列车网络系统的实现范文

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1概述

100％低地板有轨电车具有节约成本、节约能源等方面的优点，作为其核心系统的100％低地板有轨电车列车网络系统，是适用于低地板有轨电车这一特殊环境中的工业控制计算机局域网络，它是一个综合监控系统，可以实现对低地板有轨电车的牵引传动、制动、辅助供电、车门、空调、车载广播等子系统的综合控制、状态监视以及故障诊断。

2100％低地板有轨电车列车网络系统介绍

与城轨地铁列车相比，有轨电车车辆编组少、运行速度低，因此，需要列车通信网络传输的信息量较少，对列车通信网络带宽要求较低。基于上述要求，CANopen总线可以满足有轨电车列车通信网络的需求。根据整车的功能需求，对有轨电车的网络系统进行了设计，在网络拓扑、硬件设备、软件功能等各方面进行了优化，以满足用户需求，实现对车辆的操控及维护。

2．1网络系统总线介绍列车网络控制系统按照IEC61375标准规定的列车通信网络组建，采用满足IEC61375标准要求的CANopen总线作为车辆总线，设备总线采用RS485。CANopen是一种架构在控制器局域网（ControllerAreaNetwork，CAN）上的高层通讯协议，包括通讯子协议及设备子协议，常在嵌入式系统中使用，也是工业控制领域常用到的一种现场总线。CANopen实现了OSI模型中的网络层以上（包括网络层）的协议。CANopen标准包括寻址方案、多个小的通讯子协议及由设备子协议所定义的应用层。CANopen支持网络管理、设备监控及节点间的通讯，其中包括一个简易的传输层，可处理资料的分段传送及其组合，广泛应用于有轨电车列车以及工程机械车辆中。在本方案中，CANopen总线采用屏蔽双绞线作为通信介质，通信速率选择250kbps，在该速率下，传输距离可达250m。

2．2拓扑结构网络拓扑结构见图1。网络系统产品主要有车辆控制单元VCU、智能显示单元IDU、远程输入输出单元RIOM，其中远程输入输出单元包括RS485／CAN－open网关。连接到网络系统的各子系统有液压制动系统、牵引IO单元、辅助系统、旅客信息系统、车门、空调系统。网络系统通过车辆控制单元VCU实现列车级和车辆级总线控制。各个子系统的控制单元主要包括：牵引控制单元、制动控制单元、辅助逆变器控制单元、空调控制单元等。整个列车网络控制系统包括车载硬件、操作系统、控制软件、诊断软件、监视软件和维护工具等。（1）每台Mc车安装1台车辆控制单元VCU，2台VCU互为冗余，VCU实现列车总线CANopen网络管理，同时实现对牵引、制动、空调等设备或部件的控制功能。（2）每台Mc车安装1台智能显示单元IDU，用来显示车辆及其主要设备的状态信息，以及设置车辆运行参数，同时智能显示单元可进行车辆运行故障信息及车辆运行状态信息的记录，通过专用的数据解析软件可以实现数据还原。IDU通过RS485／CANopen网关接入列车网络。（3）每台Mc车安装1台远程输入输出单元RIOM，用于数字量信号、模拟量信号的采集，以及控制指令输出。RIOM机箱在设计时预留了部分余量，为后续功能扩展预留空间。列车及车辆总线系统符合有关列车通信网络IEC61375标准的最新版本，列车监控系统硬件满足EN50155标准。列车网络系统为所有子系统设备留有标准的通信接口，并具有成熟可靠的接口通讯规范，使得所有车辆子系统能可靠接入。

2．3功能实现

列车网络系统承担了牵引、制动控制等列车运行相关的控制及监视功能，主要功能介绍如下。

2．3．1零速信号VCU根据计算出的列车速度进行综合逻辑处理，列车速度小于3km／h时，输出零速信号，用于车辆的某些以速度为条件的逻辑判断。

2．3．2撒砂信号在列车运行中为了防止车轮的空转或打滑，VCU根据整车速度与单轴速度的差值，输出撒砂信号，在列车的运行方向对车轮进行撒砂操作。

2．3．3列车速度分别采集了2路拖车的速度信号，根据轮径以及速度传感器参数算出2个速度值，再结合牵引系统发来的2个动车速度信号进行综合处理，实时计算出列车速度。

2．3．4警惕事件当司机松开警惕按钮时，VCU会进行计时，超过规定的第一时间限值后进行报警提示，超过规定的第二时间限值后，控制车辆所有制动形式施加最大制动力，目的是使车辆在最短的时间内停止运行，导向安全。

2．3．5转向灯控制由于有轨电车与社会车辆共享路权，因此在转弯时需要提示其他车辆，按下IDU显示屏上左（右）转向灯按钮，可控制车辆的左（右）转向灯以1Hz的频率闪烁。

