城轨列车（精选4篇）
城轨列车 篇1
随着我国科技的进步和经济水平的发展, 城市的规模和范围也随之扩大, 城市中的人口数量也不断加大, 交通出行的距离增长和人数的增多, 导致交通拥挤的现象更加严重。与此同时, 城市轨道交通运量大、运行速度快, 正好满足了现代化城市的发展需求, 是一种集约化交通出行方式, 具有占用空间少、节约土地资源、运量大、安全舒适等特点, 是以后城市交通出行的必然选择。城轨列车运行的安全性是最受人们关注的, 城轨列车是一种非常复杂的系统, 若其中一个环节出现问题则必然会导致严重的后果。转向架是城轨列车中最关键的部分, 所承载的重力巨大, 且受到接触应力的重复作用, 容易导致断裂等问题的发生, 我国对于城轨转向架的研究和试验也起步较晚。所以, 转向架的设计研究是满足城轨列车性能优越、技术水平高、价格适中的关键问题。
1 城轨列车转向架的基本要求
1.1 安全性方面
城轨列车转向架首先要考虑的条件就是安全性能问题, 城轨列车的运营在安全问题上必须要达到一定的高度。在设计转向架时必须要确保不超出列车运行限界、较小的轮轨冲击作用, 充分考虑到列车运行的安全性。根据国家对城轨车辆的相关安全性标准, 城轨列车的转向架必须要满足规定的脱轨系数、轮轴横向力、轮重减载率等要求, 此外, 在设计转向架的同时要考虑到转向架自身的要素, 转向架的各个部位必须要符合设计条件, 并且要达到设计所规定的寿命时长。[1]设计转向架必须能保持蛇形运行的稳定性, 同时要充分考虑到轮轨之间的相互作用, 使得轮轨的磨耗为最小。
1.2 平稳性方面
一般情况下, 测量车体的某些部位的震动加速度, 计算平均值就可得出平稳性的指标, 一般测量的部位是在城轨列车的地板上或者底架上面, 除此之外还要确定测量的方式以及测量需要的装备。就目前来说国家对测量的标准还没有统一的规定, 但是根据地下轨道车辆的技术条件规定, 平稳指标不能超过2.5。由于城轨列车与其他交通车辆相比具有一定的特殊性, 比如说, 车辆在运营中载荷量在不断变化, 并且大多数的乘客是站立的, 所以用以上的规定来测量必定会有较大误差, 就存在不标准性, 而铁路车辆震动舒适性相关标准可提供一些参考, 这些标准对震动的测量部位、测量方法也有一定的介绍, 对测量的方法和评价需要的数据都有相关的规定, 评价的方法有两种, 一种是简化法, 另外一种是完整法, 这两种方法都可以计算平稳性和舒适度。
1.3 互换性方面
在城市轨道列车中的转向架可以分为动力转向架和非动力转向架, 在满足设计的标准之外, 还应该满足互换性的要求, 比如说在同一类型的城轨车辆中, 所有的动力转向架可以互换, 同时所有的非动力转向架也可以互换, 无论是动力还是非动力都要尽可能的在结构上设计相同。在同一类型的城轨车辆中, 功能相同的构架都可以互换, 并且所有的动力转向架的电机和齿轮箱也可以实现互换。
1.4 噪声方面
城轨列车不同于传统的交通工具, 现已经包含了地面、地下以及高架上三种线路, 所以城轨列车的噪声不消除, 不仅仅影响的是乘客, 同时也会对周围的环境造成一定的影响。所以在城轨列车的噪音方面也做出了一定的规定。
2 城轨列车转向架的功能
转向架是城轨列车的主要系统, 它可以起到支撑车体的作用并且传递载荷, 能够承受车体的自重且能够使轴重均匀的分配, 转向架同时也可以保障车辆运行的安全性, 能够灵活的沿着线路运行, 减少了运行的阻力和一定的噪音, 提高车辆运行的速度。[2]转向架传递牵引力, 并且具有缓冲的作用, 可以缓和震动与冲击, 提高乘客乘坐的舒适性, 在车上安装特定的减振装置, 可以使得城轨列车具有很好的减振效果。
3 城轨列车转向架的未来发展
