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摘要:介紹了地鐵車輛常見的列車通信網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方案,設(shè)計(jì)了基于實(shí)時(shí)以太網(wǎng)的新方案,并針對不同車載系統(tǒng)的特征,完善了各類入網(wǎng)系統(tǒng)的組網(wǎng)方案。
關(guān)鍵詞:實(shí)時(shí)以太網(wǎng);地鐵車輛;列車通信網(wǎng)絡(luò)
1地鐵車輛通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)簡介
地鐵車輛通常采用符合IEC-61375系列標(biāo)準(zhǔn)的WTB總線、MVB總線及符合ISO11898標(biāo)準(zhǔn)的CAN總線來構(gòu)建列車通信網(wǎng)絡(luò)(以下簡稱TCN)的骨干網(wǎng)絡(luò),各類車載系統(tǒng)可以接入骨干網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)與列車中央控制單元之間的通信和交互。TCN核心設(shè)備有列車中央控制單元(VCM/VCU),數(shù)字量輸入輸出模塊(I/O),模擬量輸入輸出模塊(AI/O),事件記錄裝置(ERM/EDRM)、人機(jī)交互設(shè)備(HMI)及中繼和網(wǎng)管設(shè)備。1.1骨干網(wǎng)根據(jù)各類地鐵列車實(shí)際需求的不同,骨干網(wǎng)常見設(shè)計(jì)有:1.1.1WTB+MVB兩級或多級網(wǎng)絡(luò)WTB總線實(shí)現(xiàn)不同列車之間微機(jī)設(shè)備的自動(dòng)配置,實(shí)現(xiàn)兩列車網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通,MVB總線用于構(gòu)建列車內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)。這類網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方法通常用于有多車重聯(lián)運(yùn)營及靈活編組需求的列車。1.1.2兩級MVB總線對于固定編組單列運(yùn)營的車輛,通常采用兩級MVB總線設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu),車輛級MVB總線用于構(gòu)建單節(jié)車廂內(nèi)部網(wǎng)絡(luò),而列車級MVB總線用于實(shí)現(xiàn)多節(jié)車廂網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通。1.1.3基于CANOpen協(xié)議的CAN總線對于尺寸較小,各類微機(jī)系統(tǒng)較為簡單的列車,可以采用CAN總線來簡化列車通信網(wǎng)絡(luò)。CAN總線最先應(yīng)用于汽車領(lǐng)域,而在軌道交通領(lǐng)域,通常應(yīng)用于有軌電車、通勤車等車輛。1.2子系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通常子系統(tǒng)控制主機(jī)可以直接接入列車骨干網(wǎng)中的車輛級總線,與列車通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行控制和信息交互。根據(jù)廠家和系統(tǒng)設(shè)備的不同,子系統(tǒng)通信接口一般采用MVB、RS422/RS485、以太網(wǎng)和CAN等接口型式,若子系統(tǒng)通信接口協(xié)議與骨干網(wǎng)不同,則需配置通信協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊來輔助該系統(tǒng)與骨干網(wǎng)設(shè)備通信。
2實(shí)時(shí)以太網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)
2.1實(shí)時(shí)以太網(wǎng)與其他網(wǎng)絡(luò)總線結(jié)合的設(shè)計(jì)在實(shí)時(shí)以太網(wǎng)運(yùn)用于軌道交通車輛的初期,面臨部分子系統(tǒng)設(shè)備無法滿足軌道實(shí)時(shí)以太網(wǎng)通信標(biāo)準(zhǔn)的難題。在這個(gè)特定時(shí)期,網(wǎng)絡(luò)控制總線采用實(shí)時(shí)以太網(wǎng)與其他網(wǎng)絡(luò)總線相結(jié)合的設(shè)計(jì)。,TCMS與牽引控制系統(tǒng)、輔助電源及制動(dòng)系統(tǒng)也采用實(shí)時(shí)以太網(wǎng)通信,但諸如信號系統(tǒng)、車門控制系統(tǒng)等子系統(tǒng)仍使用MVB通信與TCMS交互(借助協(xié)議轉(zhuǎn)換設(shè)備)。