余水平 程玉娟

（武漢鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢430205）

20 世紀(jì)90 年代初，美國(guó)Echelon 公司發(fā)表了LonWorks(Local Operating Network）技術(shù)，該技術(shù)作為一種工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線，由于其開(kāi)放性和互操作性強(qiáng)的特點(diǎn)，迅速在各個(gè)領(lǐng)域推廣普及開(kāi)來(lái)。在鐵路運(yùn)輸領(lǐng)域，LonWorks 技術(shù)也有著廣泛應(yīng)用。如美國(guó)新澤西輕軌Comet IV 項(xiàng)目，舊金山灣區(qū)地鐵(BART)制動(dòng)系統(tǒng)監(jiān)視器和自動(dòng)列車控制系統(tǒng)，ALSTOM公司的牽引系統(tǒng)，德國(guó)鐵路(DB)上的照明、供暖和空調(diào)控制系統(tǒng)等，加拿大BOMBARDIER和日本川崎等公司也將LonWorks 用作列車通信網(wǎng)絡(luò)，用在他們生產(chǎn)的車輛上。在我國(guó)，LonWorks 技術(shù)也已先后用于“新曙光”、“神州”、“金輪”等內(nèi)燃動(dòng)車組上。我國(guó)鐵路的客車電氣系統(tǒng)也采用了LonWorks 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)客車上的主要電氣設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控。

1 LonWorks 技術(shù)特點(diǎn)

LonWorks ( Local Operating Network）技術(shù)結(jié)合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和控制技術(shù)，同時(shí)兼有通信和控制的功能，是一種局部操作網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。自推出后，LonWorks 技術(shù)在航空航天、智能樓宇、電力監(jiān)控、鐵道運(yùn)輸及工廠自動(dòng)化等領(lǐng)域得到廣泛運(yùn)用，究其原因，主要是因?yàn)長(zhǎng)onWorks 技術(shù)有以下六方面的優(yōu)點(diǎn)：

1.1 LonWorks 技術(shù)具有開(kāi)放性。其網(wǎng)絡(luò)協(xié)議符合OSI 參考模型，同時(shí)對(duì)任何用戶都是對(duì)等的，任何制造商的產(chǎn)品都可以實(shí)現(xiàn)互操作。

1.2 LonWorks 技術(shù)兼容性強(qiáng)。其支持多種傳輸介質(zhì)，包括雙絞線、同軸電纜、電力線、光纖、無(wú)線電波、紅外線等，并且多種傳輸介質(zhì)可以在同一網(wǎng)絡(luò)中混合使用，使得不同設(shè)備及不同網(wǎng)絡(luò)之間都能實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，具有較好的兼容性。

1.3 LonWorks 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有靈活性。其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求采用不同的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，大大降低固定網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)帶來(lái)的局限性和復(fù)雜度。

1.4 LonWorks 網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性強(qiáng)。LonWorks 網(wǎng)絡(luò)沒(méi)有主從節(jié)點(diǎn)之分，均平等，且每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有相同的控制和通信功能。因此當(dāng)出現(xiàn)節(jié)點(diǎn)故障時(shí)，不會(huì)造成系統(tǒng)癱瘓，從而大大提高了網(wǎng)絡(luò)的安全性和穩(wěn)定性。

1.5 LonWorks 技術(shù)硬件設(shè)計(jì)合理。一個(gè)神經(jīng)元（Neuron）芯片擁有3 個(gè)處理單元和11 個(gè)輸入輸出（I/O）接口，分別作用于鏈路層控制、網(wǎng)絡(luò)層控制及用戶的應(yīng)用程序。

1.6 LonWorks 技術(shù)軟件平臺(tái)充足?？商峁┈F(xiàn)成的網(wǎng)絡(luò)管理工具、網(wǎng)絡(luò)維護(hù)診斷工具及實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控和人機(jī)界面應(yīng)用程序所需的數(shù)據(jù)交換接口，并為用戶定制設(shè)計(jì)了一個(gè)軟件開(kāi)放平臺(tái)LNS( LonWorks Network Service）。