转向架是城轨列车系统中的关键配件, 转向架的发展对未来城市交通运输起到很大的作用。转向架有效的解决了车辆行驶的稳定性和曲线性的矛盾, 转向架轻量化设计是未来发展的一大趋势, 随着自重的减轻可以节省牵引力、减小轮轨冲击、减少车轮的磨损, 有利于车辆的维修和保养。转向架虽然是城轨列车上很小的装置, 但却起到至关重要的作用。现在我国在城轨列车转向架的研究方面以及技术水平已经达到了一定的高度, 但在转向架自动驾驶、自动故障诊断、自动故障预警等方面仍处于起步阶段, 将是未来城轨列车转向架研究的重点方向。
4 结束语
近年来, 随着经济水平的与日俱增, 城市化的发展也随之加快, 加剧了城市交通拥挤的局面, 城市轨道交通的出现能够有效缓解城市交通拥堵的状况, 城轨列车的运营解决了很大一部分人的出行压力, 成为人们出行最受欢迎的选择。现在人们更加关注安全问题, 城轨列车载客量大、承载重力大, 必须把运行安全性放在首要位置, 转向架是城轨列车中最重要的部件, 它具有保障列车运行安全性、舒适性、稳定性的作用, 同时能够降低列车运行时的噪音, 减少对周围环境的噪音污染。现在我国在城轨列车转向架的研究方面以及技术水平已经达到了一定的高度, 但在转向架自动驾驶、自动故障诊断、自动故障预警等方面仍处于起步阶段, 将是未来城轨列车转向架研究的重点方向。无论过去还是现在, 转向架的设计一直是不拘一格的, 在形式和结构上都有很多的类型, 但最终都是为了人类文明事业的进步而发展。
摘要：随着我国经济水平的快速发展和社会的不断进步, 城市化的水平也在不断加速, 更多的人涌向城市, 造成了城市拥挤的问题越来越严重, 与常规的交通工具相比, 城市轨道交通具有的节能、便捷以及运载量大的特点受到了更多人的欢迎, 这些优势也是其他交通工具无法比拟的。现阶段, 我国的城市轨道交通的发展已经进入了发展的高峰期, 随着城轨的高速发展, 城轨运营的安全性也受到了广泛的关注, 城轨列车的系统非常复杂, 转向架是城轨列车的重要部件之一, 它对列车运营的安全性、舒适性以及运营速度起着重要的作用。本文主要探讨转向架对城轨列车的作用, 以及如何保证城轨列车的安全运营。
关键词：城轨,列车,转向架,研究
参考文献
[1]李智泽.门架式转向架铰接式列车结构及动力学性能研究[D].西南交通大学, 2014.
[2]陈琦.采用非对称转向架的城轨车辆动力学研究[D].西南交通大学, 2008.
城轨列车 篇2
1 集中供电
1.1 单元式集中供电
在2个单元构成的列车上, 每个单元设1台辅助逆变器, 通过本单元的AC 380 V列车线给本单元的辅助设备供电。当1台辅助逆变器发生故障, 通过扩展供电装置由正常的逆变器给全列车一半负载供电。
1.2 交叉式集中供电
每列列车设2台辅助逆变器, 贯通全列车的两路AC 380 V列车线, 分别给全列车的一半辅助设备供电。当一台辅助逆变器故障, 负载自动减半。
1.3 单元式与交叉式集中供电比较
1) 单元式优点。列车线的电缆及接插件用量少, 降低列车重量及成本。
当一台逆变器故障时, 全部设备通风机甚至空气压缩机可正常工作;故障状态照明正常, 旅客舒适度好。单元式缺点是控制复杂。列车TCMS随时监视扩展供电装置, 故障时及恢复后按一定程序准确切换扩展供电接触器。
2) 交叉式优点。控制简单, 一台逆变器故障时负载自动减半, 不需切换。交叉式缺点:要设两路AC380列车线及接插件, 设备投资大, 增加列车重量, 据计算4M2T列车一路列车线电缆总重约550 kg;设备通风机需要切换。如逆变器容量有冗余, 空气压缩亦需切换;故障时客室照明减半, 旅客舒适度差。
2 分散供电
2.1 全分散式供电
每辆车设1台相同容量的辅助逆变器, 它们的输出相互并联, 因此严格要求每台逆变器输出同电压、同频率、同相位。
2.2 混合分散式供电
在可划分为2个单元构成的列车上, 每辆车设置1台相同容量的辅助逆变器。一部分设备在每个单元内部交叉供电 (空调) , 另一部分设备在全列车交叉供电。
