軌道交通列車網絡控制技術課件：列車通信網絡技術

軌道交通列車網絡控制技術

列車通信網絡技術4u能力目標：(1)能分析不同列車通信網絡的結構。(2)能分析絞線式列車總線(WTB)的初運行過程。(3)能判斷多功能車輛總線(MVB)的設備分類。(1)培養學生的團隊協作精神，并認識到團隊成員各自的優勢和特長。學習重點(1)理解列車通信網絡的概念。(2)了解幾種常見的列車通信網絡。 (3)掌握列車通信網絡(TCN)的結構及功能。(4)掌握絞線式列車總線(WTB)

的結構及原理。(5)掌握多功能車輛總線(MVB)

的結構及原理u知識目標：(1)理解列車通信網絡的概念。(2)了解幾種常見的列車通信網絡。(3)掌握列車通信網絡(TCN)的結構及功能。(4)掌握絞線式列車總線(WTB)的結構及原理。(5)掌握多功能車輛總線(MVB)的結構及原理。u素質目標：學習目標21

任務一列車通信網絡概述2

任務二列車通信網絡多功能車輛總線絞線式列車總線4

任務四3

任務三目

錄CATALOG3任務一列車通信網絡概述4列車通信網絡是面向控制的一種連接車載設備的計算機局域網絡系統

，是分布式列車控制系統的核心組成

部分

，以計算機網絡為核心，把計算機技術、控制技術、設備故障診斷技術、網絡通信技術緊密結合起來。它將整個列車計算機控制系統的各層次及各層次的各單元之間連接起來，作為系統信息交換和共享的渠道，實現全列車環境下的信息交換。列車通信網絡的應用，使得列車控制系統真正成為一個分布式控制系統，并為列車系統的信息化打下了基礎。一、

列車通信網絡的概念

55

一、

列車通信網絡的概念

列車通信網絡連接車廂內的可編程設備、

傳感器和執行機構

，

以便完成以下任務：(1)各動力車的重聯控制。能夠由一個司機室操縱全列動車。為此，需要將司機室的操作命令傳到各個動車，同時需將各個動車對命令的執行情況、各部件的狀態返回給司機。如果某些命令未能執行，則應按“故障-安全”的原則采取相應的措施。(2)全列車(包括動車和拖車)所有由計算機控制的部件的聯網通信和資源共享。(3)全列車的牽引控制、制動控制、門控制、軸溫監測和空調控制等。(4)全列車的自檢及故障診斷決策。(5)全列車設備狀態信息、運行信息的顯示。每輛車的工作狀態及故障信息可通過列車通信網絡傳送到司機顯示屏，從而使整列車有效而安全地運行。(6)為旅客提供信息服務。66實時性要求高

(時間的準確性、

傳遞的快速性)。由于列車是高安全要求的運動型服務設備，因此首要的就是通信的實時性。高速通信。由于列車中的設備日益增多，功能日益強大，需要通信的數據量越來越多。高速的網絡通信不但可以滿足通信數據量的要求，而且還可以保證網絡的實時性。二、列車通信網絡的特點列車通信網絡適用于列車這一流動性大、可靠性要求高、實時性強、與控制系統緊密相關的特殊環境的計算機局域網絡。與普通計算機局域網相比，它具有如下特點：可靠性要求高。列車通信網絡對車上幾乎所有的設備都進行監視、控制和管理，因此需要考慮冗余設計等可靠性設計的方

法，以保證列車運行的安全。自動組網

，即網絡節點的自動配置。對于非固定編組列車，列車經常需要重組，列車的自動實時重組網絡功能十分必要。7目前廣泛使用的列車通信網絡有符合IEC標準的TCN網絡、符合IEEE標準的列車通信網絡(IEEE

1473，包括TCN網絡和LonWorks網絡)，以及其他工業控制網絡等，如WorldFIP網絡、ARCNET等。1.

