轨道交通列车网络控制技术课件：列车通信网络技术

轨道交通列车网络控制技术

列车通信网络技术4u能力目标：(1)能分析不同列车通信网络的结构。(2)能分析绞线式列车总线(WTB)的初运行过程。(3)能判断多功能车辆总线(MVB)的设备分类。(1)培养学生的团队协作精神，并认识到团队成员各自的优势和特长。学习重点(1)理解列车通信网络的概念。(2)了解几种常见的列车通信网络。 (3)掌握列车通信网络(TCN)的结构及功能。(4)掌握绞线式列车总线(WTB)

的结构及原理。(5)掌握多功能车辆总线(MVB)

的结构及原理u知识目标：(1)理解列车通信网络的概念。(2)了解几种常见的列车通信网络。(3)掌握列车通信网络(TCN)的结构及功能。(4)掌握绞线式列车总线(WTB)的结构及原理。(5)掌握多功能车辆总线(MVB)的结构及原理。u素质目标：学习目标21

任务一列车通信网络概述2

任务二列车通信网络多功能车辆总线绞线式列车总线4

任务四3

任务三目

录CATALOG3任务一列车通信网络概述4列车通信网络是面向控制的一种连接车载设备的计算机局域网络系统

，是分布式列车控制系统的核心组成

部分

，以计算机网络为核心，把计算机技术、控制技术、设备故障诊断技术、网络通信技术紧密结合起来。它将整个列车计算机控制系统的各层次及各层次的各单元之间连接起来，作为系统信息交换和共享的渠道，实现全列车环境下的信息交换。列车通信网络的应用，使得列车控制系统真正成为一个分布式控制系统，并为列车系统的信息化打下了基础。一、

列车通信网络的概念

55

一、

列车通信网络的概念

列车通信网络连接车厢内的可编程设备、

传感器和执行机构

，

以便完成以下任务：(1)各动力车的重联控制。能够由一个司机室操纵全列动车。为此，需要将司机室的操作命令传到各个动车，同时需将各个动车对命令的执行情况、各部件的状态返回给司机。如果某些命令未能执行，则应按“故障-安全”的原则采取相应的措施。(2)全列车(包括动车和拖车)所有由计算机控制的部件的联网通信和资源共享。(3)全列车的牵引控制、制动控制、门控制、轴温监测和空调控制等。(4)全列车的自检及故障诊断决策。(5)全列车设备状态信息、运行信息的显示。每辆车的工作状态及故障信息可通过列车通信网络传送到司机显示屏，从而使整列车有效而安全地运行。(6)为旅客提供信息服务。66实时性要求高

(时间的准确性、

传递的快速性)。由于列车是高安全要求的运动型服务设备，因此首要的就是通信的实时性。高速通信。由于列车中的设备日益增多，功能日益强大，需要通信的数据量越来越多。高速的网络通信不但可以满足通信数据量的要求，而且还可以保证网络的实时性。二、列车通信网络的特点列车通信网络适用于列车这一流动性大、可靠性要求高、实时性强、与控制系统紧密相关的特殊环境的计算机局域网络。与普通计算机局域网相比，它具有如下特点：可靠性要求高。列车通信网络对车上几乎所有的设备都进行监视、控制和管理，因此需要考虑冗余设计等可靠性设计的方

法，以保证列车运行的安全。自动组网

，即网络节点的自动配置。对于非固定编组列车，列车经常需要重组，列车的自动实时重组网络功能十分必要。7目前广泛使用的列车通信网络有符合IEC标准的TCN网络、符合IEEE标准的列车通信网络(IEEE

1473，包括TCN网络和LonWorks网络)，以及其他工业控制网络等，如WorldFIP网络、ARCNET等。1.

