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摘 要：介绍了一种动车组列车网络控制系统的构成，阐述了该网络控制系统主要功能和技术特点。现场应用表明，该网络控制系统性能优良，稳定可靠，维护方便，符合设计要求。
关键词：动车组；网络控制系统；列车
一、引言
列车通信网络（TCN）作为面向机车控制系统而设计的总线标准，符合IEC61375-1标准。标准规定列车通信网络（TCN）分为两级：用于列车级的通信及控制的绞线式列车总线（WTB）和用于车辆级通信及控制的多功能车辆总线（MVB）。近些年来，列车通信网络（TCN）技术已被广泛应用于国产新型大功率交流传动电力机车、内燃机车、动车组以及城轨等领域，具有较高的可靠性和稳定性。
以太网作为当今现有局域网采用的最通用的通信协议标准，符合IEC61375标准，同时也是列车通信网络发展的方向，具有高速率、大容量以及智能化等特点，目前已在部分城轨及动车项目上得到了应用。基于TCN网络的成熟性，并结合未来列车通信网络的发展方向，笔者提出一种基于TCN与实时以太网相结合的列车网络控制系统。
二、网络系统构成
（一）网络控制系统概述
网络作为整车控制系统，通过信号采集模块，采集司机的操作指令、列车各个工况下的状态等信号，经过运算及逻辑处理，给出操作列车各部件的控制指令；通过MVB总线和以太网总线实现与牵引控制系统（TCU）、制动控制系统（BCU）、辅助控制系统（ACU）等第三方设备的数据交互；通过以太网实现维护、诊断功能。
（二）网络控制系统拓扑
动车组为8 辆编组，采用4 动4 拖编组方式，每4节车为1个牵引单元。具体编组要求为Tc+M+Tp+M+M+Tp+M+Tc，其中Tc 为带司机室的拖车、M 为动车、Tp 为带受电弓的拖车。
网络控制系统采用二级拓扑结构，分为列车级和车辆级。两个牵引单元间通信为列车级通信，采用WTB总线，主要承担重联时网络互联互通功能，同时还采用以太网环网贯穿全车，并且预留重联接口。牵引单元内部通信为车辆级通信，采用MVB-EMD总线，网络内部各设备以及第三方设备均连接至MVB-EMD总线上，单元内部的智能设备均采用以太网连接到交换机上。
网络控制系统拓扑结构如图1所示：
（三）网络控制系统配置
1 中央控制单元（CCU）
中央控制单元由网关模块（EGWM）、车辆控制模块（EVCM）和事件记录模块（EDRM）等组成，主要实现对列车网络的管理功能，包括控制、监视、诊断和维护等功能。
EGWM作为TCN网关，同时又是CCU的核心部件，主要实现列车WTB总线管理、MVB总线管理、列车重联、TCN初运行、列车控制、状态监视以及故障诊断等功能。在CCU中有两个EGWM，互为热备冗余，默认一个网关工作，另一个网关进入休眠模式。
EVCM主要实现将列车状态和故障数据的整理，并通过MVB总线和以太网总线转发给HMI、EDRM和WTD功能。
EDRM主要实现列车状态数据和故障信息的实时存储功能，根据实际需要，其中状态数据可根据实际需要分为两种记录方式，一种为快速数据，采样周期较快，牵引、制动等与列车控制和安全强相关的数据可以采用快速数据方式进行记录；一种为慢速数据，采样周期较慢，空调、旅服等与列车控制和安全非强相关的数据可以采用慢速数据方式进行记录。
2 输入输出模块（IOM）
输入输出模块包括DXMe、DIMe、DIMe-L和AXMe模块。IOM主要实现输入信号的采集及控制信号的输出等功能。其可通过硬线采集不具有车辆总线接口的设备或控制器的信号，并将其转换为MVB信号发送给CCU，并将CCU的控制指令通过硬线进行输出。例如高压系统部件控制继电器、牵引系统冷却设备供电开关及控制继电器、安全环路状态继电器等设备状态信号均通过硬线进行采集。
3 人机接口单元（HMI）
人机接口单元是网络控制系统的一个重要组成部分，它是控制系统对外信息交流的窗口。主要实现对列车运行数据、各设备状态的显示、故障信息的提示与存储、设备切除与复位以及部分设备控制参数的设置等功能。
4 中继器（REPs）
中继器主要实现MVB总线信号的中继、增强和转发功能。通过中继器可将车辆总线分为若干网段，当某个网段故障时不应影响其它部分车辆总线的工作。
