（电力电子与电力传动专业论文）列车安全预警系统中的通信网络研究与实现.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t r e c e n t l y , t h et r a i ni n d u s t r yh a sb e e nd e v e l o p e dr a p i d l y , a n dm a n yh i g hs p e e d t r a i nh a v eb e e nu s e d n l es t a t ea n df a u l ti n f o r m a t i o no ft h et r a i ns h o u l db ed e t e c t e d a n dd e a l tw i t hq u i c k l yf o rt h es a f e t yo ft h et r a i n b u tt r a d i t i o n a lu a i nc o n t r o ls y s t e m c a nn o tm e e tt h en e e d t h et r a i ns a f e g u a r da l a r ms y s t e m ，d e v e l o p e db yo o rt e a m 。 d e t e c t st h eg u np a r a m e t e r so ft h et r a i n ，a n a l y z e st h ed a t a ，j u d g e st h es t a t eo ft h et r a i n ， a n dg i v e sa r ta l a r mf o rt h eh i d d e nt r o u b l e s a l o n gw i t ht h ec o m i n go ft h ei n f o r m a t i o ne p o c h ，t h er a p i dd e v e l o p m e n to f n e t w o r kt e c h n o l o g yi sc h a n g i n gp e o p l e sw o r ka n dl i f e n e t w o r kh a sb e e nu s e di n e v e r y w h e r eo ft h es o c i e t y , i n e l u d i n gr a i l w a y t r a i nc o m m u n i c a t i o nn e t w o r ki su s e di n m a n yt r a i n st oc o n t r o lo n b o a r de q u i p m e n t s ，a n di th a sb e e nap e r f e c ts o l u t i o ni nt r a i n c o n t r o ls y s t e m s oi ti sn e c e s s a r yt od e v e l o pt h et r a i ns a f e g u a r da l a r ms y s t e mb a s e d o nn e t w o r k t h el o n w o r k st e c h n o l o g yi sd e v e l o p e di nr e c e n ty e a r sa n da v a i l a b l ea sa no p e n s t a n d a r dt oa l lm a n u f a c t u r e r s i ti n t e g r a t e sc o m p u t e r ，n e t w o r ka n dc o n t r o li n t oo n e t e c h n o l o g ya n dd i s p l a c e sp r o p r i e t a r yc e n t r a l i z e ds y s t e m sw i t ho p e n ，h i g l l l yd i s t r i b u t e d ， i n t e r o p e r a b l es y s t e m s n e u r o nc h i p ，w h o s en e t w o r kp r o t o c o lh a sa l l7l a y e r so ft h e i s o o s ir e f e r e n c em o d e l 。