2.3 全分散式与混合分散式供电比较
混合分散式与全分散式相比主要缺点有, 电路复杂, 列车线过多, 所用材料多;辅助电源供电能力冗余度差, 一旦1台逆变器故障, 全列车空调负载减少1/4。而全分散式在这种情况下可以不切除任何空调负载;逆变器负载不均衡, 影响乘客舒适度, 故障状态只有一半由交流电源供电的照明。
3 集中式与分散式比较
3.1 集中式优点与缺点
1) 优点。一是设备、使用部件少。例如2台二电平辅助逆变器只需12个IGBT;二是辅助电源柜放在拖车下, 设备布置、轴重分配合理;三是柜体规格统一, 低压电源可放在辅助电源柜内。
2) 缺点。故障时供电能力损失一半, 空调等负载减半。
3.2 分散式优点与缺点
1) 优点。供电能力互补性强、冗余度高。采用全分散模式, 1台逆变器故障可以不切除任何负载, 不需扩展供电设备。
2) 缺点。设备、部件多, 成本高;控制复杂, 逆变器并网控制要求严格;占用车下空间大, 每辆车下1台辅助电源柜, 动车下布置较困难;电力电子器件多。器件多, 发生故障概率高。例如6辆编组列车, 使用二电平逆变器需36个IGBT。
4 结论
集中式供电优于分散式供电, 单元集中式优于交叉集中式供电。不论何种供电型式, 城轨列车辅助逆变交流供电系统的设计须满足以下原则。
1) 2台逆变器总容量须满足整列车交流设备。
2) 单台逆变器总容量必须满足列车空调部分减载而冷却风机及空气压缩机等重要设备不减载情况时的负载要求。
3) 交流负载的减载须满足乘客的舒适度要求。
4) 辅助逆变器必须具有足够的过载能力, 以适应列车泵类负载启动。
参考文献
[1]肖彦君, 吴茂杉.城轨列车辅助供电系统的技术要求和电路选型[J].现代城市轨道交通, 2004 (4) :12-13.
[2]唐春林, 陈春锦.城市轨道交通列车辅助供电系统分析[J].电器开关, 2008 (1) :21-22.
城轨列车 篇3
1 列车报站广播模式概述
根据控制方式、控制级别的不同,目前国内城市轨道交通PIDS报站广播模式通常分为3种:手动报站、半自动报站和全自动报站。
(1)手动报站:由司机手动点击快捷键或触摸屏触发预录的报站信息;
(2)半自动报站:根据车辆给出的广播控制信号触发预录的报站信息;
(3)全自动报站:根据地铁信号系统给出的广播控制信号(通过网络系统转发)触发预录的报站信息。
3种报站模式适用于不同列车驾驶运行工况,全自动报站广播一般仅适用于无线网络信号正常的驾驶模式(如ATO驾驶模式);半自动报站广播不依赖于地铁信号系统传送的数据,适用范围较广,只要车辆广播控制触发信号正常即可,通常在全自动报站模式失效的情况下使用;手动报站模式为一种备用报站广播模式,报站广播设备故障时使用[2,3]。
不同厂商的PIDS设计思路对于手动报站和全自动报站的控制逻辑基本相同,主要区别在于半自动报站的控制逻辑。针对半自动报站广播控制逻辑进行对比分析。
2 半自动报站广播控制逻辑
半自动报站广播控制逻辑包括两方面:一是预到站/到站广播的触发逻辑;二是站点代码增加逻辑(加站控制逻辑)。
2.1 预到站/到站广播触发逻辑
目前国内城市轨道交通列车采用的预到站/到站广播触发逻辑有两种:一种是根据列车速度信号触发;另一种是根据列车距站台的距离信号触发。
2.1.1 根据列车速度信号触发的逻辑
根据列车速度信号触发的逻辑即PIDS接收、判断列车的速度信息,当列车速度上升到某一值时进行预到站广播,当列车速度下降到某一值时进行到站广播。
根据列车速度信号触发的逻辑示意见图1。当列车启动出站,零速信号变为低电平时,列车进行预到站广播;当列车速度下降到30 km/h时,列车进行到站广播。