5 以太网交换机（ESU）
以太網交换机主要实现各设备通过以太网接口与列车以太网总线的连接，进行以太网数据的交互和转发，实现各设备的数据在线监控、程序远程装载以及数据远程下载等功能，便于列车的检修和维护工作。
6 无线传输装置（WTD）
无线传输装置可以通过MVB总线和以太网总线接收指定端口的数据，并对接收的数据进行整理、解析、存储。将列车信息分类为实时运行数据、实时故障数据、非实时运用数据等，并且能够提供本地数据存储和下载功能，也能通过无线传输技术将本地数据发往地面数据管理系统，地面数据管理系统能够对接收的车载数据以及远程无线监视的数据进行管理、统计和分析，形成列车关键设备的体检数据库，为地面检修、维护提供支持。
三、网络控制系统主要功能及技术特点
（一）网络控制系统主要功能
网络控制系统可以实现通信管理、冗余管理、车辆逻辑控制、状态监视显示、故障诊断以及远程维护等功能，从而保证列车安全可靠的运行。并为司机或机械师提供故障处理指南，为检修维护提供数据支持。
1 通信管理
通信管理功能主要有三个部分：
1）系统对MVB总线、WTB总线和以太网总线进行控制和管理，按照通讯协议完成车辆数据、列车数据的组织和转发，实现列车控制、故障和状态信息显示以及故障和事件记录等功能； 2）系统自动监测列车的重联状态，当列车处于重联工况时，系统根据重联列车的数量自动构建WTB网络，并自动进行列车的重联控制和诊断功能；
3）通过以太网总线实现列车故障和状态数据的传输、远程维护等功能。
2 冗余管理
网络控制系统冗余设计包含TCN网关冗余、输入信号采集冗余、以太网冗余、显示器冗余和数据记录冗余等5个方面。
1）TCN网关冗余
网络控制系统的TCN网关采用EGWM模块实现，采用热备冗余、故障切换的方式。
TCN网关上电时，默认一个网关工作，另一个网关进入休眠模式。当正常工作的网关故障时，切換到热备网关，此时将导致所有网关重新进行TCN初运行。TCN初运行的过程中，整列车WTB通信中断，网络控制系统进行断主断、牵引封锁保护。TCN初运行完成后，重新建立WTB通信，此时网络控制系统解除牵引封锁，司机重新投入主断后正常行车。
2）输入信号采集冗余
网络控制系统数据采集冗余主要指采集司控器级位及指令信号冗余，以及采集其他关键设备的状态信号冗余。使用两个数字量采集模块冗余采集信号，默认信任一个数字量采集模块的信号。当信任的数字量采集模块故障时，切换至另一个数字量采集模块。
3）以太网冗余
网络控制系统以太网冗余包括如下方面：
以太网环网作为列车总线WTB的备用冗余总线，当WTB总线通信中断时，不影响列车级数据传送；
以太网作为EVCM与HMI之间MVB总线的备用冗余总线，当EVCM与HMI之间的MVB通信中断时， HMI的各项功能不受影响；
以太网作为EVCM与EGWM之间MVB总线的备用冗余总线，当EVCM与EGWM之间的MVB通信中断时， EGWM能够正常收发数据，功能正常。
4）显示器冗余
网络控制系统在司机室设置两个显示器，功能一致，互为冗余。上电后，两个显示器同时工作，当一个故障时，另一个不受影响。
5）数据记录冗余
网络控制系统在每个单元设置一个数据记录装置，同时记录整车故障以及事件数据，互为冗余。
3 逻辑控制
网络控制系统实现的控制逻辑主要有：司机室占用、主手柄管理、方向管理、换端控制、复位控制、高压设备控制、牵引/制动特性控制、辅助系统控制、恒速控制、联挂解联控制、空电联合制动控制、限速管理、设备切除控制、紧急牵引模式、过分相控制、服务设备控制等。
4 状态监视显示
网络控制系统对动车组各个重要部件的性能进行实时监测和报警，确保动车组运行安全。系统的监测信息一般包括网络设备状态、高压设备状态、车辆安全环路状态、牵引系统状态、制动系统状态以及其它设备状态等。通过系统监测能够及时发现事故隐患，以便及时进行维修。监控和诊断数据实时的通过HMI显示，为驾驶员安全驾驶提供支持。
5 故障诊断
网络控制系统实时完成车载各部件故障数据的采集、分析、转储和显示。故障信息在司机台上通过HMI显示，诊断信息存储到事件记录模块EDRM和WTD中，可以通过PTU上传到地面维修和服务系统中，供长期地储存和深入的地面分析。
6 远程维护
