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摘 要 作为动车组控制和管理的关键技术,网络控制对动车组的安全运行至关重要,本文在阐述CRH5型动车组网络拓扑结构基础上,主要分析和说明了TCMS系统的信息传输方式和冗余功能的设计.
【关 键 词 】TCN；动车组 网络控制 冗余功能
CRH5型动车组网络控制与监控系统（TCMS）基于IEC61375―1的列车通信网络（TCN）平台,通过列车总线（WTB）和多功能车辆总线（MVB）实现对动车组的运行控制、信息监测、故障诊断以及多车重联的控制和管理功能.
1.网络拓扑结构
CRH5型动车组TCMS分为两个单元,每个单元由微处理单元（MPU）、网关（GW）、远程I/O模块（RIOM）、中继器（REP）、人机接口设备（DMI）、主监视器（TS）、诊断监视器（TD）以及本地监视器（LT）等组成.两个动力单元通过网关进行的信息传输,为了提高设备数量或线路长度,采用中继器来增加车辆总线的长短.
TCMS应用了两种微处理器单元,MPU-LT和MPU-LC,MPU-LT用于牵引和信号子系统的控制、诊断和监视,而MPU-LC应用于空调、塞拉门等其他辅助系统的控制、诊断和监视.MVB总线分为三类,MVB-A为信号总线,用于微处理单元以及司机室、监视屏网关间的通讯；MVB-B为牵引性总线,主要链接诸如牵引控制单元、主制动控制单元、辅助控制单元等设备；MVB-C为舒适性总线,用于如空调、外门系统等辅助设备的通讯；此外,在车辆级总线中还应用CAN总线执行与充电机、卫生间和热轴检测等子系统的通信.
2.信息传输
TCMS系统分为列车总线WTB和多功能车辆总线MVB两级总线.在给定时间内WTB由单一主设备控制且周期性广播用于诸如牵引、控制列车的过程数据.它也按需求传送可能较长但不太紧急的用于旅客信息、列车诊断和维护的消息数据.主设备权可以因为组成变化或节点失败而被转移,例如当动车组重联时,WTB自动重新配置,给节点分配地址和方位,给所有节点发布新构形.
每个节点的轮询周期与车辆的类型有关,如牵引车辆的轮询周期短于拖车在两个周期相之间轮询消息数据和监督数据.
MVB用于连接同一车厢或不同车厢的设备到列车通信网络的车厢总线.MVB总线传送过程数据、消息数据和监督数据,过程数据是周期性传送的重要数据,如列车速度、网压、电机电流、列车当前运行状态、司机手柄位置等；消息数据在时间上较不紧迫,也是不经常出现的但可能是较长的数据,如旅务信息、开关车门等；监督数据主要应用于网络自身管理、维护和初始化,以确保列车通信网的安全正常运行等.
同一单元内,MPU-LT通过RIOM模块读取主要设备的指令,并通过MVB-B总线将指令传送至牵引控制单元、主制动控制单元及辅助控制单元等设备,再由各系统控制单元进行指令动作；MPU-LC主要负责收集舒适性指令,并将指令发送至如外门系统、空调等设备的控制单元进行执行；两单元之间由主控司机室的MPU将读取的指令经由GW和WTB发送至另一单元的MPU,再由另一单元MPU进行信息再传输.
各设备子控制器通过传感器等器件读取设备的功能状态,并将收到的信息发送至相应的MPU,再由MPU依据情况发送至监视屏并作出相应的维护提示.考虑到动车组的运行安全,制动系统和牵引系统均有独立的安全环路,同时牵引控制单元与制动控制单元均能读取安全环路的状态,并依据实时数据进行牵引或制动管理.
基于WTB和MVB的传送速率,在最差情况下,TCMS中动力单元内同一条总线上RIOM到另外RIOM的反应时间小于等于350 msec, 牵引或舒适性总线上的RIOM到RIOM的反应时间小于等于450 msec；跨网关GW的RIOM反应时间小于等于700msec.
3.冗余功能
为了提高列车通信网络数据传输的可靠性和实时性, TCMS中如MPU、GW、REP以及重要设备的RIOM采取冗余设计,使系统具有冗余性,排除了单一故障影响系统功能的可能性.
CRH5型动车组每条车辆总线都采用分布式拓扑结构,WTB和MVB采用双通道设计,当某个设备发生功能性故障时不会影响该总线上其他设备的正常通信和工作.
例如动车组TCMS在正常运行时,网关GW1工作,而 WTB线上的网关2 则不工作,但它在 MVB线上工作. 在正常运行中,两者都采集信号、处理应用逻辑并发送其相应的指令,MPU 1是 MVB 1和MVB 2 线上的主控制器,它直接控制I/O “1”输出,而MPU 2则直接对I/O 2输出发送指令,每个MPU均接收在MVB 1 和MVB 2 线上由I/O 采集的所有信号.
如果MPU“1”被检测为故障或关闭的情况下,该系统将自行配置,MPU 2在两条线路MVB 1和MVB 2上替换作为控制器的MPU 1.MPU 2控制器将仅对冗余I/O 2以及非冗余I/O 1和I/O 2 发送指令,各输入转由I/O 1 和I/O 2 接收.
4.结论
综上所述,通过CRH5型动车组TCMS系统拓扑结构简单清晰,总线布局和使用比较合理,有利于动车组的运营控制、信息传输和设备维护；从实际运用情况来看,系统冗余设计具有较高的可靠性,能够确保动车组的运行安全.