北京地铁7号线列车网络控制系统.pdf

北京地铁号线列车网络控制系统 赵 磊 （ 北京地铁车辆装备有限公司技术中心， ， 北京工程师） 摘 要 介绍了北京地铁号线的列车网络控制系统的硬 件配置、 关键控制功能、 设计创新点， 以及功能测试和型式试 验。测试结果表明： 北京地铁号线列车网络控制系统符合 设计预期， 系统硬件的性能完全满足功能需求， 系统软件的 可靠性、 稳定性达到了列车运行要求。但是， 对于正线运营 的列车来说， 列车网络控制系统的安全性和可靠性仍需要通 过实际运营来验证。 关键词 地铁；列车网络控制系统；多功能车辆总线 中图分类号 ， ， ， ， ， ， ， ； （ ） ； （ ） ， ， ， ， 北京地铁号线的列车为辆编组， 车辆为 型电动客车。其列车网络控制系统（ ， 简为 ） ） 采用的是北京 地铁车辆装备有限公司（ 以下简称“ 京车公司” ） 自主 研发的系统， 硬件采用的是青岛四方车辆研究所有 限公司的国产化产品； 网络系统架构、 控制逻辑软件 及显示屏软件均由京车公司独立设计、 开发。由于 在号线 的采购合同中明确了： 初期列车为 辆编组配置，号线运营后列车再扩展到辆编 组。因此， 按辆编组列车进行设计， 预留了 在 架构不变的原则下扩编到辆的接口。 在号线首列列车制造期间， 用户要求 直接 按照辆编组开通， 因此， 京车公司又进行“改” 的扩编设计。目前， 已经完成了 （辆编组列 车） 上车后的整车型式试验。 系统配置 北京地铁号线列车采用动拖的辆编组 形式， 总线采用符 标准规定的 （ 电气中距离） 总线。系统拓扑结构如图 所示。 图 北京地铁号线辆编组 拓扑图 第期 研究报告 城市轨道交通研究 年 在图中， 除了列车自动控制系统（ ） 控制 器采用 网关进行协议转换以外， 其他 所有的控制器均通过其自身的 通信接 口接入到 （ 多功能车辆总线） 网络。关键子系 统， 如牵引控制系统、 辅助电源控制系统、 制动控制 系统、 信号系统、 车门系统等均具有硬线接口， 便于 在 故障时， 进行紧急牵引操作。系统配置缩 略词释义见表。 表 设备配置缩略词对照表 缩略词中文名称备注 空调自动控制每车台控制器 辅助控制单元整车分为个单元 列车自动控制两个司机室各设台控制器 制动控制单元每车台控制器 中央控制单元每个司机室各安装台， 互为热备 牵引控制单元每辆动车各有台控制器 车门控制单元每辆车有台主门控器， 互为冗余 列车数据及事件记录器每个司机室安装台 火灾报警系统每辆头车安装台主控制器 司机控制器 乘客信息系统每个司机室安装台主控制器 远程输入输出模块对关键信号进行路冗余采集 中继器两个中继器互为冗余， 可无缝切换 设备介绍 中央控制单元（ ） 每辆带司机室的拖车（） 的司机室电气柜中 都有台 。 作为 的中央控制单 元， 管理网络系统。在正常运行情况下， 其中台 为主控制设备， 另台为备用设备， 备用设备 实时监视主控制设备状态； 当主控制设备出现故障 时， 备用设备将代替主控制设备行使中央控制单元 的功能， 以保障整个列车网络正常工作； 台设备切 换时间小于， 不影响系统正常工作， 不影响列车 正常运营。 的主要功能有： （ ） 总线通信调度 通过 中内置 的总线管理器 实现列车网络的总线调度。 （ ）列车运行控制、 监视 中运行的程 序作为列车运行控制的软逻辑， 与列车硬线控制逻 辑一起实现整车的控制、 监视功能。 司机室人机接口（ ） 每辆 车的司机台上都安装有台 ， 它 通过车辆总线 获取列车及设备信息， 为司机 及维修人员提供监视及操作的人机接口， 实时显示 车辆参数、 系统运行状态， 并实时提示车辆故障信 息。另外， 人机接口作为部分车辆参数的输入接口， 可以进行时间、 列车车次、 轮径等参数的设置。 列车数据及事件记录器（ ） 是列车信息采集和记录的关键设备， 位 于司机室电气柜中， 以滚动存储的方式保存数据（ 先 进先出的原则 ） 。在正常情况下，台 同时工作， 互为备份， 记录主 收发的重要数据 以及 总线上的故障信息。 远程输入输出模块（ ） 备安装在每辆车的电气控制柜内。远程 输入输出模块完成列车各种数字量信号采集、 数字 量开关信号输出、 模拟量信号采集等工作。其中， 模 拟量、 电压、 电流采集范围可以根据外部负载 的变化进行配置， 满足车辆整体设计要求。 数量可进行灵活配置， 在满足车辆整体 原理设计需求的基础上， 预留了部分设计余量， 充分 满足后续功能扩展的需求。 