列車(chē)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)范文

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1概述

100％低地板有軌電車(chē)具有節(jié)約成本、節(jié)約能源等方面的優(yōu)點(diǎn)，作為其核心系統(tǒng)的100％低地板有軌電車(chē)列車(chē)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，是適用于低地板有軌電車(chē)這一特殊環(huán)境中的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)絡(luò)，它是一個(gè)綜合監(jiān)控系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)低地板有軌電車(chē)的牽引傳動(dòng)、制動(dòng)、輔助供電、車(chē)門(mén)、空調(diào)、車(chē)載廣播等子系統(tǒng)的綜合控制、狀態(tài)監(jiān)視以及故障診斷。

2100％低地板有軌電車(chē)列車(chē)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)介紹

與城軌地鐵列車(chē)相比，有軌電車(chē)車(chē)輛編組少、運(yùn)行速度低，因此，需要列車(chē)通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男畔⒘枯^少，對(duì)列車(chē)通信網(wǎng)絡(luò)帶寬要求較低。基于上述要求，CANopen總線可以滿足有軌電車(chē)列車(chē)通信網(wǎng)絡(luò)的需求。根據(jù)整車(chē)的功能需求，對(duì)有軌電車(chē)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹⒂布O(shè)備、軟件功能等各方面進(jìn)行了優(yōu)化，以滿足用戶需求，實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)輛的操控及維護(hù)。

2．1網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)總線介紹列車(chē)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)按照IEC61375標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的列車(chē)通信網(wǎng)絡(luò)組建，采用滿足IEC61375標(biāo)準(zhǔn)要求的CANopen總線作為車(chē)輛總線，設(shè)備總線采用RS485。CANopen是一種架構(gòu)在控制器局域網(wǎng)（ControllerAreaNetwork，CAN）上的高層通訊協(xié)議，包括通訊子協(xié)議及設(shè)備子協(xié)議，常在嵌入式系統(tǒng)中使用，也是工業(yè)控制領(lǐng)域常用到的一種現(xiàn)場(chǎng)總線。CANopen實(shí)現(xiàn)了OSI模型中的網(wǎng)絡(luò)層以上（包括網(wǎng)絡(luò)層）的協(xié)議。CANopen標(biāo)準(zhǔn)包括尋址方案、多個(gè)小的通訊子協(xié)議及由設(shè)備子協(xié)議所定義的應(yīng)用層。CANopen支持網(wǎng)絡(luò)管理、設(shè)備監(jiān)控及節(jié)點(diǎn)間的通訊，其中包括一個(gè)簡(jiǎn)易的傳輸層，可處理資料的分段傳送及其組合，廣泛應(yīng)用于有軌電車(chē)列車(chē)以及工程機(jī)械車(chē)輛中。在本方案中，CANopen總線采用屏蔽雙絞線作為通信介質(zhì)，通信速率選擇250kbps，在該速率下，傳輸距離可達(dá)250m。