列车通信网络列车通信网络

(TCN)

由多功能车辆总线

(

MVB)

和绞线式列车总线

(WTB)

组成。其通用的拓扑结构如图4-1所示。WTB与MVB之间通过网关(节点)进行协议转换。列车总线是主要用于车辆之间的重联通信，能自动识别车辆在列车编组中的位置和方向；车辆总线则主要用于车辆内控制设备的互联；车通信网络采用基于总线管理器(BA)的集中式介质访问控制，并支持介质和总线管理器的冗余，因而具有强实时性和高可靠性等特点。三、

常见的列车通信网络

88图4-1列车通信网络(TCN)拓扑结构LonWorks(以下简称LON)是美国Echelon公司于1991年推出的全开放智能分布式测控网络技术。LON采用LonTalk协议

，其遵循OSI参考模型的全部七层协议。LonTalk协议被封装在称之为Neuron的神经元芯片中。LON支持总线形、

星形、

环形和混合型等多种拓扑结构

，传输介质可以是双绞线、同轴电缆、电力线、无

线电和光纤等。LON既具有CSMA/CD的实现简单、带宽利用率高、单点故障不影响网络通信和节点可灵活进退网络等优点，又改善了一般CSMA/CD在网络重载时的性能。优先级机制使紧急数据具有优先的响应时间，使LON可以适应控制网络的要求。LON具有完整的七层协议

，具备了局域网的基本功能，与异型网的兼容性比现存的任何现场总线都完善。它还提供了与LAN互联的接口，从而可实现两者的有机结合。三、

常见的列车通信网络

992.

LonWorks网络1987年3月成立的WorldFIP组织以法国几家大公司为主要成员，开发了FIP(

FactoryInstrumentationProtocol)现场总线技术。WorldFIP采用了三层结构：

物理层、

数据链路层和应用层。WorldFIP与TCN类似，使用曼彻斯特编码进行信号的传输，支持介质和总线仲裁器的冗余，并且还具备完备的网络管理能力。网络系统由总线仲裁器和若干用户站组成

，系统具有实时性、

同步性、

可靠性等特点。WorldFIP不论高速还是低速，只有一套通信协议，所以不需要任何网桥或网关

，低速和高速的衔接只用软件就可实现。三、

常见的列车通信网络

3.

WorldFIP网络101010ARCNET(Auxiliary

Resource

Computer

Network)是一种基于令牌传递

(Token

Passing)

协议的现场总线。该系统具有快速性、

确定性、

可扩展性和支持长距离传输等特点，非常适合过程实时控制。ARCNET是一个开放标准协议，位于ISO/OSI七层网络体系模型中的数据链路层和物理层。每个ARCNET物理节点包括一个数据链路层的通信控制器芯片和一个物理层的收发器芯片。在数据链路层，它采用令牌环机制，各节点通过传递令牌来协调网络使用权。在ARCNET中，采用令牌传递协议，任何节点都不能独占网络，只有在持有令牌后才能成为网络的临时主节点，才能发送一次有限长的信息。一旦信息发送完毕，必须将令牌传递给逻辑环上的下一个节点，收到令牌的节点就成了网络的临时主节点，如此循环，构成令牌环。ARCNET由于使用令牌传递机制来仲裁各网络节点对网络的访问权，不存在竞争，因此在传递时间上是可预测的，这一点与使用冲突检测机制的工业以太网和CAN有显著的不同。ARCNET即使在网络负载重、流量较大的情况下，也不会造成网络阻塞。三、

常见的列车通信网络

4.

ARCNET111111CAN，全称为“ControllerAreaNetwork”，即控制器局域网，是国际上应用最广泛的现场总线之一，是为汽车监测、

控制系统而设计开发的一种串行数据通信总线。

CAN被设计为汽车环境中的微控制器通信，在车载各电子控制装置(ECU)之间交换信息，形成汽车电子控制网络。在发动机管理系统、变速箱控制器、仪表装备、电子主干系统中，均嵌入CAN控制装置。标准的CAN协议仅定义了OSI参考模型中的物理层和数据链路层。

CAN采用多主竞争式结构，其信号传输介质为双绞线、同轴电缆或光纤。采用双绞线通信时，40m速率最高可达1Mb/s

，直接传输距离最远可达5kb/10km，可挂接设备数量为110个。CAN的通信介质访问方式为带优先级的CSMA/CD。CAN信号传输采用短帧结构，每帧的有效字节数为8个，传输时间短，受干扰的概率低，错误严重的CAN节点能自动切断该节点与总线连接，避免对总线上其他节点造成影响。三、

常见的列车通信网络

5.

