动力集中型动车组动力车网络控制系统方案设计与实现

0 引言

动力集中型动车组是一种新型的动车组，由中国中车多家主机厂联合研制，属于“复兴号”动车组系列产品，该型动车组由动力车 / 控制车以及拖车所组成，采用双端车头设计，动力/ 控制车分别置于动车组首尾两端。该型动车组的成功研制，推进了铁路技术装备的升级，提高了铁路产品供给质量，加快了普速铁路的捷运化升级，成为我国新一代普速客车的主力产品。

1 动车组网络控制系统架构

网络控制系统是动车组的神经系统和指挥中枢，主要完成列车通信、重联编组、控制与保护、状态监测、故障诊断与数据记录、人机交互等功能。根据控制功能及被控对象差异，动车组车载网络控制系统分为动力车 / 控制车网络控制系统及拖车网络控制系统，动力车 / 控制车与拖车的通信网络之间设置 MVB/ETH 网关，通过该网关实现动力 / 控制车与拖车之间的数据交互以及控制网与监测信息网的隔离。

（1）动力 / 控制车网络控制系统采用 TCN 二级总线式网络结构，列车级通信网络采用 WTB 总线贯穿全列，WTB 总线通道冗余设计，任一总线通道故障不影响动力车的运行，网关通过 TCN 初运行实现列车级总线的动态编组功能；车辆级网络采用MVB 总线连接同一车辆内的各个子系统，如牵引系统、制动系统等，各子系统通过 MVB 总线通信实现控制指令、状态和故障诊断等信息的传输。

（2）拖车网络控制系统由车辆电气控制单元、行车安全监控系统等子系统所组成，同样采用列车级与车辆级两级网络拓扑结构，列车级网络通信采用以太网，双通信链路冗余，实现拖车电气监控系统以及行车安全监控系统的数据传输及列车级控制功能，车辆级网络通信分别采用以太网及RS232、RS485 等串行总线实现对车厢的供电、空调、轴温、烟火、塞拉门、防滑器等子系统运行状态的监控及控制。

2 动力车网络控制系统

动力车网络控制系统由网关 / 中央控制单元、输入输出单元、故障与事件记录单元、司机室显示单元以及配套的电缆、连接器等组成。

2.1 网关/ 中央控制单元

列车级总线网关作为连接不同列车总线网络的关键设备，具备列车级总线管理、过程数据通信等功能，中央控制单元是网络控制系统的核心设备，具备车辆级总线管理、过程数据通信、整车逻辑控制、状态监测及故障诊断等功能。列车级总线网关与中央控制单元采用一体化设计，采用高性能的 EGWM 模块实现列车以及车辆级总线管理、过程数据通信以及WTB/MVB 过程数据转换功能。EGWM 模块冗余配置，正常工作时均参与列车级过程数据通信，并通过数据中的首选 / 备选网关标识信号对数据进行筛选，确保列车级过程数据的唯一性。

2.2 输入 / 输出单元

输入 / 输出单元是实现物理信号与数字信号交互的关键组件，是网络控制系统的基础组成部分，具备信号采集与输入处理、控制指令输出、电气隔离与安全防护等功能。输入单元采用光耦 / 变压器隔离等技术，通过采集司机操作指令、设备开关状态等外部物理信号，转换成数字信号，经过运算以及逻辑处理后，生成操作被控对象的控制指令，驱动被控对象。输出单元具备过压、过流、短路保护等功能，当外部设备异常时能自动切断输出，保护输出通道及被控对象。为提升控制系统的可靠性，输入 / 输出单元采用信号全冗余设计，影响控制功能的关键信号分别布置于两块不同的物理介质上，当任一输入 / 输出通道故障时，控制系统自动切换至正常的通道，维持动力车控制系统的正常运转。

2.3 故障与事件记录单元

故障与事件记录单元具备故障监测与记录、运行事件记录、数据存储与管理等功能，主要用于实时记录动力车运行过程中的状态以及故障信息，一旦控制系统诊断出相应故障，自动记录故障发生的时间、故障等级以及相关的环境参数，形成完整的运行日志，为设计维护人员分析故障原因、追溯事件过程，优化系统设计参数提供关键支撑。每台动力车配置一个故障与事件记录单元，存储容量根据数据量大小、记录时长等要求进行设计，存储介质需能长时间保存运行数据，确保数据在断电后不丢失。

