張曉晉

(1 中國鐵道科學研究院集團有限公司 機車車輛研究所， 北京 100081；2 北京縱橫機電科技有限公司， 北京 100094)

列車網(wǎng)絡控制系統(tǒng)是高速動車組的核心技術。網(wǎng)絡控制系統(tǒng)由通信、控制、人機接口等設備和配套的電纜、連接器構成，從邏輯上可劃分為網(wǎng)關、中繼器、總線管理單元、中央控制單元、車輛控制單元、故障診斷與記錄單元、輸入輸出單元、智能顯示單元[1]。列車網(wǎng)絡控制系統(tǒng)主要實現(xiàn)重要設備的控制、狀態(tài)監(jiān)視和故障診斷，包括高壓、牽引、制動、自動速度控制、輔助供電、車門、空調、火災報警、PIS等等，從而保證列車安全可靠的運行，并為司機或機械師提供故障處理指南，為檢修維護提供數(shù)據(jù)支持。遵循IEC 61375國際標準，列車網(wǎng)絡控制系統(tǒng)既可以使用WTB/MVB，也可以使用實時以太網(wǎng)與各子系統(tǒng)交互。實時以太網(wǎng)是目前網(wǎng)絡通信技術的發(fā)展趨勢。

車門是工作人員和旅客與動車組接觸的第一個子系統(tǒng)。隨著人類生活水平的不斷提高和生活需求的不斷多樣化，門的種類和功能也在增加，研究和分析列車網(wǎng)絡控制與車門子系統(tǒng)的通信接口具有重要意義。

1 列車網(wǎng)絡通信技術發(fā)展現(xiàn)狀

繼WTB/MVB通信網(wǎng)絡技術之后，隨著應用數(shù)據(jù)量增長，對網(wǎng)絡性能的不斷追求驅動國內外各大公司以及各大院校都在研制和推廣列車實時以太網(wǎng)相關產(chǎn)品。Moxa、Duagon、Kyland公司都推出了符合IEC 61375標準的實時以太網(wǎng)產(chǎn)品[2-3]。德國西門子研制的ICE4列車，基于Sibas PN架構，分成ETB和ProfiNet(Process Field Net)兩級,目前已經(jīng)投入運營[4-5]。

列車實時以太網(wǎng)作為維護網(wǎng)在高鐵和地鐵領域已經(jīng)得到成熟應用。實時以太網(wǎng)作為控制網(wǎng)實際運營還處于起步階段。根據(jù)IEC 61375標準，實時以太網(wǎng)基礎架構是ETB/ECN。ETBN產(chǎn)品遵循IEC 61375-2-5[6]和IEC 61375-2-3[7]標準。ECN產(chǎn)品符合IEC IEC 61375-3-4[8]標準。列車級以太網(wǎng)拓撲發(fā)現(xiàn)協(xié)議TTDP(Train Topology Discovery Protocal)可實現(xiàn)列車通信網(wǎng)絡拓撲結構的自動配置和維護。列車實時數(shù)據(jù)協(xié)議TRDP(Train Real-time Data Protocal)位于TCP/UDP傳輸層之上，可以實現(xiàn)車輛級或列車級的通信。

實時以太網(wǎng)以其明顯的傳輸速率優(yōu)勢備受國內外廠家青睞。但是由于其自身成熟度問題，還需要發(fā)展時間，因此接下來幾年會是實時以太網(wǎng)和WTB/MVB網(wǎng)絡同時并存的時代。

2 高速動車組車門

2.1 門分類

動車組車門按功能分為外門和內門。外門按工作原理分為外掛式滑動門、內藏式滑動門和塞拉門等，按驅動特性分為電動和氣動。

國外高速動車組設計還涉及裝貨門(loading door)，適用于需要運輸笨重物品(比如自行車)的車廂。

2.2 門性能

門涉及的性能有：開門和關門速度(約2.5～5 s)，擠壓力，障礙物探測能力，密封影響，空氣動力學影響，關門位置探測、傳熱系數(shù)以及隔聲量等。內藏門和塞拉門在開關門時間方面略有不同。高速動車組外門目前采用具有良好密封、隔聲、隔熱性能的單扇電控氣動塞拉門。塞拉門因外觀與車輛外表面齊平而具有較好的空氣動力學特性[9]。塞拉門主要供應商有IFE、康尼、BODE、FAIVELEY等。