CAN总线121212任务二列车通信网络13

一、

列车通信网络简介

1999年6月，在ABB公司的MICAS等运行经验的基础上制定的列车通信网络(Train

Communication

Networks

，TCN)标准IEC61357-1正式成为国际标准。TCN标准(IEC61357)适用于开放式列车的数据通信，它包括开放式列车的车辆与车辆间的数据通信及开放式列车中一节车辆内的数据通信。该标准将车载网络分为两条总线组成

的三层结构

，具体如下：141414两条总线uWTB(绞线式列车总线)

：连接可动态编组的车辆间。uMVB(多功能车辆总

线)：连接车辆或固定编

组单元内的设备，应用广

泛。控制节点每列车有且只有一个主

控节点，通常由启动的司机室节点担任，管理列车总线运行，必要时可切换；各车厢节点管理车辆总线。三层结构列车控制级、车厢控

制级、设备控制级。

其中设备总线级是MVB下扩

展的第三级总线(如传感

器总线)，作为设备接入车辆总线。二、列车通信网络的结构列车通信网络的结构应遵循ISO/OSI7层模型。列车通信网络作为局域网，节点功能固定，故只涉及了网络中的下两层和应用层。数据链路层细分：分为LLC子层

(逻辑链路控制)

和MAC子层

(介质存取控制)；MAC子层：处理介质争用问题，根据拓扑结构采用不同介质访问方法。LLC子层：屏蔽MAC子层的差异，向上提供统一的接口。列车通信网上的数据量都比较小，不存在路由选择、顺序控制和阻塞控制等问题，比较简单；但是对实时性、可靠性及网络构成的实用性要求比较高。列车通信网络的结构如图4-2所示。图4-2列车通信网络的结构15三、列车通信网络的功能列车通信网络将列车上的智能设备连接起来，完成下述功能：(2)

远程诊断及维护(

3)

旅客信息及舒适性(

1

)

列

车

牵

引

及

车

辆

控

制

(如车门、车灯等的远程控制)16特

征绞线式列车总线

(

WTB)多功能车辆总线

(

MVB)结构结构可变，构成改变时，具有适应性结构及设备的地址固定不变介质屏蔽双绞线(860m，32个节点，相当于22个UIC车厢)双绞线，RS485(20m，32个设备)；变压器隔离屏蔽双绞线(200m，32个设备)；星形光纤网(2000m，两个设备)物理冗余双层物理层双层物理层信号带16~32位前同步码的曼彻斯特编码带定界符的曼彻斯特编码四、列车通信网络的两层结构

连接各车辆的绞线式列车总线(WTB)，列车新编组时可自动配置，通信介质为双绞线，通信速率为1Mb/s；连接一节车辆内或车辆组各设备的多功能车辆总线(MVB)，经优化具有快响应性，通信介质为双绞线或光纤，

通信速率为1.5Mb/s。列车通信网络的特性如表4-1所示。171717表4-1列车通信网络的特性特

征绞线式列车总线

(

WTB)多功能车辆总线

(

MVB)信号速率1Mb/s1.5Mb/s地址空间8bit地址12bit地址物理地址点对点及广播点对点及广播有效帧长度在4~132个字节之间可变量化的：16、32、64、128、256bit完整性帧FCS-16，帧校验以及曼彻斯特

编码IEC60870校验序列及帧尺寸校验介质分配由一台主设备完成由一台主设备完成主设备权传送主设备、强主设备或弱设备总线管理器通过令牌传送成为主设备主设备冗余初运行后，主设备权传递给另一节点令牌传送自动进行主设备权转换冗余校验链路层服务过程数据