2.4 司机室显示单元

司机室显示单元具备列车运行状态、设备状态等信息显示、故障报警以及人机交互功能，能实时提示运行工况、关键设备的工作状态，辅助司乘人员掌握动力车的实时运行情况。为确保动力车的运行安全，司机室显示单元采用冗余设计，每台动力车配置两个司机室显示单元，互为热备冗余，正常工作时，1 屏显示牵引信息、2 屏显示制动信息，当任一显示单元发生故障时，可切换至牵引/ 制动合屏页面维持动力车运行。

3 互联互通功能设计

3.1 过程数据协议类型设计

根据列车重联后状态、故障信息互通以及功能互控的总体要求，并基于 WTB 总线传输特性和信号传输的实时性要求，定义统一的过程数据报文类型，以确保列车级控制指令、状态以及故障诊断信息的可靠传输。P1 报文数据由编组中的主控车发出，为控制指令，P2、P3、P4 报文为状态与故障数据，编组中的主控车和从控车均能双向发送与接收，考虑到WTB 总线传输数据帧长度限制，P3、P4 报文采用分时复用传输的策略拓展传输容量。

3.2 主要功能设计

网络控制系统主要实现通信管理、列车重联、运行控制与保护等功能。列车的重联控制通过网关实现，当列车的组成发生变化或者网络控制系统初上电时，网关会在总线通信网络的数据链路层发起 TCN 初运行，TCN初运行完成后，在网络应用层会执行操作初运行功能，以确定节点索引、主控车、列车方向等逻辑控制相关功能属性。

网络控制系统的运行控制功能分为列车级及车辆级的控制功能。列车级控制功能采用主/ 从同步控制方式，主要包含占用端控制、列车方向控制，列车牵引模式转换控制，牵引 / 电制转矩控制，恒速控制，自动换端以及过分相等与列车运行相关的控制功能。车辆级控制涉及动力车内部一些子系统相关的控制，主要包括：高压系统（受电弓升/ 降、主断路器分 / 合、网压网流检测与保护、主变压器保护等），牵引系统（牵引 / 电制工况判定、设定力矩分配、力矩封锁等），辅助系统（辅助系统供电管理、投切控制、频率控制、接触器控制等），低压系统（充电机诊断、蓄电池管理以及欠压保护等），制动系统（制动指令监测与传输、整车逻辑相关的单独制动、停放制动、紧急制动、惩罚制动控制，主/ 辅压缩机控制，空电联合控制，撒砂控制，踏面清扫，坡停启动等）, 安全环路控制等。

4 结语

自该型动车组 2019 年底正式投入运营后，由于其兼具低造价、舒适性高等特点，采购规模逐年扩大，担当的车次越来越多，取代了大部分 Z字头车次和短距离普速车次，市场前景广阔。基于动车组运营过程中提出的车载网络可靠性、故障诊断系统优化提升等需求，未来可在车载信息网络安全、控制与故障诊断智能化方面进一步探索研究，推动车载网络控制技术向更复杂的运用场景延伸。

参考文献：

[1] 陈波 . 国外动力集中动车组网络系统的发展与借鉴 [J]. 铁道机车车辆 ,2019，39(1):7- 14

[2] 中国铁路总公司 .J/JW 115—2018 动力集中动车组动力车互联互通 - 网络初运行及互联互通控制暂行技术要求 [S]. 北京 : 中国铁路总公司 ,2018

[3] 中国铁路总公司 .TJ/JW 116—2018 动力集中动车组动力车互联互通- 网络互联互控功能暂行技术要求[S]. 北京: 中国铁路总公司,2018.

作者一姓名：袁璐；性别：男；出生年月：1984.09 ；籍贯：湖南新化；民族: 汉；最高学历：硕士研究生；目前职称：高级工程师；研究方向：机车车载控制系统。