2．2拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)產(chǎn)品主要有車(chē)輛控制單元VCU、智能顯示單元IDU、遠(yuǎn)程輸入輸出單元RIOM，其中遠(yuǎn)程輸入輸出單元包括RS485／CAN－open網(wǎng)關(guān)。連接到網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的各子系統(tǒng)有液壓制動(dòng)系統(tǒng)、牽引IO單元、輔助系統(tǒng)、旅客信息系統(tǒng)、車(chē)門(mén)、空調(diào)系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通過(guò)車(chē)輛控制單元VCU實(shí)現(xiàn)列車(chē)級(jí)和車(chē)輛級(jí)總線控制。各個(gè)子系統(tǒng)的控制單元主要包括：牽引控制單元、制動(dòng)控制單元、輔助逆變器控制單元、空調(diào)控制單元等。整個(gè)列車(chē)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)包括車(chē)載硬件、操作系統(tǒng)、控制軟件、診斷軟件、監(jiān)視軟件和維護(hù)工具等。（1）每臺(tái)Mc車(chē)安裝1臺(tái)車(chē)輛控制單元VCU，2臺(tái)VCU互為冗余，VCU實(shí)現(xiàn)列車(chē)總線CANopen網(wǎng)絡(luò)管理，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)牽引、制動(dòng)、空調(diào)等設(shè)備或部件的控制功能。（2）每臺(tái)Mc車(chē)安裝1臺(tái)智能顯示單元IDU，用來(lái)顯示車(chē)輛及其主要設(shè)備的狀態(tài)信息，以及設(shè)置車(chē)輛運(yùn)行參數(shù)，同時(shí)智能顯示單元可進(jìn)行車(chē)輛運(yùn)行故障信息及車(chē)輛運(yùn)行狀態(tài)信息的記錄，通過(guò)專(zhuān)用的數(shù)據(jù)解析軟件可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)還原。IDU通過(guò)RS485／CANopen網(wǎng)關(guān)接入列車(chē)網(wǎng)絡(luò)。（3）每臺(tái)Mc車(chē)安裝1臺(tái)遠(yuǎn)程輸入輸出單元RIOM，用于數(shù)字量信號(hào)、模擬量信號(hào)的采集，以及控制指令輸出。RIOM機(jī)箱在設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)留了部分余量，為后續(xù)功能擴(kuò)展預(yù)留空間。列車(chē)及車(chē)輛總線系統(tǒng)符合有關(guān)列車(chē)通信網(wǎng)絡(luò)IEC61375標(biāo)準(zhǔn)的最新版本，列車(chē)監(jiān)控系統(tǒng)硬件滿足EN50155標(biāo)準(zhǔn)。列車(chē)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)為所有子系統(tǒng)設(shè)備留有標(biāo)準(zhǔn)的通信接口，并具有成熟可靠的接口通訊規(guī)范，使得所有車(chē)輛子系統(tǒng)能可靠接入。

2．3功能實(shí)現(xiàn)

列車(chē)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)承擔(dān)了牽引、制動(dòng)控制等列車(chē)運(yùn)行相關(guān)的控制及監(jiān)視功能，主要功能介紹如下。

2．3．1零速信號(hào)VCU根據(jù)計(jì)算出的列車(chē)速度進(jìn)行綜合邏輯處理，列車(chē)速度小于3km／h時(shí)，輸出零速信號(hào)，用于車(chē)輛的某些以速度為條件的邏輯判斷。

2．3．2撒砂信號(hào)在列車(chē)運(yùn)行中為了防止車(chē)輪的空轉(zhuǎn)或打滑，VCU根據(jù)整車(chē)速度與單軸速度的差值，輸出撒砂信號(hào)，在列車(chē)的運(yùn)行方向?qū)?chē)輪進(jìn)行撒砂操作。

2．3．3列車(chē)速度分別采集了2路拖車(chē)的速度信號(hào)，根據(jù)輪徑以及速度傳感器參數(shù)算出2個(gè)速度值，再結(jié)合牽引系統(tǒng)發(fā)來(lái)的2個(gè)動(dòng)車(chē)速度信號(hào)進(jìn)行綜合處理，實(shí)時(shí)計(jì)算出列車(chē)速度。

2．3．4警惕事件當(dāng)司機(jī)松開(kāi)警惕按鈕時(shí)，VCU會(huì)進(jìn)行計(jì)時(shí)，超過(guò)規(guī)定的第一時(shí)間限值后進(jìn)行報(bào)警提示，超過(guò)規(guī)定的第二時(shí)間限值后，控制車(chē)輛所有制動(dòng)形式施加最大制動(dòng)力，目的是使車(chē)輛在最短的時(shí)間內(nèi)停止運(yùn)行，導(dǎo)向安全。

2．3．5轉(zhuǎn)向燈控制由于有軌電車(chē)與社會(huì)車(chē)輛共享路權(quán)，因此在轉(zhuǎn)彎時(shí)需要提示其他車(chē)輛，按下IDU顯示屏上左（右）轉(zhuǎn)向燈按鈕，可控制車(chē)輛的左（右）轉(zhuǎn)向燈以1Hz的頻率閃爍。