i st h ec o r ec o n t r o l l e ro fl o n w o r k sn e t w o r k ，a n di th a st h e a b i l i t i e so fb o t hc o m m u n i c a t i o na n da p p l i c a t i o nc o n t r 0 1 l o n w o r k sn o wh a sb e e n w i d e l yu s e di nt h ea u t o m a t i ca r e a sr a n g e df r o mi n d u s t r y , b u i l d i n g ，t r a n s p o r t a t i o n ，t o p o w e rs y s t e m ，m e d i c a lt r e a t m e n t i nt h i sp a p e r , a c c o r d i n gt ot h ea p p l i c a t i o nd e m a n d so ft r a i ns a f e g u a r da l a r m s y s t e m ，s e v e r a lw i d e l yu s e dc o m m u n i c a t i o nn e t w o r ka n df i e l db u sa r es t u d i e da n d c o m p a r e d l o n w o r k si su s e da st h en e t w o r kt h r o u g ht h et r a i n ，a n dc a n b u si su s e di n t h ev e h i c l e t h es o l u t i o na n ds t r u c t u r eo ft h ew h o l en e t w o r ka r ed i s c u s s e d a n dt h e d e t a i l so ft h ed e v e l o p m e n ta r ea l s op r e s e n t e d 。i n c l u d i n gt h ed e v e l o p m e n to ft h en o d e ， t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h eg a t e w a y , h o wt oc o n s t r u c tt h en e t w o r k ，a n dd e b u gi t a f t e rf i n i s h i n gt h ed e v e l o p m e n to ft h en e t w o r k ，s y s t e mr e l i a b i l i t yi sa l s o d i s c u s s e da n dm a n ym e a s u r e sa r et a k e nt oi m p r o v ei t f i n a l l y , t h es t a t i cd e b u g g i n g a n dt h ed y n a m i cd e b u g g i n go n b o a r da r ec a r r i e do u t ，a n dt h ep e r f o r m a n c eo ft h e s y s t e mi si m p r o v e dt h r o u g ht h e s ee x p e r i m e n t s k e y w o r d ：t r a i ns a f e g u a r da l a r ms y s t e m ，l o n w o r k st e c h n o l o g y , c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k , g a t e w a yn o d e ，c a n 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：薮差 日期：幽 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：煎茎导师签名：丑全羞日期：。毛p 哆 第一章绪论 第一章绪论 人类社会已经进入信息时代，网络技术的迅猛发展正在改变着人们的工作和生活计 算机网络迅速波及到社会生活的各个角落，铁路运输业也不例外随着微电子技术和分布式 现场总线技术的发展，越来越多的列车采用了列丰通信网络，利用网络实现了对车载设备的 集散式监视控制和管理，逐步实现了列车控制系统的智能化，网络化与信息化欧美机车 车辆行业的各大制造厂商纷纷发展起来了各自的列车控制网络，并得到了广泛的应用网络 成为了列车控制系统的一个完美的解决方案 1 1 列车通信网络发展与现状 1 1 1 列车通信网络发展过程【3 3 l 微机控制技术在我国机车车辆行业的运用已经有了十多年，在这期闻，主要经过了三 个阶段；第一阶段是功能控制阶段，即微机控制系统主要完成单一的有限的功能。不同的厂 家，开发出了不同的控制系统这类系统在设计上有较强的功能性。往往针对实现某一单一 功能，一般采用单片机实现。第二阶段是系统化阶段，即微机控制系统的开发是基于系统的 综合考虑的结果这类系统能完成较大的任务，带有r s 2 3 2 4 8 5 等串行接口，能进行局部 扩展。