李強+劉國梁

摘 要：文章描述了CRH380CL型動車組網(wǎng)絡系統(tǒng)的系統(tǒng)組成和總線架構，詳細闡述了網(wǎng)絡系統(tǒng)實現(xiàn)的功能，歸納了該網(wǎng)絡系統(tǒng)融從理論角度分析了該網(wǎng)絡系統(tǒng)的可靠性、安全性和可維護性。

關鍵詞：CRH380CL；網(wǎng)絡系統(tǒng)；列車總線；車輛總線

中圖分類號：U266 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）31-0049-03

1 概述

CRH380CL型動車組網(wǎng)絡控制系統(tǒng)是采用日立公司基于ISO/IEC 13239（HDLC）標準開發(fā)的ATI-C（Autonomous Train Integration-Control）系統(tǒng)。該系統(tǒng)與車載主要設備之間進行串口通信，I/O信號收發(fā)，并在車輛間實現(xiàn)信息高速傳輸。實現(xiàn)列車狀態(tài)、故障信息顯示，控制指令傳輸、診斷指令輸出，并將其結果進行記錄等功能。能夠對車上的司機、乘務員以及維修保養(yǎng)人員的業(yè)務進行支持[1]。

2 系統(tǒng)組成

列車網(wǎng)絡控制系統(tǒng)硬件由安裝在兩端頭車的中央單元、安裝在中間車的終端單元、安裝在每節(jié)車的輸入輸出接口單元（IFU）、安裝在頭車和9車的顯示屏組成[2]。

司機室占用端的中央單元負責全列車的邏輯控制。中間車的終端單元負責本車網(wǎng)絡信號的發(fā)送和接收，保證列車總線的正常通信。在必要時，可以由終端單元直接控制本車的重要設備。各車的輸入輸出接口單元具有數(shù)字量和模擬量的輸入輸出接口，進行信號的采集和發(fā)送。整車包括司機室和機械師室在內的共5臺顯示器，能夠指導司機和乘務人員進行正確的行車操作。

3 主要功能

CRH380CL型動車組的列車網(wǎng)絡控制系統(tǒng)的主要功能可分為三大類：控制邏輯的處理與傳輸，設備狀態(tài)的監(jiān)視，異常、故障的檢測與處理[3，4]。

3.1 牽引控制指令的傳輸

網(wǎng)絡系統(tǒng)根據(jù)牽引手柄、方向手柄的輸入信號，將牽引級位、牽引力大小、行駛方向、恒速控制等信息傳送給牽引變流器，用于網(wǎng)絡整車的牽引控制。

網(wǎng)絡系統(tǒng)將高壓部件的復位指令傳輸至各車牽引變流器和輔助變流器，用于對故障高壓部件進行復位處理。

3.2 設備的監(jiān)視信息的控制與傳輸

網(wǎng)絡系統(tǒng)負責受電弓的優(yōu)先弓選擇，發(fā)出升降弓命令；負責主斷路器的閉合使能，并通過斷開主斷實現(xiàn)牽引變壓器的油流、油溫、油位、油壓的保護。

網(wǎng)絡系統(tǒng)控制牽引變流器和牽引電機的冷卻風機，實現(xiàn)高低速轉換，為牽引系統(tǒng)在正常溫度范圍內提供保障。

網(wǎng)絡系統(tǒng)根據(jù)速度設定值、車輛運行坡道等外部信息，調節(jié)牽引力或電制動力的輸出百分比，實現(xiàn)整車的恒速控制。

網(wǎng)絡系統(tǒng)進行全列中壓負載和低壓負載的順序啟動和負荷管理，當輔助變流器輸出總功率降低時，自動切除部分負載，保持整車能夠以最優(yōu)的方案為各負載供電。

網(wǎng)絡系統(tǒng)控制主空壓機工作，實現(xiàn)全列總風壓力在正常范圍內。當列車檢測到需要限速運行的故障發(fā)生時，網(wǎng)絡系統(tǒng)自動發(fā)出最大常用制動命令或緊急制動命令，保證列車在預先設定的安全速度范圍內運行。