2．3．6強(qiáng)迫降弓車(chē)輛在進(jìn)入無(wú)電區(qū)之前要進(jìn)行降弓操作，VCU會(huì)根據(jù)站點(diǎn)信息判斷車(chē)輛的實(shí)時(shí)位置，當(dāng)距離規(guī)定到達(dá)第一限值時(shí)，蜂鳴器會(huì)持續(xù)報(bào)警，同時(shí)顯示器上會(huì)提示司機(jī)進(jìn)行降弓操作，如果司機(jī)仍沒(méi)有操作，VCU將接管降弓控制，輸出強(qiáng)迫降弓信號(hào)，在進(jìn)入無(wú)電區(qū)前完成降弓。

2．3．7廣播報(bào)站司機(jī)可以通過(guò)IDU顯示屏設(shè)置起始站、終點(diǎn)站與當(dāng)前站。VCU根據(jù)車(chē)輛運(yùn)行情況、速度信號(hào)自動(dòng)進(jìn)行位置判斷，向PIS發(fā)送報(bào)站指令，當(dāng)車(chē)輛距離下一站到達(dá)規(guī)定限值時(shí)，發(fā)送報(bào)站指令。

2．3．8車(chē)輛載重計(jì)算VCU根據(jù)從動(dòng)車(chē)載荷傳感器采集的信息，計(jì)算出Mc車(chē)與F車(chē)的載荷，然后再加上制動(dòng)系統(tǒng)發(fā)送過(guò)來(lái)的拖車(chē)的載荷信息，計(jì)算出整車(chē)的載荷。當(dāng)滿足零速信號(hào)且所有門(mén)關(guān)好時(shí)，開(kāi)始計(jì)算載荷。在車(chē)輛運(yùn)行過(guò)程中不再重新計(jì)算載荷，始終以該值為當(dāng)前列車(chē)的整體載荷。

3與國(guó)外方案的對(duì)比分析

目前主流的有軌電車(chē)列車(chē)網(wǎng)絡(luò)有MVB、工業(yè)以太網(wǎng)、CANopen等。除了CANopen網(wǎng)絡(luò)外，國(guó)外的一些網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)供應(yīng)商也會(huì)采用MVB、工業(yè)以太網(wǎng)等總線形式，而且根據(jù)項(xiàng)目需求不同，會(huì)采用不同的總線拓?fù)洹Ｏ旅娼榻B國(guó)外幾種典型的低地板有軌電車(chē)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并與本方案進(jìn)行對(duì)比分析。

3．1阿爾斯通有軌電車(chē)網(wǎng)絡(luò)圖2是阿爾斯通公司常用的一種有軌電車(chē)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由列車(chē)總線和車(chē)輛總線兩層構(gòu)成，列車(chē)總線采用WTB形式，用于重聯(lián)。車(chē)輛總線分為兩部分，一部分是控制網(wǎng)絡(luò)，另一部分是維護(hù)網(wǎng)絡(luò)，其中控制網(wǎng)絡(luò)又有2種形式，一種是MVB，一種是CANopen，維護(hù)網(wǎng)絡(luò)采用以太網(wǎng)。控制網(wǎng)絡(luò)提供兩種接口形式的原因是某些設(shè)備不具備MVB接口，如DCU、HVAC等。通過(guò)分析可以發(fā)現(xiàn)，該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，一共采用了4種總線形式，并且設(shè)置有WTB／MVB網(wǎng)關(guān)和MVB／CANopen網(wǎng)關(guān)，成本相對(duì)較高，而且后期使用、維護(hù)較為復(fù)雜。阿爾斯通網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)以下控制及監(jiān)視功能：總線管理、車(chē)輛的故障診斷和存儲(chǔ)、高速斷路器控制、輔助逆變器電源負(fù)載分配方式控制、牽引／制動(dòng)的車(chē)輛控制、車(chē)輛乘客信息數(shù)據(jù)傳輸、防空轉(zhuǎn)／防滑保護(hù)控制、空調(diào)機(jī)組順序啟動(dòng)控制、牽引封鎖保護(hù)控制、累積數(shù)據(jù)記錄等。