列車通信網絡列車通信網絡

(TCN)

由多功能車輛總線

(

MVB)

和絞線式列車總線

(WTB)

組成。其通用的拓撲結構如圖4-1所示。WTB與MVB之間通過網關(節點)進行協議轉換。列車總線是主要用于車輛之間的重聯通信，能自動識別車輛在列車編組中的位置和方向；車輛總線則主要用于車輛內控制設備的互聯；車通信網絡采用基于總線管理器(BA)的集中式介質訪問控制，并支持介質和總線管理器的冗余，因而具有強實時性和高可靠性等特點。三、

常見的列車通信網絡

88圖4-1列車通信網絡(TCN)拓撲結構LonWorks(以下簡稱LON)是美國Echelon公司于1991年推出的全開放智能分布式測控網絡技術。LON采用LonTalk協議

，其遵循OSI參考模型的全部七層協議。LonTalk協議被封裝在稱之為Neuron的神經元芯片中。LON支持總線形、

星形、

環形和混合型等多種拓撲結構

，傳輸介質可以是雙絞線、同軸電纜、電力線、無

線電和光纖等。LON既具有CSMA/CD的實現簡單、帶寬利用率高、單點故障不影響網絡通信和節點可靈活進退網絡等優點，又改善了一般CSMA/CD在網絡重載時的性能。優先級機制使緊急數據具有優先的響應時間，使LON可以適應控制網絡的要求。LON具有完整的七層協議

，具備了局域網的基本功能，與異型網的兼容性比現存的任何現場總線都完善。它還提供了與LAN互聯的接口，從而可實現兩者的有機結合。三、

常見的列車通信網絡

992.

LonWorks網絡1987年3月成立的WorldFIP組織以法國幾家大公司為主要成員，開發了FIP(

FactoryInstrumentationProtocol)現場總線技術。WorldFIP采用了三層結構：

物理層、

數據鏈路層和應用層。WorldFIP與TCN類似，使用曼徹斯特編碼進行信號的傳輸，支持介質和總線仲裁器的冗余，并且還具備完備的網絡管理能力。網絡系統由總線仲裁器和若干用戶站組成

，系統具有實時性、

同步性、

可靠性等特點。WorldFIP不論高速還是低速，只有一套通信協議，所以不需要任何網橋或網關

，低速和高速的銜接只用軟件就可實現。三、

常見的列車通信網絡

3.

WorldFIP網絡101010ARCNET(Auxiliary

Resource

Computer

Network)是一種基于令牌傳遞

(Token

Passing)

協議的現場總線。該系統具有快速性、

確定性、

可擴展性和支持長距離傳輸等特點，非常適合過程實時控制。ARCNET是一個開放標準協議，位于ISO/OSI七層網絡體系模型中的數據鏈路層和物理層。每個ARCNET物理節點包括一個數據鏈路層的通信控制器芯片和一個物理層的收發器芯片。在數據鏈路層，它采用令牌環機制，各節點通過傳遞令牌來協調網絡使用權。在ARCNET中，采用令牌傳遞協議，任何節點都不能獨占網絡，只有在持有令牌后才能成為網絡的臨時主節點，才能發送一次有限長的信息。一旦信息發送完畢，必須將令牌傳遞給邏輯環上的下一個節點，收到令牌的節點就成了網絡的臨時主節點，如此循環，構成令牌環。ARCNET由于使用令牌傳遞機制來仲裁各網絡節點對網絡的訪問權，不存在競爭，因此在傳遞時間上是可預測的，這一點與使用沖突檢測機制的工業以太網和CAN有顯著的不同。ARCNET即使在網絡負載重、流量較大的情況下，也不會造成網絡阻塞。三、

常見的列車通信網絡

4.

ARCNET111111CAN，全稱為“ControllerAreaNetwork”，即控制器局域網，是國際上應用最廣泛的現場總線之一，是為汽車監測、

控制系統而設計開發的一種串行數據通信總線。

CAN被設計為汽車環境中的微控制器通信，在車載各電子控制裝置(ECU)之間交換信息，形成汽車電子控制網絡。在發動機管理系統、變速箱控制器、儀表裝備、電子主干系統中，均嵌入CAN控制裝置。標準的CAN協議僅定義了OSI參考模型中的物理層和數據鏈路層。

CAN采用多主競爭式結構，其信號傳輸介質為雙絞線、同軸電纜或光纖。采用雙絞線通信時，40m速率最高可達1Mb/s

，直接傳輸距離最遠可達5kb/10km，可掛接設備數量為110個。CAN的通信介質訪問方式為帶優先級的CSMA/CD。CAN信號傳輸采用短幀結構，每幀的有效字節數為8個，傳輸時間短，受干擾的概率低，錯誤嚴重的CAN節點能自動切斷該節點與總線連接，避免對總線上其他節點造成影響。三、

常見的列車通信網絡

5.