第三阶段是网络化阶段，将计算机网络的概念引入列车控制系统，在列车上建立分布 式的列车控制网络”。 随着高速列车的应用，列车微机控制系统是一个庞大的系统，我国目前所采用的控制 系统无法满足此要求此前的系统中，大多采用直接的硬连线传输，这种方法一方面需要大 量电缆，另一方面，大量的信号进行长距离的传输，信号的衰减是个不容忽视的问题，直 接导致系统的可靠性不高。而且由于系统资源有限，很难满足大量控制和系统扩展的要求 因而，一段时期以来，列车监控系统成为了困扰广大机客车生产厂家的一大难题。 在列车通信网络的初期，国内还没有成熟的产品的情况下，各厂家纷纷将目光投向了 国外 国外引进的m i c a s s 2 、m i t r a c 是基于t c n 标准的m i c a s s 2 将网络分成列车总 线和车厢总线，列车总线采用f s k ( 频移键控) ，波特率为1 9 2 k b p s 。车厢总线m v b ( 多功 能车厢总线) 采用r s - 4 8 5 串行通信标准，局部总线采用双绞线，远程总线采用光缆，波特 率为1 5 m b p s 。m i t r a c 则是在m i c a s s 2 的基础上发展起来的分布式列车控制网络，其协 议已完全符合t c n 的标准。a g a t e 则是以w o r l d f i p 总线协议为基础建立网络的。通信 波特率为2 5 m b p s 。三者皆可根据需要建立主从式的分级列车网络1 3 ，i 另外，加拿大的b o m b a r d i e r 公司和日本的川崎公司则基于l o n w o r k s 网络技术在纽 约地铁上建立了列车网络。 1 1 2 , 列车通信网络现状 列车网络化控制系统，在目前我国生产的动车组中，已有采用，只是所用系统多是直 l 东南大学硕士学位论文 接从国外引进的如株洲电力机车厂生产的出口伊朗的t m i 电动车组，采用了m i c a s s 2 系统，列车总线采用f s k ，车辆总线采用m v b 。在d d j l 一动六拖电动车组中也采用了 m i c a s s 2 但是，由于国内外技术落差的存在，国外厂商在卖给我们列车控制系统的同时，也开出 了天价。使得控制系统成为了一个奢侈品，同时在系统的安装、调试和维护等方面也存在各 种各样的问题因此，开发出适合我国国情的列车控制网络系统是当务之急，也有着广阔的 发展空间随着机车车辆技术的不断发展，列车控制逐渐多样化，发展具有开放性、可靠性 高而功能完备的列车控制系统也是国内厂商所拭目以待的因而，我们应期待着一个符合国 际标准、适合我国国情的开放的列车控制网络系统 近几年，国内的列车通信网络研发人员也致力于自主开发列车网络控制产品。经过不断 的努力，国内的列车网络控制产品也开始蓬勃发展起来 t c n 中的m v b 适合作为车辆级使用，也可用于固定编组列车的列车级，m v b 在国内已先 后用于“先锋”、“澳星”、“熊猫”、“蓝箭”，“中原之星”、“中华之星”等动车组 l o n w o r k s 网络已经在列车制动、门控、辅助电源控制、监控、空调及通风、旅客信息、 信号、故障记录、到站显示、照明等方面有大量应用实例，如美国新泽西轻轨c o m e ti v 项 目、旧金山湾区地铁( 队盯) 制动系统监视器和自动列车控制系统、a l s t o h 公司的牵引力 系统、d b 的照明、供暖和空调控制系统等 近几年，l o n w o r k s 在国内也逐渐得到应用和普及。l o n w o r k s 在国内已先后用于“新曙 光”、“神州”、“金轮”等动车组，以及北京高质车、2 5 g 型客车、1 9 k 型客车等1 5 0 0 多辆车 通过国际电工委员会标准i e c 6 1 3 7 5 1 ：1 9 9 9 铁道电气设备列车总线第1 部分列车通信 网络和美国电气与电子工程师协会标准i e e e l 4 7 3 ：1 9 9 9 列车通信协议的制 定。w t b m v b 、l o n w o r k s 将成为列车通信网络的主流。 1 2 现场总线技术的产生与发展“1 到目前为止，工业控制自动化技术经历了两次革命一次是：二十世纪五六十年代从气 功传动控制到模拟信号为主的自动化仪表系统；第二次是二十世纪七八十年代集散控制系统 的出现。d c s 对工业控制技术的发展功不可没。它将计算机应用至控制系统，用分散i o 模 板替代控制室仪表，将分散的测量点通过汁算机进行集中监控，然而，d c s 系统本身有着 很难克服的问题：一对一接线，不仅增加安装维护费用，也降低了系统可靠性：采用“操作 站一控制站一现场仪表”三层主从结构模式，仍存在集中的可靠性隐患；各个d c s 系统采 用封闭的协议不利于系统的互操作：模拟信号传递，限制了传输媒体和拓扑结构的选择。现 在，工业控制领域正进行着第三次革命，即基于现场总线的控制系统( f c s ) 现场总线系统采用数字信号传递信息，可以实现一对电线上传递多个信号，同时可为多 个设备提供电源，现场设备之外不再需要a d 、d a 转换器，简化了系统结构，节约了硬件 设备和连接电缆。由于采用公开一致的通信标准，各个厂家的设备可以交互信息。