列車網絡系統的實現范文

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1概述

100％低地板有軌電車具有節約成本、節約能源等方面的優點，作為其核心系統的100％低地板有軌電車列車網絡系統，是適用于低地板有軌電車這一特殊環境中的工業控制計算機局域網絡，它是一個綜合監控系統，可以實現對低地板有軌電車的牽引傳動、制動、輔助供電、車門、空調、車載廣播等子系統的綜合控制、狀態監視以及故障診斷。

2100％低地板有軌電車列車網絡系統介紹

與城軌地鐵列車相比，有軌電車車輛編組少、運行速度低，因此，需要列車通信網絡傳輸的信息量較少，對列車通信網絡帶寬要求較低。基于上述要求，CANopen總線可以滿足有軌電車列車通信網絡的需求。根據整車的功能需求，對有軌電車的網絡系統進行了設計，在網絡拓撲、硬件設備、軟件功能等各方面進行了優化，以滿足用戶需求，實現對車輛的操控及維護。

2．1網絡系統總線介紹列車網絡控制系統按照IEC61375標準規定的列車通信網絡組建，采用滿足IEC61375標準要求的CANopen總線作為車輛總線，設備總線采用RS485。CANopen是一種架構在控制器局域網（ControllerAreaNetwork，CAN）上的高層通訊協議，包括通訊子協議及設備子協議，常在嵌入式系統中使用，也是工業控制領域常用到的一種現場總線。CANopen實現了OSI模型中的網絡層以上（包括網絡層）的協議。CANopen標準包括尋址方案、多個小的通訊子協議及由設備子協議所定義的應用層。CANopen支持網絡管理、設備監控及節點間的通訊，其中包括一個簡易的傳輸層，可處理資料的分段傳送及其組合，廣泛應用于有軌電車列車以及工程機械車輛中。在本方案中，CANopen總線采用屏蔽雙絞線作為通信介質，通信速率選擇250kbps，在該速率下，傳輸距離可達250m。

2．2拓撲結構網絡拓撲結構見圖1。網絡系統產品主要有車輛控制單元VCU、智能顯示單元IDU、遠程輸入輸出單元RIOM，其中遠程輸入輸出單元包括RS485／CAN－open網關。連接到網絡系統的各子系統有液壓制動系統、牽引IO單元、輔助系統、旅客信息系統、車門、空調系統。網絡系統通過車輛控制單元VCU實現列車級和車輛級總線控制。各個子系統的控制單元主要包括：牽引控制單元、制動控制單元、輔助逆變器控制單元、空調控制單元等。整個列車網絡控制系統包括車載硬件、操作系統、控制軟件、診斷軟件、監視軟件和維護工具等。（1）每臺Mc車安裝1臺車輛控制單元VCU，2臺VCU互為冗余，VCU實現列車總線CANopen網絡管理，同時實現對牽引、制動、空調等設備或部件的控制功能。（2）每臺Mc車安裝1臺智能顯示單元IDU，用來顯示車輛及其主要設備的狀態信息，以及設置車輛運行參數，同時智能顯示單元可進行車輛運行故障信息及車輛運行狀態信息的記錄，通過專用的數據解析軟件可以實現數據還原。IDU通過RS485／CANopen網關接入列車網絡。（3）每臺Mc車安裝1臺遠程輸入輸出單元RIOM，用于數字量信號、模擬量信號的采集，以及控制指令輸出。RIOM機箱在設計時預留了部分余量，為后續功能擴展預留空間。列車及車輛總線系統符合有關列車通信網絡IEC61375標準的最新版本，列車監控系統硬件滿足EN50155標準。列車網絡系統為所有子系統設備留有標準的通信接口，并具有成熟可靠的接口通訊規范，使得所有車輛子系統能可靠接入。

2．3功能實現

列車網絡系統承擔了牽引、制動控制等列車運行相關的控制及監視功能，主要功能介紹如下。

2．3．1零速信號VCU根據計算出的列車速度進行綜合邏輯處理，列車速度小于3km／h時，輸出零速信號，用于車輛的某些以速度為條件的邏輯判斷。

2．3．2撒砂信號在列車運行中為了防止車輪的空轉或打滑，VCU根據整車速度與單軸速度的差值，輸出撒砂信號，在列車的運行方向對車輪進行撒砂操作。

2．3．3列車速度分別采集了2路拖車的速度信號，根據輪徑以及速度傳感器參數算出2個速度值，再結合牽引系統發來的2個動車速度信號進行綜合處理，實時計算出列車速度。

2．3．4警惕事件當司機松開警惕按鈕時，VCU會進行計時，超過規定的第一時間限值后進行報警提示，超過規定的第二時間限值后，控制車輛所有制動形式施加最大制動力，目的是使車輛在最短的時間內停止運行，導向安全。

2．3．5轉向燈控制由于有軌電車與社會車輛共享路權，因此在轉彎時需要提示其他車輛，按下IDU顯示屏上左（右）轉向燈按鈕，可控制車輛的左（右）轉向燈以1Hz的頻率閃爍。

