赵智

湘电集团有限公司企业运营部 湖南 湘潭 411101

1 国内外列车监控系统发展概述

列车监控系统起源可以追溯至1980至1990年，Siemens及BBC均研发出了功能较为简单的控制系统。随着科技发展，人们对舒适度及便捷度要求的增加，列车上的装置越来越多，越来越复杂，因此列车上需要传输的信息也与日俱增，车载微机得到快速发展，于是，一种能将全车各子系统及部件通过互相通信进行网络监控的系统应运而生，并渐渐发展成熟。比较具有代表性的有西门子的SIBAS系统，庞巴迪的MITRAC系统，ABB的MICAS系统，阿尔斯通的AGATE系统，这些控制系统各有特色且自成体系，这也使得列车自控系统的发展受到阻碍，随着科技发展，铁路行业对列车控制通信提出了更高的要求，这就需要有一个能够使各系统各设备互相通用替换的平台，于是，经过多年努力，一项数据通信的统一标准被制定出来。这项标准定义控制通信网络为二级分层结构，对应于列车总线与车辆总线。现如今，国外的列车监控系统已经相当成熟，瑞士的ADtranz、德国西门子等公司均处于世界领先水平。

2 列车网络控制研究现状1.3列车网络控制研究现

近年来，列车网络控制的研究工作如火如荼，国内外许多研究者对控制网络进行了较为深入的研究，取得了大量的研究成果，Ng和Mohammed等[1]通过仿真分析等方式对控制网络的现场总线性能进行了研究，取得了业界普遍认可的结论。N.Berge等通过建模分析等方法研究信息传输在网络控制系统中所起的作用。Tengdin，Skeie和M.A. Marsan等对控制系统中以太网的性能做了详细的建模分析工作，研究了它的实时性能。肖锦栋等对CAN 通信进行了大量的实验分析，研究了其实时特性。罗志强等基于平均信息通信时延对网络控制之性能做了大量研究。周悦、彭可等通过建模分析方式对网络控制系统中使用的各种通信协议进行了研究，对网络控制性能指标做出了评估。原上海铁道大学及南车株机所对于车载智能控制也做过许多的研究，研发出多种结构的列车总线网卡及车辆总线网卡，在列车网络控制中得到较好的应用并进行了试运行。南车株机所针对伊朗地铁网络控制对FSK网络通信技术进行了研究。株洲电力机车研究所联合同济大学对MVB, WTB进行深入研究，研发出了MVB网卡、WTB网卡等产品，并在“中华之星”等高铁中获得成功应用。同时，同济大学还将该产品与西门子、EKE等国际上同类产品研发公司进行了联合测试，提出相应测试规范。西南交大、青岛四方等相关机构也对列车网络控制相关设备做了大量分析与研究，此外，国内许多高校对FPGA进行了很多的设计，以期将其应用于列车网络控制系统，但大多停留于实验室的仿真实验。株机所、四方所等单位研究LonWorks总线取得一定成果后成功用于内燃动车组的网络控制之中。而对于CAN通信，同济大学也做了较多的研究分析工作，最终将其成功用于列车控制系统中，使其连接控制单元和司控台，株洲电力机车研究所经过研究后将其成功应用在监控设备和控制单元之间，国防科技大学也进行过CAN应用于磁悬浮列车控制的研究。

随着时代进步，传统硬线运行以及简单地微机控制系统的弊端慢慢体现出来：传统硬线运行操作便捷度不高，控制度不强，而且布线复杂，效率低；简单的微机控制系统安全性不高，控制性也不全面。因此，本文将会把列车监控系统作为研究对象，以便提高列车运行过程中的操作性、安全性和操控效率。

本文将在阐述国内外有轨电车网络控制研究现状的基础之上，以三模块有轨电车为研究对象，简要介绍有轨电车的电气构造组成以及相关技术知识，描述了网络控制单元（TCMS）的组成结构，各部件原理以及整车控制功能需求，在此基础上，介绍TCMS控制软件，及如何针对三模块有轨电车编制控制程序，并在实验平台上进行测试，最后应用在整车实验中，获得较好的控制效果。

3 有轨电车系统组成及TCMS系统简介

现代有轨电车主要由牵引、制动、乘客信息、网络控制、照明、车门和空调等系统组成。牵引系统主要由受电弓、储能装置、牵引逆变器、电机等部件组成，其中受电弓或者储能装置通过牵引逆变器向转向架上的电机提供能量，电机驱动转向架搭载车体运行。制动模块包括六种制动模式和三种制动方式，六种模式分别为常用、紧急、安全、保持、停放、停车等，三种制动方式分别是电控、液压、磁轨。以上几类制动形式进行不同的组合形成了五种制动模式。空调系统分为客室和司机室空调，由受电弓或储能装置通过逆变器向空调供电，从而控制电车司机室和客室内部温度。乘客信息系统主要包括广播、信息显示和视频监视等功能，该系统直接面对乘客，向其提供一些基本信息，并可在紧急情况下实现乘客与司机的对话。网络控制系统负责完成对列车牵引、制动、辅助供电、车门、乘客信息等子模块的监控。该系统中的设备至少有司机显示、车辆控制、数字量及模拟量的输入输出等模块。