3．2龐巴迪有軌電車(chē)網(wǎng)絡(luò)圖3是龐巴迪公司常用的一種有軌電車(chē)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，分為控制網(wǎng)絡(luò)和維護(hù)網(wǎng)絡(luò)兩部分。控制網(wǎng)絡(luò)采用MVB形式，負(fù)責(zé)車(chē)輛控制指令、監(jiān)視狀態(tài)的傳輸。維護(hù)網(wǎng)絡(luò)采用工業(yè)以太網(wǎng)形式，主要用于收集故障信息和維護(hù)使用。該結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是傳輸速度快、網(wǎng)絡(luò)帶寬高，但是造價(jià)也相對(duì)較高。龐巴迪低地板有軌電車(chē)的網(wǎng)絡(luò)功能相對(duì)地鐵項(xiàng)目而言更加強(qiáng)大，車(chē)輛許多的控制、監(jiān)控、診斷功能都與其相關(guān)，MVB網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)車(chē)輛控制信息的傳輸，因MVB網(wǎng)絡(luò)具有更高的可靠性，且相對(duì)來(lái)說(shuō)車(chē)輛重要的控制信息的通信量亦比較少，通信不會(huì)延遲。次要網(wǎng)絡(luò)采用以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)主要用于收集故障信息和維護(hù)使用，一些與安全無(wú)關(guān)的系統(tǒng)（例如：空調(diào)、車(chē)門(mén)等）與此以太網(wǎng)相連。不同車(chē)輛的以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)使用交換機(jī)連接。車(chē)輛以太網(wǎng)設(shè)置統(tǒng)一的維護(hù)端口，車(chē)輛上與以太網(wǎng)連接的設(shè)備都可以使用此端口進(jìn)行維護(hù)。

3．3功能分析通過(guò)上述3種網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)可以看出，相對(duì)于地鐵車(chē)輛，有軌電車(chē)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)承擔(dān)了更多的車(chē)輛運(yùn)行控制相關(guān)的功能，這樣做的原因主要是車(chē)輛空間緊張，由網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)承擔(dān)一部分硬線電路的功能可以減少硬線、繼電器的布置，同時(shí)也大大降低了成本，利用司機(jī)室人機(jī)接口觸摸屏代替一些控制按鈕，能夠提高司機(jī)室空間利用率，進(jìn)而優(yōu)化司機(jī)室布置，縮小司機(jī)臺(tái)的面積，有利于車(chē)輛外形設(shè)計(jì)的美觀。

3．4結(jié)構(gòu)對(duì)比3種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵?duì)比見(jiàn)表1。通過(guò)對(duì)比分析，3種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)各有優(yōu)劣，但是就有軌電車(chē)應(yīng)用環(huán)境而言，本方案所采用的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低、易于維護(hù)，同時(shí)性能能夠滿足有軌電車(chē)運(yùn)行控制、狀態(tài)監(jiān)視及故障診斷的需要，且因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，其可靠性及穩(wěn)定性相對(duì)較高，后期維護(hù)成本較低。

4總結(jié)

目前，裝備100％低地板車(chē)輛網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的列車(chē)已經(jīng)完成廠內(nèi)靜態(tài)、動(dòng)態(tài)型式試驗(yàn)，正在進(jìn)行載客試驗(yàn)，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。針對(duì)用戶需求，優(yōu)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，有利于司機(jī)掌握更多的列車(chē)狀態(tài)、操控車(chē)輛，有助于檢修人員更好地維護(hù)車(chē)輛、排查故障，保障運(yùn)營(yíng)秩序。通過(guò)與其他網(wǎng)絡(luò)形式對(duì)比分析，該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)合理，符合使用需求。

作者：崔鳳釗 單位：青島四方車(chē)輛研究所有限公司