通常PIDS不直接检测列车的速度信息,而是由车辆其他系统以硬线或网络信号的形式提供。
2.1.2 根据列车距站台的距离信号触发逻辑
根据列车距站台的距离触发的逻辑简称根据距离信号触发。该触发逻辑是当列车驶离本站站台区域一定距离时进行预到站广播,当列车距下一站站台区域一定距离时进行到站广播。
根据距站台距离触发逻辑示意见图2。当列车驶离站台区域50 m时进行预到站广播;当列车距离下一站台150 m时进行到站广播。
该触发控制模式下,PIDS需预先存储全线路所有站点的区间距离信息,然后根据列车的实时速度信息计算出列车与站台的距离信息。
2.2 加站控制逻辑
PIDS报站广播的加站逻辑是指“下一站”站点代码的变更控制逻辑。进行加站逻辑设计时,一方面要确保正确的加站时机,另一方面也要防止不加站、重复加站或错误加站等情况。目前国内城市轨道交通列车通常采用根据车门状态变化进行加站控制的方式,如当车门全关闭时进行加站,或车门全开启时进行加站。
单独根据车门状态进行加站控制会出现因在同一站台进行多次开关门作业而重复加站的问题,为此进行设计时通常会辅以其他控制信号,比较常见的是列车零速信号。
2种常见加站控制逻辑见图3、图4。图3所示为在PIDS接收到“门全关闭”信号后,再检测到零速信号丢失时,进行站点代码增加的控制逻辑。图4引入了一个“加站有效位”来记录零速信号的变化,当零速信号丢失后,“加站有效位”变为高电平,只有在“加站有效位”为高电平的情况下再收到“门全关闭”信号时,才会进行站点代码的增加。
3 不同控制逻辑差异性分析
3.1 预到站/到站广播触发逻辑差异性
速度信号触发控制逻辑的主要优点是控制逻辑简单,计算量小,可靠性高;缺点是列车速度的波动及驾驶模式的不同会对报站广播时机产生较大影响。青岛地铁3号线试运行初期,列车采用手动驾驶模式,进站速度较低,出现列车还未完全进入站台区域到站语音已经播放完毕的问题;后续采用ATO驾驶模式,列车进站速度大幅提升,又出现列车进站开启车门后,到站广播还未播放完毕的问题。
此外,列车在区间运行时速度波动也会导致到站广播的重复播放或报站语音的覆盖。如图5所示,列车理想的速度曲线为f曲线,但由于速度波动导致实际曲线为h曲线,A点时丢失零速信号触发预到站广播,C点时触发到站广播,由于A—C之间的时间差小于预到站广播语音时长,因此会出现到站广播覆盖预到站广播的问题。
距离信号触发控制逻辑的主要优点是两站点之间只会进行一次预到站和到站广播,报站时机准确;缺点是控制逻辑复杂,PIDS主机运算量较大,且由于轮径等累计计算误差的叠加,也会出现报站时机不稳定的问题,尤其是对于长大区间更为明显。
3.2 不同加站逻辑差异性
车门状态信号与列车零速信号等的判断先后顺序会直接影响列车站点信息更新的时机。当先检测零速信号的变化时,加站时机是列车门全关闭,列车启动前就进行站点信息更新。当先检测车门状态信号时,加站时机为列车零速信号丢失,列车启动加速后进行站点信息更新。相比较后一种控制逻辑方式站点信息的更新时机较晚。
此外,终点站的站前折返和站后折返的方式不同,也需对加站控制逻辑进行单独设计。先检测零速信号变化的加站方式,对于存在站前折返的线路,由于终点站换端后不存在速度变化,加站有效位一直为低电平,终点站开关门作业后不会进行加站,因此终点站的加站逻辑需要单独设计,通常以主控钥匙的激活信号代替零速信号的变化。
4 报站控制逻辑设计选型应考虑的问题
为使PIDS报站广播功能简单、可靠、稳定,设计控制逻辑时不仅要根据线路条件选择合适的广播触发控制逻辑、加站控制逻辑,还应根据车辆、信号本身特点进行优化设计选型。
在预到站/到站广播的速度触发控制逻辑中,需提取车辆速度信息。速度信息的给出方式有两种:一种是通过硬线形式给出;另一种是通过车辆控制网络信号形式给出。采用硬线方式的系统简单、可靠,但会增加车辆布线及硬件接口;采用车辆控制网络信号的形式给出,不需要额外接口和布线,但当PIDS与车辆网络通信异常时会影响系统报站功能。因此,从可靠性、稳定性方面考虑,建议速度信息优先采用硬线形式。