2.3 門組成

電控氣動塞拉門由驅動裝置，鎖閉機構，導向裝置，車內車外開門裝置，密封附框及門體，電控氣動單元，活動腳蹬等主要裝置組成。

塞拉門可以參考標準TB/T 3108-2011鐵道客車塞拉門。

2.4 門配置

根據(jù)UIC 556方向定義，門配置示意圖如圖1所示。

線纜1：可以是CAN、 RS485、RS232、硬線中的一種IN1：內門1， IN2：內門2L1：左1門， R1：右1門L2：左2門， R2：右2門圖1 門配置示意圖

圖1中車輛總線可以是MVB或者ECN。高速動車組中不同車廂的配置如表1所示?？紤]到高速動車組旅客密度，一般配置4扇門。每扇門有獨立DCU(Door Control Unit，車門控制器)控制。

表1 高速動車組車門配置示例表

3 網(wǎng)絡拓撲結構

車門網(wǎng)絡拓撲圖如圖2所示，共分為3個網(wǎng)絡層次。第1層為列車骨干網(wǎng)通信層，可以為WTB或者ETB。第2層為車輛級網(wǎng)絡通信層，可以為MVB或者ECN。第3層為子系統(tǒng)網(wǎng)絡通信層，可以為CAN，RS485，RS232總線或者硬線連接。TDCU是列車級DCU，一方面控制和監(jiān)視本單元所有車廂的MDCU；另一方面在占用端，通過列車骨干網(wǎng)，TDCU可以控制和監(jiān)視整車車門，例如監(jiān)視所有左車門開。TDCU功能一般包含在列車網(wǎng)絡控制系統(tǒng)中央控制單元(CCU)內。MDCU是主控DCU，負責控制和監(jiān)視本車廂所有門的DCU。DCU負責控制和監(jiān)視單個車門。

圖2 一種典型高速動車組門系統(tǒng)網(wǎng)絡拓撲圖

DCU是基于微處理器(如DSP)的高性能數(shù)字閉環(huán)控制系統(tǒng),可以采用先進的控制算法實現(xiàn)對門速度和動作的精確閉環(huán)控制，兼具故障監(jiān)測、自診斷和上位機管理與通訊等功能。DCU采用模塊化設計，例如包含電源模塊、輸入接口模塊、輸出接口模塊、電機控制模塊、CAN或RS485接口模塊、MVB和ETH接口模塊、USB接口模塊及存儲器模塊。

車輛級TDCU通過TBN與列車級網(wǎng)絡相連。TBN設備也可以被認為是網(wǎng)關設備，可以是WTB/MVB網(wǎng)關，也可以是ETB/ECN網(wǎng)關。列車級網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸需遵循一定的傳送規(guī)范。列車級過程數(shù)據(jù)劃分為P1、P2、P3、P4、P55類數(shù)據(jù)，說明如下：

(1)P1數(shù)據(jù)由編組中的主控車編排發(fā)出，其中主控車發(fā)送命令，包括控制指令，速度等數(shù)據(jù)，每個周期都發(fā)送，不分時；

(2)P2數(shù)據(jù)由編組中的從控車發(fā)送狀態(tài)信號給主控車，用于主控車進行列車級的控制(主控車本單元用于列車級控制的狀態(tài)信號可以從車輛總線中獲取，無需通過列車總線傳輸)。主控車P1過程數(shù)據(jù)與從控車P2過程數(shù)據(jù)的識別通過P1中某個字節(jié) 中的"主控車標志"信號區(qū)分；

(3)P3數(shù)據(jù)由編組中的所有單元編排發(fā)出，主要為車輛關鍵設備狀態(tài)，每個周期都發(fā)送，不分時；

(4)P4數(shù)據(jù)由編組中的所有單元編排發(fā)出，主要為車輛設備狀態(tài)，可分時發(fā)送也可不分時發(fā)送；

(5)P5數(shù)據(jù)由編組中的所有單元編排發(fā)出，主要為車輛故障信息，可分時發(fā)送也可不分時發(fā)送。

由于端口長度的限制，P報文在WTB/MVB架構使用5個端口，在實時以太網(wǎng)架構編排成一個端口。

列車級P報文和相應的車輛級過程數(shù)據(jù)按照一定的協(xié)議形成映射關系。

4 接口功能

4.1 通信接口通用模式

列車網(wǎng)絡控制系統(tǒng)中央控制單元與子系統(tǒng)之間的接口通信遵循一定的通用模式，如圖3所示。通過本單元的CCU控制邏輯處理實現(xiàn)本單元子系統(tǒng)內狀態(tài)、命令和診斷信息的交互。通過CCU和GW的控制邏輯處理實現(xiàn)了列車級子系統(tǒng)之間狀態(tài)、命令和診斷信息的交互。特殊情況是子系統(tǒng)之間直接交互，比如牽引和制動子系統(tǒng)。

