关键词：通信；网络控制；高速列车
高速列车，是指能以高速度持续运行的铁路列车，最高行驶速度一般要达到200km/h及以上。其具有快捷舒适、平稳安全、节能环保等优点，可满足日益增长的出行需求，深受当代人们的欢迎。高速列车的通信网络控制系统通过贯穿列车的数据总线来传递信息。通过对列车的运行状态以及车载设备动作的相关信息进行采集管理，来达到有效地辅助司机及乘务员操纵列车，以提高服务质量。目前国内外高速列车发展日新月异，列车结构越来越复杂，特别是当前在线监测技术、实时故障检测技术、数据动态采集技术和大数据分析技术的大量应用，对通信网络控制技术的要求也越来越高。因此本文介绍和对比了国内两种现行且应用范围较广的高速列车的通信网络控制系统情况，分析了两种通信网络控制系统的优缺点，为后续网络控制技术的研究和发展奠定了基础。
1、CRH380A型动车组通信网络控制系统介绍
1.1、TCN列车通信网络控制系统
CRH380A型动车组全称“和谐号CRH380A型电力动车组”，又名“CRH2-380型”，是由中国中车旗下青岛四方机车车辆股份有限公司设计团队自主研发的CRH系列高速动车组。车辆采用TCN(Train Communication Network)列车通信网络控制技术。TCN是一个分为两级的通信网络，由绞线式列车总线WTB和多功能车辆总线MVB组成，其中绞线式列车总线WTB是一种串行数据通信总线。它通过列车总线将各车辆控制计算机节点连接起来，形成上层分布式网络，主要用于列车级的通信，其传输速率为1Mbps，可以实现过程数据和消息数据的传输，其最大特点就是具有列车初运行功能，即列车初运行功能就是当列车车辆的配置发生变化后，能够自动地对车辆进行编址，构成新的列车拓扑结构，而不需要人为的参与，因此WTB总线特别适用于需要动态编组的列车车辆。多功能车辆总线MVB将车辆计算机与同一车辆内的各子系统标准设备连接起来，组成下层分布式通信网络。MVB主要用于有互操作性和互换性要求的互联设备之间的串行数据通信，其传输速率为1.5Mbps，能提供最佳的响应速度，且在实时性、可靠性、可管理性、寻址方式等方面都具有一定的优势[1]。
值得注意的是，CRH380A型动车组需经常联挂和解挂以改变组态，因此使用WTB作为标准的列车总线是合适的。但固定编组的列车，也可以用MVB来代替WTB作为列车总线。
1.2、车辆通信网络控制系统总线配置
根据CRH380A列车编组方式分配牵引单元，一列8编组动车组分为两个牵引单元，列车中的牵引单元通过绞线式列车总线WTB相连，即各牵引单元间通过WTB总线进行通信。WTB是有冗余的双线线路，用于总数据传输，因此WTB节点可以同时监视两条双绞线的数据接收情况并选择数据接收情况较好的线路作为数据传输通道。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，即通过网关将WTB和MVB相连。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。列车的通讯设备及控制系统等装置通过MVB接入车辆，包括中央控制单元CCU，网关，人机接口，牵引控制单元，制动控制单元和车门控制单元等[2]，具体结构如下图1所示。
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图1 列车TCN网络控制系统构架
2、CR400AF型动车组通信网络控制系统介绍
2.1、TCMS列车通信网络控制系统
CR400AF型动车组全称复兴号CR400AF型电力动车组，由中国中车旗下青岛四方机车车辆股份有限公司设计团队自主研发，其通信网络控制系统为TCMS，即列车控制和管理系统。TCMS作为CR400AF型动车组的中枢神经系统，通过贯穿列车的总线进行信息传输，对车辆运行和车载设备动作的相关信息进行集中管理，实现车辆逻辑控制、状态监视、故障诊断及测试功能，从而保证列车安全可靠的运行。
在结构上，TCMS采用TCN+以太网形式的拓扑架构。TCN为两级总线式拓扑结构，和CRH380A型动车组相似，分为WTB和MVB。与CRH380A型动车组通信网络控制系统最大的不同，就是CR400AF型动车组的网络控制系统增设诊断以太网ETB，以全面加强故障诊断和监测数据的传输，并提供向地面实时传输数据的功能，使列车的智能化程度大幅提升。CR400AF型动车组ETB传输模式选择100BASE-TX，即基带传输，总线传输速率为100Mbit/s，传输介质为双绞线，全双工模式。在网络配置过程中，每节车辆均设置以太网交换机，采用环形拓扑结构建立以太网。以太网在CR400AF型动车组的主要应用包括：
（1）监控功能，即对牵引系统、制动系统、车门系统、充电机、空调系统、轴温、高压系统及烟火报警系统等时刻进行监控；
（2）数据传输功能，即采用全双工模式快速即时地传输故障诊断、事件记录、显示等数据，方便检修人员进行故障排查，使得故障处理更加的高效快捷。
（3）车载设备维护功能，即可以通过对以太网升级，优化相应的报警或者控制逻辑，从而使得车载设备能够更好的适应工作环境，避免造成设备损坏[3]。
2.2、三种网络的对比
将三种网络的基本性能进行对比，如表1所示：
表1 三种网络性能对比表
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从表中可以看出，ETB的性能远优于WTB和MVB网络，但是由于高速列车网络带宽的限制，车辆控制网、状态监视网以及旅客信息网等都需要分别采用不同的网络，如国内现有车型的控制网大都采用TCN技术而旅客信息网则采用以太网，同时由于技术原因，以太网还未能完全覆盖车辆网络总线[4]。
近年来，高速列车通信网络控制系统的性能提升已经成为高铁技术发展的关键因素之一。以太网技术克服了现有高速列车网络总线传输速度低、组网拓扑结构单一等缺点，对高速列车的通信网络控制技术的发展有巨大的促进作用。以太网全面替代现有的总线，形成以以太网为主的车辆总线网络，将会是未来高速列车通信网络控制技术的发展方向。
3、总结
本文首先介绍了CRH380A型动车组的通信网络控制技术及其网络总线配置，然后介绍了CR400AF型动车组的通信网络控制技术并对两种技术进行了对比，论述了CR400AF新型动车组在网络控制技术上的提升和改进，为后续设计和研发更加快速，高级和安全的通信网络控制系统奠定了理论基础。
参考文献
[1] 江斌. CRH380A型动车组网络系统控车实时检测及数据储存的应用[J]. 中国战略新兴产业, 2018, 24:174.
[2] 王磊, 何正友. 高速列车通信网络技术特点及其应用[J]. 城市轨道交通研究, 2008, 2:57-61,64.
[3] 李建新. 以太网在 CR400AF 型动车组检修方面的应用[J]. 山东工业技术, 2018, 4:73.
[4] 高枫, 余博, 李元轩. 城轨车辆列车网络控制系统技术方案及发展方向[J]. 铁路技术创新, 2015, 4:57-62.
作者简介：王宇，出生于1993年，男，助理工程师，硕士研究生，现就职于中车青岛四方机车车辆股份有限公司，从事关于车辆调试和车辆网络开发相关工作，邮箱627450676@qq.com
论文作者:王宇, 彭大伟, 王建, 李硕, 陈晓龙
论文发表刊物:《科学与技术》2019年第23期
论文发表时间:2020/5/8