CAN總線121212任務二列車通信網絡13

一、

列車通信網絡簡介

1999年6月，在ABB公司的MICAS等運行經驗的基礎上制定的列車通信網絡(Train

Communication

Networks

，TCN)標準IEC61357-1正式成為國際標準。TCN標準(IEC61357)適用于開放式列車的數據通信，它包括開放式列車的車輛與車輛間的數據通信及開放式列車中一節車輛內的數據通信。該標準將車載網絡分為兩條總線組成

的三層結構

，具體如下：141414兩條總線uWTB(絞線式列車總線)

：連接可動態編組的車輛間。uMVB(多功能車輛總

線)：連接車輛或固定編

組單元內的設備，應用廣

泛。控制節點每列車有且只有一個主

控節點，通常由啟動的司機室節點擔任，管理列車總線運行，必要時可切換；各車廂節點管理車輛總線。三層結構列車控制級、車廂控

制級、設備控制級。

其中設備總線級是MVB下擴

展的第三級總線(如傳感

器總線)，作為設備接入車輛總線。二、列車通信網絡的結構列車通信網絡的結構應遵循ISO/OSI7層模型。列車通信網絡作為局域網，節點功能固定，故只涉及了網絡中的下兩層和應用層。數據鏈路層細分：分為LLC子層

(邏輯鏈路控制)

和MAC子層

(介質存取控制)；MAC子層：處理介質爭用問題，根據拓撲結構采用不同介質訪問方法。LLC子層：屏蔽MAC子層的差異，向上提供統一的接口。列車通信網上的數據量都比較小，不存在路由選擇、順序控制和阻塞控制等問題，比較簡單；但是對實時性、可靠性及網絡構成的實用性要求比較高。列車通信網絡的結構如圖4-2所示。圖4-2列車通信網絡的結構15三、列車通信網絡的功能列車通信網絡將列車上的智能設備連接起來，完成下述功能：(2)

遠程診斷及維護(

3)

旅客信息及舒適性(

1

)

列

車

牽

引

及

車

輛

控

制

(如車門、車燈等的遠程控制)16特

征絞線式列車總線

(

WTB)多功能車輛總線

(

MVB)結構結構可變，構成改變時，具有適應性結構及設備的地址固定不變介質屏蔽雙絞線(860m，32個節點，相當于22個UIC車廂)雙絞線，RS485(20m，32個設備)；變壓器隔離屏蔽雙絞線(200m，32個設備)；星形光纖網(2000m，兩個設備)物理冗余雙層物理層雙層物理層信號帶16~32位前同步碼的曼徹斯特編碼帶定界符的曼徹斯特編碼四、列車通信網絡的兩層結構

連接各車輛的絞線式列車總線(WTB)，列車新編組時可自動配置，通信介質為雙絞線，通信速率為1Mb/s；連接一節車輛內或車輛組各設備的多功能車輛總線(MVB)，經優化具有快響應性，通信介質為雙絞線或光纖，

通信速率為1.5Mb/s。列車通信網絡的特性如表4-1所示。171717表4-1列車通信網絡的特性特

征絞線式列車總線

(

WTB)多功能車輛總線

(

MVB)信號速率1Mb/s1.5Mb/s地址空間8bit地址12bit地址物理地址點對點及廣播點對點及廣播有效幀長度在4~132個字節之間可變量化的：16、32、64、128、256bit完整性幀FCS-16，幀校驗以及曼徹斯特

編碼IEC60870校驗序列及幀尺寸校驗介質分配由一臺主設備完成由一臺主設備完成主設備權傳送主設備、強主設備或弱設備總線管理器通過令牌傳送成為主設備主設備冗余初運行后，主設備權傳遞給另一節點令牌傳送自動進行主設備權轉換冗余校驗鏈路層服務過程數據