消息数据

监督数据循环偶发循环/偶发源寻址广播数据点对点或广播数据用于总线管理的数据四、列车通信网络的两层结构

181818任务三绞线式列车总线19

一、

绞线式列车总线的结构绞线式列车总线是一种串行通信总线，主要是为车辆间建立通信连接而设计的。如图4-3表示了绞线式列车总线的组成。图4-3WTB拓扑结构u节点可以直接或是通过扩展电缆连到主干电缆上，扩展电缆的长度不受信号反射的限制。u正常运行时，每个节点插入主干电缆

，并连接两个总线节点。(1)位于总线中间的节点，或中间节点，连接两个与它连接的总线节点，中间节点自己有被断开的端接器。(2)位于总线两端的节点，或端节点，未连接两个电缆节；有一段是朝向列车中间，另一段是朝向敞开的端部。端节点电气上用与它连接的端接器来终止两个总线节点，以减少反射。20WTB在一给定时间内只由一个单一的总线主控制。在总线主控制下，WTB周期性地广播牵引和列车控制使用的过程数据；也按需发送比较长但不太紧迫的消息数据，如旅客信息、诊断和维护信息。在组成发生改变或节点出现故障时

，总线主权可以转移。

当列车组成改变时，例如，车辆连挂，WTB自动重新组态，给各节点指定地址和取向、分发新的拓扑等。总线主指示中间位置上的节点连接电缆节，命令末端的端节点插入端接器，这个过程称为初运行，也就是给每个节点指出它的位置地址和它相对于总线主的取向，于是所有节点认可相同的方向为向前，相同的侧面为左侧，而与运行方向无关。一个节点可同时成为总线主和从节点。虽然总线主只有一个，但多个节点可成为总线主，这样为总一、

绞线式列车总线的结构

212121线主故障时提供了冗余。

二、绞线式列车总线介质

绞线式列车总线

(WTB)

采用屏蔽双绞线

，要求有较高的机械连接性能。使用该种介质可以达到

1Mb/s的通信速率，长度为860m，对应22节26m长的UIC列车。这种电缆最多可挂32个节点，因为每个车辆中可有一个以上的节点。

连接方式

由于车辆的取向不可预定，电气布线通常在车辆的两个端部断开。为连接不同的车辆，WTB可以使

用密接式车钩的连接点

，也可用手动插拔电缆。WTB电缆不能分别连到两个并行的连接器上，因为开式电缆残段(一个连接器插好

，而另一个悬挂着)或并行的两个电缆(两个连接器都已插好)都会引起电气上的不连续，所以两个跨接电缆都应该插好，每一个电缆连接不同的WTB线，这样自然成为冗余布线。222222每个收发器连在一个能发送和接收帧的通道上，或是主通道，或是辅助通道(两个通道可以相同)，如图4-4所示，表明了一个端节点中的开关位置。当总线开关打开时，它不连总线节点，端接开关闭合时插入端接器。方向开关将主通道连到一个

方向，并将辅助通道连到另一个方向。绞线式列车总线介质连接装置有两个收发器

，用于前后两个方向。收发器与线路电气用变压器隔离，收发器与曼彻斯特编码/译码器相连。三、绞线式列车总线介质连接装置

232323绞线式列车总线介质连接装置用于将网关设备连接到WTB上。图4-4WTB介质连接装置四、绞线式列车总线报文绞线式列车总线报文是由一个主帧和一个相应发送的从帧组成的

，如图4-5所示。总线发送一个主帧，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。图4-5WTB报文24四、绞线式列车总线报文WTB帧的数据采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。所有的帧编码相同，遵守HDLC

(高级数据链路控制，ISO/IEC3309)标准报文类型。WTB数据帧如图4-6所示。图4-6WTB数据帧25列车总线主设备控制WTB的配置，当列车的组成改变时，即车厢被连挂或解挂时，主设备重新组织总线，这个过程叫作列车初运行。初运行的作用：为所有节点分配唯一的位置地址，并确定列车定向，以便区分左右(如门控制)。初运行结束后，所有节点获知新构型，总线进入常规操作。主设备的选择：通常由司机通过特定方式(如插入钥匙)选择司机室内的节点作为主设备，该节点编号为01，并最终控制总线。主设备通过交替地向每