此外,加站逻辑的控制条件与预到站/到站广播的触发条件应综合考虑,合理利用数据,力求最少的数据、最简单的逻辑,设计出最稳定的系统。
综上所述,PIDS半自动报站模式的控制逻辑包括两部分内容:报站广播触发控制逻辑和加站控制逻辑。进行报站广播触发控制及加站控制逻辑设计时,需要结合线路、限速、信号、车辆等的特点综合考虑,合理利用数据,使系统尽量趋于简单、可靠和稳定。
参考文献
[1]漆瑾.广州地铁四号线车辆车载乘客信息显示系统改造[J].电力机车与城轨车辆,2009(1):43-45.
[2]陈爽.地铁乘客信息显示系统中的无线通信传输稳定性研究[D].广州:华南理工大学,2011.
城轨列车 篇4
关键词：城市轨道交通,列车网络控制系统,MVB,WTB,以太网
列车通信网络技术已成为现代列车的核心技术之一。城轨车辆采用列车通信网络技术实现车载设备的互联与控制, 以确保运行安全与可靠。基于国际标准的列车控制网络TCN技术是专门为列车车载设备通信量身定制的一种总线技术, 也是目前列车控制网络中最为广泛采用的一种技术形式。
进入21世纪后, 随着现场总线网络、列车骨干网 (Ethernet Train Backbone, ETB) 、列车编组网 (Ethernet Consist Network, ECN) 、无线通信、物联网等诸多技术的应用, 轨道交通装备智能化正在加速发展。
1 城轨车辆列车网络控制系统技术方案
1.1 系统拓扑结构
列车网络控制系统 (简称系统) 采用列车级、车辆级两级总线式拓扑结构 (见图1) 。
根据列车编组方式分配牵引单元, 每个牵引单元划分1个多功能车辆总线 (MVB) 网段, 每个牵引单元通过网关将MVB协议转换为绞线式列车总线 (WTB) 协议, 各牵引单元间通过WTB总线进行通信。每个MVB网段采用主链-分支结构, 每辆车都设有中继器, 将1个牵引单元内的MVB分成了多个分支。主链-分支结构的优点在于任何一个MVB分支故障后不会影响其他分支网络以及主干网络的通信。车辆的端车各设置2个MVB分支, 重要的网络设备冗余安装在2个分支上, 一个MVB分支故障不会影响列车网络控制系统的正常工作。
中央控制单元 (CCU, 包含主从CCU和附属网关) 、人机界面显示器、分布式输入输出站、温度采集装置、远程无线传输装置以及各智能子系统控制器在内的设备通过MVB连接到一个牵引单元内的通信控制网络上。厕所系统、轴承温度传感器、车辆编码器、烟雾探测器通过电缆连接到分布式输入输出工作站, 再由工作站的车辆总线接口与牵引单元内部设备进行通信。
1.2 系统设备组成
列车网络控制系统设备主要包括:中央控制单元、人机接口显示屏 (HMI) 、输入输出工作站、MVB中继器和远程无线传输装置 (见图2) 。
1.2.1 中央控制单元
中央控制单元作为系统主要设备, 实现重要设备的管理、运行信息采集、运行状态的监视和故障诊断, 从而保证列车安全可靠运行。同时可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。中央控制单元采用通用结构设计, 在使用特殊的背板总线结构构成的机箱中, 可经过不同功能板卡的组合完成网络系统的控制任务。每一牵引单元上安装2台CCU, 互为冗余。列车激活后, 其中1台将成为主控CCU, 另1台将成为受控CCU。在1台CCU故障的情况下, 故障CCU的管理功能将由另1台CCU接管, 列车可继续运营。中央控制单元结构见图3。
CCU通过控制和监测整列车的列车功能和电路, 实现对整车的中央控制功能, 通过控制和检测整列车的牵引系统实现对整车的牵引控制功能。