消息數據

監督數據循環偶發循環/偶發源尋址廣播數據點對點或廣播數據用于總線管理的數據四、列車通信網絡的兩層結構

181818任務三絞線式列車總線19

一、

絞線式列車總線的結構絞線式列車總線是一種串行通信總線，主要是為車輛間建立通信連接而設計的。如圖4-3表示了絞線式列車總線的組成。圖4-3WTB拓撲結構u節點可以直接或是通過擴展電纜連到主干電纜上，擴展電纜的長度不受信號反射的限制。u正常運行時，每個節點插入主干電纜

，并連接兩個總線節點。(1)位于總線中間的節點，或中間節點，連接兩個與它連接的總線節點，中間節點自己有被斷開的端接器。(2)位于總線兩端的節點，或端節點，未連接兩個電纜節；有一段是朝向列車中間，另一段是朝向敞開的端部。端節點電氣上用與它連接的端接器來終止兩個總線節點，以減少反射。20WTB在一給定時間內只由一個單一的總線主控制。在總線主控制下，WTB周期性地廣播牽引和列車控制使用的過程數據；也按需發送比較長但不太緊迫的消息數據，如旅客信息、診斷和維護信息。在組成發生改變或節點出現故障時

，總線主權可以轉移。

當列車組成改變時，例如，車輛連掛，WTB自動重新組態，給各節點指定地址和取向、分發新的拓撲等。總線主指示中間位置上的節點連接電纜節，命令末端的端節點插入端接器，這個過程稱為初運行，也就是給每個節點指出它的位置地址和它相對于總線主的取向，于是所有節點認可相同的方向為向前，相同的側面為左側，而與運行方向無關。一個節點可同時成為總線主和從節點。雖然總線主只有一個，但多個節點可成為總線主，這樣為總一、

絞線式列車總線的結構

212121線主故障時提供了冗余。

二、絞線式列車總線介質

絞線式列車總線

(WTB)

采用屏蔽雙絞線

，要求有較高的機械連接性能。使用該種介質可以達到

1Mb/s的通信速率，長度為860m，對應22節26m長的UIC列車。這種電纜最多可掛32個節點，因為每個車輛中可有一個以上的節點。

連接方式

由于車輛的取向不可預定，電氣布線通常在車輛的兩個端部斷開。為連接不同的車輛，WTB可以使

用密接式車鉤的連接點

，也可用手動插拔電纜。WTB電纜不能分別連到兩個并行的連接器上，因為開式電纜殘段(一個連接器插好

，而另一個懸掛著)或并行的兩個電纜(兩個連接器都已插好)都會引起電氣上的不連續，所以兩個跨接電纜都應該插好，每一個電纜連接不同的WTB線，這樣自然成為冗余布線。222222每個收發器連在一個能發送和接收幀的通道上，或是主通道，或是輔助通道(兩個通道可以相同)，如圖4-4所示，表明了一個端節點中的開關位置。當總線開關打開時，它不連總線節點，端接開關閉合時插入端接器。方向開關將主通道連到一個

方向，并將輔助通道連到另一個方向。絞線式列車總線介質連接裝置有兩個收發器

，用于前后兩個方向。收發器與線路電氣用變壓器隔離，收發器與曼徹斯特編碼/譯碼器相連。三、絞線式列車總線介質連接裝置

232323絞線式列車總線介質連接裝置用于將網關設備連接到WTB上。圖4-4WTB介質連接裝置四、絞線式列車總線報文絞線式列車總線報文是由一個主幀和一個相應發送的從幀組成的

，如圖4-5所示。總線發送一個主幀，建立一個源從設備與一個或幾個目標從設備間的通信，被選定的從設備用一個從幀響應。主幀和從幀都采用廣播方式被所有節點接收。圖4-5WTB報文24四、絞線式列車總線報文WTB幀的數據采用曼徹斯特信號的反相定義：“1”用位元中間的正跳變表示；“0”用位元中間的

負跳變表示。所有的幀編碼相同，遵守HDLC

(高級數據鏈路控制，ISO/IEC3309)標準報文類型。WTB數據幀如圖4-6所示。圖4-6WTB數據幀25列車總線主設備控制WTB的配置，當列車的組成改變時，即車廂被連掛或解掛時，主設備重新組織總線，這個過程叫作列車初運行。初運行的作用：為所有節點分配唯一的位置地址，并確定列車定向，以便區分左右(如門控制)。初運行結束后，所有節點獲知新構型，總線進入常規操作。主設備的選擇：通常由司機通過特定方式(如插入鑰匙)選擇司機室內的節點作為主設備，該節點編號為01，并最終控制總線。主設備通過交替地向每