个方向发送检测请求帧来确

定启动初运行，如图4-7所示。

下一个从设备将会检测到主

设备发出的帧，并用一个检测响应帧作为回答。五、绞线式列车总线初运行

262626图4-7节点01检测另一节点五、绞线式列车总线初运行

当主设备检测到一个方向上的没命名的从设备的回答后，它把其他通道切换到列车这一端，发送一个命名请求给没命名的设备，告诉它“你是02号节点”，如图4-8所示。收到这一命名请求的从节点发送一个响应给主设备，以确认它已接受地址02，然后它把自己的标识设置为02，并打开主设备方向上的主通道。272727图4-8节点01给节点02命名器将会使总线不能正常工作。像主设备一样，第2个节点通过辅助通道发送检测请求帧。第3个节点(如果存在)将发回一个检测响应给02，然后由节点02向主设备报告检测到一个没命名的节点，如图4-9所示。为实现这一功能，主节点要定期轮询这一方向的端节点，读取它们的检测状态。五、绞线式列车总线初运行

282828主设备不能直接询问第3个节点，因为如果不存在第3个节点，闭合总线开关，移走节点02的终端连接图4-9节点02检测另一节点，并向节点01报告五、绞线式列车总线初运行如果节点02报告检测到了一个没命名的节点，主设备就打开02作为中间节点(闭合总线开关，移走终端连接器，并关闭辅助通道)，这时主设备就可以直接访问节点03，给它命名，如图4-10所示。图4-10节点02拖延总线持续这一交换，直到这方向上的所有节点都被命名。29持续这一交换，直到这方向上的所有节点都被命名。尽管导向车厢可能是推式车厢，这种情况下，由于可能的节点都位于司机室的前方，初运行时接63、

62……给节点命名。当端节点在一定的时延之内不再向主设备报告检测到其他节点时，主设备认为检测到了列车的尾端。但是没有返回响应并不能安全地识别就是最后一节车厢。例如，下一节车厢可能没有可操作的列车总线设备。

应用必须用其他方法(打开自动耦合开关、

人工开关)来识别列车的末尾。另外，我们还希望司机对列车组成部分的完整性进行检查。当两个方向的节点都被命名之后，主设备把构型发送给各从设备，构型中包括每个已命名的节点的描述符。在收到构型之前，节点不能参与常规操作，这是因为节点需要用构型对收到的帧解码。在常规操作时，端节点周期性地向列车末端发送检测请求来检测列车的长度。当端节点报告列车的组成改变时，如果条件允许(例如，车速<5km/h)，主设备将重新启动初运行过程。五、绞线式列车总线初运行

303030对于作用非常重要的从节点也可

冗余。双线接入同一节点易产生共模故障，只有完全冗余配置，才能提升

可靠性。对于依赖于强节点的应用，有必

要指定其他的节点作为待机强节点，TCN标准没有包含这一方法，因为它

与应用密切相关，在系统设计时由用户确定。冲突，总线恢复时间取决于节点数。WTB

未推荐强总线主冗余，可采

用在线总线主搭配待机总线主：两者物

理分离、同步通信。待机总线主与主节点性能一致、不发送帧，实时监测主节点，主节点失效后自动接管。式列车主冗余多总线主冗余结构可在单一设备故障时不影响其他设备工作。弱总线主可在初运行后选定新总线主：各节点监测总线状态，主总线主失效或线路中断时，节点消名，超时后转为弱总线主并命名其他节点。超时按节点地址设定，避免同时抢占、减少六、绞线式列车总线主冗余绞线总线31任务四多功能车辆总线32多功能车辆总线

(

MVB)多功能车辆总线

(

MVB)

是特定用于连接同车厢或不同车厢

(这些车厢在运行过程中是一个固定不变的编组)

的设备到列车通信网络的总线。它既提供了可编程设备之间的互联，也提供可编程设备与其传感器和执行机构之间的互联。MVB能寻址至4095个设备，其中有256个是能参与消息通信的站。(3)