中继器（ ） 中继器是满足 标准的类设备， 是 冗余管理的 中继设备， 为列车网络监 控系统的可靠性提供了保障。中继器可以通过接收 到的数据帧识别数据传输方向， 将数据帧从一个网 段中继传输到另一个网段。 的主要功能有： 信号再生及放大传 输； 侦测网络上的信号冲突并进行相应的处理。 关键功能介绍 通过系统各硬件设备以及 软件逻 辑实现对列车的控制及监视功能， 其主要控制功能 有： 牵引制动指令控制、 牵引制动力设定值控制、 牵 引母线高速断路器 闭合控制、 扩展供电 接触器闭合控制、 保持制动缓解指令控制、 电制动指 令控制。 牵引母线高速断路器闭合控制 对于第三轨受流的列车牵引系统， 每个动力单 元之间的牵引母线在库内停车时需要断开， 当列车 进入到正线运营时， 需要将牵引母线贯通， 使每个动 力单元的电力供应在列车通过断电区时不会中断。 对于高速断路器的控制难度在于精确地闭合指令时 长控制、 闭合次数限制、 异常动作保护以及故障复 位等。 接收到司机发出的闭合指令后， 综合判 断速度、 车辆运行状态、 故障状态后， 作出允许闭合 或者禁止闭合指令， 并将该指令发送给 的 模块， 最终控制断路器闭合、 断开。 扩展供电接触器闭合控制 列车的两套辅助电源系统为整车的中、 低压负 载提供工作电源， 在正常情况下， 两套辅助电源系统 同时工作， 分别为本单元半列车的中、 低压负载供 电。当其中一套辅助电源系统工作异常时， 另外一 套正常工作的辅助电源系统对另半列车进行扩展供 电， 承担起整列车的中、 低压负载供电。在进行扩展 供电之前， 首先要将全列车的中、 低压负载进行减半 处理， 确认其处于半载运行模式或者功耗低于半载 的其他运行模式后， 进行扩展供电。当故障的辅助 电源系统恢复正常后， 需要撤销扩展供电指令、 撤销 减载指令， 恢复正常供电状态。 在扩展供电动作中， 辅助电源系统故障判断、 减 载指令发出撤销、 减载状态确认以及接触器闭合断 开动作， 都是由 的 在其软件逻辑中实 现的。 保持制动缓解指令控制 当列车停车时， 制动系统会自动施加保持制动 以确保列车静止； 当列车再次启动时， 应首先缓解保 持制动， 的 根据牵引系统的牵引状态 以及牵引力大小进行综合判断， 如果满足起车条件， 将向制动系统发出缓解保持制动指令， 避免坡道溜 车以及列车在闸瓦未释放的情况下启动， 造成闸瓦 过度磨耗。 显示屏界面介绍 显示屏界面采用 软件工 具进行开发， 界面共 个， 界面共分级， 如图 所示。 图 主要界面分级框图 界面设计风格简洁、 直观， 显示信息量大， 在“ 运 行” 界面中， 主要显示了列车运行的各种参数， 便于 司机对列车的操控以及对关键系统状态的掌握。在 “ 运行” 界面中， 上部为列车状态栏， 中部为主信息显 示区， 下部为导航按钮区。在“ 网络” 界面中， 主要显 示了 的通信状态， 便于检修、 维护 人 员对 的调试及维护。在“ 网络” 界面中， 绿色的设 备表示设备通信正常或者该设备为主设备， 黄色的 设备表示设备通信正常且为从设备， 红色的设备表 示设备通信异常。 的控制逻辑 的控制逻辑设计是在硬线控制逻辑的 基础上进行的， 两者相互配合， 实现整车控制功能。 控制逻辑开发流程按照 执行， 开发工具 采用 。针对 的功能需求， 设计开发 了专用的功能模块库， 具有很大的开放性， 使用灵 活、 便于集成。另外， 控制逻辑采用分级、 模块化设 计， 易于设计和维护， 如图所示。 第期 研究报告 城市轨道交通研究 年 图 逻辑开发流程图 试验 在北京地铁号线 的设计过程中， 按照 相关标准要求进行了充分的测试、 试验， 主要包括以 下个阶段： 一致性测试； 通信协议功 能测试； 地面联调试验； 装车后的型式试验； 动态型 式试验。其中， 地面联调试验包括辆编组以及 辆编组列车的地面联调试验。 一致性测试 （ 列车通信网络专用标准） 网络产品一致 性测试（ 部分） ， 是为验证被测设备遵循 通信设备的要求， 是 网络 产品 具 有 互 操 作 性 的 依 据， 测 试 项 点 符 合 标准。 设备测试波形如图所示， 在该波形中， 可以看 出 帧的稳态幅值为 左右， 过冲小于 ， 两个连续脉冲的稳态幅值差在 以 内， 符合 标准要求。 图 控制器波形测试 通信协议功能测试 为了确保 与各子系统控制器之间的正常 数据通信， 在地面联调之前进行了通信协议功能测 试。按照事先制定的通信协议， 与各子系统控 制器之间对逐个变量进行接收、 发送测试。