個方向發送檢測請求幀來確

定啟動初運行，如圖4-7所示。

下一個從設備將會檢測到主

設備發出的幀，并用一個檢測響應幀作為回答。五、絞線式列車總線初運行

262626圖4-7節點01檢測另一節點五、絞線式列車總線初運行

當主設備檢測到一個方向上的沒命名的從設備的回答后，它把其他通道切換到列車這一端，發送一個命名請求給沒命名的設備，告訴它“你是02號節點”，如圖4-8所示。收到這一命名請求的從節點發送一個響應給主設備，以確認它已接受地址02，然后它把自己的標識設置為02，并打開主設備方向上的主通道。272727圖4-8節點01給節點02命名器將會使總線不能正常工作。像主設備一樣，第2個節點通過輔助通道發送檢測請求幀。第3個節點(如果存在)將發回一個檢測響應給02，然后由節點02向主設備報告檢測到一個沒命名的節點，如圖4-9所示。為實現這一功能，主節點要定期輪詢這一方向的端節點，讀取它們的檢測狀態。五、絞線式列車總線初運行

282828主設備不能直接詢問第3個節點，因為如果不存在第3個節點，閉合總線開關，移走節點02的終端連接圖4-9節點02檢測另一節點，并向節點01報告五、絞線式列車總線初運行如果節點02報告檢測到了一個沒命名的節點，主設備就打開02作為中間節點(閉合總線開關，移走終端連接器，并關閉輔助通道)，這時主設備就可以直接訪問節點03，給它命名，如圖4-10所示。圖4-10節點02拖延總線持續這一交換，直到這方向上的所有節點都被命名。29持續這一交換，直到這方向上的所有節點都被命名。盡管導向車廂可能是推式車廂，這種情況下，由于可能的節點都位于司機室的前方，初運行時接63、

62……給節點命名。當端節點在一定的時延之內不再向主設備報告檢測到其他節點時，主設備認為檢測到了列車的尾端。但是沒有返回響應并不能安全地識別就是最后一節車廂。例如，下一節車廂可能沒有可操作的列車總線設備。

應用必須用其他方法(打開自動耦合開關、

人工開關)來識別列車的末尾。另外，我們還希望司機對列車組成部分的完整性進行檢查。當兩個方向的節點都被命名之后，主設備把構型發送給各從設備，構型中包括每個已命名的節點的描述符。在收到構型之前，節點不能參與常規操作，這是因為節點需要用構型對收到的幀解碼。在常規操作時，端節點周期性地向列車末端發送檢測請求來檢測列車的長度。當端節點報告列車的組成改變時，如果條件允許(例如，車速<5km/h)，主設備將重新啟動初運行過程。五、絞線式列車總線初運行

303030對于作用非常重要的從節點也可

冗余。雙線接入同一節點易產生共模故障，只有完全冗余配置，才能提升

可靠性。對于依賴于強節點的應用，有必

要指定其他的節點作為待機強節點，TCN標準沒有包含這一方法，因為它

與應用密切相關，在系統設計時由用戶確定。沖突，總線恢復時間取決于節點數。WTB

未推薦強總線主冗余，可采

用在線總線主搭配待機總線主：兩者物

理分離、同步通信。待機總線主與主節點性能一致、不發送幀，實時監測主節點，主節點失效后自動接管。式列車主冗余多總線主冗余結構可在單一設備故障時不影響其他設備工作。弱總線主可在初運行后選定新總線主：各節點監測總線狀態，主總線主失效或線路中斷時，節點消名，超時后轉為弱總線主并命名其他節點。超時按節點地址設定，避免同時搶占、減少六、絞線式列車總線主冗余絞線總線31任務四多功能車輛總線32多功能車輛總線

(

MVB)多功能車輛總線

(

MVB)

是特定用于連接同車廂或不同車廂

(這些車廂在運行過程中是一個固定不變的編組)

的設備到列車通信網絡的總線。它既提供了可編程設備之間的互聯，也提供可編程設備與其傳感器和執行機構之間的互聯。MVB能尋址至4095個設備，其中有256個是能參與消息通信的站。(3)

