1、任务1列车网络控制系统任务目标1.了解计算机网络的定义、组成与功能。2.了解数据通信系统的组成、数据传输的方式。3.掌握列车网络控制系统的结构与功能。4.掌握列车通信网络的功能及特点。1任务重点在列车上，位于车厢不同位置的设备可以通过计算机控制网络实时接受司机发出的控制指令，并且司机可以通过计算机控制网络监视设备的状态和故障信息，在这一过程中主要涉及计算机网络、数据通信等技术。通过本任务的学习，主要掌握城市轨道交通列车网络控制系统与通信网络的结构和功能。知识准备计算机二进制、现场总线技术。知识描述(1)计算机网络概述21)计算机网络的定义计算机网络是指利用通信线路和通信设备，把分布在不同地理位
2、置、具有独立功能的多台计算机系统、终端及其附属设备互相连接，以功能完善的网络软件(网络操作系统和网络通信协议等)实现资源共享和网络通信的计算机系统的集合，它是计算机技术和通信技术相结合的产物。2)计算机网络的功能资源共享。所谓资源共享就是共享网络上的硬件资源、软件资源和信息资源。A.硬件资源。计算机网络的主要功能之一就是共享硬件资源，即连接在网络上的用户可以共享使用网络上的各种不同类型的硬件设备。B.软件资源。互联网上有极为丰富的软件资源，可以让大家共享。共享软件允许多个用户同时调用服务器的各种软件资源，并且保3持数据的完整性和统一性。用户可以通过使用各种类型的网络应用软件，共享远程服务器上的
3、软件资源;也可通过一些网络应用程序，将共享软件下载到本机使用。C.信息资源。信息是一种非常重要和宝贵的资源。用户可以共享这些信息资源，可以在任何时间以任何形式去搜索、访问、浏览和获取这些信息资源。通信功能。组建计算机网络的主要目的就是为了使分布在不同地理位置的计算机用户能够相互通信、交流信息和共享资源。计算机网络中的计算机与计算机之间或计算机与终端之间，可以快速可靠地相互传递各种信息。利用网络的通信功能，人们可以进行各种远程通信，实现各种网络上的应用。其他功能。通过计算机网络实现的备份技术可以提高计算机系统的可靠性。43)计算机网络的系统组成根据网络的定义，一个典型的计算机网络主要由计算机系统
4、、数据通信系统、网络软件及网络协议3大部分组成。计算机系统是网络的基本模块，为网络内的其他计算机提供共享资源;数据通信系统是连接网络基本模块的桥梁，它提供各种连接技术和信息交换技术;网络软件是网络的组织者和管理者，在网络协议的支持下，为网络用户提供各种服务。计算机系统。主要完成数据信息的收集、存储、处理和输出，提供各种网络资源。数据通信系统。主要由通信控制处理机、传输介质和网络连接设备组成。5同步3部分组成。语法指数据与控制信息的结构或格式;语义指需要发出何种控制信息，完成何种动作以及作出何种应答。同步指事件实现顺序的详细说明。4)计算机网络的分类根据不同的分类标准，可对计算机网络作出不同的分
5、类。按照网络覆盖的地理范围分类，可将计算机网络分为局域网、城域网、广域网3种。按照网络的传输技术，可将网络分为广播式网络和点到点网络。按照传输介质的不同，可将网络分为有线和无线两大类。按照拓扑结构的不同可将网络划分为总线型、星型、环型、混合型网络等。网络软件及网络协议。软件一方面授权用户对网络资源的访问，帮助用户方便、安全的使用网络;另一方面管理和调度网络资源，提供网络通信和用户所需的各种网络服务。网络协议主要由语法、语义、6据转换成相应的数字信号进行传输。模拟通信系统。以模拟信号进行通信的方式称为模拟通信，实现模拟通信的通信系统称为模拟通信系统：传统的电话、广播、电视等系统都属于模拟通信系统
6、，模拟通信系统的模型如图1.1所示。(2)数据通信基础1)通信系统的基本组成通信系统是传递信息所需的一切技术设备和信道的总和，通信的目的是传送信息。为了使信息在信道中传送，首先应将信息表示成模拟数据或数字数据，然后将模拟数据转换成相应的模拟信号或数字数7图1.1模拟通信系统模型模拟通信系统通常由信源、调制器、信道、解调器、信宿以及噪声源组成。信源所产生的原始模拟信号一般都要经过调制后再通过信道传输。到达信宿后，再通过解调器将信号解调出来。数字通信系统。用数字信号作为载体来传输信息或用数字信号对载波进行数字调制后再传输的通信方式称为数字通信，实现数字通信的通信系统称为数字通信系统。计算机通信、数
7、字电话以及数字电视系统都属于数字通信系统。数字通信系统的模型如图1.2所示。8图1.2数字通信系统模型数字通信系统通常由信源、编码器、信道、解码器、信宿以及噪声源组成，发送端和接收端之间还有时钟同步系统。时钟同步是数字通信系统的一个不可缺少的部分，为了保证接收端正确地接收数据，发送端与接收端必须有各自的发送时钟和接收时钟，接收端的接收时钟必须与发送端的发送时钟保持同步。2)数据编码与调制技术数据编码类型。模拟数据和数字数据都可以用模拟信号或数字信号来表示和传输。在一定条件下，可将模拟信号编码成数字信号，或将数字信号编码成模拟信号。其编码类型有4种，如图1.3所示。9图1.3数据编码类型10(A
8、SK)、移频键控(FSK)和移相键控(PSK)。数据的编码技术。若模拟数据或数字数据采用数字信号传输，须采用编码技术。A.模拟数据的编码。常用的一种方法称为脉冲编码调制(PulseCode Modulation， PCM)技术。采用脉冲编码调制把模拟信号数字化的3个步骤如下。a.采样：以采样频率把模拟信号的值采出，如图1.4所示。数据调制技术。若模拟数据或数字数据采用模拟信号传输，须采用调制解调技术。A.模拟数据的调制。模拟数据的基本调制技术主要有调幅、调频和调相。B.数字数据的调制。数字数据的基本调制技术主要有移幅键控11图1.4采样b.量化：使连续模拟信号变为时间轴上的离散值。比如在图1.
