1.2　列车网络控制系统概述

1.2.1　列车网络控制系统的结构和功能

列车通信网络是用于列车这一流动性大、环境恶劣、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，属于控制网络的范畴。

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1.8所示。

其功能主要包括以下方面：

（1）实现牵引控制，即牵引特性曲线的实现和牵引功能的优化。

（2）实现列车牵引的黏着控制，即列车在各种运用条件下，都能保持轮轨间的牵引力，并尽可能地使机车运用在轮轨间的牵引力实现最大化。

（3）实现列车运用过程中各种可能需要的功能关联和电路连接，即逻辑控制功能。

（4）实现列车运用过程中的故障信息处理，即进行故障信息的采集、处理、传输、显示和记录，并为列车乘务员提供故障的现场处理和排除的信息提示。

（5）提供列车运行的状态信息。

1.2.2　列车网络控制技术的发展

计算机在轨道交通工具上的应用随着20世纪70年代后期微处理器技术的普及而迅速发展。微处理器开始主要应用于机车车辆单个设备的控制，如西门子、BBC（英国广播公司）于20世纪80年代初将8086微处理器应用于机车或动车的传动控制。

随着计算机技术的发展，机车车辆上微机控制的服务对象逐渐增多，如牵引、供电、制动等系统都广泛使用到了计算机技术。因此，列车控制系统引入了层次划分的思想，产生了基于串行通信的、用于较为独立的控制设备或层次间信息交换的总线与企业标准，如BBC的连接机车控制层与传动控制层的串行控制总线，该总线后来发展成为用于连接机车内的所有智能设备的MICAS车辆总线，简称MVB。

初期的列车通信网络与列车控制系统相对独立。列车通信网络的任务主要是收集全列车各部件的状态、数据，以便进行监视和诊断；列车控制系统主要通过硬连线把命令传送到各节车厢，从而实现全车的重联控制。列车控制的命令不经网络传送，因此在列车可靠性上还远未达到可信赖的程度。此时的列车通信网络在列车控制系统中并不是必不可少的，它属于锦上添花。日本300系电动车组就是如此，装有车辆情报管理系统TIS，该系统所提供的情报用于帮助乘务员采取对策，便于维修；控制的级位和命令采用硬连线直接传送，因此贯通全列车的硬连线比较多。

随着列车通信网络技术的发展，其可靠程度不断提高，功能也在不断增强。它已不再局限于监视、诊断所需要的情报收集，同时还传递控制所必需的信息，如各种控制命令都可通过网络传送到各车的各个部件，执行的结果也通过网络返回给司机。采用列车网络控制技术不仅可省去大量的重连线，而且可使全车各部件控制更加协调、精确和合理，从整体上提高了控制的技术水平。监控与监视、诊断合在一起，使信息更加丰富，也避免了重取信号，提高了监视和诊断的水平。20世纪90年代初，产生了列车总线以满足机车和动车组重联控制的需要，如德国西门子的DIN43322列车总线，美国Echelon的LonWorks总线，法国WorldFIP组织的WorldFIP总线，日本的ARCNET网络等。至此，一些大的铁路电气设备公司以牵引控制系统为基础、以列车通信系统为纽带、以新器件和新工艺为载体，相继推出了广泛覆盖牵引、制动、辅助系统、旅客舒适设备控制和显示、诊断等方面的列车通信与控制系统，在欧洲一般简称为TCC。在北美，类似的系统被称为基于通信的列车控制系统，简称为CBTC。

如今，列车网络技术已经逐步走向成熟。西欧一些技术发展处于前列的公司，如瑞士的ADtranz公司、德国的西门子公司、意大利的ANSALDO公司等，都在致力于将自己公司的企业标准推向国际标准，逐步形成列车网络控制系统标准化、模块化的硬件系列和全方位开发、调试、维护和管理的软件工具。如IECTC9第22工作组制定的“列车通信网络（简称TCN）”标准已于1999年成为正式的国际标准，IEC 61375规定的TCN和78kbit/s数据速率的LonWorks。

但是，随着控制网络的应用范围不断扩大，用户对网络的开放性、性价比、开发和应用的多样性和灵活性等方面都提出了更高要求，而各种控制网络都有其优缺点，使得目前还没有一种控制网络能很好地满足铁路用户的所有应用需求。因此，列车网络技术标准和IEC 61158工业现场总线标准一样，将不再是仅包含一种技术的标准，而是多种网络技术的融合。

