第3章 列车通信网络《高速列车网络与控制技术》教学课件

《高速列车网络与控制技术》✩精品课件合集列车通信网络第3章TCN（IEC61375）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。

应用TCN标准的列车通信总线（WTB）能实现国际交通用的开式列车中各个车辆的协同操作。车辆内部的数据通信总线（MVB）作为该TCN的推荐方案。在任何情况下，供应商应保证WTB与所建议的车辆总线兼容。

3.1

TCN应用范围

3.1

TCN应用范围列车通信网络（TCN）连接铁路机车车辆上车载可编程设备，其功能如下：

①牵引和机车车辆的控制（遥控、门、灯……）。

②远程诊断及维护。

③旅客信息及舒适性。

3.2

TCN总述

3.2

TCN总述3.3

MVB总线

3.3.1概述

3.3

MVB总线

3.3

MVB总线

3.3.2

MVB物理层

1．电气短距离介质

3.3

MVB总线

2．电气中距离介质

3.3

MVB总线

3．光纤介质

光纤介质推荐用于有高电磁噪音的区域，如机车或动车组上。

像电气介质有总线拓扑一样，光纤介质通常有一个以有源或无源星形耦合器为中心的星形拓扑。当设备数量少到足以能采用有源或无源的光纤抽头时，光纤介质亦可按总线敷设。

3.3

MVB总线

3.3

MVB总线

3.3.3

MVB设备

1．总线控制器

2．MVB设备分类

（1）1类设备

（2）2类和3类设备

3.3

MVB总线

3.3

MVB总线

3.3

MVB总线

3.3.4

MVB的信号表示

所有MVB的介质都工作在统一的1.5

Mbit/s速度下。

数据编码采用曼彻斯特编码，它把数据和时钟组合成一个信号。“1”用位元中间负跳变传送，“0”用位元中间正跳变传送。

3.3

MVB总线

3.3

MVB总线

3.3

MVB总线

3.3.5

MVB帧

MVB有两种类型的帧：

①仅由总线主设备（简称总线主，总线管理器之一）发布的主帧。

②从设备响应主帧而发送的从帧。

3.3

MVB总线

3.3

MVB总线

3.3

MVB总线

2．过程数据报文

3．MVB消息数据报文

4．MVB监视数据报文

3.3.7

MVB端口

3.3

MVB总线

3.3

MVB总线

3.3.8

MVB介质访问

3.3

MVB总线

3.3.9

MVB容错

（1）传送的完整性

（2）故障的独立性

（3）传送的可用性

（4）组态能力

1．介质冗余

2．总线管理器冗余

3．令牌传递的算法

3.3

MVB总线

3.3

MVB总线

3.3

MVB总线

3.3

MVB总线

3.4.1

WTB概述

3.4

WTB总线3.4.2

WTB拓扑

WTB采用总线拓扑，可互联最多32个节点，长度最长至860

m。更长的距离和更多的节点（最多62个）也可以实现。WTB介质是由不同车辆上的电缆链接而成，

3.4

WTB总线

3.4

WTB总线3.4.3

WTB介质

3.4.4

WTB的介质附件

3.4

WTB总线3.4.5

WTB介质备份

即使在列车总线上传送的信息不直接与安全有关，列车总线的故障也能导致列车不能运行。因此可以使用几种冗余级别：总线冗余或节点冗余。WTB采用介质备份方案，即电缆备份，节点不冗余。