9、5中采用8个量化级，每个采样值用3位二进制表示。12图1.5量化c.编码：将离散值变成一定位数的二进制码，如图1.6所示。13图1.6编码14示。串行数据传输的速度要比并行传输慢得多，但对于覆盖极其广阔的公用电话系统来说具有更大的现实意义。B.数字数据的编码。数字信号可直接采用基带传输。基带传输就是在线路中直接传送数字信号的电脉冲，是一种最简单的传输方式，近距离通信的局域网都采用基带传输。3)数据传输的方式在数字通信中，按每次传送的数据位数，传输方式可分为串行通信和并行通信两种。串行通信。串行通信传输时，数据是一位一位地在通信线路上传输的。这时先由计算机内的发送设备，将几位并行数据经并串转换硬
10、件转换成串行方式，再逐位传输到达接收站的设备中，并在接收端将数据从串行方式重新转换成并行方式，以供接收方使用，如图1.7所15图1.7串行通信并行通信。并行通信传输中有多个数据位，同时在两个设备之间传输。发送设备将这些数据位通过对应的数据线传送给接收设备，还可附加一位数据校验位，如图1.8所示。接收设备可同时接收到这些数据，不需要作任何变换就可直接使用。并行方式主要用于近距离通信。16图1.8并行通信17送数据，另一方接收数据，如图1.9所示。无线电广播、传统的模拟电视都属于单工通信。4)串行通信数据传输方式在串行通信中，按照数据在通信线路上的传输方向，可分为单工通信、半双工通信和全双工通信。
11、单工通信。是指数据信号仅允许沿一个方向传输，即由一方发图1.9单工通信18半双工通信。是指通信双方都能接收或发送，但不能同时接收和发送的通信方式。在这种传送方式中，通信双方只能轮流地进行发送和接收，即A站发送，B站接收;或B站发送，A站接收，如图1.10所示。图1.10半双工通信19全双工通信。是指通信双方在同一时刻可以同时进行发送和接收数据，如图1.11所示。双工需要两条传输线。目前，在计算机网络通信系统中就是采用全双工通信的，如电话机。图1.11全双工通信20(3)网络控制系统概述1)网络控制系统的概念网络控制系统又被称为基于网络的控制系统，它是一种完全网络化、分布化的控制系统，是通过网络
12、构成闭环的反馈控制系统。狭义的网络控制系统是以网络为基础，实现传感器、控制器和执行器等系统各部件之间的信息交换，从而实现资源的共享、远程检测与控制。广义的网络控制系统不但包括狭义的网络控制系统，还包括通过Internet、企业信息网络以及企业内部网络，实现对工厂车间、生产线以及工程现场设备的远程控制、信息传输、信息管理以及信息分析等。典型的网络控制系统如图1.12所示。21图1.12典型的网络控制系统222)网络控制系统的组成结构及层次模型网络控制系统一般由3个部分组成，即控制器、被控对象以及通信网络，被控对象一般为连续系统，而控制器一般采用离散系统。被控对象的输出通过传感器采样的方式离散化并
13、通过网络发送到控制的输入端。控制器进行运算后，将输出通过网络发送到被控对象的输入端，并由保持器生成分段连续函数作为连续系统的输入。常见的网络控制系统结构有径直结构和分层结构，如图1.13所示。23图1.13网络系统的径直与分层结构24感器测量数据传给主控制器。网络控制系统的层次模型如图1.14所示。在径直结构中，控制器将传感器等检测装置从现场检测到的实际参数和预定的期望参数值进行比较计算，得出相应的控制结构后，输出到执行器，作用于被控对象。在分层结构中，主控制器将计算好的参考控制信号通过网络发送给远程控制系统，远程控制器根据参考信号执行本地闭环控制，并将传251.14 网络控制系统层次模型设备
14、层。设备层中的设备种类繁多，有智能传感器、启动器、驱动器、I/O部件、变送器、变换器等。设备的多样性要求设备层满足开放性要求，各厂商遵循公认的标准，保证产品满足标准化。来自不同厂家的设备在功能上可用相同功能的同类设备互换、实现可互换性;来自不同厂家的设备可相互通信，并可以在多个厂家的环境中完成功能，实现可互操作性。自动化层。自动化层实现控制系统的网络化，控制网络遵循开放的体系结构与协议。对设备层的开放性，允许符合开放标准的设备方便接入;对信息化层的开放性，允许与信息化层互联、互通、互操作。信息化层。信息化层已较好地实现了开放性策略，各类局域网满足IEEE802标准，信息网络的互联遵循TCP/I
