高速铁路导论：列车网络控制系统实现动车组控制、监视和诊断

列车网络控制系统如同高速动车组的“大脑和神经”。列车网络控制系统负责对动车组牵引、制动、转向架、辅助供电、车门、空调等系统的控制、监视和诊断。

（一）功能概述

高速列车网络控制系统的一般功能如下：

（1）远程集中控制，在同端的人机操作接口上向全高速列车的设备发送对高速列车或设备的运行控制命令，各个设备收到命令后按照相关的规定执行命令。

（2）远程集中监视，各个车厢的网络设备状态数据通过网络发送到主控计算机和人机操作接口，集中显示给随车司乘人员。

（3）实时信息诊断。

具体功能如下：

（1）实现供电或者供电停止命令。

（2）实现牵引，制动指令。如加速、减速、停车等。

（3）实现和地面信号系统的通信，保证高速列车行驶安全。

（4）传输给各个设备/系统，例如开启空调、开车门打开照明灯等。并分时读取它们的状态数据。

（5）对设备状态数据进行监视与诊断，在人机操作接口上给出报警或者故障处理提示。

（6）历史数据记录，定时记录各个设备传来的数据，供将来查阅。

（7）自诊断和试验功能。设置自诊断开关，向高速列车控制系统发送自诊断命令，各个设备即开始进行数据和状态信息的采集，然后传递给高速列车主控制器和人机操作接口，即可获知各个设备是正常还是故障，保证行车和车辆的安全。设置试验开关，可进行供电、制动等功能的测试，有利于设备快速检修和故障识别。

（二）系统组成及主要模块

列车网络控制系统以计算机网络为核心，把计算机技术、控制技术、设备故障诊断技术、网络通信技术紧密结合起来（见图4-2-33）。通过网络把命令传送到各节车厢，从而实现对全车的控制。各种控制命令都可通过网络传送到各车的各个设备，执行的结果也可通过网络返回给司机。

图4-2-33　高速列车网络控制系统

1．中央控制单元/车辆控制单元

主要负责对本动力单元或整列车的网络管理、协调控制、安全保护、故障诊断处理、列车监控数据处理等。当检测出总线或网络设备通信故障时提示信息或采取必要的措施使高速列车运行不受影响或导向安全；同时能够监视或控制高速列车的运行方向、受电弓、主断路器和车顶隔离开关、牵引、制动、辅助变流器、充电机、车门、空调等各功能子系统。

2．智能显示单元

主要完成司机与列车网络控制系统的信息交换。司机通过该模块向列车网络控制系统输入必要的信息，列车网络控制系统通过该模块向司机提供目标速度、目标距离、系统动作情况、系统工作状态、系统故障状况等信息。

3．网关(www.xing528.com)

在列车总线和车辆总线之间进行协议传递，具有初运行功能，当机车重联编组发生改变时，能自动完成编组中各节点的地址分配、方向识别。

4．输入输出单元

用于实现数字量输入输出或模拟量输入输出的部件，可对牵引、制动、转向架、火灾报警、安全环路等系统状态进行采集，并依据中央控制单元/车辆控制单元控制指令输出。

5．中继器

网络物理层上面的连接设备，通过对数据信号的再生和整形，来扩大网络传输的距离，当某个网段故障时不能影响其他部分车辆总线的工作。

（三）高速列车控制网络技术的发展及应用

列车通信网络最初是在串行通信总线基础上发展而来，随着车载微机系统的迅速发展，世界各国铁道机车车辆公司和组织都推出了基于现场总线技术的列车通信网络，如美国Echelon公司的LonWorks总线、法国WorldFIP（World Factory Instrumentation Protocol）组织的WorldFIP总线、美国ADtranz公司（后被Bombardier公司收购）的MICAS总线和随后发展成为的MVB（Multifunction Vehicle Bus）总线、美国Datapoint公司推出而被日本列车广泛采用的ARCNET（Auxiliary Resource Computer Network）总线等，经过近30年的应用研究和实践积累，目前较成熟且真正应用于高速列车网络通信的列车网络主要是TCN（Train Communication Network）和ARCNET。

1．TCN

国际电工委员会（International Electron Engineers，IEC）和国际铁路联盟在各种列车通信网络基础上，联合制定了TCN列车通信网络标准IEC61375-1和TCN网络一致性测试标准IEC61375-2。TCN将整个列车连成一个整体，司机通过TCN实现对每个车辆单元的控制，也通过TCN了解每个车辆单元的工作状态及故障信息，保证整列车安全运行。我国铁路根据现阶段的具体国情，在2002年颁布的铁道部标准TB/T3025-2002也将TCN正式确立为列车通信网络标准，并在铁标TB/T中推荐使用TCN网络。

TCN由多功能车辆总线MVB和绞线式列车总线（Wire Train Bus，WTB）组成（见图4-2-34）。其中，MVB主要用于车辆内部固定设备的互联，采用曼彻斯特码编，传输介质可以是电气短距离、电气中距离或光纤，传输速率为1.5 Mbit/s，是专为快速的过程控制而提出的总线，能为实时性要求较高的列车控制提供所需的响应速度，适合用作车辆总线；WTB主要用于车辆之间的重联通信，采用曼彻斯特码编码，传输介质采用屏蔽双绞线，数据传输速率为1.0 Mbit/s，最大特点是具有列车初运行、动态配置和烧结（连接器触点去氧化）等功能，能自动识别车辆在列车编组中的位置和方向，从而满足开式列车需要频繁编组等的特殊要求。

图4-2-34　TCN网络的结构

以CRH380BL型车为例，整车网络采用TCN标准，包括WTB和MVB两级总线，1个动车组分为2个牵引单元，每个牵引单元包括4节车，配备各自的车辆总线MVB，再通过WTB总线实现列车级的控制，两者通过网关（Gateway，GW）互联，如图4-2-35所示。

TCN是专门针对轨道车辆制定的开放标准，没有知识产权的限制，所以应用在轨道车辆上有明显优势，逐渐在世界各国的各种车辆（包括高速列车、有轨电车、地铁、客车等）上普及推广，是当前国际上列车通信网络技术的主流。国外除一些大公司如Bombardier、Siemens等有成熟的TCN网络产品和技术外，一些中小公司如芬兰的EKE、意大利的Far-system、捷克的Unicontrol等也开发出了比较完整的TCN网络通信产品。

2．ARCNET

ARCNET是20世纪70年代，由Datapoint公司作为办公自动化网络发展起来的一种局域网，是一种基于令牌传输协议的现场总线，由于其具有快速性、确定性、可扩展性和支持长距离传输等特点，非常适合过程控制，近年来被广泛地应用在各种自动化领域。ARCNET拓扑结构支持总线型和星型，传输速率为2.5 Mbit/s，物理层介质可以是同轴电缆、双绞线和光纤等；数据链路层采用令牌环机制，通过令牌的传递来协调网络上各节点对总线的占用。以CRH2A型车为例，整车网络控制系统采用列车级和车辆级两级网络结构，其中，列车级网络为光纤环网，以列车运行控制为目的，连接各中央装置和终端装置，采用ARCNET协议；车辆级网络为连接车厢内设备的通信网络，采用点对点的通信方式，通信协议有多种，包括

20 mA电流环、30 mA电流环以及HDLC等，如图4-2-36所示。

ARCNET协议以其可靠、高速、稳定的特点被广泛应用于许多工业领域，在列车通信网络中也占有一席之地。日本高速列车通信网络主要采用ARCNET网络。

图4-2-35　CRH380BL动车组控制网络拓扑结构

图4-2-36　CRH2A动车组控制网络拓扑结构