其是低地板車輛以其環(huán)境污染小、節(jié)省能源、投資少及運(yùn)量大等優(yōu)勢(shì)得到廣泛關(guān)注。

1 現(xiàn)代低地板有軌電車分類

現(xiàn)代有軌電車系統(tǒng)最常見的是低地板車輛系統(tǒng)，因受傳動(dòng)系統(tǒng)和電氣設(shè)備布置的限制，其又有50%～70%低地板、100%低地板和超低地板之分，直觀的區(qū)別在于其地板面距軌面的高度，通常地板面高度處于350～450 mm稱為部分低地板，200～350 mm稱為100%低地板，200 mm以下的稱為超低地板。

2 100%低地板有軌電車車輛管理與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體描述

100%低地板有軌電車車輛管理與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是一個(gè)綜合性的車輛控制、監(jiān)控、診斷及顯示系統(tǒng)，采用分布式和模塊化設(shè)計(jì)。通過冗余的多功能車輛總線MVB和以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，可以有效減少車輛硬連線的數(shù)量。車輛管理與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（TCMS）的總線主要分為多功能車輛總線（MVB）和以太網(wǎng)總線。

2.1 多功能車輛總線（MVB）

MVB主要連接涉及車輛安全的重要車載設(shè)備，如牽引、制動(dòng)設(shè)備和數(shù)據(jù)記錄儀等，實(shí)現(xiàn)部分子系統(tǒng)與TCMS之間的數(shù)據(jù)傳輸，傳輸介質(zhì)為雙絞屏蔽線。MVB通過總線連接器或I/O接口與各子系統(tǒng)連接，傳遞控制數(shù)據(jù)、信息數(shù)據(jù)等，控制各子系統(tǒng)完成相應(yīng)的功能。MVB的主要特征：采用標(biāo)準(zhǔn)為IEC 61375-1（列車通信網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)）；傳輸距離為電氣中距離傳輸（EMD），不設(shè)中繼器可傳輸200 m（采用雙絞屏蔽線）；傳輸速率為1.5 Mb/s。

2.2 以太網(wǎng)總線

以太網(wǎng)總線采用IP通信協(xié)議，具有完善的狀態(tài)監(jiān)控、故障診斷、信息顯示和信息儲(chǔ)存功能，完成對(duì)車輛運(yùn)行狀態(tài)及故障的分析判斷。

TCMS以太網(wǎng)主要連接涉及車輛非安全的車載設(shè)備，如輔助供電、車門、空調(diào)和乘客信息系統(tǒng)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)部分子系統(tǒng)與TCMS之間的數(shù)據(jù)傳輸，傳輸介質(zhì)為超5類屏蔽雙絞線。此外，TCMS以太網(wǎng)還用于對(duì)所有微機(jī)控制子系統(tǒng)存儲(chǔ)信息的下載、調(diào)試和在線測(cè)試。在司機(jī)室的IP維護(hù)端口上可以對(duì)整車牽引系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行維護(hù)，通過便攜式測(cè)試單元PTU軟件與一個(gè)外部PC機(jī)連接。

以太網(wǎng)總線的主要特征：采用標(biāo)準(zhǔn)為IEEE 802.3/802.3u；傳輸距離為100 m（采用超5類屏蔽雙絞線）；傳輸速率為10 Mb/s 或100 Mb/s。

TCMS與乘客信息系統(tǒng)通過以太網(wǎng)接口相連，一方面TCMS將指令（如車輛速度、線路號(hào)等）發(fā)給乘客信息系統(tǒng)，另一方面乘客信息系統(tǒng)也將自身的狀態(tài)及故障信息（如乘客緊急報(bào)警器激活狀態(tài)、動(dòng)態(tài)地圖故障等）發(fā)送給TCMS。TCMS根據(jù)收集到的乘客信息系統(tǒng)監(jiān)控信號(hào)，在司機(jī)顯示單元（DDU）上顯示乘客緊急制動(dòng)狀態(tài)、乘客緊急報(bào)警狀態(tài)、CCTV監(jiān)控錄像的畫面和后視系統(tǒng)的監(jiān)控畫面；乘客信息系統(tǒng)的工作狀態(tài)也會(huì)在DDU上顯示。TCMS系統(tǒng)拓?fù)鋱D見圖1。