15、P协议。信息网络的开放性为实现控制网络与信息网络的集成提供了有力支持。263)控制网络的特点传统控制系统与网络控制系统的比较。传统控制系统采用一对一的设备连线，按控制回路的信号传递需要连线。位于现场的测量变送器与位于控制室的控制器之间，控制器与位于现场的执行器、开关、电动机之间均为一对一的物理连接。网络化控制系统则借助网络在传感器、控制器、执行器各单元之间传递信息，通过网络连接形成控制系统。如图1.15所示为网络控制系统与传统控制系统的结构比较。由图可知，网络控制系统中，网络化的连接方式简化了控制系统各部分之间的连接关系，为系统设计、维护带来许多方便。27图1.15网络化控制系统与传统控制系统
16、的结构比较28号取代模拟信号在数字网络上的传输，实现控制设备间的数字化互联。b.互操作性。不同厂商之间的产品可以在同一网络中相互兼容、通信，从而减小中间环节的信息处理设备，降低控制成本。c.开放性。系统扩展容易，增加或减少节点比较简单、维护性强。d.节点智能化。很多节点都是带有CPU的智能终端，能够记录、处理数据，节点之间通过网络实现信息传输和功能协调。e.控制现场化和功能分散化。网络化结构使原先由中央控制器实现的任务下放到智能化现场上执行，从而提高了系统的可靠性和安全性。网络控制系统的优缺点。A.网络控制的优点在于：a.能以较小的信息传输代价实现远程操作和远程控制，用数字信29B.网络控制的
17、问题主要有：a.定常性的丧失。数据到达时刻不再是定常和有规则，不能用简单的采样时间来刻画。b.完整性的丧失。由于数据在传输中可能发生丢失和出错，数据不再是完整的。c.因果性的丧失。由于网络传输时间的不确定，先产生的数据可以迟于后产生的数据到达远程控制系统。因此，数据到达的次序不再遵守因果关系。d.确定性的丧失。由于数据到达的随机性，整个控制系统已不再是一个确定的系统。30(4)列车网络控制系统概述列车网络控制系统是列车的核心部件，它包括以实现各功能控制为目标的单元控制机、实现车辆控制的车辆控制机和实现信息交换的通信网络。列车网络系统的发展过程从系统功能来看经历了由单一的牵引控制到车辆(列车)控
18、制，再到现在已经进入分布式控制系统的发展阶段。目前列车网络控制系统的功能主要包括：牵引控制，即牵引特性曲线的实现和牵引功能的优化;列车牵引黏着控制，使列车在各种运用条件下，都能保持轮轨间的牵引力，并尽可能地使机车运用在轮轨间的牵引力实现最大化;并联和电路的连接，即逻辑控制功能;列车运行过程中的故障信息处理，即进行故障信息的采集、处理、传输、显示和记录，并为列车乘务提供故障的现场处理和排除信息的提示;提供列车运行的状态信息。31(5)我国城市轨道交通列车网络控制系统的应用1)MITRAC系统MITRAC系统是Bombardier(庞巴迪)公司的系列产品，包括MIT-RACTC(牵引逆变器)、MI
19、TRACCC(列车控制系统)、MITRACAU(辅助逆变器)MITRACDR(牵引驱动器)。公司为了适应不同用户，推出了MITRAC500系、1000系、3000系。500系主要用于城际有轨列车;1000系主要用于高速及地铁列车;3000系主要用于大功率机车。在广州地铁2号线、深圳地铁1号线一期庞巴迪地铁车辆中就使用了该系统。32MITRACCC主要特点：符合各国际标准(EN50155车辆上的电子设备标准;ENV50121-3-2：铁路应用电磁兼容性的标准;ENV50204：数字无线电话电磁场辐射标准;IEC61375-1：列车通信网络标准;IEEE1473：1999中关于列车通信协议标准;U
20、IC556/557列车中信息传输的诊断标准)，具有开放接口。33该系统器件结构紧凑，电源直接由列车蓄电池供电，可以实现分布式安装且不需要额外的加热或制冷，器件配线最少，质量显著降低。用线少，通过冗余增强系统的可用性，传感器的短距离连接和I/O设备接口减少了冲突。可测性和模块化使系统配置离火，并可兼容和连接以前不同的列车控制系统。该系统具有自诊断功能。诊断功能组合在监控系统中，通过数据可视化的远程交付式诊断、车辆跟踪详细目录、GPS系统、货物跟踪、旅客载量数据等方式，进行实时监控和故障诊断，提高了应用的可靠性。34如GSM/R和无线局域网。因特网和企业互联网作为客户端的访问介质，通过MVB或其他
