动车组网络控制系统及其技术分析

动车组网络控制系统及其技术分析

娄莹闫朋飞闫亨阳段世昭韩亚彬

中车唐山机车车辆有限公司 河北 唐山 064000

摘要：动车组网络控制系统(TCMS)主要利用车载计算机网络对列车进行监控，通过贯穿列车运行的总线传输信息，能够对列车运行和车载设备进行实时监控和集中管理，实现车辆逻辑控制、状态监测和故障诊断等功能，确保列车安全稳定运行。在设备出现故障的情况下，网络控制系统可以为司机和乘务人员提供方便有效的引导，记录和分析相关数据，为设备维护和旅客服务提供支持。

关键词：动车组；网络控制系统；多网融合；轨道交通技术；

动车组的网络控制系统相当于人的大脑和神经，它在保证列车的行车安全、可靠性、舒适性方面具有至关重要的作用；为了给相关产品的网络控制系统设计提供借鉴，通过梳理中车已有典型动车组产品的网络控制系统，提取共性特征，总结归纳了动车组网络控制系统的组成、系统功能、拓扑功能、主要参数等内容；同时，乘客需求的提升以及轨道交通装备技术的不断升级，对动车组在速度、舒适性、智能化等方面提出了更高要求，为了明确动车组列车网络控制系统的发展方向，通过查询专利文献等途径，得出动车组网络控制系统新技术研究多集中在多网融合、列车冗余优化设计、列车自动驾驶、无线通信等方向，可以为轨道交通技术特别是网络控制系统技术的相关研究提供参考。

一、动车组网络控制系统功能

1.通信功能。动车组网络采用符合IEC61375标准的列车通讯网络，采用列车总线和车辆总线两级总线。列车总线为WTB总线，用于传输各牵引单元间的信息。车辆总线为MVB总线和CAN总线，用于连接一个牵引单元内的设备，实现设备的控制、监视和故障诊断功能。该系统能够实现网络通信协议，为网络上的车载设备提供实时、确定的信息交互通道，保证网络上设备通信正常。

２．控制功能。基于网络通信功能，完成对包括牵引系统、辅助系统、制动系统、空调系统等在内的列车控制。网络控制系统具备对牵引系统的控制功能与接口，能够传输牵引系统控制指令，并监视牵引系统工作状态，能够实现对牵引设备的隔离和恢复。网络控制系统能传输制动指令，并监视制动系统工作状态，可为制动系统提供与列车运行控制系统车载设备的制动指令接口。网络控制系统具备与辅助变流器、充电机、蓄电池、负载设备（包括空气压缩机、牵引变流器冷却系统、牵引变压器冷却系统、空调等）的电气或通讯接口，对相应设备进行控制。网络控制系统能根据地面过分相信号（列车运行控制系统或过分相装置提供）实施自动过分相控制。网络控制系统具备恒速运行控制功能，司机可通过人机界面或恒速手柄等方式激活恒速运行模式。

3.故障诊断功能。动车组列车网络控制系统具有完善的系统诊断功能，便于对车辆进行维修及保养；对重要的子系统及设备进行状态监视和诊断，指导维护人员快速排除故障；具有本地故障数据的记录存储功能并且提供便携式设备传输接口和无线信息传输接口，可用便携式设备采集数据和分析，也可根据需要将诊断设备记录的数据以无线方式传送至地面维护基地。

4.人机交互功能。通过司机室和机械师室显示屏，司机和机械师可实时在线观测列车运行状态，司机、机械师和维修人员可观察列车各子系统当前的故障代码和故障发生的时间，能识别故障发生车辆，提供故障描述并可通过显示器控制相关系统的操作。

二、动车组网络控制系统的结构

1.车辆控制单元。车辆控制单元掌控着整个动车组的各个附属系统，进行数据的收集和整理。各附属单元通过动车组的主线与车辆控制单元相连接，进行数据之间的交流和通信，车辆控制单元则会根据各附属单元不同情况或实时的状态传递信息，维护每个单元的稳定。除此，车辆控制单元还会对各个单元的相关系统进行实时跟踪，运用车辆信号线监视、控制着各单元的正常运行，如旅客信息系统、车门状态、厕所状态等。