網(wǎng)絡系統(tǒng)對部分車輛服務設施進行控制，例如控制空調的開、關及溫度調節(jié)。

3.3 司乘人員支持功能

當發(fā)生故障或異常時，在占用端司機室顯示屏和乘務員室顯示屏上顯示報警及應急處理指導信息。

網(wǎng)絡系統(tǒng)通過遠程數(shù)據(jù)傳輸裝置（GSM/WLAN）發(fā)送運行故障信息至地面應急指揮中心，指揮中心人員可以更直觀、更便捷的獲取列車當前狀態(tài)，能夠及時指導司機、機械師處理當前的故障，維持車輛繼續(xù)運行。

機械師通過網(wǎng)絡系統(tǒng)的人工故障錄入功能，可以在車輛未回庫前，就把一些故障發(fā)送至動車所，以便于動車所的地面維護人員提前準備好相關的測試儀器、工具、料件等，節(jié)省動車組在庫內的維修檢查時間。

3.4 數(shù)據(jù)記錄功能

動車組發(fā)生影響行車安全的1級、2級故障時，中央單元能夠實時將其寫入自身的存儲器中進行記錄。當發(fā)生不影響行車安全，只需回庫處理的3級故障時，中央單元通過列車總線/車輛總線將故障信息發(fā)送給GSM/WLAN并記錄。

網(wǎng)絡系統(tǒng)能夠計算并記錄牽引變流器、輔助變流器的電力消耗，列車行駛距離，及各系統(tǒng)軟件版本。

3.5 特殊模式的控制

網(wǎng)絡系統(tǒng)具有網(wǎng)絡、牽引、制動、輔助、空調等系統(tǒng)的車上檢查功能，能夠在車輛靜止狀態(tài)下，測試這些系統(tǒng)的工作狀態(tài)和性能。

網(wǎng)絡系統(tǒng)具有整備模式功能，能夠在無司機控車且車輛未上線運營前，對制動系統(tǒng)進行測試，對空調系統(tǒng)進行自動調溫，使得司機控車時已經(jīng)自動完成例行檢查，盡快投入運營。

網(wǎng)絡系統(tǒng)具有出庫檢查功能，能夠提示司機完成牽引系統(tǒng)、門系統(tǒng)的相關測試，并將測試結果發(fā)送給網(wǎng)絡系統(tǒng)顯示屏，便于司機判斷列車狀態(tài)是否具備出庫條件。

4 網(wǎng)絡拓撲結構

CRH380CL型動車組采用兩層網(wǎng)絡結構，上層網(wǎng)絡為連接各編組車輛的列車級通信網(wǎng)絡，下層為連接每節(jié)車輛內固定設備的車輛級通信網(wǎng)絡。列車級網(wǎng)絡以冗余主干網(wǎng)連接各中央單元和終端單元。下層網(wǎng)絡用于各車廂，是面向各子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)。

4.1 列車總線

列車總線采用ATI總線，傳輸速率是3.2Mbps，控制指令的傳輸周期是10ms，監(jiān)視信息的傳輸周期是200ms。如圖1所示，ATI總線作為列車總線采用了雙重冗余的屏蔽雙絞線，同時控制單元的傳送系也采用了冗余設計，因此當其中的一條ATI總線發(fā)生故障或控制單元的某個傳送系發(fā)生故障時，不會影響網(wǎng)絡信息的正常傳輸。

ATI總線可以被看作是梯形連接的節(jié)點傳送系統(tǒng)，總線上所有單元都帶有微秒級延遲的傳輸中繼器，可以傳送數(shù)據(jù)到下一單元。因此，在每一傳輸周期內，只有一個單元可以發(fā)送數(shù)據(jù)到傳輸干線上，并且傳輸干線上的數(shù)據(jù)能夠被所有的單元接收。endprint

設計采用總線型拓撲結構，使得結構簡單、布線容易、可靠性較高，任一節(jié)點的狀態(tài)信息以廣播形式發(fā)送到總線上，能夠被其他所有節(jié)點接收，實現(xiàn)信息的充分共享。