1.2.2 人机接口显示屏
HMI主要通过MVB网络收发过程与消息数据, 实现各子功能系统的状态显示、故障诊断、信息保存, 为司机提供故障的详细信息及故障处理建议, 实现全列车的牵引、制动等各子系统控制指令的下发及整车的操作和控制。HMI外观见图4。
HMI硬件组成主要包括中央处理器 (CPU) 电路 (包括MVB通信部分) 、电源模块、显示器模块、存储器及外围接口电路, 采用快速实时操作系统 (QNX) 嵌入式实时操作系统, 软件部分使用C/C++/Java等语言开发。HMI的诊断系统采用了分级诊断的设计思想 (见图5) 。
1.2.3 输入输出工作站
输入输出工作站将多个开关量信号集中采集和发布, 通过车载网络与中央控制单元交互, 为应用提供开关量状态数据, 执行应用发布的控制命令。
输入输出工作站主要组成部分有:110 V/24 V独立电源模块, DC 110 V输入、输出模块, 主CPU模块和MVB总线模块。可根据需求挂接最多12个输入模块和最多12个DC 110 V输出模块。每个输入模块包含16个DC 110 V输入通道, 每个输出模块包含8个DC 110 V输出通道。工作站采用独特的模块化结构设计, 可根据实际应用需求进行灵活配置。其设计立体效果图见图6、图7。
1.2.4 MVB中继器
M V B中继器提供了在不同的中距离传输电介质 (EMD) 的MVB网段之间的物理连接。在节点数目超过32个或者传输距离超过200 m的MVB网络中必须使用中继器。MVB中继器的外观见图8。MVB中继器功能特点如下:
(1) 实现2个EMD介质的MVB网段间数据转发;
(2) 具有完全独立、冗余的双通道结构, 供电采用双路冗余供电;
(3) 采用现场可编程门阵列 (FPGA) 技术实现信号幅值的调整和相位再同步;
(4) 主动完成帧间距时序的调整;
(5) 抑制和屏蔽故障设备的持续发送;
(6) 转发信号延迟时间约为2.3μs;
(7) 采用金属整体成型机壳, 采用导轨方式安装, 安装和维护方便。
1.2.5 远程无线传输装置
远程无线传输装置对运行列车的安全状态与故障情况进行实时动态跟踪和监控, 用于支持列车故障的诊断、分析、排除及列车检修, 为列车运行保障人员提供远程技术支持和故障应急指导, 其硬件主要由无线局域网 (WLAN) 板卡、CPU板卡、全球移动通信系统 (GSM) 板卡、电源板卡组成。
远程无线传输装置主要记录城轨列车在途传输的数据信息, 包括动态位置跟踪信息、基本状态信息和故障信息。它通过接入MVB网络获取有关牵引、制动、供电、空调、门等子系统状态的实时运行数据, 与司机显示屏通过以太网连接获取以故障代码为索引的实时故障数据的同时, 通过GPS功能模块获取列车位置信息, 根据实际情况选择通过通用分组无线服务 (GPRS) 或车站内WLAN发送实时数据。
2 下一代列车网络控制系统架构
随着城市轨道交通列车信息化程度的提升, 城轨车辆使用的WTB、MVB或控制器局域网络 (CAN) 等技术已无法满足丰富的车辆状态信息传输需求。因此下一代城市轨道列车网络需要使用新技术来满足这些需求, 众多国际研究机构和组织都开展了相关工作。国际电工委员会 (IEC) 成立了关于列车通信网络的标准化组织TC9 (IEC technical committee 9:Electrical equipment and systems for railway) , 促进列车通信网络的相关技术创新与技术合作。自2012年起, 该组织联合西门子、庞巴迪在内的车辆装备产业集团陆续发布IEC 61375系列协议。IEC 61375系列协议的发展代表了产业对于列车网络发展趋势的共同认识, 也指明了未来列车网络技术的发展方向。表1描述了IEC 61375系列协议的详细规定内容。