21、的通信方式连接车辆通信系统。国外先进的MITRACCC系统可通过提供连接到运行车辆上的数据来实现远程维护，增强维护服务质量;并允许诊断和操作数据直接通过因特网传递给列车系统的操作者。系统使用开放标准，如移动电话、无线局域网以及因特网相关的通信协议。提供MITRACCC远程控制平台。MITRACCC远程平台使用互联网技术和移动通信，结合庞巴迪公司的铁路专用技术，开发出新技术以降低维护成本，推进整个系统的可靠性。MITRACCC远程平台提供多种服务，通过标准接口访问车辆。由于服务本身来源不同的厂商，该远程平台不接受未经授权的厂商的访问，同时保证在线的控制通信系统不冲突。支持远程无线数据恢复系统。系
22、统可支持轨旁无线系统通信，35或光纤，列车上所有MITRACCC器件都连在一个网络上，从而可以交换程序和诊断数据，很容易增加新的设备。在MITRAC中没有控制柜和机箱，而是各个控制单元或I/O单元均自成一体封装在一个具有较好的电池兼容性能的机壳中。每个车体均有自己的电源和车辆总线接口。如图1.16是广州地铁2号线列车MITRACCC的微机控制系总体框架。MITRAC列车控制通信系统的核心是TCN(列车通信网络)标准，允许不同用户之间的互操作。交换信息使用的传输介质为屏蔽双绞线36图1.16广州地铁2号线列车MITRACCC的微机控制系总体框架37如图1.16所示的列车微机控制系统由列车总线和多
23、功能车辆总线两部分组成，它们在关键区域提供冗余，即WTB或MVB中的单点故障不会导致列车运行停止。列车控制分为列车控制级、车辆控制级以及子系统控制级3级(包括牵引控制、气制动控制、辅助电源控制、门控制、空调控制、乘客信息控制等)。列车控制级上的WTB通过安装在每个单元的VTCU中的大功率网关与MVB相连，进行数据交换。列车控制级和车辆控制级与每个3节车单元的VTCU构成一个整体，执行如下的主要功能：通过WTB进行列车控制;总线管理和过程数据的通信;监督和诊断;通过MVB在各个子系统之间进行通信;提供与外部PC机之间的服务端口等。各部分功能如下：38列车总线(WTB)与多功能车辆总线。列车总线(
24、硬线连接总线WTB)连接着两个3单元的VTCU，两个VTCU之间通过WTB进行通信。多功能车辆总线MVB与车辆及列车控制单元VTCU直接连接。VTCU包括多功能车辆总线控制器、大容量的事件记录器等，可以对车辆总线通信进行管理。VTCU通过MVB与车辆所有子控制系统进行数据交换，实现列车控制和车辆控制，车辆控制级，子系统控制级，以及本车与同一单元的其他车之间通过本地车辆总线进行通信和数据传输。车辆及列车控制单元VTCU。车辆及列车控制单元VTCU为带集成诊断功能和控制功能的车辆与列车控制装置，每三节车拥有一个VTCU，作为总线管理主机，它是一个带有32位数字处理器，8MB内存的微机控制单元，还包
25、含静态电池缓冲RAM、串行接口、独立电源。39列车管理系统(TMS)。它是以VTCU为核心的一个列车控制系统，是列车微机控制和网络系统的重要组成部分。它由列车控制级的多台计算机系统和一些专门开发的高处理速度的微机组成。TMS负责列车的控制、监控和诊断，该系统可以为列车子系统控制和模块提供各种实时控制信号。列车故障诊断(VTCU)。通过列车微机控制和网络系统接受从各个子控制系统或I-O控制单元传来的故障报告，并附带所选者的环境数据和相应的时间参数。所有列车运行所需的关键的诊断信息则是通过安装在驾驶室驾驶台上的TFT液晶彩色触摸式显示器来显示。显示器的内容有中、英文显示，对不同的使用者设置了不同的
26、权限，分为驾驶模式界面和检修模式界面。列车故障诊断系统对所有重要的故障信息的记录均给出了跟踪数据，并通过分析数据能显示出连续的牵引、制动曲线图形，对于每个直接连接到MVB总线上的子控制单元，均要求诊断系统能诊断并显示到最小可更换部件的故障。402)AGATE系统AGATE系统及其结构。AGATE系统是Alstom公司开发的列车控制系统。AGATE系统主要由AGATE Link(列车监控)、AGATE Aux(辅助控制)、AGATE Traction(牵引控制)和AGATEe-Media(乘客信息系统)4个部分组成。AGATE Traction系统主要是实现实时的机车牵引控制和产生制动命令。其主