2 LonWorks 技術(shù)在普通客車上應(yīng)用——列車監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

目前，LonWorks 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)已經(jīng)在普通客車上的車門、空調(diào)、車電、安全監(jiān)視等系統(tǒng)中使用。其中，安全問(wèn)題一直是鐵路客運(yùn)事業(yè)關(guān)注的關(guān)鍵問(wèn)題，因此針對(duì)列車監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究從未停止過(guò)。早期在[1]文中，作者安永祥就介紹了基于LonWorks 總線的列車信息檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)、嵌入式違紀(jì)技術(shù)和總線通信技術(shù)，對(duì)空調(diào)列車各車型空調(diào)系統(tǒng)的電壓、電流、車廂溫度、主接觸器節(jié)點(diǎn)溫升、控制電路工作狀態(tài)、發(fā)電機(jī)軸承溫度等多向參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，將檢測(cè)結(jié)果集中顯示在乘務(wù)員值班室, 并對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析、判斷、存儲(chǔ)、報(bào)警、生成報(bào)表等。從而確保發(fā)電車及其空調(diào)系統(tǒng)安全運(yùn)行。另外比較典型的，還有客車行車安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(KAX1)，這套系統(tǒng)在新型25T 型客車已經(jīng)安裝使用，該網(wǎng)絡(luò)工作運(yùn)行良好，數(shù)據(jù)通信及時(shí)、準(zhǔn)確，能滿足了客車行車安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的要求，其網(wǎng)絡(luò)框圖如圖1 所示。

圖1 列車安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)采用LonWorks 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，將列車網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分成兩級(jí)：列車網(wǎng)絡(luò)和車輛網(wǎng)絡(luò)，兩級(jí)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)均為總線結(jié)構(gòu)，傳輸介質(zhì)采用雙絞線，通信方式采用主/從式，并且利用雙冗余技術(shù)，更好的確保了數(shù)據(jù)信息正常傳輸，保障了列車行車中的安全。網(wǎng)絡(luò)中各車輛的顯示、防滑、制動(dòng)、車輛等功能子系統(tǒng)，根據(jù)列車行車的狀態(tài)，列車網(wǎng)絡(luò)管理器能及時(shí)獲取監(jiān)測(cè)到的信息，分析數(shù)據(jù)并顯示在列車顯示屏上。

除此之外，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，在[2]文中，石楠和周鳳星等作者提出了一種為實(shí)時(shí)的列車網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該利用單片機(jī)、神經(jīng)元芯片、LonWorks 總線、ARM-Linux 等技術(shù)，能實(shí)現(xiàn)鐵路列車設(shè)備狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。在[3]文中，中國(guó)鐵道科學(xué)研究院機(jī)車車輛研究所的王旭如等研究員提出了一種普通客車安全監(jiān)測(cè)列車網(wǎng)絡(luò)解決方案，該方案是針對(duì)普通客車非固定編組的管理模式的需求，采用LonWorks 電力線列車網(wǎng)絡(luò)。

3 LonWorks 技術(shù)在重載貨車上的應(yīng)用——ECP 制動(dòng)系統(tǒng)

從20 世紀(jì)80 年代以來(lái)，許多國(guó)家為運(yùn)輸大宗貨物，普遍開(kāi)行了重載單元列車，然而采用空氣制動(dòng)系統(tǒng)的列車斷鉤事故和脫軌事故頻繁發(fā)生。但自1995 年美國(guó)開(kāi)始在重載單元列車上研究采用電控空氣制動(dòng)系統(tǒng)ECP（Electronically Controlled Pneumatic）后，安全事故問(wèn)題得到了解決。目前，加拿大、南非、澳大利亞等國(guó)家的重載貨車上均使用了ECP 系統(tǒng)，運(yùn)用效果良好。

ECP 制動(dòng)系統(tǒng)之所以能解決安全事故問(wèn)題，其主要原因在制動(dòng)系統(tǒng)中引人了基于LonWorks 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的列車通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。通過(guò)LonWorks網(wǎng)絡(luò)，制動(dòng)指令就可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通信方式廣播出去，使得列車上所有制動(dòng)裝置同時(shí)收到制動(dòng)命令，從而實(shí)現(xiàn)全列車的同步制動(dòng)；同時(shí)利用LonWorks網(wǎng)絡(luò)，還可以實(shí)時(shí)獲取各車輛的制動(dòng)狀態(tài)，并顯示在機(jī)車顯示屏上。在文[4]中，白智峰等作者通過(guò)仿真分析得出：ECP 整個(gè)系統(tǒng)的制動(dòng)過(guò)程在LonWorks 技術(shù)的參與下，表現(xiàn)出良好的操縱性。