2.1 系统拓扑结构
现有列车网络使用列车级WTB总线和车辆级MVB总线的网络结构, 该结构可提供可靠、确定性的数据连接, 具有传输可靠的特点。
随着列车智能化水平的提升, 列车网络需要能够承载更多的数据传输。以太网技术具有应用广泛、数据传输率高、容易与信息网络集成、成本和费用低廉、可持续发展潜力大、支持多种物理介质和拓扑结构, 以及软硬件资源丰富等优点。以太网技术与其他网络对比见表2。
列车以太网设备分布于列车的各个组成部分, 列车网络拓扑按网络设备的所处层级来划分, 可分为两级:列车级骨干网和车辆级局域网。列车级骨干网联结着不同编组或不同车辆, 实现跨编组或跨车通信;车辆级局域网负责联结车辆内部终端。
采用以太网架构的下一代列车网络控制系统的拓扑结构见图9。列车级以太网骨干网节点 (ETBN) 连接着不同编组, 采用双线冗余结构和双ETBN冗余备份的方式工作, 加强可靠运行的能力, 并基于IEC 61375-2-5协议中的列车拓扑发现协议 (TTDP) 规范, 实现自动跨编组配置, 以列车网络地址转换 (R-NAT) 保证跨编组同子网IP节点之间, 不会出现全网IP冲突问题;车辆级以太网交换机节点 (ECN) 负责与终端相连, 构成车辆内部的环网, 终端间使用IEC 61375-2-3协议中规定的列车实时数据传输 (TRDP) 协议。
ETBN节点和ECN节点之间交互的信息, 优先级由高到低可分为传输5类数据:监视数据 (Supervisory Data, 用于拓扑发现及控制) , 过程数据 (Process Data, 用于列车控制的周期性数据) 、消息数据 (Message Data, 用于传输事件驱动型报文) , 流数据 (Stream Data, 用于传输音频/视频流) 和尽力可达数据 (Best Effort Data, 用于传输诸如固件上载信息等) 。在网络设备的转发策略上, 严格区分优先级, 保证列车控制数据的传输可靠性。
从网络控制的角度看, 使用基于I E E E802.1Q规范的VLAN (Virtual LAN) 技术划分网络冲突域, 保障数据传输的优先级及可靠性。
列车级ETBN、TTDP自动配置动态IP的分配规则为:00001010.1bb0ssss.sshhhhhh.hhhhhhhh/18
其中字段[b]为骨干网ID, 用于列车控制与监视用途的骨干网时, 数值为0;字段[s]为地址编码, ETBN在初始化过程中通过TTDP协议获知自身在全列车中的编号, 具体内容如下:
(1) 发现并监视邻居ETBN。网络中每个ETBN通过不断发送和转发拓扑信息, 以保证自身拥有的拓扑信息的实时更新。
(2) ETBN拓扑信息的更新和协商需要借助上层列车应用来实现。
(3) ETBN根据列车应用, 建立列车逻辑拓扑, 并更新网络服务重新分配IP地址, 此过程保证了当列车重联时不会出现IP冲突的问题。
2.2 系统设备组成
下一代城市轨道交通列车网络控制系统设备主要包括:列车级以太网骨干节点ETBN、车辆级子网交换机ECN、MVB以太网网关、TRDP网卡和以太网中继器。系统通过实现IEC 61375-2-5、IEC61375-2-3及IEC 61375-3-4规定的列车以太网功能, 能够实现跨编组IP自动配置。下一代系统的产品体系见图10。
2.2.1 列车级骨干网节点ETBN模块
负责承担车辆级自动拓扑发现、自动组网、实现跨编组网络之间互连的协议 (IP) 转换、列车设备信息数据库存储及列车设备域名系统 (DNS) 服务等功能。
该模块具有4个以太网接口 (M 12-D) , 分别连接车头连接器和车尾末端E T B N模块, 并保留了一个调试与管理接口 (M12-D) 。同时采用继电器结构对ETBN掉电进行处理, 实现Bypass功能, 保证掉电后网络线路仍然畅通。此外, 一个编组内可同时运行2个ETBN模块, 其中一个作为冗余模块热备运行加强系统的安全性。ETBN模块主要技术参数见表3。