列车控制网络技术今后的发展将呈现以下趋势：

1.相互竞争，多种网络技术并存

基于WTB和MVB的IECTCN网络技术是专为铁路应用而开发的，具有强实时性、高可靠性等特点，能满足铁路行业的特殊需求，因而在今后相当长的时间内，仍将作为列车控制网络技术的主流，在相互操作性要求高的高速机车、动车组、地铁车辆等高端市场应用；而其他通用网络技术，如LonWorks、CANopen等，由于其具有良好的开放性、高性价比以及开发的灵活性和便利性，将在通信数据量不太大或实时性要求不太高的应用场合，如客车、货车、轻轨、内燃机车以及控制子系统等领域得到广泛使用。

2.相容并蓄，多种网络共存于一个系统

由于用户需求的多样性，WordFIP、CANopen、TIMN、LonWorks等通用网络技术在今后一段时间内将和原有TCN网络共同发展、取长补短并相互融合，如，列车总线可能仍然采用WTB，而车辆总线除MVB外则可能采用WordFIP、CANopen、TIMN中的一种；或者，车辆总线仍然采用MVB，而I/O和控制子系统则采用上述通用网络中的一种。

3.异军突起，工业以太网的引入将成为新的热点

近年来，工业以太网技术正在工业自动化和过程控制市场上迅速发展。以太网技术已渗透到了工业控制中，出现了现场总线型网络技术与以太网/因特网开放型网络技术的自然结合。随着基于网络的远程诊断与维护、旅客信息与舒适性支持等新的用户需求的提出，以太网不仅可以成为列车网络中的高层信息网络，也极有可能上下贯通直接与下层车载控制设备相连，从而形成车辆控制与信息服务的新型宽带网络系统，实现控制网络与信息网络的有机融合。但列车网络控制系统作为一个公共交通工具的控制系统，其安全性，即保证列车和旅客的安全是第一位的。因此，系统必须具备很好的安全防范性能，系统受到恶意攻击时应具有“自卫”能力和应急处理措施，从而保证列车运行的安全。

总之，列车网络控制系统是多种技术结合的产物，运用了电工技术、模拟电子技术、数字电子技术、计算机技术和自动控制等技术，是多学科综合应用的结合体。列车网络控制系统的发展在很大程度上依赖于电子器件和计算机技术的发展。当前计算机控制已经进入嵌入式控制和网络控制的时代，随着电子技术、自动控制技术和计算机技术的发展，列车网络控制系统也会随之发展到一个更新更高的程度。

1.2.3　我国列车网络控制技术的应用

我国对列车网络控制技术的应用始于机车微机控制系统的应用。1991年，株洲电力机车研究所在购买的ABB（艾波比）公司的牵引控制系统开发工具，特别是软件开发工具的基础上，联合国内有关高校开发出了我国第一套电力机车微机控制装置，安装于SS40038电力机车上。在该装置中，系统被明确划分为人机界面显示级、机车控制级和传动控制级三级。级与级之间通过串行总线连接，形成了二级总线的雏形。

20世纪90年代中期，随着动车组在我国升温，对列车通信网络特别是机车的重联控制通信的需求十分迫切。一方面，铁道部开展了列车通信网络研究课题；另一方面，一些单位也先后自发地开展了自我开发、联合开发或技术引进工作。例如，上海铁道大学与株洲电力机车研究所合作开发的基于ARCNET的列车总线和基于HDLC的车辆总线的列车通信网络的研究；上海铁道大学用CAN总线作为连接司机台和列车控制单元的局部总线的研究；国防科技大学用CAN总线作为磁悬浮列车的列车总线的研究；西南交通大学用RS485协议作为摆式列车倾摆控制总线的研究；北京交通大学对通信介质及其转换的研究；大同机车厂对列车通信网路结构及其协议的研究和对BITBUS的研究；株洲电力机车研究所的基于FSK的列车通信的研究，基于RS485协议的局部总线的研究，基于LonWorks的列车总线和局部总线的研究，以及CAN总线用于列车监控装置和摆式列车局部控制总线的研究等。其中，有一些成果得到了应用，包括基于列车通信网络（TCN）的总线技术，其中有广州地铁和北京地铁等。