动车组网络系统架构与功能范文

摘要：文章描述了CRH380CL型动车组网络系统的系统组成和总线架构，详细阐述了网络系统实现的功能，归纳了该网络系统融从理论角度分析了该网络系统的可靠性、安全性和可维护性。

关键词：CRH380CL；网络系统；列车总线；车辆总线

1概述

CRH380CL型动车组网络控制系统是采用日立公司基于ISO/IEC13239（HDLC）标准开发的ATI-C（AutonomousTrainIntegration-Control）系统。该系统与车载主要设备之间进行串口通信，I/O信号收发，并在车辆间实现信息高速传输。实现列车状态、故障信息显示，控制指令传输、诊断指令输出，并将其结果进行记录等功能。能够对车上的司机、乘务员以及维修保养人员的业务进行支持[1]。

2系统组成

列车网络控制系统硬件由安装在两端头车的中央单元、安装在中间车的终端单元、安装在每节车的输入输出接口单元（IFU）、安装在头车和9车的显示屏组成[2]。司机室占用端的中央单元负责全列车的逻辑控制。中间车的终端单元负责本车网络信号的发送和接收，保证列车总线的正常通信。在必要时，可以由终端单元直接控制本车的重要设备。各车的输入输出接口单元具有数字量和模拟量的输入输出接口，进行信号的采集和发送。整车包括司机室和机械师室在内的共5台显示器，能够指导司机和乘务人员进行正确的行车操作。

3主要功能

CRH380CL型动车组的列车网络控制系统的主要功能可分为三大类：控制逻辑的处理与传输，设备状态的监视，异常、故障的检测与处理[3，4]。

3.1牵引控制指令的传输

网络系统根据牵引手柄、方向手柄的输入信号，将牵引级位、牵引力大小、行驶方向、恒速控制等信息传送给牵引变流器，用于网络整车的牵引控制。网络系统将高压部件的复位指令传输至各车牵引变流器和辅助变流器，用于对故障高压部件进行复位处理。

3.2设备的监视信息的控制与传输

网络系统负责受电弓的优先弓选择，发出升降弓命令；负责主断路器的闭合使能，并通过断开主断实现牵引变压器的油流、油温、油位、油压的保护。网络系统控制牵引变流器和牵引电机的冷却风机，实现高低速转换，为牵引系统在正常温度范围内提供保障。网络系统根据速度设定值、车辆运行坡道等外部信息，调节牵引力或电制动力的输出百分比，实现整车的恒速控制。网络系统进行全列中压负载和低压负载的顺序启动和负荷管理，当辅助变流器输出总功率降低时，自动切除部分负载，保持整车能够以最优的方案为各负载供电。网络系统控制主空压机工作，实现全列总风压力在正常范围内。当列车检测到需要限速运行的故障发生时，网络系统自动发出最大常用制动命令或紧急制动命令，保证列车在预先设定的安全速度范围内运行。网络系统对部分车辆服务设施进行控制，例如控制空调的开、关及温度调节。

3.3司乘人员支持功能

当发生故障或异常时，在占用端司机室显示屏和乘务员室显示屏上显示报警及应急处理指导信息。网络系统通过远程数据传输装置（GSM/WLAN）发送运行故障信息至地面应急指挥中心，指挥中心人员可以更直观、更便捷的获取列车当前状态，能够及时指导司机、机械师处理当前的故障，维持车辆继续运行。机械师通过网络系统的人工故障录入功能，可以在车辆未回库前，就把一些故障发送至动车所，以便于动车所的地面维护人员提前准备好相关的测试仪器、工具、料件等，节省动车组在库内的维修检查时间。

3.4数据记录功能

动车组发生影响行车安全的1级、2级故障时，中央单元能够实时将其写入自身的存储器中进行记录。当发生不影响行车安全，只需回库处理的3级故障时，中央单元通过列车总线/车辆总线将故障信息发送给GSM/WLAN并记录。网络系统能够计算并记录牵引变流器、辅助变流器的电力消耗，列车行驶距离，及各系统软件版本。

3.5特殊模式的控制

网络系统具有网络、牵引、制动、辅助、空调等系统的车上检查功能，能够在车辆静止状态下，测试这些系统的工作状态和性能。网络系统具有整备模式功能，能够在无司机控车且车辆未上线运营前，对制动系统进行测试，对空调系统进行自动调温，使得司机控车时已经自动完成例行检查，尽快投入运营。网络系统具有出库检查功能，能够提示司机完成牵引系统、门系统的相关测试，并将测试结果发送给网络系统显示屏，便于司机判断列车状态是否具备出库条件。