4 三模块有轨电车控制单元分析与设计

4.1 有轨电车电气方案设计

本文中所描述的三模块有轨电车电气系统包含：双VCU设计，提供备用车辆控制单元；司机室及客室双区空调；现代 PIS系统提供车辆旅程在线信息；视频监控；带乘客开门请求功能的塞拉门系统以及其他特性底架区域仅提供司机室加热器、感应环式天线、喇叭、电铃、载荷传感器安装空间。每个转向架上安装有一对电机、磁轨制动器、液压制动单元、辅助制动缓解单元。车内安装大部分的低压设备。特别是两端司机室的电气柜中，低压设备尤为集中。

4.2 有轨电车TCMS系统方案及需求分析

4.2.1 TCMS系统方案。列车网络采用以太网环形网络，实现车辆控制系统与远程输入输出系统的实时过程数据传输。车辆网络通过CAN网络与各子系统连接。列车控制系统可以

实现事件记录及数据记录的功能，各子系统监视和控制、配合司机完成驾驶功能、配合HMI进行人机交互、故障诊断。

4.2.2 TCMS系统组成

①车辆控制单元VCU。车辆控制单元VCU采用32位微处理器，64M内存，4G闪存，用于数据的处理，同时具备实时时钟、总线管理等功能，还具有CANopen接口、USB接口、以太网接口以及串行接口。VCU具有故障和事件记录功能，2个VCU记录内容相同。储存器采用先进先出的方式，其容量至少为4G。②远程输入/输出终端。RIOM可通过以太网接口连接到列车网络上，和车辆控制单元进行通信。它将车辆子系统的状态、车重信息、司控器信息发送给VCU，VCU能够通过RIOM实时了解相关状态；同时车辆控制单元也可以通过RIOM来控制相关系统。RIOM是数据采集和控制的设备。③事件记录仪 EVR(集成在VCU内)。可通过便携式测试单元PTU将数据读出。本项目EVR功能集成于VCU中。④HMI。HMI显示列车状态的信息并接收司机发出的控制指令。

以上设备通过以太网形成环路，其他由TCMS监控的各子系统通过CAN网络连接在环网上，从而实现TCMS对整车的监视和控制。

4.3 有轨电车控制软件设计

TCMS软件系统集成了对牵引、制动、门、空调、PIS等子系统的控制。所使用的编程工具为ISaGRAF平台，对VCU编程后可实现以下功能：系统初始化、系统时间读写、司机室激活控制、司控器手柄控制信号、牵引状态监视、牵引使能控制、牵引关闭命令、PIS状态监视和控制、PIS自动，半自动报站功能、故障监视并记录、HMI数据显示、事件记录、看门狗程序，当VCU程序运行停止，立即重启。VCU每周期监控Cycle_Counter的状态，如果该变量的值在某一周期内未跳变则说明系统运行错误，自动重启设备。

4.4 有轨电车控制软件测试

4.4.1 TCMS测试平台试验。为了能够更好地验证在上车试验前逻辑功能的可行性、正确性、完整性，提前解决逻辑、信号采集等相关项点，需要在模拟试验平台上进行基本功能的验证。TCMS试验平台由三个机柜组成，其中HMI、VCU、ROIM之间使用以太网连接，模拟子系统输入设备与RIOM设备间采用CANOPEN进行通讯。试验平台模拟整车，主要测试内容有司控器的控制信号逻辑检测、载荷传感器的输入信号逻辑检测、整车电气系统的输入/输出点位的逻辑检测、VCU与HMI显示屏之间的通讯以及对应功能的检测、强弱主的切换测试、整车方向信号的测试等。

试验结果证明，在试验平台进行了相关试验测试逻辑程序正确。但是模拟试验平台只能模拟部分试验数据，完整的型式试验还需要在车辆上进行实践。

4.4.2 TCMS车载试验。根据整车设计需求，RIOM的AIM模块采集司控器的4~20mA模拟电流信号，RIOM通过TRDP协议将采集的信息发送给VCU进行信息处理。同时司控器有硬线指令通过VCU的DIO模块给到VCU，VCU根据相应的牵引、制动、惰性硬线指令判断是在牵引位、制动位、惰性位。VCU收到RIOM转发过来的4~20mA的电流信号，结合牵引、制动硬线指令对应相应的牵引力的需求、制动力的需求。

TCMS车载试验将分两部分进行，第一部分为整车的静态试验部分，主要是与TCMS、TCU、BCU有关的静态试验部分；第二部分为整车的动态测试部分，主要是与TCMS、TCU、BCU有关的动态试验部分。

在平台实验中，TCMS控制软件有效可行，逻辑符合预期要求。在整个车载试验过程中，TCMS与TCU、BCU之间收发数据正常。TCMS能完整的根据采集的司控器的控制信号以及级位信息给TCU、BCU发出相应的控制信息，充分验证了本文研究的TCMS系统对于有轨电车安全运行是可行的，且操作更加便利高效。

5 结束语

本文通过论述现代有轨电车发展史，在有轨电车单纯硬线控制的基础上增加了网络控制，引入TCMS系统，使其对现代有轨电车各个子系统进行监视和控制，增强了电车的可控性和操作便捷性，使现代有轨电车在运行中可以做到硬线控制和网络控制双模式切换。文中介绍了TCMS硬件组成结构，CAN通信和以太网基础知识，以及编程环境和编程语言，描述了三模块样车的结构组成，电气原理以及样车上搭载的TCMS的原理，功能等。结合实验平台和样车实际运行，进行了一系列的实验，充分论证了本文论述的TCMS有效可行。