实现互操 作，实现真正意义的开放系统。现场总线系统将测量传感、补偿计算、数据处理和控制实现 2 第一章绪论 分散至现场设备实现系统的彻底分散这种f c s 控制系统代表了工业自动化的发展方向 分散化、网络化和智能化 现代工业过程控制领域对测控系统的速度，精度，成本等方面提出了更高的要求，全数 字，双向，多节点的现场总线应运而生现场总线是一种串行的数字通信链路。它沟通了生 产领域中现场设备之间以及更高层次控制过程设备之间的联系现场总线的出现带来了自动 控制领域的革命性变革，为实施大范围智能控制提供了强大的技术支持。 1 2 1 现场总线系统的特点 现场总线是应用在生产现场和在微机化测量控制设备之阃实现双向串行数字通信的系 统它在制造业、工业过程、交通和楼宇等自动化系统中具有广泛的应用前景 现场总线技术将专用微处理器置人传统的测量控制仪表，使它们各自具有了数字计算和 数字通信能力并且采用可进行简单连接的双绞线作为总线，把各个测量控制仪表连接成网 络系统现场总线系统中还采用公开一致的通信标准，使各个厂家设备可以交互信息，实现 互操作，这就是真正意义的开放系统 现场总线导致传统控制系统结构的变革，形成新型的网络集成式全分布控制系统现场总 线系统与传统控制技术相比，现场总线技术具有以下鲜明的特点： ( 1 ) 开放式控制网络：开放式控制网络允许许多智能设备之间相互通信，而不需要加 入监控设备以及能负责整个系统级的控制算法。网络上的设备构成对等结构，即每个设备负 责直接将信息发布到网络上的其它设备，信息由设备的发送器以数据包形式发出，一个或多 个接收器接收这些数据包。开放式的控制网络如图1 1 所示。 圈1 3 开放式控制网络圈 网 ( 2 ) 分布式智能：网络已出现许多年了，除了大型计算机系统外，通常还没有应用到 网络控制设备，绝大多数通信协议仍被用来进行计算机或个人之间的数据通信。随着微处理 器价格不断下降，可以将微处理器嵌人到价格低廉的控制器和控制设备。在这个意义上说， 控制设备具有通信和信息处理的能力( 承担传感量、补偿计算、数据处理和控制任务) ，该设 备亦称为“智能设备” 3 东南大学硕士学位论文 ( 3 ) 强大的网络功能：在传统网络中，采用的通信协议通常服务于网络性能的优化然 而在控制网络中，通信协议主要提供智能设备间频繁、可靠、安全的通信，设备间对等的信 息传输现场总线技术采用自由拓扑结构，现场设备自治。以点对点通信方式实现分散基础 上的信息融合。通过各种智能网关、桥接器和路由器不仅实现现场设备的分段成组，还可实 现现场控制系统向信息系统的集成 1 2 2 现场总线技术的发展 现场总线技术是计算机技术、通信技术和控制技术的综合与集成，它的出现使传统的自 动控制领域产生了革命性的变革，形成了新型的网络集成或全分布控制系统即现场总线系统 ( f c s ) a 由于现场总线适应了工业控制系统向分散化、网络化和智能化发展的方向、它一经 产生掇成为全球工业自动化的热点，受到全世界的普遍关注 现场总线自2 0 世纪8 0 年代中期间世，传统的自动化仪表、集散控制系统( d c s ) 、可编 程控制器的产品功能结构受到了挑战自动化设备的制造厂家被迫进行产品更薪换代，出现 了一批集检测、运算、控制功能于一体的变送控制器。具有通信功能的智能化数字仪表，以 及带有控制模块和故障倍息的执行器。大大改变了现有设备的维护管理方式。现场总线是新 型自动化系统。又是低带宽的底层控制网络，它可与企业内部网相连，沟通生产过程现场级 设备与更高控制管理层之间的联系，以分布式的智能和强大的网络能力增强了系统的可靠性 和品质，代表了工业自动化的发展方向由于现场总线担负测量控制的特殊任务，具有信息 传输的实时性、高可靠性和短帧传送、其传输速率一般在几k b s 至1 0m b s 之间。 目前国际上有几种现场总线技术已逐渐形成其影响，并在一些特定的应用领域显示了自 己的优势，它们分别为基金会现场总线f f ，美国e c h e l o n 公司的l o n w o r k s 总线，c a n 总 线和h a r t 总线等其中l o n w o r k s 总线以其支持o s i 七层模型，支持多通信媒介以及易于 实现等诸多特征，受到了广泛的关注。 国际现场总线技术的发展虽然才有十几年时间，但国外的工业控制基础较好，而且各种 总线技术的标准都是由他们提出。我国近几年也掀起了研究和应用现场总线技术的热潮，现 场总线技术在中国正在蓬勃的发展，在工业控制、建筑业以及铁路行业都广泛使用了现场总 线技术， 1 3 本课题的目的和内容 1 3 1 课题来源及研究目的 近几年，国内机车车辆工业发展迅速，相继开发成功了动车组、2 0 0 k m h 高速列车以及目 前处于开发研制阶段的内燃摆式动车组、3 0 0 k m h 高速车、城市轨道车等这些新型机车车 辆需要对列车的运行状态和故障信息作出快速准确的判断和处理，而传统的机车车辆控制技 术已完全不能满足这方面的要求，因此必须配备列车通信控制网络产品。方能实现整个列车的 正常运行 根据市场需求以及应用前景。