监督数据传输事件分解、主设备权传送、设备状态等数据。(

1)

过程数据周期小于1ms的源寻址数据的周期性广播。MVB传送三类数据(2)

消息数据按需求、目的寻址的单播或广播。过程数据消息数据监督

数据33u2000m以内采用光纤介质(OGF)，采用点对点或星形耦连接。光纤介质推荐用于有高电磁辐射的区域，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采用有源或无源的光纤抽头时，光纤介质亦可按总线数设置。u200m以内采用电气中距离介质(EMD)，每段最多支持32个设备，采用屏蔽双绞线和变压器作为电气隔离，允许使用标准的IEC1158-2变压器和收发器。

一、

多功能车辆总线传输介质

MVB可采用三种不同的物理介质

，它们都在相同的速度下工作。343434u20m以内采用电气短距离介质(ESD)，这种介质基于采用RS485传送的差动收发器，在发送器和接收器之间无须电隔离，因而适用于封闭小室内。01

电气短距离介质02

电气中距离介质03

光纤介质

一、

多功能车辆总线传输介质

一个MVB结构应该包括一个或多个总线段

，总线段可由上述3种介质构成。

各总线段必须经由耦合器相互连接：采用连接不同介质的中继器，或将光纤汇入总线的星形耦合器。3535354.

三种介质之间的耦合关系一个MVB网络结构可以由一个或者多个总线段组成，总线段的介质可以是上述介质中的任意一种。如图4-12所示，三种MVB介质具有相同的通信协议及传输速率，但由于介质的电气特性不同

，各总线段的互联必须有连接设备的耦合：一类是中

继器，主要用来连接两种电气特性不同的电气介质；另一类是光电耦合器，主要是用于将光纤介质汇入电气介质。图4-12含三种介质的MVB结构总线访问每个设备，由专用的总线通信控制器控制。总线通信控制器通过发送器和接收器附挂到两个冗余的线路上。

MVB通信控制器包含编码器和译码器

，以及控制通信存储器

(Traffie

Store)

的控制逻辑。

总线通信控制器对到达的帧进行译码并寻址相应的通信存储器，同时也能读设备状态寄存器。2.

设备分类(

1)

1类设备：此类设备具有被动发送设备状态和过程数据的能力。如图4-13所示，它们不参与消息数据通信，不需要微处理器，数据的收发仅由通信控制器完成。1类设备可以连接一些简单的传感器或执行

机构，应用形式为列车通信网络中的数字量输入模块

(

DIMe)。MVB设备根据参与数据通信、

处理的能力

，

可分为以下几个类别：

1类设备、

2类设备、

3类设备、

4类设备、

5类设备、

0类设备。二、多功能车辆总线设备

3636361.

总线控制器图4-131类设备(3)

3类设备：此类设备具有接收和发送设备状态、过程数据和消息数据的能力，它比2类设备多了一个用户可编程能力。3类设备在列车通信网络中的应用

形式为牵引控制模块(DCU)、制动控制模块 (BCU)、车门控制模块(EDCU)及辅助控制模块 (SIV)等。(2)

2类设备：此类设备具有接收和发送设备状态、过程数据和消息数据的能力。如图4-14所示，设备配备了处理器，可以参与消息通信。2类设备在列车通

信网络中的应用形式为模拟量输入输出模块

(AXMe)、数字量输入输出模块(DXMe)。二、多功能车辆总线设备图4-142类和3类设备37(4)

4类设备：此类设备具有接收和发送设备状态、过程数据和消息数据以及总线管理的能力。它可以读取其他设备的设备状态、地址配置情况、监视过程数据传输。如图4-15所示，4类设备在列车通信网络中的应用形式为车辆控制模块(VCMe)、事件记录模块(EDRM)。(6)

0类设备：不属于严格意义上的MVB设备，因为它们不参与MVB的数据通信、处理等。中继器和星形耦合器属于这一类，中继器在MVB通信段中起到数据转发及信号放大的功能。(

5)

5类设备：