27、要特点是模块化设计实现安全快速的操作;主要功能的子装配系统标准化;采用World-FIP总线网络，实现和主要数据网络(TCN，CAN，FIP，LON)的通信网关;具有自测试功能;使用EASYPLUG技术;包含了最新技术FPGA器件和PCI总线接口。AGATE Aux系统主要是实现对列车上静态逆变器和电池充电的控制，其主要特点是结构紧凑、模块化、低成本、低噪声和快速保护等。AGATEe-Media主要是在列车运行中，提供实时的多媒体信息和休闲娱乐，为乘客提供便利性和舒适性，同时还可以作为一种高效广告41媒体，能带来新收益。AGATEe-Media主要功能有：系统用发音系统自动报站，并在屏幕上以有
28、色信息显示，具有动力学线路地图，也可以显示广告和新闻。当系统突然中断或意外情况发生时，优先直接向乘客广播实时信息。AGATE Link是在线管理和监视列车的电子模块，是整列车辆维护的有效工具。通过监视列车各子系统的运行状况来提供迅速准确的列车故障诊断，从而减少了检查时间和成本，缩短了停工维护时间。AG-ATE Link的突出特点是改善了列车生命周期成本(LCC)。AGATELink可根据应用需要对基本部件进行组合，如远程输出模块、司机控制台、GIS定位模块、无线电数据传输模块和在线通信网络，系统易于扩展。AGATE系统的控制网络WorldFip总线是从Fip总线发展而来的。Fip总线是一种面向
29、工业控制的通信网络，其主要特点可归纳为实时性、同步性、可靠性。WorldFip的设计思想是：按一定的时序，为每个信息生产者分配一个固定的时段，通过总线仲裁器逐个呼叫每个生产者，42如果该生产者已经上网，应在规定时间内应答。生产者提供必要的信息，同时提供一个状态字，说明这一信息是最新生产的还是过去传送过的旧信息。消费者接收到信息时，可根据状态字判断信息的价值。AGATE系统采用World Fip总线完整地实现了列车控制的所有功能。TIMS管理系统及其结构。TIMS是基于AGATE系列，通过数据处理网络连接的产品。TIMS收集来自与它连接的设备的故障信息，并且通过驾驶显示单元提供信息给驾驶员和维护
30、人员，它能记录故障、综合故障以及记录设备状态。TIMS具备操作帮助、维护帮助、事件记录管理、旅客信息触发(音频和视频)的功能。FIP数据网络是TIMS的核心，它们根据等级结构配置分为：列车网络和车辆网络两种。FIP列车网络连接列车的两个MPU以确保在每个车辆组之间进行数据通信。MPU控制列车网络和定义信息流动。ACE，BCE，PCE都是与FIP数据网络连接，但它们不在TIMS范围内。43 车辆设备直接连接每个车辆网络：MPU，运行主要的TIMS软件应用程序和支配FIP车辆网络上的通信;DDU，人机界面，通过交互式的入口来运行和维护TIMS的功能;RIOM，局部安装在每一节车上，提供二进制I/O
31、接口和标准的RS485串行通信口;PCE(牵引)，安装在动车C和B上，通过FIP连接的通信被限于监测功能;BCE(制动)，安装在每节车上，在A车上的BCE也控制压缩机设备，通过FIP连接的通信被限于监测功能;ACE(辅助)，通过FIP连接的通信被限于监测功能。TIMS设备的FIP地址通过数字插头或低压二进制输入组合来定义。为了优化单元之间的电缆长度，FIP网络电缆线路由双绞屏蔽线构成(120阻抗)，FIP列车网络布设在整个列车并连接两个MPU。该网络没有连接其他设备，FIP车辆网络受限于车辆组的长度，它连接总线上的设备。44反馈响应，为了知道在RIOM与设备之间的通信是否中断，相互检查功能是否
32、可用。经串行通信口交换MPU通过列车网络初始化，在应用软件的每个循环，MPU通过RIOM发送一个请求询问串行通信口。连接到串行通信口的每个单元都有唯一的地址。此外，相同类型的设备和有相同功能性的设备都分享相同的组地址。设计此原理是为了保持信息在网络上不断地传输，从而避免在紧要的时候出现传输高峰。常见的信息包括所有故障状态信息，并能够被传送到驾驶室。如图1.17所示为列车TIMS结构。TIMS管理系统的组成及功能。与外围设备的串行通信口通信由RIOMS通过系统软件提供，设备变量通过相同的RS485串行通信口连接，串行网络接口元件是智能的，它们处理协议、编码、译码、传输、接收和故障检查。串行通信口