ECP 系統(tǒng)的列車通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由網(wǎng)絡(luò)總線和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備組成，ECP 制動(dòng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)框圖如圖2 所示。

網(wǎng)絡(luò)總線是由貫穿全列的雙芯電纜構(gòu)成，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為總線形，以電力線的方式向所有的ECP 裝置提供電源和傳送通信信息，傳輸速率達(dá)到5 kbit/s。

網(wǎng)絡(luò)設(shè)備包括車輛制動(dòng)控制設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)備(CID)、頭部終端單元(HEU)、電源供電設(shè)備(PSC)、列車尾部裝置(EOT)和事件記錄器等設(shè)備，分別安裝在機(jī)車和車輛上。HEU 管理和控制ECP 系統(tǒng)中各個(gè)功能設(shè)備，使得整個(gè)系統(tǒng)工作統(tǒng)一有序，保證了全列網(wǎng)絡(luò)通信中數(shù)據(jù)流量和通信信道的暢通。EOT 設(shè)備作為網(wǎng)絡(luò)完整性的監(jiān)視設(shè)備存在，同時(shí)監(jiān)視列車尾部的電源狀態(tài)和空氣壓力狀態(tài)。

4 LonWorks 技術(shù)在動(dòng)車組上應(yīng)用

近年來(lái)，動(dòng)車組列車逐漸步入人們視野，其速度快、環(huán)境舒適、車票價(jià)格便宜等特點(diǎn)，吸引了越來(lái)越多的人們坐動(dòng)車出行，同時(shí)出于對(duì)動(dòng)車控制系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性要求，使得許多研究人員開(kāi)始考慮將LonWorks 技術(shù)應(yīng)用在動(dòng)車組上。

在文[5]中，中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司的陳立等作者提出了一種基于LonWorks 技術(shù)通信原理的動(dòng)力集中動(dòng)車組拖車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，如圖3 所示。

針對(duì)實(shí)際應(yīng)用，動(dòng)力集中動(dòng)車有2 種應(yīng)用模式：短編組和長(zhǎng)編組?！皠?dòng)力車+7 節(jié)拖車+ 控制車”是短編組模式，“動(dòng)力車+18 節(jié)拖車+ 動(dòng)力車”長(zhǎng)編組模式，分別如圖4、圖5 所示。

圖2 基于LonWorks 的ECP 制動(dòng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

圖3 基于LonWorks 技術(shù)動(dòng)力集中動(dòng)車組網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

圖4 基于LonWorks 技術(shù)動(dòng)力集中動(dòng)車組短編應(yīng)用模式

圖5 基于LonWorks 技術(shù)動(dòng)力集中動(dòng)車組長(zhǎng)編應(yīng)用模式

該系統(tǒng)適用于時(shí)速160 km 的動(dòng)力集中電動(dòng)車組拖車，相比25T 型客車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，具有系統(tǒng)兼容性強(qiáng)、定位適當(dāng)、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定可靠及環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。該系統(tǒng)將拖車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)按列車級(jí)和車輛級(jí)兩級(jí)總線設(shè)計(jì)。兩級(jí)總線均采用LonWorks 總線，其中車輛級(jí)采用LonWorks 總線進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，實(shí)現(xiàn)拖車各子系統(tǒng)間運(yùn)行狀態(tài)、故障診斷等信息的傳輸以及對(duì)各子系統(tǒng)的控制、狀態(tài)及安全監(jiān)測(cè)信息的實(shí)時(shí)查詢。為保障系統(tǒng)可靠性，列車級(jí)LonWorks 總線采用雙線熱備冗余，以便單線故障時(shí)LonWorks 網(wǎng)關(guān)自動(dòng)切換信任線，從而保障通信的正常進(jìn)行。

結(jié)束語(yǔ)

LonWorks 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在列車影音系統(tǒng)[6]、普通客車、重載貨車及動(dòng)車組上均有了應(yīng)用，提高了普通客車行駛中的安全性，降低了重載貨車ECP 制動(dòng)系統(tǒng)導(dǎo)致的事故率，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)車組拖車上的網(wǎng)絡(luò)控制，因此LonWorks 技術(shù)在機(jī)車車輛中具有良好的應(yīng)用前景。但需要注意的是，LonWorks 技術(shù)目前還未在動(dòng)力分散型的動(dòng)車組上進(jìn)行使用，因此基于LonWorks 技術(shù)的動(dòng)車組網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)還需要深入研究和探索。