周玨凱，屠　宣，曾進豪

(1.重慶市軌道交通(集團)有限公司，重慶　401120；2. 中國電子科技集團公司第三研究所，北京　100015)

列車廣播系統(tǒng)的聯(lián)掛設計

周玨凱1，屠宣1，曾進豪2

(1.重慶市軌道交通(集團)有限公司，重慶401120；2. 中國電子科技集團公司第三研究所，北京100015)

摘要:列車廣播系統(tǒng)基于CAN總線通信網(wǎng)絡設計，通過音頻通道，實現(xiàn)自動廣播、人工廣播和報警/對講等功能，幾列車聯(lián)掛后，各車的廣播系統(tǒng)成為一個系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作。提出了一套地鐵列車廣播系統(tǒng)聯(lián)掛設計方案，從列車廣播系統(tǒng)介紹入手，逐漸展開提出了廣播系統(tǒng)聯(lián)掛過程的設計以及實現(xiàn)方法。列車廣播系統(tǒng)的聯(lián)掛設計主要涉及幾個方面：通信系統(tǒng)聯(lián)掛、廣播通道聯(lián)掛、對講報警通道聯(lián)掛。

關鍵詞:列車廣播系統(tǒng)；聯(lián)掛；車載電子

列車聯(lián)掛運行在動車組列車中比較常見，它是一種采用專用的連接器將兩列或者多列獨立的列車連接成一個整體來運行的方式，目的是為了提高列車的運載能力。

現(xiàn)有地鐵列車的聯(lián)掛是為車輛救援設置的，一般聯(lián)掛線纜較少，其中列車廣播系統(tǒng)的聯(lián)掛線只有通信線和司機對講音頻線，目的是通過聯(lián)掛線纜，使救援車輛與被救援車輛的司機之間能夠進行信息交換，以便及時了解被救車輛的狀況。救援聯(lián)掛車輛的數(shù)量一般不會超過2列，所以這種聯(lián)掛方式相對簡單易實現(xiàn)，救援聯(lián)掛使用頻率很低。

目前隨著動車組列車的聯(lián)掛運行日益普遍，這種靈活方便的列車運行方式逐漸得到業(yè)界的認可，一些市郊快速城市列車也準備嘗試聯(lián)掛運行。相比之前的救援聯(lián)掛，聯(lián)掛運行時，系統(tǒng)聯(lián)掛變成了列車運行工作的常態(tài)，它對聯(lián)掛的可靠性要求更高，實現(xiàn)也變得復雜。對廣播系統(tǒng)而言，幾列車聯(lián)掛以后，各車的廣播系統(tǒng)要成為一個系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作[1]。

1列車廣播系統(tǒng)介紹

介紹列車廣播系統(tǒng)聯(lián)掛設計之前，首先需要了解列車廣播系統(tǒng)的功能及工作原理。

1.1列車廣播系統(tǒng)的組成及功能

列車廣播系統(tǒng)是地鐵列車的配套系統(tǒng)，列車廣播是車載電子系統(tǒng)的重要組成部分。列車廣播系統(tǒng)一般由司機室設備和客室設備組成，詳見表1。

表1列車廣播系統(tǒng)組成

序號位置設備名稱數(shù)量/輛Tc車M車M車M車M車Tc車總數(shù)/列123司機室司機室廣播主機1————12LED終點站顯示器1————12司機控制單元1————1245678客室客室廣播分機1111116客室揚聲器88888848緊急報警器22222212噪聲檢測器22222212動態(tài)電子地圖88888848

列車廣播系統(tǒng)的主要功能有：

1)列車自動報站廣播功能，是指在列車行駛過程中，廣播系統(tǒng)根據(jù)車輛提供的門和速度信號或者根據(jù)列車控制網(wǎng)絡(TCMS)提供的信號自動進行廣播報站。

2)人工廣播報站功能，是指司機通過系統(tǒng)配置的話筒對全車進行語音報站。

3)司機室對講功能，是指兩個司機室間的通話。

4)乘客緊急報警功能，指當列車車廂發(fā)生緊急事件時，乘客借助安裝在客室內(nèi)的緊急報警裝置直接和司機對話。

5)動態(tài)地圖顯示功能，為乘客提供列車運行線路、站點信息。

6)LED終點顯示功能，顯示列車運行的終點信息，設備一般安裝在車頭位置。

1.2列車廣播系統(tǒng)的工作原理

列車廣播系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

圖1　列車廣播系統(tǒng)原理框圖

列車廣播系統(tǒng)是基于CAN總線通信網(wǎng)絡設計，通過音頻通道，實現(xiàn)自動廣播、人工廣播和報警/對講等功能。為確保廣播系統(tǒng)可靠的工作，設備之間采用硬線連接，一共使用5對列車導線貫穿全車來完成系統(tǒng)所有功能。