33、交换数据是建立在主/从机制上：RIOM在串行通信口上发送一个请求(设备地址标志)，设备(与地址标志一致)45图1.17列车TIMS结构463)TIS信息系统TIS信息系统是日本新干线各型列车上装备的信息控制与传输系统。TIS信息系统由列车通信网络、各车厢通信网和功能单元控制机组成。在各车厢内设有一终端站，它是列车通信网上的节点，也是本车厢信息传输的主站，各车厢内的功能单元的信息均通过这个终端站向列车通信网络发送或从列车通信网接收信息。新干线列车编组是以24节车厢组成一个车组单元为基础的，在一个车组单元内，由牵引制动控制系统、辅助电源、车门空调控制、变压器及信息子系统等相对独立的子系统构成对车组
34、单元的完备控制。当列车根据需要由多个车组单元构成列车编组时，这些相对独立的子系统，通过一定的信息传输手段连成一个完整的列车控制系统。47此在日本新干线及既有线铁路列车上有二重直通线的方式、控制命令用二重直通线、列车总线和车厢总线方式3种应用形式。TIS系统具有以下功能：驾驶员操作向导。指导列车正确、正点运行，并显示列车运行图。向驾驶员指示设备的工作信息，在异常情况下，给出操作指南以及简单的检查程序，能进行出库检查。乘务员操作功能。乘务员可以通过TIS的终端设定车厢的空调温度，异常情况下能发出警报;还可通过TIS查询客车情况，并作出处理。维修支持功能。能自动检测各功能单元的运行情况，调阅各设备的
35、故障记录，作出故障分析，搜集、记录运行数据，为检修提供依据。旅客服务功能。向旅客提供各种信息，如到站和前方站、运行时刻表等。TIS系统网络的基本结构有两种：一种结构是车厢内的终端只传输TIS系统的信息;另一种结构是节点既传输信息又传输控制命令，因48运用。控制命令包括牵引动力、制动、门控与空调、照明、辅助电源、受电弓、蓄电池开闭等。随着TIS系统功能的增强，它在列车控制系统中的作用越来越重要，已成为新干线列车系统中不可缺少和不可替代的一个重要组成部分。TIS系统在列车运行、检修和故障诊断中的作用越来越大，有关人员对其依赖性也越来越强，维修基地的工作人员基本都是按TIS系统的检查测试结果来检修控
36、制系统及各功能单元的故障，而TIS系统本身的可靠性也很高，很少有故障发生。如图1.18所示为列车TIS系统结构示意图。控制命令传送。该功能只有在最新的700系列车上才有完全的49图1.18TIS系统结构示意图50信而设计的一套车载计算机系统，它控制并监视着整个列车。包括车载硬件、操作系统、控制软件、诊断软件、监视软件和维护工具。DTECS是一个分布式控制系统，它分布于整个列车的各个智能单元。这些单元可分别安装于车下设备箱、驾驶台或车厢内的电器柜中。这种系统的最大和最重要的优点是：显著减少各箱柜之间的连线，并方便将来对系统功能的扩展。总线的扩展较简单，只需增加一根连接该单元的电缆线，并更新应用软
37、件就能和新的单元进行通信。系统设备采用模块化设计，其系列产品不仅适用于各种牵引系统的控制，而且适用于列车的控制，也可以用于列车监控系统，如DTECS系统应用于深圳地铁1号线增购车辆中。由于该系统构成的灵活性，可以很方便地适应不同形式的列车编组。4)DETECS系统DTECS系统的概述。DTECS是专为轨道车辆的列车控制和通51中具有电子控制机监控设备的子系统是：列车控制单元、牵引逆变器控制单元、辅助逆变器、驾驶显示器、空调控制系统、门控制系统、制动控制系统。如图1.19所示为DTECS系统在地铁列车上运用的系统结构图。DTECS广泛采用电子控制设备和串行数据通信来代替继电器、接触器和直接硬连线
38、，并且通过网络连接各个子系统的控制设备，能够减少继电器、接触器、列车布线、端子排和连接器连锁的使用。控制系统52图1.19DTECS系统结构图53六辆编组设计。地铁列车控制系统对列车牵引系统、高压电路、辅助电源系统、制动系统、ATC系统、车门及空调等系统进行控制、监视和故障诊断、记录，地铁列车控制系统采用分布式控制技术。列车通信网络遵循IEC61375标准，划分为二级，由贯通全车的列车总线和贯通网络间的协议转换。整个地铁列车控制系统采用先进、成熟和可靠的DTECS控制系统。列车系统构成单元主要有以下几个部分：A.列车控制单元(VTCU)。VTCU位于每个驾驶室内。VTCU管理整个列车网络通信，