2．3．6强迫降弓车辆在进入无电区之前要进行降弓操作，VCU会根据站点信息判断车辆的实时位置，当距离规定到达第一限值时，蜂鸣器会持续报警，同时显示器上会提示司机进行降弓操作，如果司机仍没有操作，VCU将接管降弓控制，输出强迫降弓信号，在进入无电区前完成降弓。

2．3．7广播报站司机可以通过IDU显示屏设置起始站、终点站与当前站。VCU根据车辆运行情况、速度信号自动进行位置判断，向PIS发送报站指令，当车辆距离下一站到达规定限值时，发送报站指令。

2．3．8车辆载重计算VCU根据从动车载荷传感器采集的信息，计算出Mc车与F车的载荷，然后再加上制动系统发送过来的拖车的载荷信息，计算出整车的载荷。当满足零速信号且所有门关好时，开始计算载荷。在车辆运行过程中不再重新计算载荷，始终以该值为当前列车的整体载荷。

3与国外方案的对比分析

目前主流的有轨电车列车网络有MVB、工业以太网、CANopen等。除了CANopen网络外，国外的一些网络系统供应商也会采用MVB、工业以太网等总线形式，而且根据项目需求不同，会采用不同的总线拓扑。下面介绍国外几种典型的低地板有轨电车网络拓扑结构，并与本方案进行对比分析。

3．1阿尔斯通有轨电车网络图2是阿尔斯通公司常用的一种有轨电车网络拓扑结构。网络拓扑结构由列车总线和车辆总线两层构成，列车总线采用WTB形式，用于重联。车辆总线分为两部分，一部分是控制网络，另一部分是维护网络，其中控制网络又有2种形式，一种是MVB，一种是CANopen，维护网络采用以太网。控制网络提供两种接口形式的原因是某些设备不具备MVB接口，如DCU、HVAC等。通过分析可以发现，该网络结构非常复杂，一共采用了4种总线形式，并且设置有WTB／MVB网关和MVB／CANopen网关，成本相对较高，而且后期使用、维护较为复杂。阿尔斯通网络系统主要实现以下控制及监视功能：总线管理、车辆的故障诊断和存储、高速断路器控制、辅助逆变器电源负载分配方式控制、牵引／制动的车辆控制、车辆乘客信息数据传输、防空转／防滑保护控制、空调机组顺序启动控制、牵引封锁保护控制、累积数据记录等。

3．2庞巴迪有轨电车网络图3是庞巴迪公司常用的一种有轨电车网络拓扑结构，分为控制网络和维护网络两部分。控制网络采用MVB形式，负责车辆控制指令、监视状态的传输。维护网络采用工业以太网形式，主要用于收集故障信息和维护使用。该结构的特点是传输速度快、网络带宽高，但是造价也相对较高。庞巴迪低地板有轨电车的网络功能相对地铁项目而言更加强大，车辆许多的控制、监控、诊断功能都与其相关，MVB网络负责车辆控制信息的传输，因MVB网络具有更高的可靠性，且相对来说车辆重要的控制信息的通信量亦比较少，通信不会延迟。次要网络采用以太网网络，该网络主要用于收集故障信息和维护使用，一些与安全无关的系统（例如：空调、车门等）与此以太网相连。不同车辆的以太网网络使用交换机连接。车辆以太网设置统一的维护端口，车辆上与以太网连接的设备都可以使用此端口进行维护。

3．3功能分析通过上述3种网络系统的功能实现可以看出，相对于地铁车辆，有轨电车的网络系统承担了更多的车辆运行控制相关的功能，这样做的原因主要是车辆空间紧张，由网络系统承担一部分硬线电路的功能可以减少硬线、继电器的布置，同时也大大降低了成本，利用司机室人机接口触摸屏代替一些控制按钮，能够提高司机室空间利用率，进而优化司机室布置，缩小司机台的面积，有利于车辆外形设计的美观。

3．4结构对比3种网络拓扑对比见表1。通过对比分析，3种网络拓扑结构各有优劣，但是就有轨电车应用环境而言，本方案所采用的网络拓扑结构简单、成本较低、易于维护，同时性能能够满足有轨电车运行控制、状态监视及故障诊断的需要，且因其结构简单，其可靠性及稳定性相对较高，后期维护成本较低。

4总结

目前，装备100％低地板车辆网络系统的列车已经完成厂内静态、动态型式试验，正在进行载客试验，系统运行稳定。针对用户需求，优化了系统设计，有利于司机掌握更多的列车状态、操控车辆，有助于检修人员更好地维护车辆、排查故障，保障运营秩序。通过与其他网络形式对比分析，该网络结构合理，符合使用需求。

作者：崔凤钊 单位：青岛四方车辆研究所有限公司