隨著城軌車輛局域網技術、嵌入式微機控制技術以及現(xiàn)場總線技術的發(fā)展，現(xiàn)代城軌車輛的過程控制已從集中型的直接數(shù)字控制系統(tǒng)發(fā)展為基于通信網絡的分布式控制系統(tǒng)。城軌車輛分布式控制系統(tǒng)通過應用多種總線技術把分布于各車廂內部、獨立完成特定功能的微控制器互連起來形成類似于工業(yè)局域網的網絡形式，以實現(xiàn)車輛資源共享、協(xié)同工作、分散監(jiān)測和集中操作等目的。列車通信網絡（TCN-Train Communication Network）就是在這個系統(tǒng)上建立起來的列車控制、診斷信息數(shù)據(jù)通信網絡。

目前，國際上TCN成功應用的項目已經很多，然而國內由于起步較晚等種種原因，技術水平與國外存在一定差距。本文主要就TCN網絡中基于MVB總線的城軌車輛通信網絡進行分析。

國內MVB通信網絡面臨的難題

目前MVB通信網絡的產品和核心技術仍然由國外的幾個公司壟斷。

由于國外公司對MVB通信網絡的關鍵技術的壟斷，嚴重阻礙了國內自己開發(fā)MVB通信網絡產品，而整機引進的周期長且價格難以承受。

國內對標準的引進、技術的理解消化和二次開發(fā)都做得不夠，不利于MVB通信網絡技術在國內城軌車輛或者其他領域的推廣應用，同時也不利于吸取經驗研制自己的列車網絡產品和制定自己的列車網絡標準。

國內對列車通信網絡的研究較少，沒有技術積累，而此類技術要求高，投入大，導致國內列車通信網研究進步緩慢。

基于MVB總線的城軌車輛通信網絡的應用

MVB總線是瑞士Lok460機車上創(chuàng)始的總線為基礎，并已經在1000輛以上的城軌車輛上應用過。MVB可使用雙絞線或者光纖介質，不同的介質可以通過中繼器互相連接。MVB由一個集成的總線控制器支持，它能夠構成簡單的設備而無須處理器。MVB控制器在物理層提供冗余；一個設備在兩個互為冗余的線路上發(fā)送，但是僅從一條線路上接受，同時監(jiān)視另一條線路。

圖1 MVB總線 EMD介質連接圖

MVB體系結構表

作為通用的現(xiàn)場總線，MVB屬于總線仲裁型網絡，采用主幀/從幀應答方式，可以實現(xiàn)設備和介質冗余，總線的實時性依靠實時協(xié)議來保證。

列車故障診斷系統(tǒng)可對運行中或停車狀態(tài)下的城軌車輛設備以及由這些設備所構成的系統(tǒng)進行在線監(jiān)測，在發(fā)生故障時可確定故障所在部位，提示排除故障的方法或采取應急措施的建議，提高了列車運行的安全性。

下面以國內某軌道車輛項目為例說明列車控制及監(jiān)視系統(tǒng)。

列車控制及監(jiān)視系統(tǒng)拓撲結構圖如下圖所示：

圖2 列車控制及監(jiān)視系統(tǒng)拓撲圖

基于MVB總線的列車網絡控制系統(tǒng)采用分布式控制技術，劃分為兩級：列車控制級、車輛控制級。列車控制級總線和車輛控制級總線均采用EMD電氣中距離介質的MVB多功能車輛總線。中繼模塊REP作為列車級總線和車輛級總線的網關，實現(xiàn)列車級總線到車輛級總線的數(shù)據(jù)轉發(fā)功能。

基于MVB總線的列車網絡控制系統(tǒng)配置以太網無線傳輸模塊EWLM，通過工業(yè)以太網連接事件記錄模塊ERMe的M12以太網接口，可以將ERMe中記錄的數(shù)據(jù)信息通過WLAN或者3G無線網絡發(fā)送到地面維護中心，實現(xiàn)車地無線數(shù)據(jù)通信功能：

圖3車地無線通信示意圖

不論是列車級總線還是車輛級總線，均采用通信線路雙通道冗余設計，當某一路通信線路出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)可以自動切換到另一路通信線路。對于關鍵的車輛控制模塊VCMe，由于其主要實現(xiàn)重要的車輛控制、總線管理，因此在整個列車網絡中也對VCMe做了熱備冗余配置，正常情況下兩個VCMe通過底層協(xié)議芯片的競爭機制自動選取一個VCMe為總線管理主，另外一個VCMe為備用主，當主VCMe出現(xiàn)故障時，備用VCMe將接管主VCMe的職責，行使所有的總線管理和控制功能。但是不論哪個VCMe為總線管理主，在控制邏輯上都以司機鑰匙激活端的控制指令為準，總線管理主權的交換不會導致控制指令來源的切換。

多功能車輛總線MVB用于連接各車輛內的電子部件和控制系統(tǒng)（也稱為MVB段）。數(shù)據(jù)在車輛總線上可以雙向傳遞。

車輛內MVB的電氣線路（一條線路＝一對電線）是有物理冗余的，以提高可利用性。數(shù)據(jù)通過兩條線路（即兩對電線）傳遞，即使一條線路出現(xiàn)故障，數(shù)據(jù)仍可通過第二條線路傳遞。

MVB所使用的電纜是兩對雙絞屏蔽線。為防止反射及干擾，MVB在總線的每一端都設有終端電阻（120歐姆）。

MVB電纜是與電子控制單元內的MVB接口模塊相連的。MVB接口模塊進行總線管理和數(shù)據(jù)通信管理，包括總線主控器（總線管理器）的定義及線路監(jiān)控。