通信协 议测试是确保 通信一致性的重要措施。 地面联调试验 地面联调试验是将 拓扑结构中所有的 控制器在实验室条件下进行组网试验。地面 联调试验是在上车调试之前对 功能的全面 验证。在北京号线的地面联调试验中， 分别对 辆编组和辆编组列车的网络控制系统拓扑结构进 行了两次全面试验， 组网时严格按照实车接线方式、 线路长度布置， 并在试验室静态环境下对网络功能 进行了有效测试。 为了充分验证系统功能、 更加真实地模拟实车 操作， 特地制作了数字量输入、 数字量输出以及模拟 量输入工装以模拟实车开关、 司控器手柄、 等 设备。 在地面联调试验中， 除了进行软件逻辑测试外， 还利用特殊电缆分析仪、 示波器、 协议分析仪 等工具进行了线路特性测试。如图所示， 曲线为 线 帧波形， 从该波形可以看出， 其主帧脉冲 稳态幅值约为 ， 从帧脉冲稳态幅值约为 ， 帧期长度符合标准规定。 型式试验 为了实车验证网络系统功能， 制定了详细的 型式试验大纲， 并严格按照大纲要求逐条进行详 细验证和记录。主要验证了牵引限速控制、 里程 累积记录、 能耗计 算记录、 电 空 制 动 配 合 控 制 等 功能。 图 线路波形测试 优化及创新点设计 在设计之初， 针对北京地铁号线 招标 文件要求进行了充分分析、 论证， 对于以往项目中没 有过的新要求进行了创新设计。 扩编接口预留 北京地铁号线项目在招标时， 设计为动 拖辆编组， 同时要求预留辆编组扩编接口。在 设计时响应了招标文件要求， 在设计辆编组网络 拓扑结构时充分考虑了扩编需求， 在 、 车上 预先铺设了扩编电缆、 分线盒； 在扩编时， 无需对 辆编组列车上的设备做任何改动即可完成扩展， 方 便后续操作， 如图所示。 图 北京地铁号线辆编组列车网络拓扑图 与图相比较， 扩编之后无需改动干线， 并且可 以保证扩编之后的网段长度满足 标准中 对 线路长度的要求。 设计 北京地铁号线列车 采用单独机箱设计， 并采用独立电源， 确保了设备工作的可靠性和稳定 性。在本项目中， 的记录容量为： 运行数据保存 天、 故障数据保存 条、 乘车率记录保存 第期 研究报告 城市轨道交通研究 年 条、 试运行记录保存 条、 版本号记录保存 条、 轮径记录保存 条、 （ 空载） 载荷记 录文件保存 条。 记录的大部分数据来自 于 网络， 除此之外， 还具有充足数量的数 字量采集模块和模拟量采集模块， 可以直接采集硬线 信息。其中数字量采集模块可以用于硬线控制指令、 状态数据的采集， 模拟量采集模块可以用于牵引、 制 动设定值的采集。这样设计的优点主要有两点， 一是 硬线采集数据速度更快； 二是当 通信故障时， 还可以继续记录一些重要信息， 有利于列车运 行状态监控以及系统故障分析、 解决。 分线过桥设计 按照 标准， 采用冗余介 质进行传输。为了减少因车辆间过桥电缆断裂或者 连接器松动对 通信造成的影响， 电缆在 车辆间过桥时采用分线设计； 通过 分线盒将 电缆的、两路分为两根独立的电缆， 通过两个不 同的车端连接器跨过车辆间， 到下一节车厢后， 再通 过 分线盒将两根电缆合为一根电缆。这种设 计能够提供 通信的可靠性， 进而提升网络控 制系统的稳定性。 结语 北京地铁号线 硬件均采用工业级元 件， 并且在选型上采用经过多个项目运营考验的成 熟、 稳定产品， 并且针对本项目需求进行优化、 升级， 性能上完全满足列车功能需求。系统软件设计、 测 试流程按照相关标准要求进行， 其可靠性、 稳定性达 到列车运行要求。系统控制功能设计以整车硬线原 理为基础， 经过多次设计联络、 论证， 并在联调过程 中， 不断优化、 完善。 北京地铁号线 经过了一致性测试、 功 能测试、 地面联调试验、 型式试验等全面验证， 并且 完成了厂内试验以及在长春轨道客车股份有限公司 试验线上的型试试验， 测试结果符合设计预期。但 是对于正线运营来说， 仍需要通过运营来验证系统 的安全性和可靠性。 参考文献 倪文波， 王雪梅 高速列车网络与控制技术 成都： 西南交 通大学出版社， 阳宪惠现场总线技术及其应用 版北京： 清华大学出版 社， 谢维达， 邵德荣 城市地铁与轻轨列车的微机控制系统 电 力机车技术， ， （） ： 谢维达， 赵亚辉， 徐晓松现场总线与列车通信网络工业控 制计算机， ， （ ） ： 朱琴跃列车通信网络实时性理论与方法研究上海： 同济 大学交通运输工程学院， （ 收稿日期： 櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