圖1 100%低地板有軌電車TCMS拓?fù)鋱D

3 100%低地板有軌電車TCMS設(shè)備及其特性

3.1 TCMS設(shè)備

100%低地板有軌電車TCMS按照功能分為車輛管理系統(tǒng)和車輛監(jiān)測(cè)系統(tǒng)2個(gè)子系統(tǒng)，主要有以下7種設(shè)備組成：中央控制單元（VCU）、司機(jī)顯示單元（DDU）、遠(yuǎn)程輸入輸出模塊（RIOM）、模擬輸入輸出單元、數(shù)據(jù)記錄儀（EVR）、以太網(wǎng)交換機(jī)（SWITCH）。

3.2 TCMS特性

在項(xiàng)目設(shè)計(jì)時(shí)，首先考慮到100%低地板有軌電車相比A、B型地鐵車輛車體較小，導(dǎo)致車輛內(nèi)部對(duì)TCMS電氣設(shè)備的安裝空間做出諸多限制；其次TCMS主要參與車輛運(yùn)行的管理與監(jiān)控，因而其對(duì)有軌電車行駛的安全穩(wěn)定性負(fù)有重大責(zé)任，為了更好地保障乘客安全，100%低地板有軌電車TCMS具有以下特性。

3.2.1 系統(tǒng)的高度冗余性

系統(tǒng)冗余性又細(xì)分為MVB冗余、DDU冗余、車輛控制冗余。

（1）MVB冗余。車輛通信網(wǎng)絡(luò)的MVB采用兩對(duì)雙絞屏蔽線的冗余結(jié)構(gòu)。這兩對(duì)雙絞屏蔽線分為A線和B線，正常情況下設(shè)備只接收其中一條線路上的信號(hào)，當(dāng)此線路發(fā)生故障時(shí)，設(shè)備自動(dòng)從另一條線路上接收數(shù)據(jù)。

當(dāng)某個(gè)設(shè)備因斷電等故障與MVB不能通信時(shí)，只要2個(gè)MVB連接器與設(shè)備上的相關(guān)接口仍可靠連接，則不會(huì)影響MVB上其他設(shè)備通信，僅故障設(shè)備的通信丟失。

（2）DDU冗余。DDU采用冗余配置，每個(gè)司機(jī)室配有2臺(tái)獨(dú)立的DDU。在任意一臺(tái)DDU故障的情況下，DDU的基本功能可以在另一臺(tái)DDU上完成，極大地保證車輛的可用性。

（3）車輛控制冗余。車輛控制由車輛通信網(wǎng)絡(luò)和車輛硬線電路聯(lián)合完成，既采用網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)，又充分考慮車輛運(yùn)行和安全的實(shí)際措施。

正常運(yùn)行情況下，通過車輛通信網(wǎng)絡(luò)執(zhí)行車輛控制功能。除此之外，部分關(guān)鍵指令、信號(hào)傳輸或顯示也可由車輛硬件電路進(jìn)行冗余。車輛配備緊急牽引模式，通過硬線傳輸緊急牽引指令、牽引指令、制動(dòng)指令和方向指令保證在VCU故障時(shí)車輛仍可安全駛回車輛段。