节点总是在两路总线上发送，每个节点只从一路总线上接收，但监视另一路总线检测它是否仍在工作。为此译码器发送一“有效数据”信号。

3.4

WTB总线

3.4

WTB总线

3.4.6

WTB信号表示

待发送的数据用曼彻斯特编码，WTB使用曼彻斯特信号的反相定义：“１”用位元中间的正跳变表示，“0”用位元中间的负跳变表示。

3.4

WTB总线

3.4

WTB总线3.4.7

WTB帧

3.4

WTB总线

3.4.8

WTB报文

总线主发送一个主帧建立一个源从设备与一个或几个目标从设备间的通信，被选定的从设备用一个从帧响应。主帧和从帧都采用广播方式被所有节点接收。

3.4

WTB总线1．过程数据报文

2．消息数据报文

3．监视数据报文

3.4

WTB总线

3.4

WTB总线

3.4.9

WTB介质访问

总线主节点负责介质访问，所有其他从节点只有当总线主对其轮询时才响应。

3.4

WTB总线3.4.10

WTB初运行

1．车辆节点地址的指定

2．强节点和弱节点

3．初运行要求

4．初运行涉及的MAU部件

5．正常运行时已命名的列车组成

3.4

WTB总线

3.4

WTB总线6．初运行的起始过程

3.4

WTB总线7．总线主冲突

3.4

WTB总线8．增加新的车辆节点

WTB在每个基本周期中，总线主用存在请求（存在请求）帧轮询一个端节点，该端节点对此以存在响应（存在响应）帧响应。在下一个基本周期中再轮询另一端节点。

如果总线主本身就是一个端节点，它仍会给自己发存在请求，而用存在响应帧响应，这样所有其他节点可以监视它的存在。

3.4

WTB总线

3.4

WTB总线9．总线收缩

当列车编组或列车总线发生分离，不论是预定的还是事故性的，节点或节点组也被分开。由于收缩中断总线，即使应用禁止初运行，总线收缩也将引起初运行。

3.4

WTB总线

3.4.11

WTB总线主冗余

多总线主冗余结构可保证在一个单一设备故障时会妨碍其他设备工作。弱总线主方案允许在初运行后指定一个新的总线主，为此每个节点都监视端节点的存在来监视总线活动，如果没有活动，说明总线主已丢失或线路被中断，节点将自己消名，经过一定超时后，弱节点成为弱总线主并开始对其他节点命名。

3.4

WTB总线

3.4

WTB总线3.5.1列车通信网络服务

实时协议（RealTimeProtocol，RTP）为一个应用与另一个应用在列车通信网络上通信提供协议和服务。这两个应用可以位于不同车辆上、在同一个车辆内或在同一个设备内。

3.5实时协议

3.5实时协议1．周期性通信和偶发性通信

2．被发送的数据

（1）过程数据

（2）消息数据

（3）监视数据

3．变量和消息

3.5实时协议

3.5实时协议3.5.2变量服务

1．过程变量

（1）源寻址广播

（2）端

口

（3）过程数据的介质访问

2．过程控制协议

（1）流量控制

（2）差错恢复

（3）刷新管理

（4）同

步

（5）WTB与MVB的总线差异

3.5实时协议

3.5实时协议3．数据集

由于大部分过程变量的数据项小，把它们组合在同一帧中传送可提高传送效率。通常二进制数据要拼成一组，如16位数据发送，由于列车总线上每个节点源只有一个过程数据帧，组合很有必要，该过程数据帧广播该节点发行的所有过程数据。被发送的过程变量结合形成一个数据集。

3.5实时协议

3.5实时协议4．过程变量的入网

（1）网关操作

（2）具有几个通信存储器的设备

（3）定

时

（4）容

错

3.5实时协议

3.5实时协议5．应用变量接口

（1）单个变量的读写

（2）变量群集

3.5实时协议

3.5实时协议

3.5实时协议3.5.3消息服务

3.5实时协议

3.5实时协议1．消息的链路层

（1）消息链路层协议

（2）消息数据格式

3.5实时协议

3.5实时协议

3.5实时协议2．消息网络层

（1）列车总线寻址

（2）系统观点

3.5实时协议

3.5实时协议3．消息的传送层

传送层从生产者传送一个完整的消息到消费者，传送层把长的消息分段成包的序列，传送协议保证丢失的包可以重新传送，生产者发送包的速率与消费者的消费的速率适配。

3.5实时协议

3.5实时协议4．消息的会话层

5．消息的表示层

6．消息的应用层3.5实时协议TCN的结构遵循OSI模型（ISO/IEC7498-1）。TCN的体系已考虑了ISO的许多标准，特别是ISO/IEC4335（HDLC），ISO/IEC88022，ISO/IEC88023，ISO/IEC88024（局域网），ISO/IEC8473（无连接网络），ISO/IEC8073（面向连接的传送）以及ISO/IEC9072（远程操作）。