于2 0 0 4 年5 月投入开发了列车安全预警系统，该系统的 4 第一章绪论 预期功能是要实时显示列车的各项运行参数，经过对比，及时发现不正常参数，以及列车中 的隐患，在显示主机中报警。列车管理人员可以及时发现列车运行中的坷题，并进行处理， 由此达到预警的目的 在该列车预警系统中，列车通信网络是其中极为重要的一部分，承担着数据传送和通 信的功能。然而目前国内尚无现成的列车通信控制网络产品。一些机车车辆制造工厂为了尽 快占领新型机车车辆市场，纷纷从国外进口具有网络功能的控制系统，以解燃眉之急 鉴于上述情况本课题的目的是自主开发列车安全预警系统中的通信网络本文采用 l o n w o r k s 网络技术以及c a n 总线以大铁路客车为对象开发研制了列车安全预警系统中的 列车通信网络系统 1 3 2 课题研究内容 在本课题中，针对列车安全预警系统的实际情况和应用需求，研究了目前广泛使用的通 信网络及现场总线，对比了相关网络的特点和适用性，选用了l o n w o r k s 网络作为列车级通 信网络，选用c a n 总线作为车厢通信网络。给出了系统通信网络结构图和设计方案。 根据系统设计方案，进行了列车级l o n w o r k s 通信网络的开发，包括l o n w o r k s 通信节点 开发方案对比，高速l o n - - 2 3 2 网关的硬件开发和软件编程。以及网络的组网设计和通信调 试 在车厢级网络中，也进行了c a n 通信模块的开发，给出了硬件结构图，以及可调用的通 信库函数本文中还使用多个c a n 通信模块进行了通信调试。 在完成了两级通信网络的开发后，还进行了系统可靠性方面的研究，在多个方面采取了 多种措施来提高系统的可靠性。 最后，系统开发完成后，进行了地面静态调试以及装车运行调试。在调试中，通过对网 络的监控，改正系统中存在的问题，并分析系统运行数据，调试系统的性能 1 4 各章内容分布 全文共分为八章。第一章绪论介绍了列车微机控制的背景，以及列车通信网络的发展和 应用情况，本章还介绍了课题的来源和主要研究内容。第二章是列车通信网络的方案与对比。 这一章中，对比了t c n ，l o n w o r k s ，c a n 等通信网络，指出了各自的特点，并结合列车安全 预警系统的应用需求，分析了各网络的适用性。最终，给出了系统通信网络的设计方案，并 分析了其可行性第三章为l o n w o r k s 技术的原理介绍。是本文的理论基础这一章中，从 通信协议，通信芯片，编程语言等方面阐述了l o n w o r k s 技术的基本原理，并介绍了基本开 发方法第四章为列车级通信网络详细设计，是本文的重点之一。给出了系统中l o n o r k s 通信网络的详细设计方案，包括节点开发，组网设计等工作。第五章为车厢级通信网络设计 这一章给出了c a n 通信网络的开发过程，详细阐述了c a n 通信模块的硬件开发及软件编程， 并进行了网络通信调试第六章为系统可靠性研究。这一章从多个方面介绍了如何提高系统 的可靠性，以确保系统在列车环境中能正常运行。第七章为系统调试。这一章介绍了系统静 5 东南大学硕士学位论文 态调试和装车调试的过程和调试结果给出了系统运行界面以及部分通信数据第八章为总 结与展望，这一章总结了本文所开发的通信网络的特点和不足，并展望了列车通信网络的发 展前景 本章小结 本章结合列车微机控制的背景，介绍了列车通信网络的发展和应用现状，并回顾了现 场总线技术的发展与特点本章还介绍了本课题的来源及研究目的，概要介绍了本文的主要 研究内容，并给出了各章的内容分布情况 6 第二章列车安全预警系统介绍与通信网络设计 第二章列车安全预警系统介绍与通信网络设计 如绪论中所迷，国内机车车辆工业发氍迅速，而与此同时，列车的监控系统的开发也 迫在眉睫列车在运行中，常常存在一些隐志，并可能因一个微小的问题，而导致事故发 生仅仅依靠列车停车检修来维持列车的正常运行，是遥远不够的因此根据实际需要， 我们提出列车安全预警系统的需求为了与国际先进技术标准接轨，并满足列车系统需求， 列车安全预警系统设计为网络化的列车监控系统，将计算机网络的概念引入系统中，在列 车上建立系统专用的通信网络 2 1 列车安全预警系统的方案介绍 2 1 1 系统总体方案设计 所谓列车安全预警系统，是指通过实时监控列车的各项运行参数，来监测列车的状态， 一旦有异常情况，立即报警，从而让管理人员第一时问准确发现问题，达到预警的目的， 避免事故的发生 列车安全预警系统监控的参数主要有用电参数，机械参数以及其它与列车安全紧密相 关的运行参数，以确保列车的安全运行主要包括： 1 ) 车厢的供电、照明工况； 2 ) 塞拉门工况、塞拉门故障； 3 ) 轴温报警器； 4 ) 防滑器： 5 ) 绝缘检测； 6 ) 电力连接器检测； 7 ) 漏电流检测； 8 ) 制动系统检测； 9 ) 加速度传感器检测； 1 0 ) 振动检测。 列车电气系统的供电装置，用电设备和各种安全保护装置安装在列车不同的部位，为 便于掌握运用中车辆电气系统和用电设备的运行状况和参数，安全预警系统中采用了网络 监控技术。 4 车厢内各检测设备独立检测各参数，每个车厢内设置了一个车厢级控制主机。车厢控 制主机通过车厢内部的通信网络汇总各检测设备的数据。