2．3．6強迫降弓車輛在進入無電區之前要進行降弓操作，VCU會根據站點信息判斷車輛的實時位置，當距離規定到達第一限值時，蜂鳴器會持續報警，同時顯示器上會提示司機進行降弓操作，如果司機仍沒有操作，VCU將接管降弓控制，輸出強迫降弓信號，在進入無電區前完成降弓。

2．3．7廣播報站司機可以通過IDU顯示屏設置起始站、終點站與當前站。VCU根據車輛運行情況、速度信號自動進行位置判斷，向PIS發送報站指令，當車輛距離下一站到達規定限值時，發送報站指令。

2．3．8車輛載重計算VCU根據從動車載荷傳感器采集的信息，計算出Mc車與F車的載荷，然后再加上制動系統發送過來的拖車的載荷信息，計算出整車的載荷。當滿足零速信號且所有門關好時，開始計算載荷。在車輛運行過程中不再重新計算載荷，始終以該值為當前列車的整體載荷。

3與國外方案的對比分析

目前主流的有軌電車列車網絡有MVB、工業以太網、CANopen等。除了CANopen網絡外，國外的一些網絡系統供應商也會采用MVB、工業以太網等總線形式，而且根據項目需求不同，會采用不同的總線拓撲。下面介紹國外幾種典型的低地板有軌電車網絡拓撲結構，并與本方案進行對比分析。

3．1阿爾斯通有軌電車網絡圖2是阿爾斯通公司常用的一種有軌電車網絡拓撲結構。網絡拓撲結構由列車總線和車輛總線兩層構成，列車總線采用WTB形式，用于重聯。車輛總線分為兩部分，一部分是控制網絡，另一部分是維護網絡，其中控制網絡又有2種形式，一種是MVB，一種是CANopen，維護網絡采用以太網。控制網絡提供兩種接口形式的原因是某些設備不具備MVB接口，如DCU、HVAC等。通過分析可以發現，該網絡結構非常復雜，一共采用了4種總線形式，并且設置有WTB／MVB網關和MVB／CANopen網關，成本相對較高，而且后期使用、維護較為復雜。阿爾斯通網絡系統主要實現以下控制及監視功能：總線管理、車輛的故障診斷和存儲、高速斷路器控制、輔助逆變器電源負載分配方式控制、牽引／制動的車輛控制、車輛乘客信息數據傳輸、防空轉／防滑保護控制、空調機組順序啟動控制、牽引封鎖保護控制、累積數據記錄等。

3．2龐巴迪有軌電車網絡圖3是龐巴迪公司常用的一種有軌電車網絡拓撲結構，分為控制網絡和維護網絡兩部分。控制網絡采用MVB形式，負責車輛控制指令、監視狀態的傳輸。維護網絡采用工業以太網形式，主要用于收集故障信息和維護使用。該結構的特點是傳輸速度快、網絡帶寬高，但是造價也相對較高。龐巴迪低地板有軌電車的網絡功能相對地鐵項目而言更加強大，車輛許多的控制、監控、診斷功能都與其相關，MVB網絡負責車輛控制信息的傳輸，因MVB網絡具有更高的可靠性，且相對來說車輛重要的控制信息的通信量亦比較少，通信不會延遲。次要網絡采用以太網網絡，該網絡主要用于收集故障信息和維護使用，一些與安全無關的系統（例如：空調、車門等）與此以太網相連。不同車輛的以太網網絡使用交換機連接。車輛以太網設置統一的維護端口，車輛上與以太網連接的設備都可以使用此端口進行維護。

3．3功能分析通過上述3種網絡系統的功能實現可以看出，相對于地鐵車輛，有軌電車的網絡系統承擔了更多的車輛運行控制相關的功能，這樣做的原因主要是車輛空間緊張，由網絡系統承擔一部分硬線電路的功能可以減少硬線、繼電器的布置，同時也大大降低了成本，利用司機室人機接口觸摸屏代替一些控制按鈕，能夠提高司機室空間利用率，進而優化司機室布置，縮小司機臺的面積，有利于車輛外形設計的美觀。

3．4結構對比3種網絡拓撲對比見表1。通過對比分析，3種網絡拓撲結構各有優劣，但是就有軌電車應用環境而言，本方案所采用的網絡拓撲結構簡單、成本較低、易于維護，同時性能能夠滿足有軌電車運行控制、狀態監視及故障診斷的需要，且因其結構簡單，其可靠性及穩定性相對較高，后期維護成本較低。

4總結

目前，裝備100％低地板車輛網絡系統的列車已經完成廠內靜態、動態型式試驗，正在進行載客試驗，系統運行穩定。針對用戶需求，優化了系統設計，有利于司機掌握更多的列車狀態、操控車輛，有助于檢修人員更好地維護車輛、排查故障，保障運營秩序。通過與其他網絡形式對比分析，該網絡結構合理，符合使用需求。

作者：崔鳳釗 單位：青島四方車輛研究所有限公司