1)1對全車通信總線。通常采用工業(yè)級控制總線CAN總線，主要用于命令、信息傳遞，是連接司機室和客室信息交換的橋梁。全車通信網(wǎng)絡采用分級CAN通信。一級CAN總線是全車主通信網(wǎng)絡，負責司機室和客室間通信；每個客室內(nèi)部又形成各自獨立的CAN通信子網(wǎng)絡，每個子網(wǎng)絡分別連接各自客室的分設備。這樣設計的優(yōu)點是：能充分保證主網(wǎng)絡通信暢通，提高通信成功率。

2)1對人工廣播總線。采用獨立的人工廣播通道，當系統(tǒng)因為各種原因?qū)е伦詣訌V播失效時，只要供電正常，緊急情況下可啟用人工廣播通道對客室進行廣播[2]。

3)1對自動廣播總線。列車自動廣播音頻的傳輸通道。

4)2對對講報警總線。司機之間、司機和乘客之間通話的全雙工語音通道。

音頻信號由司機室統(tǒng)一輸出，升壓變壓器定壓傳輸?shù)娇褪?，客室降壓后由功放輸出給揚聲器，這種信號定壓傳輸方式能增加信號的抗干擾能力，提高系統(tǒng)可靠性。另外，兩個司機室的控制設備采用熱備份方式，一主一備，主子機可以互相切換，音頻輸出和控制由主機完成。

2列車廣播系統(tǒng)的聯(lián)掛設計

列車聯(lián)掛以后，列車廣播系統(tǒng)除了具備其基本的功能外，各客室的廣播和顯示必須與為主機的司機室保持一致，而且聯(lián)掛后各車司機室能夠互相對講通話；

列車重連后各客室的乘客緊急報警器都能與主機端司機室通信和通話。

當聯(lián)掛列車數(shù)量超過2列時，聯(lián)掛的過程應該是先聯(lián)掛好兩列車，然后聯(lián)掛好的車輛作為一個整體再跟第三列車聯(lián)掛，依此類推，這樣能充分保證聯(lián)掛的可靠性，也能簡化聯(lián)掛的控制過程。

列車聯(lián)掛后，為了能夠完成整車的通信、控制、音頻傳輸?shù)裙δ?，需明確聯(lián)掛后各司機室的狀態(tài)，聯(lián)掛車輛的列車號等信息。

首先介紹列車聯(lián)掛后各司機室狀態(tài)定義。如圖2所示，實際物理參與聯(lián)掛的司機室定義為聯(lián)掛態(tài)司機室，其余的定義為非聯(lián)掛司機室。另外根據(jù)列車司控鑰匙的位置，又可以將司機室定義為主機(司控鑰匙所在的司機室)和子機(沒有司控鑰匙的司機室)。根據(jù)以上對司機室狀態(tài)的兩種定義，聯(lián)掛后司機室可能出現(xiàn)的狀態(tài)如表2所示。

圖2　多車重聯(lián)后司機室狀態(tài)

表2　列車聯(lián)掛后司機室狀態(tài)

根據(jù)司機室的狀態(tài)不同，其地位和功能也不同。列車聯(lián)掛后，整列車有且只有一個主機司機室，所有的控制和命令處理都由其完成，其余司機室都為子機狀態(tài)。聯(lián)掛態(tài)的子機只負責通信數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，包括轉(zhuǎn)入和轉(zhuǎn)出[3]。聯(lián)掛態(tài)的主機除了轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)還負責數(shù)據(jù)分析處理。

列車聯(lián)掛后可以通過兩種方式獲取司機室狀態(tài)信息。第一種方式是通過讀取列車控制網(wǎng)絡系統(tǒng)(TCMS)發(fā)送的數(shù)據(jù)直接獲取。第二種方式是通過各車司機室的聯(lián)掛通信判斷自身是否聯(lián)掛端，具體實現(xiàn)方式后面會有介紹。這種方式只有在列車控制網(wǎng)絡失效時使用。

其次介紹列車號的作用。列車聯(lián)掛前，每列車作為獨立個體時，車上每個設備都是按照相同的命名規(guī)則在本列車范圍內(nèi)擁有唯一的通信地址，列車聯(lián)掛后所有設備通信命令必須攜帶列車號信息，保證地址的唯一性。列車號只有設備上車后才能確定，獲取列車號可以通過列車控制網(wǎng)絡系統(tǒng)(TCMS)，也可以在線通過司機控制單元手動輸入，優(yōu)先使用TCMS網(wǎng)絡提供的列車號。

基于上述列車廣播系統(tǒng)的聯(lián)掛要求以及設計過程，列車廣播系統(tǒng)的聯(lián)掛設計主要涉及幾個方面：通信系統(tǒng)聯(lián)掛、廣播通道聯(lián)掛、對講報警通道聯(lián)掛。