監督數據傳輸事件分解、主設備權傳送、設備狀態等數據。(

1)

過程數據周期小于1ms的源尋址數據的周期性廣播。MVB傳送三類數據(2)

消息數據按需求、目的尋址的單播或廣播。過程數據消息數據監督

數據33u2000m以內采用光纖介質(OGF)，采用點對點或星形耦連接。光纖介質推薦用于有高電磁輻射的區域，通常有一個以有

源或無源星形耦合器為中心的星形拓撲，當設備數量少到足以采用有源或無源的光纖抽頭時，光纖介質亦可按總線數設置。u200m以內采用電氣中距離介質(EMD)，每段最多支持32個設備，采用屏蔽雙絞線和變壓器作為電氣隔離，允許使用標準的IEC1158-2變壓器和收發器。

一、

多功能車輛總線傳輸介質

MVB可采用三種不同的物理介質

，它們都在相同的速度下工作。343434u20m以內采用電氣短距離介質(ESD)，這種介質基于采用RS485傳送的差動收發器，在發送器和接收器之間無須電隔離，因而適用于封閉小室內。01

電氣短距離介質02

電氣中距離介質03

光纖介質

一、

多功能車輛總線傳輸介質

一個MVB結構應該包括一個或多個總線段

，總線段可由上述3種介質構成。

各總線段必須經由耦合器相互連接：采用連接不同介質的中繼器，或將光纖匯入總線的星形耦合器。3535354.

三種介質之間的耦合關系一個MVB網絡結構可以由一個或者多個總線段組成，總線段的介質可以是上述介質中的任意一種。如圖4-12所示，三種MVB介質具有相同的通信協議及傳輸速率，但由于介質的電氣特性不同

，各總線段的互聯必須有連接設備的耦合：一類是中

繼器，主要用來連接兩種電氣特性不同的電氣介質；另一類是光電耦合器，主要是用于將光纖介質匯入電氣介質。圖4-12含三種介質的MVB結構總線訪問每個設備，由專用的總線通信控制器控制。總線通信控制器通過發送器和接收器附掛到兩個冗余的線路上。

MVB通信控制器包含編碼器和譯碼器

，以及控制通信存儲器

(Traffie

Store)

的控制邏輯。

總線通信控制器對到達的幀進行譯碼并尋址相應的通信存儲器，同時也能讀設備狀態寄存器。2.

設備分類(

1)

1類設備：此類設備具有被動發送設備狀態和過程數據的能力。如圖4-13所示，它們不參與消息數據通信，不需要微處理器，數據的收發僅由通信控制器完成。1類設備可以連接一些簡單的傳感器或執行

機構，應用形式為列車通信網絡中的數字量輸入模塊

(

DIMe)。MVB設備根據參與數據通信、

處理的能力

，

可分為以下幾個類別：

1類設備、

2類設備、

3類設備、

4類設備、

5類設備、

0類設備。二、多功能車輛總線設備

3636361.

總線控制器圖4-131類設備(3)

3類設備：此類設備具有接收和發送設備狀態、過程數據和消息數據的能力，它比2類設備多了一個用戶可編程能力。3類設備在列車通信網絡中的應用

形式為牽引控制模塊(DCU)、制動控制模塊 (BCU)、車門控制模塊(EDCU)及輔助控制模塊 (SIV)等。(2)

2類設備：此類設備具有接收和發送設備狀態、過程數據和消息數據的能力。如圖4-14所示，設備配備了處理器，可以參與消息通信。2類設備在列車通

信網絡中的應用形式為模擬量輸入輸出模塊

(AXMe)、數字量輸入輸出模塊(DXMe)。二、多功能車輛總線設備圖4-142類和3類設備37(4)

4類設備：此類設備具有接收和發送設備狀態、過程數據和消息數據以及總線管理的能力。它可以讀取其他設備的設備狀態、地址配置情況、監視過程數據傳輸。如圖4-15所示，4類設備在列車通信網絡中的應用形式為車輛控制模塊(VCMe)、事件記錄模塊(EDRM)。(6)

0類設備：不屬于嚴格意義上的MVB設備，因為它們不參與MVB的數據通信、處理等。中繼器和星形耦合器屬于這一類，中繼器在MVB通信段中起到數據轉發及信號放大的功能。(

5)

5類設備：