轨道交通列车网络控制技术课件：网络控制系统概述

轨道交通列车网络控制技术

网络控制系统概述4学习目标u能力目标：(1)掌握列车网络控制系统的组成。(2)掌握列车网络控制系统的功能。学习重点(1)理解网络控制系统的基本概念。(2)掌握网络控制系统的组成及特点。(3)掌握列车网络控制系统的组成及功能。u素质目标：(1)培养学生的职业道德与责任感，使学生

深刻认识到自身工作对乘客生命安全和铁路

运输秩序的重要性。u知识目标：(1)理解网络控制系统的基本概念。(2)掌握网络控制系统的组成及特点。212任务二认识列车网络控制系统任务一认识网络控制系统目

录CATALOG3任务一认识网络控制系统4广义的网络控制系统不但包括狭义的网络控制系统，还包括通过因特网、企业信息网络以及企业内部网络，实现对工厂车间、生产线以及工程现场设备的远程控制、信息传输、信息管理和信息分析等。网络控制系统

(NetworkedControlSystem，NCS)又被称为基于网络的控制系统或网络化控制系统，是一种完全网络化、分布化的控制系统，是通过网络构成闭环的反馈控制系统。网络控制系统是计算机网络技术、通信技术、传感器技术和控制科学日益发展与交叉融合的产物，是计算机网络技术在控制领域的延伸和应用，是计算机控制系统的更高发展。一、

网络控制系统的概念5在一个网络控制系统中，被控对象、传感器、执行器和控制器可以分布在不同的物理位置

上，控制器可以不止一个，被控对象也可以不止一个，一个控制器可以控制多个对象

，同时一个被控对象也可以通过控

制器信息融合的方式或者分时

的方式被多个控制器控制。

网络控制系统的结构如图1-1所示。图1-1u被控对象的输出通过传感器采样的方式离散化并通过通信网络发送到控制器的输入端。u控制器进行运算后，将输出通过网络发送到被控对象的输入端，并由零阶保持器生成分段连续函数作为连续系统的输入。二、

网络控制系统的组成u网络控制系统一般由四部分组成：控制器、

执行器、

被控对象以及通信网络。u被控对象一般为连续系统，而控制器一般采用离散系统。网络控制系统的结构6

二、

网络控制系统的组成

u图1-1表示的网络控制系统包含了n个被控对象及控制器，另外通信线路中还有其他负载参与工作

，这种复杂

的系统结构还可以抽象成径直结构网络模型与分层结构网络模型。径直结构网络模型中，将控制器与执行器或传感器与控制器之间的信号传递中间环节网络化，如图1-2所示。u分层结构网络模型中，存在主、从控制器，主控制器综合各方面的信息通过网络将计算好的参考信号发送给

从控制器，从控制器根据参考信号执行本地闭环控制，并将传感器测量数据传给主控制器，如图1-3所示。在这种网络控制系统中，主控制器只有一个，但从控制器可以是多个，城市轨道交通列车网络控制系统采用的正是这种网络控制模型。77图1-2径直结构的网络控制模型图1-3分层结构的网络控制模型一般而言，网络控制回路具有比本地控制回路更长的

采样周期。这是因为，从控制器在处理新到达的信息之前已

经假定满足参考信号条件。与径直结构相比，由于从控制器的存在，分层结构有更好的实时性。01实际应用中，采用何种结构往往取决于应用的需求和设计方

案的选择。例如，在机器人应用中，机械手往往要求多个电机在其关节

处同时平滑地旋转。这种情况下，采用机器人现有的控制器和分层结构更方便，系统的鲁棒性也更强。02在直流电机的控制中，由于要求网络控制的性能具有快

速反应性，该情况就偏向于采用径直结构。在大规模的NCS中，也有可能同时采用两种控制结构，这是由NCS的异质网络结构所决定的。03二、

网络控制系统的组成8(4)

节点智能化很多节点都是带有CPU

(中央处理器)的智能终端，

能够记录处理数据，节点之间通过网络实现信息传输和功能协调，且具有各自相对独立的功能。(

5)

控制现场化和功能分散化网络化结构使原先由中央控制器实现的任务下放到智能化现场设备上执行，这使危险因素得到分散，从而提高了系统的可靠性和安全性。(2)

互操作性不同厂商的产品在同网络中可以相互通信，可以不同程度地减少中间环节的信息处理设备，以降低控制成本。(

1)

数字化互联性能以较小的信息传输代价实现远程操作和远程控制，用数字信号在数字网络上传输，实现控制设备间的数字化互联。(

3)