圖3 列車網(wǎng)絡控制系統(tǒng)和子系統(tǒng)接口通用模式

4.2 兩種集控車門方式

(1)網(wǎng)絡實現(xiàn)集控車門

集控車門通過網(wǎng)絡系統(tǒng)實現(xiàn)。輸入輸出工作站采集司機控制臺車門集控按鈕信號，通過車輛級網(wǎng)絡發(fā)送給CCU。CCU經(jīng)過邏輯判斷將集控命令發(fā)送給所有單元MDCU執(zhí)行。

集控命令包括開左右側車門，關左右側車門，左門禁用/釋放，右門禁用/釋放。

車門集控命令和狀態(tài)監(jiān)視信號需通過列車級P1、P2、P3、P4、P5數(shù)據(jù)報文傳輸。

(2)硬線實現(xiàn)集控車門

車門子系統(tǒng)集中控制采用硬線傳輸指令，車門的狀態(tài)反饋采用MVB或ECN網(wǎng)絡，這樣既保證了可靠性，同時也可以實現(xiàn)司機或機械師對車門狀態(tài)查看的功能。

車門狀態(tài)監(jiān)視信號需通過列車級P3、P4、P5數(shù)據(jù)報文傳輸。

這兩種設計各有優(yōu)點，網(wǎng)絡實現(xiàn)集控車門可以實現(xiàn)CCU綜合集中管理功能，操作指導方便，而硬線實現(xiàn)集控車門相對網(wǎng)絡實現(xiàn)集控車門設計簡單。

4.3 車輛級車門接口功能

高速動車組列車網(wǎng)絡控制系統(tǒng)與外門控制器的通信接口功能實現(xiàn)車輛級外門的釋放、開門、關門、鎖閉狀態(tài)監(jiān)視，并實現(xiàn)車門與牽引、空調系統(tǒng)的聯(lián)鎖。列車網(wǎng)絡控制系統(tǒng)對內門進行110 V供電空開診斷。

(1)門狀態(tài)監(jiān)控

外門狀態(tài)主要有開門、關門、隔離、故障、釋放和緊急解鎖等6種。在TCMS與MDCU通信正常時，MDCU通過車輛總線將本車輛內所有車門的狀態(tài)發(fā)給本單元CCU。本單元CCU和GW在列車總線上通過P3報文將車門關鍵狀態(tài)發(fā)布給所有CCU。主控CCU負責將車門狀態(tài)信息進行管理，并發(fā)送到司機臺顯示器及機械師室顯示器上顯示。

(2)車外門釋放按鈕、開/關門按鈕的監(jiān)控

列車外門的釋放命令、開/關門命令通過硬線控制。網(wǎng)絡輸入輸出模塊對司機的外門釋放命令、開/關門命令進行采集，通過車輛總線傳遞給本地CCU進行診斷和監(jiān)視。門關閉到位且未釋放，才允許列車牽引。

(3)車門與牽引聯(lián)鎖功能

兩列動車組重聯(lián)時，車門環(huán)路形成大環(huán)路，如果車門環(huán)路斷開，將封鎖牽引。

CCU通過車輛總線將v>5 km/h信號速度信號發(fā)給MDCU作為零速信號，當MDCU檢測到列車速度大于5 km/h，車門自動關閉。

CCU通過車輛總線將v>10 km/h信號速度信號發(fā)給MDCU作為車門是否可以開門的判斷依據(jù)。

(4)車門與空調聯(lián)鎖功能

為避免因車內外壓力差導致的動車組塞拉門開門、關門發(fā)生異常，當車輛進行整列開、關門或本地開、關門操作時，將按鈕信號通過硬件或軟件方式反饋給空調，實現(xiàn)空調與外門的聯(lián)鎖。

4.4 故障導向安全功能

(1)門隔離

當CCU發(fā)出關門或者開門命令信號后，門系統(tǒng)反饋門狀態(tài)。當門系統(tǒng)由于障礙物或者自身系統(tǒng)原因關門失敗，應發(fā)送故障信息。門系統(tǒng)故障不應影響正常的商業(yè)運營，在多次重復關門失敗后，應手動關閉故障車門，并且通過鑰匙進行門隔離或者鎖閉。

(2)車門與TCMS通信故障狀態(tài)監(jiān)視

以下通信情況異常時CCU將故障信息通過顯示器及蜂鳴器通知司機及隨車機械師：①TCMS監(jiān)視列車所有MDCU的狀態(tài)，在某一個MDCU由于通信故障而離線。②MDCU和DCU之間發(fā)生通信故障。

4.5 診斷系統(tǒng)

