高速动车组网路控制系统对比分析

高速动车组网路控制系统对比分析

车辆工程2012-1卓越班张明康

[摘要]列车网络控制系统是高速动车组主要控制系统之一，是列车正常运行不可缺少的部分。对CRH 型高速动车组采用的TCN、ARCNET 和CAN3 类总线的工作特性进行分析对比，进而对CRH 型动车组网络控制系统结构、网络控制系统设备等方面进行分析比较。

[关键字]高速动车组；网络控制系统；网络总线

随着中国高速动车组的发展及对其研究的深入,列车网络控制作为其关键技术之一,得到越来越多的研究者的关注。由于动车组采用动力分散方式，如何通过列车通信网路实现整列车的实时控制和信息传递显得尤为重要。动车组的列车通信网络是指采用分布式机通信网络控制技术，集中监控牵引、制动和辅助系统等车载设备，借助列车通信网络，自动监测车载设备状态和数据，与地面进行实时通信，实现列车安全运用和高效检修。

我国生产的CRH型高速动车组，由于生产厂家和设计系统本身存在差异，使得每种动车组的网络控制系统和和通信网络总线、动车组网络控制系统网络结构、系统设备、系统主要控制对象也不尽相同。我国CRH 型动车组通信网络总线有以下几种：基于TCN标准的CRH1、CRH3 和CRH5，基于ARCNET 的列车总线和基于HDLC的CRH2型动车组，以及一些在列车上常用的工业总线，如CAN总线、HDLC车辆总线。

1 三类网络总线

我国CRH 型动车组采用的网络总线主要有TCN、ARCNET和CAN3 类，其中TCN的WTB 和MVB分别作为列车总线和车辆总线进行信息传输，不同总线的应用和工作特性如下：

1.1TCN总线

CRH1、CRH3 和CRH5 动车组均基于TCN 标准构建其网络控制系统，列车总线和车辆总线通过节点来连接，一般每节车辆有一个节点。WTB 和MVB 均采用集中控制、周期性预分配的主从方式对总线介质进行访问控制。WTB 负责列车车辆间的数据通信，是一种用于连接各节点可动态编组的车辆间的绞线式列车总线, 能自动识别车辆在列车编组中的位置和方向。MVB 负责车辆内部的数据通信，是一种用于连接车辆（或固定编组的车辆单元）内部设备的多功能车辆总线。

1.2ARCNET总线

CRH2 动车组基于ARCNET 的网络控制系统，是一种基于令牌传递协议的现场总线，网上的各个节点轮流支配这个网络，所有总线上的站是平等的，网络中每个节点保存有下一个节点的逻辑地址，可以生成一个网络活动节点地址表，使用光纤作为传输总线，传输速率为2.5Mbps，拓扑结构采用双环形网络。ARCNET 的网络可以采用 3 种物理介质：同轴电缆、双绞线、光纤；其接线方案也非常灵活，支持总线型、星型以及分布式星型等拓扑。ARCNET 协议支持网络自动重构，可以自动适应网络的变化，当网络中加入或删除一个字节，ARCNET 将自动重新分配网络。

1.3CAN 总线

CRH5 还采用CAN 总线用于连接对网络性能要求低、重要性也比较低的设备。CAN 是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信总线，具有突出的可靠性、实时性和灵活性。其传输介质可采用双绞线、同轴电缆和光纤等，支持总线型拓扑结构。CAN 采用带优先级机

制的载波监听／冲突避免（CSMA／CA）方式对通信介质进行访问控制。CAN 只需通过报文滤波即可实现点对点、一点对多点及全局广播等几种方式接收数据，无需专门的“调度”。

2动车组网络控制系统网络结构

CRH 型动车组都采用8 辆编组，但是在网络结构上却较大的区别：CRH1 动车组5 动3 拖，由两个2 动1 拖单元和一个1 动1 拖单元组成；CRH2 和CRH3 动车组都是4 动4 拖，由两个2 动2 拖单元组成，但是动车拖车连接的顺序却是不同的；CRH5 动车组5 动3 拖，由一个3 动1 拖单元和2 动2 拖单元组成。

2.1 CRH1动车组网络结构

CRH1 动车组网络控制系统主要采用的是MITRAC模块化产品，分布在列车的各个控制现场，拥有整个列车组的控制、各单车的控制、列车诊断、状态监测、事件记录、人机界面等功能。网络控制系统划分成3个MVB 通信总线段，每个MVB 总线段分别通过网关（GW）连接到WTB 总线进行各MVB 总线段间的通信。当某个Mc 车的司机室启动后，其上的网关为主控制器，其它网关为从控制器，主从关系的配置由网络自动完成。在区段内部，TC CCU 用来控制和监视的所有模块，AXSCCU 用于远程无线通信接口及售后服务以太网。各MVB 区段并不是完全独立的，通过列车内部贯穿整车的冗余MVB 总线在列车两端的Mc 车之间互为冗余，排除了单一故障影响系统功能的可能性，如图1 虚线部分所示。另外，该网络控制系统中还设有独立的用于牵引控制的MVB 总线，主要实现网侧变流器（LCM）、电机侧变流器（MCM）和辅助变流器（ACM）单元的信息传输功能。

2.2CRH2动车组网络结构

CRH2 动车组列车信息控制网络采用列车级和车辆级两级网络结构。列车级网络为连接编组各车辆的通信网络，以列车运行控制为目的，连接各中央装置和终端装置，采用双重环网结构。车辆级网络为连接车厢内设备的通信网络。主要由 2 台列车信息中央装置（头车各一台）、8 台列车信息终端装置（每车各一台）、列车监控显示器、显示控制装置、IC 卡读写装置及服务乘客的信息显示器等组成[2]。中央装置具有列车信息管理和向列车信息终端装置传输数据的功能；终端装置实现各车厢中车载设备的信息传输。CRH2 的网络控制系统采用列车和车辆两级网络结构。列车级网络连接各中央装置和终端装置，主要有两种类型：一是以光纤为传输介质的列车信息传输总线，采用ARCNET 双重环网结构。光节点之间传输控制采用令牌传递方式，中央装置可以同时向2个方向发送信息，如果在环路的一个方向没有检测到应答时，就向环路的另一个方向发送信息，能够避开故障部位。二是以双绞线为传输介质的自我诊断传输网，主要采用HDLC 作为通信协议。当环形网络发生故障时可以传输控制指令，对各设备进行控制，自我诊断信息通过段站总线结构进单向传输，采用固定长度的循环传输方式。车辆级网络则用于车厢内各设备间的信息传输，主要传输介质为光纤线和电流环传输线。

2.3CRH3动车组网络结构

CRH3动车组为固定配置的8车动车组，两列8车动车组组联挂成一列长编动车组。8车动车组分为2个由4辆车组成的牵引单元，每个牵引单元内用MVB贯穿单元内4辆车，两个牵引单元之间通过TCN网关的WTB连接，完成列车级信息的传递，即CRH3动车组车辆级总线采用MVB，列车级总线采用WTB。此外，CRH3 的MVB 总线采用了主链结构，MVB 的各分支段通过中继器（repeater）连接到主链上。当某个设备出现功能性故障时不会影响该总线上其他设备的通信，但如果传输介质出现故障则会对其他设备产生影响，比如 2 车的车辆总线有断点，那么该故障会造成 2 车所有的车载设备不能正常通信，但对其他车中的车载设备无影响。

2.4CRH5动车组网络结构