39、并监控车辆设备。VTCU包括两套装置，在正常的情况下，系统随机选择一套作为主控设备，另一套为备用。备用设备不间断的监视主控设备状态，当主控设备出现故障时，备用设备将代替主控设备，行使列车中央控制单元的功能，以保障整个列车正常运行。TCC结构。由TECS系统构成的地铁列车控制系统(TCC)按照54B.输入输出单元(DXM，AXM)。通过配置适量的数字量输入输出模块(DXM)和模拟量输入输出模块(AXM)，并就近放置在信号采集场合，完成控制信号的采集和输出。C.总线耦合模块(BCM)。总线耦合单元，实现MVBESD+和EMD的通信介质转换，实现车辆间MVB总线连接。D.驾驶室显示单元(MMI)。M
40、MI显示器位于每个驾驶台，采用符合人机工程学原理设计，以及高分辨率的图形显示，包括一个触摸屏系统。55E.事件记录仪模块(ERM)。ERM装在每个驾驶室里面。ERM自身有闪存FLASH作为存储体来记录列车状态。它可以通过高速以太网将记录数据下载到地面设备或无线传输装置。F.无线传输装置(TSC1)。TSC1装在每个驾驶室里面。TSC1具有GSM、GPRS和802.11B3种无线通信接口，少量的实时信息通过GSM、GPRS传送到地面，大量的记录信息在列车回库后，通过无线网域802.11B传送到地面。G.便携式维护工具(PTU)。PTU包括笔记本电脑和打印机。通过连接PTU和DTECS单元后，记录
41、的数据可从DTECS单元下载到PTU。下载数据可在PTU显示器上显示，也可直接打印。56TCC系统功能。TCC有牵引/制动控制功能，TCC通过车辆总线MVB传输以下信号到DCU和BECU：控制运行方向、牵引信号、制动信号、给定指令参考值和操作工况。同时，也对一些关键信号进行硬连线备份。驾驶员钥匙在“ON”位上时，激活的驾驶室将被设定为主控室，由VTCU中的控制软件来处理。如果同时有两个驾驶员钥匙处在激活位，则车辆必须处在禁止运行状态。来自驾驶控制器的方向选择信号和ATO的牵引/制动参考信号通过置于驾驶台内的AXM单元不同的AI通道读入到VTCU单元，VTCU将其进行处理加工后再传送到牵引逆变器
42、。“备用指令信号1，2”用于备用模式，每一位道标牵引和制动的参考信号。57动控制单元接收到列车线送来的紧急牵引信号后，将根据列车的牵引/制动工况信号和备用指令信号1，2进行牵引和制动，在备用模式下不启用电制动。牵引安全列车线用于表明列车已做好启动前准备，即所有车门均已关闭，所有制动均已缓解，驾驶员钥匙已处在“ON”位。此列车线可直接封锁驱动控制单元DCU输出的触发脉冲。出于系统运行最高完整性的考虑，此部分不含任何软件控制。TCC收到按下驾驶控制器“警惕”按钮信息时，如果在一定的时间内警惕按钮没有按下，列车将自动实施紧急制动。只有驾驶员把驾驶器把手先推到惰行位然后牵引，制动才被解除。紧急牵引按钮
43、被按下时，将启动奔涌驾驶模式。牵引逆变器和制58将来自驾驶控制器或ATO的制动命令传输给BECU和DCU。在可能发挥列车电制动力的基础上，BECU将补充空气制动力，以满足总制动力要求。列车控制系统TCC传输来自驾驶室HSCB闭合开关触发的HSCB合命令。洗车模式控制下列车的速度由一个按钮来实现。这个按钮将处于一直按下的位置直到它再次被按下，一旦按下，速度将保持3km/h。为了提高制动操作的有效性和乘坐的平稳性，列车控制系统TCC与BECU协调进行整个空电联合制动的混合控制。列车控制系统TCC59思考与练习1.计算机网络是如何定义的，其功能是什么?2.数据通信传输有哪几种形式?3.列车网络控制系
44、统有哪些功能和特点?60任务2城市轨道交通列车控制及监控系统任务目标1.理解典型通信网络TCN的构架、特点、硬件与协议。2.理解MVB总线的传输介质与设备分类、WTB总线。3.掌握城市轨道交通列车控制及监控系统拓扑结构。4.掌握列车控制及监控系统各单元模块功能。任务重点列车是通信网络的一个特定的应用对象。列车控制及监控系统采用分布式控制技术，整个列车通信网络划分为3级，由贯通全列车的列车总线、贯通一个车辆单元的车辆总线以及车辆内与部分子部件通信的局部总线组成。61知识准备RS485串行通信。知识描述(1)列车通信网络TCN1)TCN的标准化进程列车是通信网络的一个特定的应用对象。若能把列车通信