4.2 車輛總線

車輛總線采用RS-485總線，帶有RS-485串行接口的子系統(tǒng)通過RS-485總線與控制單元直接相連，即中央單元（終端單元）與各子系統(tǒng)通過點對點方式（或一點對多點方式）構成星型結構?？刂茊卧c車輛某一設備之間通信發(fā)生故障時，不會對其他設備的通信造成影響。如果通信發(fā)生異常，查找異常根源也較為容易。

RS-485總線的傳輸速率是38.4kbps、76.8kbps、115.2kbps，控制指令的傳輸周期是10ms，監(jiān)視信息的傳輸周期是200ms。

5 列車網(wǎng)絡控制系統(tǒng)的特點

5.1 可靠性

任何單點故障不會影響到網(wǎng)絡系統(tǒng)的正常運行：

（1）ATI列車總線采用冗余的屏蔽雙絞線。

（2）中央單元、終端單元的中繼傳送器互為冗余；司控器的級位信息等控制指令，通過中央單元的傳送部的1系和2系，經(jīng)由兩系的傳送線路并聯(lián)傳送。

（3）兩端頭車的中央單元互為冗余。

（4）司機室顯示屏雙重備份。

（5）RS-485車輛總線采用點對點通信，網(wǎng)絡設備與車輛某一設備間通信異常時，不會對其他設備的通信造成影響。

5.2 安全性

（1）各車的制動系統(tǒng)通過WTB/MVB連接，如圖2所示。制動系統(tǒng)單獨成網(wǎng)保證了在網(wǎng)絡系統(tǒng)傳輸異常時，制動系統(tǒng)的所有信息仍能夠傳輸至中央單元。同時也減小了網(wǎng)絡控制系統(tǒng)的帶寬占用率。

（2）門系統(tǒng)采用硬線控制及網(wǎng)絡監(jiān)視，ATP與網(wǎng)絡系統(tǒng)也通過硬線連接，減少網(wǎng)絡信息傳輸可能受到的干擾。

（3）重要的輸入輸出信號采用多路冗余的DI/DO進行監(jiān)測和控制，邏輯處理時根據(jù)安全需求或冗余需求進行。

5.3 可維護性

（1）診斷信息完善，減少故障的判斷處理時間。故障診斷功能對故障的優(yōu)先級進行劃分，并針對司機和維護人員分別給出處理提示內容。

（2）顯示信息全面，所有I/O信息和RS-485接口信息都能在兩端頭車的司機室顯示屏上顯示，減少診斷時間。

（3）具有車上檢查功能，能夠對牽引、輔助、制動、空調等系統(tǒng)進行全面的功能檢查。

（4）具有變量的追蹤記錄功能。當牽引變流器或輔助變流器出現(xiàn)異常時，通過TCU或ACU追蹤異常發(fā)生時的RS-485接口的輸入信息，采樣周期是10ms；對于電流、電壓的瞬時值的記錄，采樣周期可以達到200？滋s；對于門極信號的發(fā)出和反饋的記錄，采樣周期可以達到1？滋s。這些異常信息的追蹤記錄可以直接進行下載，或經(jīng)由GSM/WLAN直接發(fā)送到地面維護站，便于分析故障，查找原因。

6 結束語

CRH380CL型動車組自2011年投入京滬高鐵的載客運營以來，網(wǎng)絡系統(tǒng)工作穩(wěn)定，其良好的網(wǎng)絡架構和完善的控制功能保障了該型動車組的可靠運行，帶來了良好的經(jīng)濟效益和社會效益。

參考文獻：

[1]常振臣.列車通信網(wǎng)絡研究現(xiàn)狀及展望[J].電力機車與城軌車輛，2005（3）：5-7.

[2]常振臣，李強.CH380CL高速列車網(wǎng)絡控制系統(tǒng)[J].電力機車與城軌車輛，2017（3）：1-5.

[3]倪文波，王雪梅.高速列車網(wǎng)絡與控制技術[M].成都：西南交通大學出版社，2010.

[4]陶艷，龔娟.列車網(wǎng)絡控制技術原理與應用[M].北京：中國電力出版社，2010.endprint