2.1通信系統(tǒng)聯(lián)掛

通信系統(tǒng)聯(lián)掛是列車廣播系統(tǒng)聯(lián)掛設計的關鍵部分。為了使列車通信網(wǎng)絡層次清晰，方便聯(lián)掛管理，在列車司機室廣播主機增加CAN通信聯(lián)掛模塊，聯(lián)掛CAN模塊是連接兩列車通信的橋梁，負責解析聯(lián)掛協(xié)議，一方面接收聯(lián)掛車輛信息，解析并轉(zhuǎn)發(fā)給本車控制模塊；另一方面將本車的信息轉(zhuǎn)發(fā)出去。通過CAN聯(lián)掛模塊可以方便地獲取聯(lián)掛車輛的信息，如列車編號、列車聯(lián)掛端、各車客室端的通信信息等。

本設計中，聯(lián)掛CAN模塊采用stm32系列ARM芯片實現(xiàn)，該芯片是意法半導體公司推出的一款ARM芯片，采用ARM32bitcortexTM-M3CPU，芯片處理速度快；I/O管腳和通信接口豐富，有多達14個外部通信接口，其中兩個CAN通信接口可以分別作為CAN聯(lián)掛模塊的內(nèi)部CAN接口和聯(lián)掛CAN接口，滿足設計要求。

通信聯(lián)掛框圖如圖3所示，簡單介紹其聯(lián)掛過程：聯(lián)掛列車物理連接好后，TCMS系統(tǒng)發(fā)送各車列車號和司機室聯(lián)掛狀態(tài)給各車司機室設備。主機端司機室設備發(fā)送聯(lián)掛信息啟動列車聯(lián)掛，各聯(lián)掛端互相發(fā)送帶有列車號的聯(lián)掛信息，并最終轉(zhuǎn)發(fā)給主機端司機室保存[4]。

圖3　通信聯(lián)掛框圖

列車聯(lián)掛好后，由車頭主機端統(tǒng)一進行報站控制和廣播音頻輸出， 聯(lián)掛建立后，通信線上傳遞的通信命令主要包括：主子機切換命令、站點信息命令、客室報警命令，設備故障信息等。

2.2廣播通道聯(lián)掛

廣播通道聯(lián)掛除了物理連接好以外，還應該考慮總線音量值的調(diào)節(jié)問題，否則聯(lián)掛車輛多時，會影響客室廣播音量。

2.3對講報警通道聯(lián)掛

列車聯(lián)掛后，在主機端司機室保存了各聯(lián)掛車輛的列車號，司機可以通過司機控制單元選擇呼通任意一個司機室進行對講通話。而且每次只能有兩個司機室對講[5]。

報警聯(lián)掛后，各客室的報警信息通過本車CAN聯(lián)掛模塊附加列車號信息轉(zhuǎn)發(fā)至主機端，司機接通報警后可與乘客通話。

以報警為例簡要介紹聯(lián)掛過程：圖4為3列車聯(lián)掛示意框圖，主機在列車1的司機室2，進行報警操作的報警器在列車3。報警命令通過本車通信總線傳送至兩端司機室，司機室2既不是主機也沒有連接，所以不對該命令處理；司機室1是聯(lián)掛態(tài)子機只負責命令轉(zhuǎn)發(fā)，不進行數(shù)據(jù)處理；列車2的司機室2和司機室1也是聯(lián)掛態(tài)子機，同樣只負責命令轉(zhuǎn)發(fā)；列車1的司機室2是聯(lián)掛態(tài)主機，當收到報警命令后對其進行處理，響應命令以同樣的傳送方式向相反的方向下傳給列車3的報警器，報警接通。

圖4　列車聯(lián)掛示意圖

3聯(lián)掛后的廣播系統(tǒng)原理

聯(lián)掛后的廣播系統(tǒng)原理圖見圖5。各列車聯(lián)掛后作為一個整體廣播系統(tǒng)，能夠為乘客提供自動廣播、人工廣播、乘客/司機緊急對講通話、司機/司機對講通話、車輛運營正常/特殊終點顯示、運營信息顯示、運行線路及運營站點信息顯示等功能。

4結(jié)束語

本文根據(jù)目前各客車廠提出的地鐵列車聯(lián)掛運行需求，針對廣播系統(tǒng)的聯(lián)掛進行了系統(tǒng)的設計，提出了一套切實可行的聯(lián)掛方案，有一定的實用價值。

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圖5　聯(lián)掛后的廣播系統(tǒng)原理圖

責任編輯：許盈

Designofcouplingfortrainbroadcastingsystem

ZHOUJuekai1，TUXuan1，ZENGJinhao2

(1.Chongqing Rail Transit (Group) Co., Ltd., Chongqing 401120, China;2.No.3 Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation, Beijing 100015, China)

Abstract:Train broadcasting system is designed based on CAN bus communication network, functions such as automatic broadcasting, artificial broadcasting and alarm/intercom are achieved via audio channel. Broadcasting system of each car works as a overall system after coupling. A design scheme of coupling for metro train broadcasting system is proposed, starting from the train broadcasting system introduced, the design and implementation of coupling process for train broadcasting system is unfolded and put forward. Coupling for communication system, broadcasting channel and alarm/intercom channel are involved for train broadcasting system.

Key words:train broadcasting system; coupling; train electron

收稿日期：2015-12-01