网络控制系统能够远程在线监视列车总线传送的数据，远程单点更新车载所有连接至以太网的智能设备的程序，远程单点下载车载所有连接至以太网的智能设备的数据。个人计算机由网线连接至以太网交换机，通过便携式测试工具（PTU），即可实现对动车组列车的远程维护。
（二）网络控制系统的技术特点
1 硬件模块化
网络控制系统硬件采用株洲中车时代电气股份有限公司开发的分布式列车网络通信与控制系统（DTECS）平台。DTECS平台硬件均采用模块化设计，每个模块都封装在一个封闭的机械结构中，且均具有独立的电源和通信接口，抗干扰能力强， 防护等级高。物理安装时可灵活配置，减少列车布线，维护方便。
2 软件功能化
网络控制系统软件设计采用模块化结构，采用图形化语言编程，大部分控制功能已封装成功能块，整套控制程序只需根据输入输出参数的要求调用相应的功能块进行拼装即可，程序结构简单、可读性强且易于修改。
3 系统冗余化
网络控制系统在网关、关键输入信号采集、以太网、显示器和数据记录等关键设备及功能的设计上均采用了冗余，大大提高了系统的可靠性。
4 维护智能化
网络控制系统采用智能化设计，关键设备均通过以太网交换机接入以太网网络，均可实现数据远程监视，程序远程装载、数据远程下载等，大大提高了检修和维护效率。
四、结语
动车组网络控制系统将TCN网络和以太网融合在一起，TCN网络作为成熟的列车通信网络，主要负责列车控制指令的传输、关键设备状态的监视和故障诊断；以太网作为列车通信网络的发展方向，在网络控制系统中作为冗余备份总线，主要负责状态数据的监视、故障和事件数据的记录及远程维护。
网络控制系统在设计过程中严格遵循IEC 61375标准，始终贯彻模块化、高冗余性的设计理念，具有很高的冗余性和可靠性。目前，装有该网络控制系统的动车组已经完成进入了现车试验阶段，在整个试验过程中，系统在实现了全部功能的基础上，也表现出了稳定可靠的特性。
参考文献
[1] IEC61375-1：1999，铁道电气设备列车总线第一部分：列车通信网络[S].
[2] 粟爱军.中低速磁悬浮列车控制及网络系统[J].机车电传动，2012，2012（4）： 49～56.
[3] 曾嵘，杨卫峰，刘军.列车分布式网络通信与控制系统[J].机车电传动，2009（3）.
关键词：动车组；网络控制系统；列车
一、引言
列车通信网络（TCN）作为面向机车控制系统而设计的总线标准，符合IEC61375-1标准。标准规定列车通信网络（TCN）分为两级：用于列车级的通信及控制的绞线式列车总线（WTB）和用于车辆级通信及控制的多功能车辆总线（MVB）。近些年来，列车通信网络（TCN）技术已被广泛应用于国产新型大功率交流传动电力机车、内燃机车、动车组以及城轨等领域，具有较高的可靠性和稳定性。
以太网作为当今现有局域网采用的最通用的通信协议标准，符合IEC61375标准，同时也是列车通信网络发展的方向，具有高速率、大容量以及智能化等特点，目前已在部分城轨及动车项目上得到了应用。基于TCN网络的成熟性，并结合未来列车通信网络的发展方向，笔者提出一种基于TCN与实时以太网相结合的列车网络控制系统。
二、网络系统构成
（一）网络控制系统概述
网络作为整车控制系统，通过信号采集模块，采集司机的操作指令、列车各个工况下的状态等信号，经过运算及逻辑处理，给出操作列车各部件的控制指令；通过MVB总线和以太网总线实现与牵引控制系统（TCU）、制动控制系统（BCU）、辅助控制系统（ACU）等第三方设备的数据交互；通过以太网实现维护、诊断功能。
（二）网络控制系统拓扑
动车组为8 辆编组，采用4 动4 拖编组方式，每4节车为1个牵引单元。具体编组要求为Tc+M+Tp+M+M+Tp+M+Tc，其中Tc 为带司机室的拖车、M 为动车、Tp 为带受电弓的拖车。
网络控制系统采用二级拓扑结构，分为列车级和车辆级。两个牵引单元间通信为列车级通信，采用WTB总线，主要承担重联时网络互联互通功能，同时还采用以太网环网贯穿全车，并且预留重联接口。牵引单元内部通信为车辆级通信，采用MVB-EMD总线，网络内部各设备以及第三方设备均连接至MVB-EMD总线上，单元内部的智能设备均采用以太网连接到交换机上。
网络控制系统拓扑结构如图1所示：