开放性系统扩展容易且维护性增强，可以实现决策管理层、

调度层到现场控制设备层的全系统控制和全过程优化。u与传统的点对点控制系统相比，网络控制系统具有共享信息资源、远程监测与控制、减少系统布线、易于扩展和维护、增加系统的灵活性和可靠性等优点，具体来说有以下几点：三、

网络控制系统的特点

99任务二认识网络控制系统10

一、

列车网络控制系统的发展历程u列车网络控制系统是一个集信息收集、传输、处理和控制于一体的综合系统，它通过各个子网之间的协同工作，实现对列车运行状态的实时监控和精准控制。继电器控制阶段

(

1960s-1980s)在20世纪60年代至80年代，列车控制系统主要采用基于继电器的硬连线控制方式。控制逻辑依赖物理电路和机械开关，各子系统(如牵引、制动、车门控制)相互独立，缺乏统一数据交互机制。采用模拟信号传输导致布线复杂、故障排查困难、扩展性较差，例如早期城市轨道交通列车和内燃机车采用分立式控制单元，维护成本高、响应速度慢，但为后续数字化发展奠定了基础。11数字化发展阶段

(

1980s起)20世纪80年代，随着微处理器技术成熟，列车控制系统向数字化方向发展，主要突破是现场总线技术的引入，如控制局域网络(CAN)总线和多功能车辆总线(MVB)

的应用，使列车各子系统能通过数据总线通信。欧洲轨道交通企业率先采用分布式控制架构，如西门子SIBAS系统在德国ICE系列高速列车中实现牵引、制动等子系统网络化控制；日本新干线列车也采用数字控制系统，提高了运行稳定性和可维护性。此阶段的列车网络控制系统(TCMS)虽受限于通信速率和实时性，但已初步实现数据共享和集中监控，为后续标准化与集成化奠定基础。一、

列车网络控制系统的发展历程

121212标准化集成阶段

(21世纪)61375《列车通信网络》和美国电气与电子工程师协会(IEEE)的IEEE进入21世纪，列车网络控制系统进入标准化与高度集成化阶段。国际上制定了两个车载通信标准：国际电工委员会(IEC)的IEC1473《列车网络通信协议》，规范了列车通信网络架构，系统逐渐整合牵引控制、制动、空调、旅客信息等多个功能模块，实现“一网通控”。u2004年，首套具有自主知识产权的国产城市轨道交通列车网络控制系统研制成功，采用国际先进车载微机网络控制系统，实现整车控制、通信、显示和诊断等功能。u

目前，国内城市轨道交通列车网络控制系统已基本实现国产化，中国中车的列车分布式网络通信和控制系统(DTECS)技术日趋成熟稳定，成为轨道交通车辆标准配置。一、

列车网络控制系统的发展历程13列车网络控制系统是列车的核心部件

，包括以实现各种控制功能为目标的单元控制器、实现车辆控制的车辆控制器和实现信息交换的通信网络

，其结构如图1-4所示。二、列车网络控制系统的组成

141414图1-4列车网络控制系统结构u实时监控系统能够实时收集列车的运行状态信息，如速度、位置、温度、压力等，确保列车安全运行。u精准控制系统能够根据列车的运行需求，通过控制指令实现对列车的精

准控制，如加速、减速、制动等。u故障诊断系统能够自动检测列车故障，并进行诊断和报警，为维修人员提供及时的故障信息。三、列车网络控制系统的功能

u列车网络控制系统能够全面实现对列车的控制和管理，确保列车高效、安全运行。列车网络控制15151501功能03系统具备以下功能：02数字化和开放化特征u数字孪生技术将贯穿TCMS的整个生命周期，从设计阶段的虚拟调试到运营阶段的实时仿真，实现物理系统与数字世界的无缝连接。u开放式标准化架构将成为主流，符合IEC61375-3等国际标准的模块化设计，使得不同厂商的设备可以即插即用。四、列车网络控制技术的未来发展趋势

u

随着人工智能、大数据、物联网等新一代信息技术的快速发展，列车网络控制系统(TCMS)正朝着高度智能化、

深度集成化和全面自主化的方向演进。161616分布式智能决策转变u通过引入深度学习算法和边

缘计算技术，使列车具备自主感知、自主决策和自主学习能力。既懂轨道交通又精通AI、云计算等新技术的复合型人才供不应求4四、列车网络控制技术的未来发展趋势

171717技术创新，需要国际组织加快制定自动驾驶、

数