4网络拓扑结构

CRH380CL型动车组采用两层网络结构，上层网络为连接各编组车辆的列车级通信网络，下层为连接每节车辆内固定设备的车辆级通信网络。列车级网络以冗余主干网连接各中央单元和终端单元。下层网络用于各车厢，是面向各子系统的数据通信系统。

4.1列车总线

列车总线采用ATI总线，传输速率是3.2Mbps，控制指令的传输周期是10ms，监视信息的传输周期是200ms。如图1所示，ATI总线作为列车总线采用了双重冗余的屏蔽双绞线，同时控制单元的传送系也采用了冗余设计，因此当其中的一条ATI总线发生故障或控制单元的某个传送系发生故障时，不会影响网络信息的正常传输。ATI总线可以被看作是梯形连接的节点传送系统，总线上所有单元都带有微秒级延迟的传输中继器，可以传送数据到下一单元。因此，在每一传输周期内，只有一个单元可以发送数据到传输干线上，并且传输干线上的数据能够被所有的单元接收。设计采用总线型拓扑结构，使得结构简单、布线容易、可靠性较高，任一节点的状态信息以广播形式发送到总线上，能够被其他所有节点接收，实现信息的充分共享。

4.2车辆总线

车辆总线采用RS-485总线，带有RS-485串行接口的子系统通过RS-485总线与控制单元直接相连，即中央单元（终端单元）与各子系统通过点对点方式（或一点对多点方式）构成星型结构。控制单元与车辆某一设备之间通信发生故障时，不会对其他设备的通信造成影响。如果通信发生异常，查找异常根源也较为容易。RS-485总线的传输速率是38.4kbps、76.8kbps、115.2kbps，控制指令的传输周期是10ms，监视信息的传输周期是200ms。

5列车网络控制系统的特点

5.1可靠性

任何单点故障不会影响到网络系统的正常运行：

（1）ATI列车总线采用冗余的屏蔽双绞线。

（2）中央单元、终端单元的中继传送器互为冗余；司控器的级位信息等控制指令，通过中央单元的传送部的1系和2系，经由两系的传送线路并联传送。

（3）两端头车的中央单元互为冗余。

（4）司机室显示屏双重备份。

（5）RS-485车辆总线采用点对点通信，网络设备与车辆某一设备间通信异常时，不会对其他设备的通信造成影响。

5.2安全性

（1）各车的制动系统通过WTB/MVB连接，如图2所示。制动系统单独成网保证了在网络系统传输异常时，制动系统的所有信息仍能够传输至中央单元。同时也减小了网络控制系统的带宽占用率。

（2）门系统采用硬线控制及网络监视，ATP与网络系统也通过硬线连接，减少网络信息传输可能受到的干扰。

（3）重要的输入输出信号采用多路冗余的DI/DO进行监测和控制，逻辑处理时根据安全需求或冗余需求进行。

5.3可维护性

（1）诊断信息完善，减少故障的判断处理时间。故障诊断功能对故障的优先级进行划分，并针对司机和维护人员分别给出处理提示内容。

（2）显示信息全面，所有I/O信息和RS-485接口信息都能在两端头车的司机室显示屏上显示，减少诊断时间。

（3）具有车上检查功能，能够对牵引、辅助、制动、空调等系统进行全面的功能检查。

（4）具有变量的追踪记录功能。当牵引变流器或辅助变流器出现异常时，通过TCU或ACU追踪异常发生时的RS-485接口的输入信息，采样周期是10ms；对于电流、电压的瞬时值的记录，采样周期可以达到200μs；对于门极信号的发出和反馈的记录，采样周期可以达到1μs。这些异常信息的追踪记录可以直接进行下载，或经由GSM/WLAN直接发送到地面维护站，便于分析故障，查找原因。

6结束语

CRH380CL型动车组自2011年投入京沪高铁的载客运营以来，网络系统工作稳定，其良好的网络架构和完善的控制功能保障了该型动车组的可靠运行，带来了良好的经济效益和社会效益。

参考文献：

[1]常振臣．列车通信网络研究现状及展望[J]．电力机车与城轨车辆，2005（3）：5-7．

[2]常振臣，李强．CH380CL高速列车网络控制系统[J]．电力机车与城轨车辆，2017（3）：1-5．

[3]倪文波，王雪梅．高速列车网络与控制技术[M].成都：西南交通大学出版社，2010.

[4]陶艳，龚娟．列车网络控制技术原理与应用[M].北京：中国电力出版社，2010.

作者：李强；刘国梁 单位：中车长春轨道客车股份有限公司