2.2 MVB總線故障診斷及顯示

列車故障診斷功能由列車中央控制單元集中完成。即在每個中央控制單元中有專用的32位微處理器，用于故障數(shù)據(jù)的處理。所有診斷信息以及列車故障信息自動提供給整組列車。在該系統(tǒng)中，對于每個連接到多功能車輛總線上的子系統(tǒng)控制單元，對各子系統(tǒng)可診斷到最小可更換單元。中央控制單元通過列車總線控制系統(tǒng)接受從各子系統(tǒng)傳來的故障信息，并附帶一定的相關數(shù)據(jù)和相應的時間。

1）對重要的故障信息的記錄該給出跟蹤數(shù)據(jù)，并通過分析數(shù)據(jù)記錄能顯示出連續(xù)的牽引/制動工況特性參數(shù)的曲線圖形。

2）監(jiān)測蓄電池電壓、電流、箱內溫度，可在顯示屏上顯示蓄電池的容量及狀態(tài)信息，當蓄電池溫度過高或電壓過低時，記錄并報警。

3）列車故障診斷系統(tǒng)包括列車中央控制單元執(zhí)行中央故障處理功能，其主要功能如下：

-?故障信息進行識別，處理；

-?輸出故障信息；

-?中央故障處理單元具備自診斷和保護功能并且可對本系統(tǒng)部件診斷到最小可更換單元；

-?所有的故障信息保存在存儲器里，便于下載。對于重要的故障信息包含相應的相關數(shù)據(jù)，通過相應的專家分析軟件將下載的數(shù)據(jù)還原成可用于分析故障的故障記錄表和相關的模擬量/數(shù)字量圖形，分析過程可以在通用的PC上完成。

列車故障診斷系統(tǒng)是列車控制和診斷系統(tǒng)的一個重要組成部分，完成車載各部件故障數(shù)據(jù)的采集、分析、轉儲和顯示功能。故障信息在司機臺上通過HMI顯示，并且通過PTU上傳到地面維修和服務系統(tǒng)中，供長期的儲存和深入的地面分析。

基于MVB總線的列車網絡控制系統(tǒng)的診斷功能可以協(xié)助司機和檢修人員進行工作。當故障發(fā)生時，協(xié)助司機采取適當?shù)牟僮鳎⑹咕S護人員更容易地查找并解決故障。

如果列車發(fā)生故障，將以純文本信息在HMI上顯示給司機。每條純文本信息都分配有故障代碼，根據(jù)不同的故障類別進行故障評估。故障類別和純文本信息顯示在顯示器的界面上。此外，司機也可以從HMI上獲得所必須實施的操作指導說明。

列車診斷系使用以下各個顯示界面指示故障。

當前故障界面顯示當前基于MVB總線的列車網絡控制系統(tǒng)檢查到的當前故障列表。此界面信息影響列車運行的故障將給出提示，如下圖所示。

圖4 故障列表狀態(tài)畫面

MVB總線通信協(xié)議分析與波形試驗

MVB總線基本參數(shù)

多功能車輛總線MVB連接車輛的所有智能設備，其物理介質采用電氣中距離EMD電介質。MVB的基本參數(shù)為：

介質：屏蔽雙絞線，變壓器隔離；

波特率：1.5Mbps；

傳輸距離：200米（EMD）；

最多可以掛256個智能總線站；

傳輸周期：1、2、4、8…1024ms(典型值為32、64、256、1024ms)；

數(shù)據(jù)幀長度：2、4、8、16、32字節(jié)；

最多可以定義4096個報文。

數(shù)據(jù)傳輸

數(shù)據(jù)在可編程的基本時間周期（Basic time period）內傳遞。每個基本時間周期從過程數(shù)據(jù)（Process data）傳遞的周期相（Periodic phase）開始，然后進入偶發(fā)相（Sporadic phase偶發(fā)階段），在偶發(fā)相內，監(jiān)督數(shù)據(jù)（Supervisory data）和消息數(shù)據(jù)（Message data）可按要求傳遞。

防護相（Guard phase）階段用于保證下一個周期的準確開始。

數(shù)據(jù)發(fā)送主幀格式：

a）以主起始分界符開始；

b）其后為16 位幀數(shù)據(jù)；

c）接著為8 位校驗序列。

主幀格式如下圖所示：

圖6 主幀格式

數(shù)據(jù)發(fā)送從幀格式：

a）以從起始分界符開始；

b）接著為16、32、64、128 或256 位幀數(shù)據(jù)；

c）在每64 個數(shù)據(jù)位后包含一個8 位的校驗序列或當幀數(shù)據(jù)只有16或32 位時將一個8位的校驗序列附加其后。

從幀格式如下圖所示：

圖7 從幀格式

3.2 MVB信號波形

EMD介質信號幀起始波形圖

EMD介質信號幀結束波形圖

試驗平臺MVB通信試驗生成信號波形（主從幀）

采用福祿克DSX-5000或者DTX-1800，DTX-1200配套DTX-M12適配器測試總線。

（1）就TCN標準及協(xié)議匯總EMD介質的MVB總線通信標準的研究分析，重點剖析了MVB總線結構特點。

（2）針對具體城軌車輛項目實例介紹并分析了基于MVB 總線的網絡控制系統(tǒng)。

（3）對MVB報文格式進行了分析，通過現(xiàn)有試驗平臺完成了MVB總線通信網絡搭建，進行MVB網絡通信試驗，通過捕捉的主從幀波形分析，各項參數(shù)數(shù)值符合IEC61375-1標準，達到了預期試驗效果，對自主研發(fā)國產城軌車輛基于MVB總線的網絡控制系統(tǒng)打下堅實基礎。