該網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方案即驗(yàn)證了實(shí)時(shí)以太網(wǎng)在軌道車輛上的可行性、可靠性,又能適應(yīng)其他系統(tǒng)設(shè)備現(xiàn)狀。2.2完全實(shí)時(shí)以太網(wǎng)的設(shè)計(jì)該網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)精簡了各子系統(tǒng)的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò),原存在于各系統(tǒng)內(nèi)部的CAN總線內(nèi)網(wǎng)、RS485內(nèi)網(wǎng)及以太網(wǎng)等都可以取消。TCMS與車載各子系統(tǒng)均直接采用實(shí)時(shí)以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。。圖3實(shí)時(shí)以太網(wǎng)系統(tǒng)關(guān)系圖2.2.1網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟?節(jié)編組城軌車輛為例。列車控制網(wǎng)絡(luò)采用環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)以提高冗余度與可靠性,且每列車配置兩臺工業(yè)級兩層交換機(jī),單臺關(guān)鍵子系統(tǒng)設(shè)備可以同時(shí)接入兩臺交換機(jī)與以太網(wǎng)交互數(shù)據(jù),子系統(tǒng)設(shè)備需具備兩路獨(dú)立的以太網(wǎng)接口。接入網(wǎng)絡(luò)的子系統(tǒng)取消各自的交換型內(nèi)網(wǎng),若網(wǎng)絡(luò)中存在其他子網(wǎng)且需與骨干網(wǎng)數(shù)據(jù)交互時(shí),可對兩層交換機(jī)劃分物理VLan或使用三層交換機(jī)。2.2.2關(guān)鍵子系統(tǒng)入網(wǎng)方案對于車輛安全相關(guān)的子系統(tǒng)和對行車影響較大的子系統(tǒng),其設(shè)備使用兩路獨(dú)立的以太網(wǎng)接口分別接入所在車廂的兩臺交換機(jī)。即其中一路故障時(shí),另一路仍可以與骨干網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。且單臺交換機(jī)故障或交換機(jī)所處的線路故障是,該關(guān)鍵設(shè)備仍然可通過另一臺交換機(jī)接入骨干網(wǎng)中,提高了該系統(tǒng)的通信可靠性。452.2.3非關(guān)鍵子系統(tǒng)入網(wǎng)方案部分子系統(tǒng)僅需向TCN上報(bào)狀態(tài)與故障,且其系統(tǒng)故障不會(huì)影響車輛運(yùn)營,則此類系統(tǒng)的設(shè)備通常單路接入骨干網(wǎng),2.2.4車門系統(tǒng)入網(wǎng)方案車門的打開與關(guān)閉與運(yùn)營密切相關(guān),單個(gè)車門故障不會(huì)影響本次列車下線,但發(fā)生同側(cè)車門故障時(shí),列車將無法繼續(xù)運(yùn)營。因此,一節(jié)車廂的所有車門接入骨干網(wǎng)時(shí)應(yīng)考慮容錯(cuò)性更高的方案同為左側(cè)門的1#、3#、5#和7#門分別連接在兩臺交換機(jī)上,同為右側(cè)門的2#、4#、6#和8#門也分別連接在兩臺交換機(jī)上,當(dāng)單臺交換機(jī)發(fā)生故障時(shí),僅會(huì)造成左右兩側(cè)各2個(gè)門無法開關(guān),左右側(cè)仍然有車門可以正常動(dòng)作,避免由于該故障而導(dǎo)致車輛無法上下客,尤其在單程運(yùn)營即將結(jié)束時(shí),司機(jī)可以繼續(xù)駕駛車輛完成后續(xù)站點(diǎn)的運(yùn)營任務(wù)并返回車輛段處理故障。
3結(jié)語
相較于MVB、WTB及CAN總線的通信網(wǎng)絡(luò),實(shí)時(shí)以太網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)具有更大的數(shù)據(jù)吞吐量和更高的傳輸實(shí)時(shí)性。使用一套以太網(wǎng)取代車載設(shè)備間紛繁復(fù)雜的各種內(nèi)網(wǎng),簡化了車輛布線結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),也節(jié)約了設(shè)計(jì)成本。目前,車輛對實(shí)時(shí)流媒體信息傳輸、車輛健康管理及大數(shù)據(jù)分析的需求日益擴(kuò)大,而常規(guī)總線受自身帶寬限制無法滿足上述功能,實(shí)時(shí)以太網(wǎng)勢必將以新型骨干網(wǎng)絡(luò)的姿態(tài)登上軌道交通網(wǎng)絡(luò)控制的舞臺。
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作者:張楊 劉博 單位:中車株洲電力機(jī)車有限公司產(chǎn)品研發(fā)中心