（三）网络控制系统配置
1 中央控制单元（CCU）
中央控制单元由网关模块（EGWM）、车辆控制模块（EVCM）和事件记录模块（EDRM）等组成，主要实现对列车网络的管理功能，包括控制、监视、诊断和维护等功能。
EGWM作为TCN网关，同时又是CCU的核心部件，主要实现列车WTB总线管理、MVB总线管理、列车重联、TCN初运行、列车控制、状态监视以及故障诊断等功能。在CCU中有两个EGWM，互为热备冗余，默认一个网关工作，另一个网关进入休眠模式。
EVCM主要实现将列车状态和故障数据的整理，并通过MVB总线和以太网总线转发给HMI、EDRM和WTD功能。
EDRM主要实现列车状态数据和故障信息的实时存储功能，根据实际需要，其中状态数据可根据实际需要分为两种记录方式，一种为快速数据，采样周期较快，牵引、制动等与列车控制和安全强相关的数据可以采用快速数据方式进行记录；一种为慢速数据，采样周期较慢，空调、旅服等与列车控制和安全非强相关的数据可以采用慢速数据方式进行记录。
2 输入输出模块（IOM）
输入输出模块包括DXMe、DIMe、DIMe-L和AXMe模块。IOM主要实现输入信号的采集及控制信号的输出等功能。其可通过硬线采集不具有车辆总线接口的设备或控制器的信号，并将其转换为MVB信号发送给CCU，并将CCU的控制指令通过硬线进行输出。例如高压系统部件控制继电器、牵引系统冷却设备供电开关及控制继电器、安全环路状态继电器等设备状态信号均通过硬线进行采集。
3 人机接口单元（HMI）
人机接口单元是网络控制系统的一个重要组成部分，它是控制系统对外信息交流的窗口。主要实现对列车运行数据、各设备状态的显示、故障信息的提示与存储、设备切除与复位以及部分设备控制参数的设置等功能。
4 中继器（REPs）
中继器主要实现MVB总线信号的中继、增强和转发功能。通过中继器可将车辆总线分为若干网段，当某个网段故障时不应影响其它部分车辆总线的工作。
5 以太网交换机（ESU）
以太網交换机主要实现各设备通过以太网接口与列车以太网总线的连接，进行以太网数据的交互和转发，实现各设备的数据在线监控、程序远程装载以及数据远程下载等功能，便于列车的检修和维护工作。
6 无线传输装置（WTD）
无线传输装置可以通过MVB总线和以太网总线接收指定端口的数据，并对接收的数据进行整理、解析、存储。将列车信息分类为实时运行数据、实时故障数据、非实时运用数据等，并且能够提供本地数据存储和下载功能，也能通过无线传输技术将本地数据发往地面数据管理系统，地面数据管理系统能够对接收的车载数据以及远程无线监视的数据进行管理、统计和分析，形成列车关键设备的体检数据库，为地面检修、维护提供支持。
三、网络控制系统主要功能及技术特点
（一）网络控制系统主要功能
网络控制系统可以实现通信管理、冗余管理、车辆逻辑控制、状态监视显示、故障诊断以及远程维护等功能，从而保证列车安全可靠的运行。并为司机或机械师提供故障处理指南，为检修维护提供数据支持。
1 通信管理
通信管理功能主要有三个部分：
1）系统对MVB总线、WTB总线和以太网总线进行控制和管理，按照通讯协议完成车辆数据、列车数据的组织和转发，实现列车控制、故障和状态信息显示以及故障和事件记录等功能； 2）系统自动监测列车的重联状态，当列车处于重联工况时，系统根据重联列车的数量自动构建WTB网络，并自动进行列车的重联控制和诊断功能；
3）通过以太网总线实现列车故障和状态数据的传输、远程维护等功能。
2 冗余管理
网络控制系统冗余设计包含TCN网关冗余、输入信号采集冗余、以太网冗余、显示器冗余和数据记录冗余等5个方面。
1）TCN网关冗余
网络控制系统的TCN网关采用EGWM模块实现，采用热备冗余、故障切换的方式。
TCN网关上电时，默认一个网关工作，另一个网关进入休眠模式。当正常工作的网关故障时，切換到热备网关，此时将导致所有网关重新进行TCN初运行。TCN初运行的过程中，整列车WTB通信中断，网络控制系统进行断主断、牵引封锁保护。TCN初运行完成后，重新建立WTB通信，此时网络控制系统解除牵引封锁，司机重新投入主断后正常行车。
2）输入信号采集冗余