門診斷系統(tǒng)如圖4所示，分為4個級別，分別是中央診斷系統(tǒng)，列車級DCU、車廂級DCU和單個門DCU診斷。TDCU和MDCU之間，以及MDCU和DCU之間都有診斷接口。根據(jù)應用需求，TDCU和MDCU所有必要的診斷信息都必須傳送給TCMS中央診斷系統(tǒng)。車門子系統(tǒng)的故障信息通過P5報文傳輸。

DCU診斷和監(jiān)視各自門的相關部件和功能，識別故障原因和失效狀態(tài)，存儲這些信息到本地存儲器，并通過圖1中線纜1將故障和功能限制報告給MDCU。MDCU采集本地車廂所有門的診斷信息，并通過圖1中MVB或者以太網(wǎng)發(fā)送給TCMS的中央診斷系統(tǒng)。TDCU診斷所有列車級的門狀態(tài)，發(fā)送診斷信息給中央診斷系統(tǒng)。

圖4 門診斷系統(tǒng)

中央診斷系統(tǒng)采集和輸出MDCU和TDCU的診斷信息，同時存儲必要的信息，例如故障代碼、故障描述、解決方法建議、時間戳等。中央診斷系統(tǒng)將故障信息有選擇地顯示給不同的人員，比如司機、乘務人員和維護人員等。

TDCU對來自TCMS的控制命令進行刷新監(jiān)視，MDCU對來自TDCU的控制命令進行刷新監(jiān)視。TDCU對來自MDCU的狀態(tài)報告進行刷新監(jiān)視。MDCU對來自DCU的狀態(tài)報告進行刷新監(jiān)視。

5 發(fā)展趨勢

5.1 通信接口方式

實時以太網(wǎng)相對WTB/MVB具有明顯的優(yōu)勢：

(1)可以傳輸多樣化的數(shù)據(jù)，比如車載廣播系統(tǒng)、視頻系統(tǒng)、圖像等。傳輸視頻數(shù)據(jù)可以滿足用戶對旅客信息系統(tǒng)更高的娛樂需求[10]。

(2)高傳輸速率。目前應用的實時以太網(wǎng)已經(jīng)達到100 Mb/s，但是實時以太網(wǎng)的傳輸實力遠不止此，隨著數(shù)據(jù)量的需求和綜合技術的推進，用更高的以太網(wǎng)傳輸速率解決實際問題是必然的趨勢。

(3)網(wǎng)絡負載低。低負載率帶來較低的誤幀率和誤組率。

(4)具有較好的經(jīng)濟性。超五類雙絞線比WTB/MVB具有更好的價格優(yōu)勢。隨著實時以太網(wǎng)應用的不斷深入，實時以太網(wǎng)將會成為列車網(wǎng)絡控制系統(tǒng)主流通信網(wǎng)絡。

5.2 車門技術方向

日益增長的旅客數(shù)量和公共交通工具的不斷發(fā)展需要高可靠性的門系統(tǒng)，高速動車組對門系統(tǒng)的要求更加嚴苛。機車車輛制造商、系統(tǒng)供應商、列車運營商都面臨相同的挑戰(zhàn)：

(1)安全性、旅客舒適度使用便捷性需求不斷提高?？梢苿优_階可以根據(jù)不同站臺自動調節(jié)，方便行動不便人員和老弱群體。

(2)探測技術更加精準。一方面位置探測系統(tǒng)確保開關門位置的安全可靠探測，另一方面創(chuàng)新的障礙物探測技術將更加精準，減少誤判帶來的晚點。

(3) 兼顧技術先進性和經(jīng)濟性。輕質量、低能耗、低維護成本和安裝方便性將進一步降低產(chǎn)品生命周期成本。例如，電動塞拉門擺脫了容易受損的氣動部件讓系統(tǒng)變得更加可靠和更易使用和維護；采用新材料和新結構來減少質量。

(4)智能化。高速動車組門控器往智能化自學習功能以及智能化自動故障監(jiān)視、診斷和報告方向發(fā)展[11]。

6 結束語

基于WTB/MVB或者ETB/ECN通信網(wǎng)絡傳輸系統(tǒng)，分析了高速動車組列車網(wǎng)絡控制系統(tǒng)和車門子系統(tǒng)的接口功能，包括集控功能、門狀態(tài)監(jiān)控、與牽引和空調的聯(lián)鎖、診斷系統(tǒng)，以及故障導向安全功能。接著分析了實時以太網(wǎng)通信技術優(yōu)勢和車門技術發(fā)展趨勢。實時以太網(wǎng)相對WTB/MVB網(wǎng)絡具有明顯優(yōu)勢，將會越來越多地得到應用和推廣。車門技術總體朝著更具安全性、舒適度、便捷性、經(jīng)濟性和智能化方向發(fā)展。