各车厢的数据经过处理后。通过 列车级通信网络汇总至列车控制主机通过这种两级网络的形式，管理人员可以在列车控 制主机上监控各车厢的各项参数。 列车控制主机采用触摸屏来显示。触摸屏上集中显示供电系统，空调控制系统，各车 7 东南大学硕士学位论文 轴的轴报信息，防滑装置动作状况和车门的信息等，使乘务人员可以方便的了解车辆电气 系统各部件的运行参数和信息，减轻乘务人员的劳动强度。 2 1 2 系统网络框架 整个网络由两级网络构成。一级网络是列车级通信网络，包括列车主控计算机及其网 关、列车级总线、各个车厢的代理节点及与车厢控制主机直接相连的轴温集中转换器和陀 螺仪二级网络是车厢级总线及车厢级检测设备，检测设备包括电源检测模块，空调控制 器、漏电检测、振动检测、车门控制器和绝缘检测等。系统网络框架结构图如图2 1 所示 圈2 1 系统舟络框架圈 2 2 列车通信网络研究与对比 列车通信网络一直处于百花齐放阶段，尚未形成统一的标准已进行和正在进行的研 制项目包括l o n w o r k s 总线，t c n 列车通信网络，a r c n e t 列车总线，h d l c 车辆总 线、w o r l df i p ，c a n 总线和f s k 总线等l 。 如青岛四方车辆研究所采用l o n w o r k s 作为列车通信网络，株洲车辆研究所正在研 究t c n 的开发，法国阿尔斯通地铁则采用w o r l df i p 作为列车总线株洲电力机车厂生产 的出口伊朗的t m i 电动车组，列车总线采用f s k ，车辆总线采用m v b 。昆明一石林动车 组采用r s - 4 8 5 实现显示器的互连，南昌动车组采用r s - 4 8 5 通信等 面对百花齐放的列车通信网络，为了使各种铁路机车车辆能够互相联挂。并且车上可 8 第二章列车安全预警系统介绍与通信网络设计 编程电子设备能够互换，国际电工委员会( i e c ) 和国际铁路联盟( u i c ) 联合制定了一项 标准列车通信网络t c n ( w a i nc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k ) ，即i e c 6 1 3 7 5 项标准同时 i e e e 也引用该项标准作为列车通信网络标准i e e e1 4 7 3 t 网络总体结构包含两级：连接 各车辆的列车总线( w t b ) 和连接一节车辆内或车辆组各设备的车辆总线( m v b ) 该项 标准的制定为今后开发列车通信网络提供了参考，同时也促使产品尽快与国际接轨 除了t c n 成为列车通信网络的标准，此外。1 9 9 7 年，美国铁路协会( a a r ) 把l o n w o r k s 技术作为a a r 标准( $ - 4 3 2 0 ) 1 9 9 9 年8 月，l o n w o r k s 控制网络技术正式成为在列车通 信方面新的i e e e l 4 7 31 9 9 9 标准的一部分，即i e e e l 4 7 3 - - l 。它和前述的i e e e l 4 7 3 一t 共 同形成列车网络控制的标准 因此，根据国内外应用情况和本项目实际需要，且考虑到与列车网络控制标准相兼容， 列车通信网络重点研究了t c n 和l o n w o r k s 网络。 c a n 总线在汽车总线中有广泛的运用，技术成熟，效果好汽车总线与列车车厢级总 线情况相似，因此也作为研究对象之一 2 2 1t 四通信网络嘲 列车通信网络( t c n ) 基于以下的两层结构：将不同车厢内的节点连接起来的列车总线 w t b 和将同一车厢内的设备连接起来的车厢总线m v b 。耵b 、m v b 是为轨道车辆专门开发的 专用网络，具有通信速率高、实时性好等特点 耵b 以d i n 4 3 3 2 2 和c d 4 5 0 为基础，吖b 则以m i c a s 为基础，由a d t r a n z ( 已被b o m b a r d i e r 收购) 和s i e m e n s 等公司率先开发出来。 w t b 适合作为列车级使用。i l v b 适合作为车辆级使用，也可用于固定编组列车的列车级， m v b 在国内已先后用于“先锋”、“澳星”、“熊猫“蓝箭”、“中原之星”、“中华之星”等 动车组。 w t b 与m v b 一起形成了i e c f i l 3 7 5 1 ：1 9 9 9 即t c n 标准，主要适用于高速列车、摆式列车 等轨道交通车辆 t c n 拓扑结构如图2 2 所示： m v bm v b m ：v b 圈2 2t c n 网络结构图 列车总线( w t b ) 用于连接列车中的各个车厢 1 ) 列车总线支持u i c5 5 6 规定的列车组成， 2 ) 列车总线至少可以容纳3 2 个节点 3 ) 通信速率可达i m b p s 9 具有以下特点： 总线传输距离可达8 6 0 米( 2 2 个车厢) 东南大学硕士学位论文 4 ) 分配给列车总线节点一个位置地址，可识别方向( 左，右、前，后) ，及其它节点的 位置 5 ) 多个车厢连挂时，列车总线自动运转( 初运行) 6 ) 列车总线可承受大约每小时一次的车厢连挂及解挂操作 7 ) 为使总线在节点故障时仍可工作，事先把各节点编号和类型通知给所有的应用， 以便证实列车组成的完整性 8 ) 当车厢数目改变或在总线上进行添加、移除设备时，不需手动干预列车总线也能 继续工作 9 ) 列车总线使用专用介质u i c 电缆或e p 电缆( 电气制动电缆) 的要求。 