网络控制系统数据采集冗余主要指采集司控器级位及指令信号冗余，以及采集其他关键设备的状态信号冗余。使用两个数字量采集模块冗余采集信号，默认信任一个数字量采集模块的信号。当信任的数字量采集模块故障时，切换至另一个数字量采集模块。
3）以太网冗余
网络控制系统以太网冗余包括如下方面：
以太网环网作为列车总线WTB的备用冗余总线，当WTB总线通信中断时，不影响列车级数据传送；
以太网作为EVCM与HMI之间MVB总线的备用冗余总线，当EVCM与HMI之间的MVB通信中断时， HMI的各项功能不受影响；
以太网作为EVCM与EGWM之间MVB总线的备用冗余总线，当EVCM与EGWM之间的MVB通信中断时， EGWM能够正常收发数据，功能正常。
4）显示器冗余
网络控制系统在司机室设置两个显示器，功能一致，互为冗余。上电后，两个显示器同时工作，当一个故障时，另一个不受影响。
5）数据记录冗余
网络控制系统在每个单元设置一个数据记录装置，同时记录整车故障以及事件数据，互为冗余。
3 逻辑控制
网络控制系统实现的控制逻辑主要有：司机室占用、主手柄管理、方向管理、换端控制、复位控制、高压设备控制、牵引/制动特性控制、辅助系统控制、恒速控制、联挂解联控制、空电联合制动控制、限速管理、设备切除控制、紧急牵引模式、过分相控制、服务设备控制等。
4 状态监视显示
网络控制系统对动车组各个重要部件的性能进行实时监测和报警，确保动车组运行安全。系统的监测信息一般包括网络设备状态、高压设备状态、车辆安全环路状态、牵引系统状态、制动系统状态以及其它设备状态等。通过系统监测能够及时发现事故隐患，以便及时进行维修。监控和诊断数据实时的通过HMI显示，为驾驶员安全驾驶提供支持。
5 故障诊断
网络控制系统实时完成车载各部件故障数据的采集、分析、转储和显示。故障信息在司机台上通过HMI显示，诊断信息存储到事件记录模块EDRM和WTD中，可以通过PTU上传到地面维修和服务系统中，供长期地储存和深入的地面分析。
6 远程维护
网络控制系统能够远程在线监视列车总线传送的数据，远程单点更新车载所有连接至以太网的智能设备的程序，远程单点下载车载所有连接至以太网的智能设备的数据。个人计算机由网线连接至以太网交换机，通过便携式测试工具（PTU），即可实现对动车组列车的远程维护。
（二）网络控制系统的技术特点
1 硬件模块化
网络控制系统硬件采用株洲中车时代电气股份有限公司开发的分布式列车网络通信与控制系统（DTECS）平台。DTECS平台硬件均采用模块化设计，每个模块都封装在一个封闭的机械结构中，且均具有独立的电源和通信接口，抗干扰能力强， 防护等级高。物理安装时可灵活配置，减少列车布线，维护方便。
2 软件功能化
网络控制系统软件设计采用模块化结构，采用图形化语言编程，大部分控制功能已封装成功能块，整套控制程序只需根据输入输出参数的要求调用相应的功能块进行拼装即可，程序结构简单、可读性强且易于修改。
3 系统冗余化
网络控制系统在网关、关键输入信号采集、以太网、显示器和数据记录等关键设备及功能的设计上均采用了冗余，大大提高了系统的可靠性。
4 维护智能化
网络控制系统采用智能化设计，关键设备均通过以太网交换机接入以太网网络，均可实现数据远程监视，程序远程装载、数据远程下载等，大大提高了检修和维护效率。
四、结语
动车组网络控制系统将TCN网络和以太网融合在一起，TCN网络作为成熟的列车通信网络，主要负责列车控制指令的传输、关键设备状态的监视和故障诊断；以太网作为列车通信网络的发展方向，在网络控制系统中作为冗余备份总线，主要负责状态数据的监视、故障和事件数据的记录及远程维护。
网络控制系统在设计过程中严格遵循IEC 61375标准，始终贯彻模块化、高冗余性的设计理念，具有很高的冗余性和可靠性。目前，装有该网络控制系统的动车组已经完成进入了现车试验阶段，在整个试验过程中，系统在实现了全部功能的基础上，也表现出了稳定可靠的特性。
参考文献
[1] IEC61375-1：1999，铁道电气设备列车总线第一部分：列车通信网络[S].
[2] 粟爱军.中低速磁悬浮列车控制及网络系统[J].机车电传动，2012，2012（4）： 49～56.
[3] 曾嵘，杨卫峰，刘军.列车分布式网络通信与控制系统[J].机车电传动，2009（3）.