3.2.2 故障診斷模塊的高集成度和易傳輸性

100%低地板有軌電車的車輛故障診斷功能由VCU集中完成，充分利用車內(nèi)本已不大的空間。在每個(gè)VCU中安裝專用的微處理器，用于故障數(shù)據(jù)處理。所有診斷信息及車輛故障信息將自動(dòng)提供給整組車輛。在該系統(tǒng)中，對(duì)于每個(gè)連接到TCMS的子系統(tǒng)控制單元，對(duì)各子系統(tǒng)可診斷到最小可更換單元。VCU通過車輛總線管理系統(tǒng)接收從各子系統(tǒng)傳來的故障信息、相關(guān)環(huán)境數(shù)據(jù)和相應(yīng)的時(shí)間。在整車的子系統(tǒng)單個(gè)部件故障發(fā)生時(shí)，故障診斷系統(tǒng)能夠參考整列車輛的故障情況及該子系統(tǒng)部件故障對(duì)整車運(yùn)營的影響程度，對(duì)故障綜合評(píng)估，給出合適的故障處理建議。一些關(guān)鍵性的車輛狀態(tài)也作為故障進(jìn)行儲(chǔ)存（如緊急制動(dòng)等）。此外，100%低地板有軌電車的事件及其環(huán)境變量還保存在數(shù)據(jù)記錄儀內(nèi)，大大方便后期維修和分析。VCU收集各子系統(tǒng)的狀態(tài)數(shù)據(jù)和故障信息并進(jìn)行分析，根據(jù)故障對(duì)車輛的運(yùn)行性能、安全性能或子系統(tǒng)的影響，將故障劃分為不同等級(jí)。

VCU在其存儲(chǔ)器內(nèi)記錄故障評(píng)估結(jié)果和其他故障信息，按FIFO先進(jìn)先出進(jìn)行存儲(chǔ)。TCMS將經(jīng)過分級(jí)評(píng)估的故障信息發(fā)送到DDU屏上進(jìn)行顯示，便于司機(jī)及時(shí)掌握車輛運(yùn)行狀態(tài)和故障信息，并提供給司機(jī)相應(yīng)的故障處理建議。同時(shí)，發(fā)出警報(bào)提醒司機(jī)注意。

在司機(jī)室設(shè)有以太網(wǎng)服務(wù)插口與便攜式測(cè)試單元（PTU）進(jìn)行通信，PTU通過MVB或以太網(wǎng)可訪問車輛任何子控制系統(tǒng)的狀態(tài)信息和故障信息，并實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的控制功能。尤為方便的是車輛可利用無線網(wǎng)，通過無線天線將車載數(shù)據(jù)傳輸至地面車輛段接收設(shè)備，使調(diào)度維護(hù)人員可快速下載車輛數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，這對(duì)于運(yùn)營調(diào)度和車輛故障快速診斷及檢修具有重大的意義。車輛故障數(shù)據(jù)車地?zé)o線傳輸方式見圖2。

4 結(jié)束語

圖2 車地故障數(shù)據(jù)無線傳輸示意

隨著我國新型城鎮(zhèn)化方案的推廣及交通機(jī)動(dòng)化的發(fā)展，汽車數(shù)量迅速增加，由此帶來的交通擁堵和環(huán)境污染等問題不容忽視。從國內(nèi)外大量的工程實(shí)踐及科技發(fā)展趨勢(shì)看，現(xiàn)代低地板有軌電車因其具有運(yùn)量適中、噪聲小、無污染和高度安全穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，成為解決城市交通問題的有效途徑之一。因此必須因地制宜地發(fā)展低地板有軌電車，作為低地板有軌電車“脊椎”的TCMS以總線布置為主，已為大多數(shù)業(yè)主用戶所認(rèn)可采用，而以太網(wǎng)因其具有高數(shù)據(jù)傳輸速率等優(yōu)點(diǎn)，近年來逐步在低地板有軌電車上采用。中國南車集團(tuán)南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司在城市軌道車輛方面具有深厚的技術(shù)研究和豐富的維護(hù)經(jīng)驗(yàn)，公司智能產(chǎn)品研發(fā)部開發(fā)的TCMS已在深圳軌道交通4號(hào)線、格魯吉亞EMU、突尼斯DMU、南京地鐵1號(hào)線南延線等國內(nèi)外多個(gè)項(xiàng)目上得到應(yīng)用并獲得用戶的一致好評(píng)，因此其也將為我國新型低地板有軌電車研究和應(yīng)用做出重大貢獻(xiàn)，保障我國新型城鎮(zhèn)化建設(shè)的穩(wěn)步推進(jìn)。

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