基于CRH3型动车组的列车通信网络系统构架分析

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【摘 要】CRH3型动车组每列车上一共有2个牵引单元，每个牵引单元内又包括多个设备、模块，这些设备和模块通过MVB连在一起，MVB通过中央控制单元CCU中的网关GW实现了与WTB的连接，实现了整组列车的互联互通。
【关键词】列车通信网络；TCN；列车网络控制系统；SIBAS32
随着我国铁路客运专线和既有线提速的运输要求，列车动车组在我国日益得到关注与重视，而列车通信网络作为动车组监控管理的重要组成部分，其重要性非常显著。
一、车组通信网络组成及系统结构
1.动车组通信网络拓扑结构。在目前已经投入运行的系统中，基本上采用了总线型网络拓扑结构。每一节车厢作为一个独立的监控单元，各车厢之间通过列车总线（Train Bus）通信。每一监控单元内根据需求不同，所需节点数量也不同，同一单元内各节点通过车辆总线（Vehicle Bus）相连。通过在每一监控单元内安装一个代理节点来完成本单元内网络节点的管理，同时也提供本单元同列车总线及其他单元的接口。在司机室或发电车内有一监控主机，通过网卡模块与列车总线相连，负责数据的显示、存贮等工作。
2.通信网络控制结构。机车计算机控制装置与人机交互部分（一般采用显示器LCD）组成动车组通信网络。动车的机车计算机控制单元是整个控制系统的核心，完成全部信号采集、控制与通信管理功能。机车计算机控制装置按功能又可分为机车计算机控制单元LCU（Locomotive Control Unit）、通信网络和人机接口三部分。
二、CRH3型动车组列车通信网络架构
1.牵引单元。每列CRH3型动车组都由8辆车编组而成，可进一步分为两个分别由4辆车组成的牵引单元。牵引单元一包括EC01/TC02/IC03/BC04，牵引单元二包括EC08/TC07/IC06/FC05，车厢号为01一08。每个牵引单元内用车辆总线MVB连接单元内4辆车及同一车厢内的车内设备、传感器、执行机构，牵引单元内各车的拓扑结构固定不变。两个牵引单元之间由列车总线WTB连接，车辆总线和列车总线二者通过网关实现通信。CRH3列车编组情况如图1所示。
2.列车通信网络总线组成。CRH3采用SIBAS 32列控系统，列车通信网络基于国际标准ICE61375，即TCN列车通信网络包括多功能车辆总线MVB和绞线式列车总线WTB。这两种总线在设计时都采用了冗余设计方法，在列车正常工作过程中，MVB和WTB各只有一条处于工作状态，另一条总线处于备用状态，在工作总线发生故障时接替其工作，保障列车的正常运行，如图2所示。除了列车总线WTB和车辆总线MVB，列车上还使用了另一种总线——CAN总线。在CRH3中，网络控制系统中的某些二级系统中用了CAN总线，包括火灾报警和烟雾探测系统、电池充电机以及车门控制单元。火灾报警和烟雾探测系统中光电感烟探测器和烟探测控制器之间通过CAN实现通信；电池充电机的两个重要控制模块之间也用了CAN总线进行连接；车门控制单元中主门控制单元通过CAN和其他外门控制单元连接起来。
3.绞线式列车总线WTB。（1）列车总线WTB的基本性能。列车总线WTB在CRH3中用于连接两个牵引单元，使用的传输介质是屏蔽双绞线，其传输速度为1.0Mbps。总线总长可达860米，可以连接的节点数多达32个。WTB最大的特点是可以进行WTB初运行。（2）WTB帧结构。WTB帧分为两种：主设备发出的主帧和从设备对其响应时发送的从帧，二者组合在一起，形成一个WTB报文。所有的帧格式固定，具有相同的编码结构，需要遵从HDLC（ISO/IEC3309）规范。
4.多功能车辆总线MVB。（1）车辆总线MVB主要特征。车辆总线MVB接同一牵引单元中的各种车载设备和传感器，使用的传输介质是双绞线，其传输速度为1.5Mbps。（2）MVB帧结构。MVB帧分为两种：主设备发出的主帧、从设备对其响应时发送的从帧，二者组合在一起，形成一个MVB报文。主帧具有固定的数据长度33bits，从帧的数据长度不唯一，包含5种可能的尺寸：33、49、81、153、297bits。MVB的信号编码采用曼彻斯特编码正向定义传输数据，定义从低到高表示为“0”，从高到低表示为“1”。同时，MVB增加了两个非数据符编码：“NH”和“NL”。MVB帧结构包括3大部分：9位设备源起始分界符，中间部分的帧数据以及最后固定的8位校验序列。
三、动车组通信网络控制功能
1.网络通信规范。网络通信规范如下：拓扑结构为总线拓扑，传输介质为双绞屏蔽线，介质访问控制方式为CSMA/CD，通信错误检测方式为CRC，数据编码为差分曼彻斯特编码，传输速率为78Kbps，通信方式采用半双工，主CPU与网络通过双口RAM交换数据。主CPU采用轮询方式，定时从双口RAM输入缓冲区读取网络节点信息并校验，当校验正确时，返回正确标志，将数据提供给本车使用；反之，若校验出错，则返回错误标志，将所收到的数据丢弃。正常情况下，两个网络节点是同时工作的，当主CPU检测到一路通信故障时，由软件识别并自动切换到另一路，并在显示器上提示该路网络通信故障。
2.列车重联控制功能。首车将司机控制指令及机车状态信号传送给尾车，控制尾车运行，可实现尾车无人驾驶。尾车检测机车状态信号，传送给首车，以便司机了解它车运行情况，确保列车工况一致。（1）首尾车监控数据的通信功能。首尾车实时检测机车及柴油机的速度、电流、电压、温度、压力等信号，通过网络传递给它车供显示器显示，以便司机及时了解运行信息，确保正常运行。（2）列车重联控制逻辑。操纵端设置为防止机车控制逻辑错误，首先必须抢占控制权，即进行操纵端设置，抢得控制权者为首车，另一动车为尾车。若两动车同时设置为首车，则显示“操纵端设置错误”提示司机，两车控制均处于无效状态，计算机不加载。
3.系统监视和保护。网络控制系统周期性地采集动车组各关键设备的状态，实现对设备的实时保护，主要有以下几种保护控制。（1）液力传动系统油温高报警以及控制。车辆控制单元周期性地读取“液力油温报警”信号，一旦该信号有效，车辆控制单元将自动封锁本动车的牵引输出，同时输出卸载指令，在显示屏上报警。（2）动车组停放制动保护控制。当Me车检测到“停放制动”信号有效时，系统自动封锁所有动车的牵引输出，同时输出卸载指令。
以CRH3动车组为分析对象，对该型号动车组的列车通信网络系统构架进行分析，对目前在我国使用较多的列车通信网络TCN进行了介绍，可以指导相关岗位上的工作人员更好地对列车通信网络进行使用、维护与调试，同时对于相关专业的学生学习列车通信网络也具有一定的参考价值。
参考文献：
[1]刘琼会.TG/CL150-2018和谐3型动车组高级修检修规程[J].机车电传动，2014，（6）：7—11.
[2]马德锐.铁路高速列车网络控制系统及其电磁兼容性研究[J].广西大学学报（自然科学版），2014，（3）：251—255.
（作者單位：中车唐山机车车辆有限公司）