45、网络抽象化、标准化、具体化，一方面，可使得列车通信网络的核心技术能够被共享;另一方面，使得不同来源的机车车辆能够在计算机网络的意义上相互灵活地连挂，以及不同来源的车载设备能够在同样的意义下互换，则是很理想的。62题，从而最大限度地降低列车控制系统的研发、生产、运用和维护成本，保证用户的最大利益，1988年，国际电工委员会(IEC)第9技术委员会(TC9)委托来自20多个国家(包括中国、欧洲国家、日本和美国，它们代表了世界范围的主要铁路运用部门和制造厂家)以及国际铁路联盟(UIC)的代表，组成第22工作组(WG22)，共同为铁路设备的数据通信制定一项开放的通信标准，从而使得各种铁道机车车辆能够相
46、互连挂，车上的可编程电子设备能够互换。1992年6月，TC9WG22以委员会草案(Committee Draft，CD)的形式向各国发出列车通信网TCN的征求意见稿。1994年5月至1995年9月，欧洲铁路研究所耗资300万美元，在瑞士的因特拉肯至荷兰的阿姆斯特丹的区段，对由瑞士SBB、德国DB、意大利FS、荷兰NS的车辆编组组成的运营试验列车进行了全面的TCN试验。为了从根本上解决列车以及车载控制设备之间的互操作性的问632002年，我国颁布的铁道部标准TB/T30252002也将其正式确认为列车通信网络标准。2003年，IECTC9又成立了列车通信网络临时工作组(Train Com-Mun
47、ication Network AD Hoc Group，THAG)，专门负责TCN网络在开放性、互操作性改进以及未来发展等方面的研究工作。THAG根据新的用户需求和专家建议，对新的候选总线进行评估，建立了各种车辆总线与列车总线的互联模型，并于2007年年底完成了新版TCN标准文献的开发。1999年6月，TCN标准草案IEC613751正式成为国际标准。64理;2007版的新标准主要补充原标准文献所缺少的网关、过程数据排列(PDM)以及UIC556的通信和应用规范，并引入了诸如World FIP，CANopen， Lon Works，TIMN等车辆总线规范。2)TCN的内容及适用范围TCN标准
48、对列车通信网络的总体结构、连接各车辆的列车总线、连接车辆内部各智能设备的车辆总线及过程数据等内容进行了详细的规定。早期的TCN标准分成5个部分：第1部分为总体结构，包括了术语定义及资料性的概述;第2部分为实施协议;第3部分为多功能车辆总线MVB;第4部分为绞式列车总线WTB;第5部分为列车网络管65该标准适用于开式列车的数据通信，它包括开式列车的车辆与车辆间的数据通信及开式列车中一个车辆内的数据通信。如果供应商与用户协商同意，本标准也可适用于闭式列车及多单元动车。如图1.20(a)所示，如果由一组车辆构成的列车，其组成在正常运行中可以改变，则称为开式列车，如UIC(国际铁路联盟)范围内的过轨列
49、车。如图1.20(b)所示，如果由一组车辆组成的列车，在正常运行中其组成不会改变，则称为闭式列车，如地铁、城郊列车或高速列车组。如图1.20(c)所示，如果由几个闭式列车单元组成，在正常运行中，只有组成列车的单元数量可以改变，而单元内的列车编组数并不改变，则称为多单元动车。66图1.20TCN的应用范围67均由Bombardier、Siemens等公司所垄断，市场上很难以合理的价格自由购买，同时还没有一个真正的非盈利的有影响的用户组织来负责TCN网络的技术培训、一致性测试等技术支持工作，使得TCN网络产品开发的技术门槛很高，从而限制了它的应用范围。3)TCN的网络拓扑结构列车通信网络TCN的基
50、本结构是两条总线组成的三层结构，如图1.21所示。这里需要说明的是，尽管理论上根据IEC标准用户可以完成TCN网络技术的开发，但是，近年来由于总线控制芯片(MVBC)等核心技术68图1.21列车通信网络结构69两条总线是指列车总线WTB (Wire Train Bus)和多功能车辆总线MVB( Multifunction Vehicle Bus)。列车总线WTB连接不同车辆(单元)中的网络节点(网关);车辆总线MVB连接同一车厢或固定车组内部各种可编程终端装置。列车总线和车辆总线是两个独立的通信子网，可采用不同的网络协议，两者之间通过一个列车总线节点(网关)互连。在应用层的不同总线之间通信时，