3.6

TCN协议与OSI的一致性比较3.7.1网络管理的作用

为便于列车通信网络的测试、调试、运行及维修，列车网络管理（TrainNetworkManagement，TNM）提供了许多服务，如：

•站的标志和控制；

•组态的控制（控制配置）；

•路由选择信息及拓扑的分发；

•过程变量的远程读出和强制。

3.7

TCN网络管理

3.7

TCN网络管理3.7.2被管理对象

TNM有九种特级对象，某些对象可以存在于同一站中一个以上的事例中。但它们可能只是一个站和站中的一个时钟对象。图3.77为被管理对象及它们访问过程的概况。

3.7

TCN网络管理

3.7

TCN网络管理3.8.1

CRH1动车组的通信网络

1．CRH1的通信网络的拓扑

CRH1的列车通信网络（TCN）采用的是Bombardier公司（其并购了原ADtranz公司）的MITRAC系统。

CRH1为5M3T编组形式。根据对CRH1的列车基本单元TBU的划分，整个列车控制管理系统（TCMS）在网络通信上也分成三段MVB总线区段：TBU1段，TBU2段，TBU3段。

3.8

TCN在我国高速动车组上的应用

3.8

TCN在我国高速动车组上的应用2．列车级网络设备及配置

CRH1列车级的网络是以双绞线为物理介质，由网关GW管理的通信速率为1.0

Mbit/s的总线网络，即WTB（WireTrainBus）网络。

（1）中央控制单元（CCU）

（2）网关（GATEWAY）

3.8

TCN在我国高速动车组上的应用

3.8

TCN在我国高速动车组上的应用

3.8

TCN在我国高速动车组上的应用

3.8

TCN在我国高速动车组上的应用

3.8

TCN在我国高速动车组上的应用3．车辆级网络设备及配置

车辆级通信网络结构参见本节前面描述。

（1）中央控制单元（CCU/VCU）

车辆级网络设备的中央控制单元的硬件与列车级网络的情况一样，区别是在通用处理器VCU-Lite上运行不同的软件。

3.8

TCN在我国高速动车组上的应用

3.8

TCN在我国高速动车组上的应用

3.8

TCN在我国高速动车组上的应用（3）牵引控制单元（PCU/DCU）

（4）制动控制单元（BCU）

3.8

TCN在我国高速动车组上的应用

3.8

TCN在我国高速动车组上的应用

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TCN在我国高速动车组上的应用（6）充电机（BC）

充电机在CRH1中就是蓄电池充电模块BCM（BatteryChargerModule），是一个静止的变流装置，其作用是将三相交流电压转变成直流电压，用来向蓄电池充电，并为直流母线提供电能，为其他直流负载供电。

3.8

TCN在我国高速动车组上的应用

3.8

TCN在我国高速动车组上的应用

3.8

TCN在我国高速动车组上的应用①从MVB输入到BCC/I的信号：

②从BCC/I输出到MVB的信号有：

•蓄电池充电器激活；

③充电器的主要技术参数如下：

（7）门控单元（DOOR）

①外门概述：

②外门的检测及应急装置：

（8）空调控制单元（HVAC）

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TCN在我国高速动车组上的应用

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TCN在我国高速动车组上的应用（9）其他网络接口设备（RIOM/DX/AX/KLIP/COMPACTIO）

①

AXS（RemoteAccess）远程访问单元用于列车上的TCMS和地面站点之间无线通信（GSM），AXS硬件由一个VCU-Lite和一个安装在VCU-Lite顶部的GSM无线电设备（包括无线电和天线）组成。

②

COMC（CommunicationController）通信控制器，实现MVB与RS-485、RS-232总线之间的通信转换。

③

DX（DigitalMixedInput/OutputUnit）。

④AX（AnalogueMixedInput/OutputUnit）。

⑤BC（BusCoupler）。

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TCN在我国高速动车组上的应用

3.8

TCN在我国高速动车组上的应用

3.8

TCN在我国高速动车组上的应用3.8.2

CRH3动车组的通信网络

1．CRH3的网络拓扑

CRH3是以Siemens公司Velaro动车组为原型进行生产的350

km/h国产高速动车组，由8辆编组构成：头车EC01/EC08，变压器搭载车TC02/TC07，中间车IC03/IC06，简餐车BC04和头等车FC05。可以将CRH3的两个动车组连挂成一个16辆编组的动车组。

CRH3的列车总体控制系统由列车通信网络、控制系统以及传统电路技术（安全回路、列车控制线路）构成。

3.8

TCN在我国高速动车组上的应用

3.8