2.网关接口节点。动车组的网络管理主要由列车通信网络进行操控，其负责连接动车组的各总线进行信息的传输和通讯，并通过对传输信息的实时把控，实现传输过程中信息的稳定性和持久性，同时保证动车组的各总线任务分配均匀，对于车辆总线（MVB）来说，通信网络网关发挥着一个总指挥的角色，进行各支线任务的分配；而对于列车总线（WTB）来说，通信网络网关（TCN）则是可主可从的关键节点，可以支配各网线，也可以作为网关接口的一个节点。

3..输出输入模式。动车组的输入输出模式主要为远程操控，包括动车组的信号采集、数字的梳理和统计，以及对信号输入输出的控制等，并同时对这些数据进行系统的分析，在通讯协议允许的合理范围内，与车辆控制单元进行信息的交流互动。同时该模式可以根据不同的动车进行适当的改变，以适应列车的需求。

4.拓扑结构。动车组网络控制系统拓扑结构主要采用通信网络网关+以太网（环形）拓扑结构，为两级总线式拓扑结构，分别是列车总线和多级车辆总线，同时在列车级设置了以太网环网。列车总线是连接动车组车辆总线单元之间的双绞屏蔽线线路，由网关控制，通过自动车钩覆盖全车。列车总线处理车辆总线单元之间的数据交互，可动态配置。列车总线通信速率为1.0Mbit/s。车辆总线属于列车基本单元内部数据总线，车辆总线只能静态配置，网络控制上每4个车厢为一个车辆总线单元，每个车辆总线单元采用了主链-分支结构，每个车厢都设有中继器，将一个车辆总线单元分成多个分支。车辆总线用以传输故障诊断、事件记录、显示等数据，同时维护网络，对连接至以太网的车载子系统实现软件上载和数据下载。车辆总线在物理层面上采用两对冗余的双绞屏蔽线线路，通信速率为1.5Mbit/s。列车级同时布设了以太网总线（ETB），采用100BASETX，全双工模式，以太网总线传输速率为100Mbit/s。每节车厢均设置以太网交换机，采用环形拓扑结构，通过以太网交换机与显示屏、远程数据监控系统等设备相连进行数据交互。由于以太网总线以独立的方式进行自诊断，具有随时监控的功能，在车辆总线或者列车总线故障时，以太网总线可以传输控制指令、监控信息及故障诊断信息，保证列车的运行。

三、动车组网络控制系统技术的发展方向

1.多网兼容技术。动车组的网络控制系统主要为两根总线发挥主导作用，并引导各个支线实现任务领域的分配，多网兼容技术，可以实现动车组的各总支线互相通信，提升通信技术的可靠性和稳定性。车辆总线、以太网总线、通信网络网关等技术的相互融合是动车组网络控制的核心关键所在。在各国的列车发展领域，一直都在努力破解这些技术的融合机制。

2.列车冗余优化设计。我国的动车组网络控制系统设备存在不少的冗余，不少设备购买后却没有投入使用，随着时间的推移，其功能也是大打折扣，但是维护或运营的成本却不断提高，给动车组带来不小的经济压力。对于多余的网络设备或设计可以进行缩减，在保证动车运行不受影响的情况下，更换性价比较高的设备，提升动车组运行的效率和经济化发展。

3.智能驾驶技术。随着智能化技术的不断进步，我国动车行业也逐渐进入了智能化自动驾驶时代，但目前的智能化技术水平还不足还不能完全满足动车自动驾驶的技术要求。随着我国政府对自动驾驶的技术投入力度增大，已有不少科研专家进行动车智能化驾驶技术的研发，确保动车能够更加高效的运行。目前，基于列车自动驾驶系统（ATO）研发的半自动列车控制系统已在城际动车组成功运用，可以实现动车组入站时自动站停、开门。

总而言之，动车组的网络控制系统较为复杂，涉及到网络技术的方方面面，希望通过研究已有动车组的网络系统结构和技术特点，能够找出现有技术的不足，并结合动车组网络控制系统的发展方向，实现技术的不断进步。

参考文献：

［１］倪雪梅．高速列车网络与控制技术．2020．

［２］常浩宇．关于动车组网络控制系统及其技术分析.2022.