车厢总线( m v b ) 用于将一个车厢内或不可分的车厢组内的设备连接起来，有其独特特 1 ) 车厢总线允许设备的安装间距在2 0 0 米以内； 2 ) 车厢总线至少支持2 5 6 个设备； 3 ) 通信速率可达1 5m b p s 4 ) 车厢总线在最差情况下的响应时间低于1 6 m s ： 5 ) m v b 提供三种不同的物理介质，它们以相同速率运行： 6 ) 电短距离介质传送距离2 0 米，使用标准的r s 一4 8 5 收发器，每段最多支持3 2 个 设备 7 ) 电中距离介质传送距离2 0 0 米，每段最多支持3 2 个设备，屏蔽双绞线，变压器 隔离； 8 ) 光学玻璃纤维介质，星型连接或点到点方式下最大距离2 0 0 0 米 t c n 的功能齐全，已经成为铁路通信网络标准之一，有一定国内应用的前例。其通信 速率快，实时性好等特点使其能够满足各种应用需求。特别值得一提的是，t c n 是专门为 轨道交通设计的专用通信网络。w t b 具有的自动编组功能，使其在列车通信网络中具有很 大的竞争优势。并具有长远发展前景。 但同时t c n 也具有缺点。目前t c n 尚未在国内广泛应用，全球出售t c n 网络设备的厂 商也为数不多，主要有：位于爱尔兰根的西门子公司与德国a d t r a n z ( 柏林) 一起生产牵 引电气设备及铁路车辆。西门子生产的列车通信网络设备，主要是基于其车载微机s i b a s 的w t b 和m v b 的各类网卡和输入输出接口卡：捷克的优尼康公司( u n i c o n t r 0 1 s ) ，从事运 输及能源系统的开发生产，在列车通信网络方面的产品有：车载微机、耵b 总线网关；以 及德国的杜冈公司( d u a g o nc m b h ) ，也生产耵b 和m v b 的网关等产品。 使用者只能成套购买国外厂商的设备，这些进口设备价格昂贵且购买不方便。用户无 法自己进行技术开发。这不仅大大的增加了成本，也不利于开发人员掌握t c n 技术 1 0 第二章列车安全预警系统介绍与通信网络设计 1 9 8 8 年成立的e c t t e l o n 公司开发了分布式现场总线l o n w o r k s 技术，并于1 9 9 4 年公 布了第1 套l o n k r k 互操作性设备规范，形成了l o n t a “协议，分别被a n s i 、i e e e 、a a r 、 s h p 认e ，i f s f 、s d i i 等标准组织所采用，其应用领域遍及全世界的楼宇、工厂，交通、家 庭，拥有数千家0 叫和系统集成商。l o n w o r k s 和t c 2 4 起被i e e e l 4 7 3 ：1 9 9 9 和我国铁道行 业标准t b t 3 0 3 5 2 0 0 2 列车通信网络) 所采纳 l o n w o r k s 作为一种工业现场总线，由于其优越的性能正受到各行各业的重视。目前已 有5 6 个国家和地区的2 0 0 0 多个公司在使用l o n w o r k s 技术及其产品，在全球工业控制节点 中l o n w o r k s 占有率达5 1 。它被广泛用于航空航天、建筑物控制、工厂自动化等领域。 l o n w o r k s 在铁路工业中也有广泛的应用。在国外，l o n o r k s 网络已经在列车制动、门控、 辅助电源控制、监控、空调及通风、旅客信息、信号、故障记录、到站显示、照明等方面 有应用实例。如美国新泽西轻轨c o l e t 项目、旧金山湾区地铁( b 】i t ) 制动系统监视器 和自动列车控制系统、a l s t o t l 公司的牵引力系统、d b 的照明、供暖和空调控制系统等。 近几年，l o n w o r k s 在国内也逐渐得到应用和普及。l o n o r k s 在国内已先后用于“新 曙光”、“神州”、“金轮”等动车组，以及北京高质车、2 5 0 型客车、1 9 k 型客车等1 5 0 0 多 辆车 l o n w o r k s 技术能够受到工业用户的欢迎，特别是在铁路行业有广泛应用，主要是因为 其技术本身有很多独特优点，具体表现在以下几个方面： ( 1 ) 突出的统一性、开放性及互操作性：l o n w o r k s 网络协议符合国际标准化组织( i s o ) 定义的开放互连( o s i ) 模型，任何制造商的产品都可以实现互操作协议对外开 放，对任何用户平等。该特性完全符合列车通信网络关于实现世界范围的车辆问的 相互操作和插入式设备连接的要求。 ( 2 ) 通信媒介的多样性：可用任何媒介进行通信，包括双绞线、电力线、光纤、同轴电 缆、无线电波、红外等。不同通信媒介之间可通过路由器实现通信这就为开发列 车通信网络时选择通信媒介提供了更多的选择余地。 ( 3 )多种型式的网络拓扑结构：有星型、总线型、环形及自由拓扑型；网络结构可以是 主从式、对等式或客户，服务式结构用户在规划网络时，有更大的自由。 ( 4 ) 通信速率高：通信速率可达1 2 5 m b s ，此时有效距离为1 3 0 m ；7 8 k b s 的双绞线， 直线通信距离可达2 7 0 0 m 。这种通信速率及通信距离基本上符合列车通信网络在这 方面的要求 ( 5 ) 主要元器件的工作温度范围宽：其神经元芯片的协议控制器和总线收发器的工作温 度范围为4 0 8 5 ，符合机车车辆行业对环境温度的特殊要求 l o n o r k s 作为通用型测控网络，和t c n 相比，具有其与t c n 不同之处。它既可以作为 列车总线，也可以作为车厢总线，网络结构灵活。l o n o r k s 技术支持列车重新编组，具有 良好的适应性，适用于各种轨道车辆，可用于固定或可变编组列车。此外，l o n o r k s 的一 大优势还在于它较高的性能价格比。随着l o n o r k s 的广泛应用，在国内有多家代理和出售 东南大学硕士学位论文 l o n w o r k s 产品的公司这些产品价格相对合理，且可提供用户进行技术开发的资料。用户 购买产品和开发平台十分方便，一次投入小，且在使用过程中可以深入了解l o n w o r k s 技术 目前国内l o n o r k s 用户很多，有专业的论坛和技术支持中心，可供用户讨论学习l o n o r k s 技术，有利于初次使用l o n w o r k s 技术的用户较快入门 综上所述，l o n w o r k s 技术具有较好的灵活性、适应性和性能价格比，适用于轨道交通 通信网络 2 2 3c a n 总线 c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) 总线，即控制器局域网，是国际上应用最广泛的现场 总线之一最早是由德国b o s c h 公司在1 9 8 6 年推出，用于汽车内部测量与执行部件之婀的 数据通信协议。c a n 是一种多主方式的串行通讯总线，基本设计规范要求有高的位速率， 高的抗电磁干扰性，而且能够检测出产生的任何错误。c a n 网络具有如下特点： 1 )网络上任意一个节点均可在任意时刻主动向网络上的其它节点发送信息，而不 分主从； 2 )采用非破坏性总线仲裁技术，当两个节点同时向网络上传送信息时，优先级低 的节点主动停止数据发送，而优先级高的节点可不受影响地继续传输数据； 3 ) 具有点对点，一点对多点及全局广播传送接收数据的功能： 4 ) 通讯距离最远可达l o k m ( s k b p s ) ，通讯速率最高可达i m b p s ( 4 0 m ) ，网络节点数 实际可达1 1 0 个，每一帧的有效字节数最多为8 个，这样传输时间短，受干扰 的概率低； 5 ) 通讯介质采用廉价的双绞线即可，无特殊要求； 6 ) 每帧信息都有c r c 校验及其它检错措施，数据出错率极低，可靠性极高；在传 输信息出错严重时，节点可自动切断它与总线的联系，以使总线上的其它操作 不受影响 作为一种技术先进、可靠性高、功能完善、成本合理的远程网络通讯控制方式，c a n 总线已被广泛应用到汽车电子、自动控制、智能大厦、电力系统、医疗仪器、安防监控等 各个领域中 虽然c a n 协议迄今已有近2 0 年，但它仍然在发展完善。2 0 0 0 年开始，i s o 的任务是使 有关的几个公司定义一项协议，用于c a n 报文的时间触发传输。计划把它国际标准化 为i s o l l 8 9 8 4 。这个c a n 的扩展已经在硅片上进行，它允许用c a n 作为时间等间距传送 报文和封闭控制循环c a n 的协议没有变，但可以利用同样的物理总线发送时间触发报文 和事件触发报文 c a n 总线在汽车工业有着广泛而深入的应用。近几年。在美国和远东地区，汽车制造 业开始在他们一系列运输工具上使用c a n 。另外，新的大量应用也在进行中，不仅表现在 轿车方面。也表现在家电领域 总之，由于c a n 总线本身的特点，其应用范围目前已不再局限于汽车行业，而扩展到 机械工业，纺织机械，机器人，数控机床，医疗及传感器等领域。c a n 已经形成国际标准， 1 2 第二章列车安全预警系统介绍与通信网络设计 并已被公认为几种最有前途的现场总线之一 2 3 系统通信网络概要设计 2 3 1 采用l o n 哟i ：l 【s 作为列车通信网络的可行性分析 如本章2 2 节中所述，l o n w o r k s 技术的许多性能都符合列车通信网络标准的要求，适 合作为列车通信网络使用在符合列车通信网络标准的几种网络中，l o n w o r k s 因其灵活性 好，适应性强，使用方便和高性价比等优势，受到用户的欢迎 根据对适用于列车通信的几种网络的对比，在本应用中，选用l o n w o r k s 作为列车级通 信网络。下面将具体分析其可行性： 1 ) 从应用前景来看，e c h e l o n 公司开发了l o n w o r k s 技术，为l o n 总线设计和成品化 提供了一套完整的开发平台其通信协议l o n t m