2.2.2 车辆级交换机ECN模块
负责承担网络终端的接入以及网络控制功能。通过与ETBN模块连接共同构成城轨列车网络。
该模块具有16个以太网接口 (M12-D) , 可通过背板总线与ETBN模块相连, 主要承担网络终端的接入和传输控制, 具备网管功能。ECN模块也可单独使用, 作为网管型交换机使用, 具有多用途、适用性广泛的特点。车辆级最多可提供32个物理端口连接终端。ECN模块主要技术参数见表4。
2.2.3 MVB-以太网网关
可实现MVB与以太网间数据的双向转发, 使目前广泛应用的MVB网络设备能够使用以太网进行数据传输。目前开发的网关设备, 能够实现多个MVB端口到UDP的映射, 同时支持TRDP数据包传输, 支持IEC61375-2-3规定的TRDP数据包结构。
2.2.4 以太网中继器
以太网的传输距离受传输介质、周围环境的影响, 当以太网线缆超过50 m时会出现明显的信号衰减, 在列车网络应用场景中需要对衰减信号加以补偿才能使网络正常运行。中继器可以连接2个局域网的电缆, 重新再生电缆上的数字信号并发送出去, 属于纯物理层的功能。
3 发展和展望
当前, 随着科学技术迅猛发展, 以及用户对系统可靠性、可用性、可维护性、安全性 (RAMS) 和生命周期成本 (LCC) 要求的提高, 轨道交通装备的智能化也在提高。
目前已经有一系列的项目在推进轨道交通装备的智能化。系统智能集成项目 (Intelligent Integration of Railway System, Inte GRail) 是欧洲旨在推动轨道交通装备智能化的项目之一, 主要由西门子、庞巴迪、阿尔斯通、法国国家铁路公司、UIC等欧洲的轨道交通企业、运营商以及标准化组织开发了一系列的装备集成规范和应用项目原型。该项目通过智能化集成, 提高车辆装备、运营、基础设施、旅客运输等的安全性、可靠性和舒适性。Shift2Rail是欧洲另外一个项目, 目标是将在其他领域使用的新技术应用在轨道交通上, 以实现欧洲2020战略。
轨道交通装备的智能化不仅体现在运用先进技术提高城轨车辆的牵引、制动、辅助等系统的运行性能以及自动驾驶技术, 提高车辆的智能诊断、智能维护等技术服务, 而且还体现在为旅客提供更加智能的服务, 例如信息服务、视频监控服务等。
以往城轨车辆由于网络带宽的限制, 车辆控制网、状态监视网以及旅客信息网分别采用不同的网络, 如车辆控制网采用WTB、MVB等, 状态监视网采用MVB、CAN等, 旅客信息网采用以太网等。近年来, 随着现场总线技术的成熟和发展, 列车网络控制系统已成为城市轨道交通车辆和铁道车辆的关键系统。随着最终用户对列车网络控制系统性能要求的提高, 旅客信息传输、在线视频监控和远程数据服务等功能需要列车网络控制系统具有较高的实时性和较好的可维护性, 并能将列车实时数据传送到远程控制中心进行监控和维护。现有列车网络应用的现场总线无法满足上述要求, 而工业以太网技术克服了现有列车网络总线传输速度低、组网拓扑结构单一等缺点, 能完全满足上述需求。
随着轨道交通应用以太网技术的日趋成熟, 其应用领域不断扩展, 将吸引越来越多的厂商致力于开发高实效、高扩展性及高智能的以太网系列产品, 使以太网能够全面替代现有的总线, 形成以工业以太网为主的列车车辆总线网络, 以满足市场不断提升的需求。
参考文献
[1]丁荣军, 杨卫峰, 唐军.轨道交通装备智能化技术的研究及应用[J].机车电传动, 2012 (5) :1-4.
[2]李洋涛.TCN列车网络技术现状与发展.单片机与嵌入式系统应用[J].2012 (1) :4-7.