武汉东湖100%低地板有轨电车列车监控及控制系统冗余功能简析

【摘 要】本文介绍了武汉东湖100%低地板有轨电车列车网络及监控系统拓扑结构和配置情况，同时也对该系统的冗余功能设置和功能进行了介绍，MVB通信线缆采用A、B双通道冗余设计，在冗余功能工作原理上分别介绍了VCU冗余功能工作原理和WTB网关冗余功能工作原理，最后阐述了数据记录冗余工作原理并做出总结。

【关键词】TCMS VCU WTB总线 MVB总线

1 系统概述

武汉东湖100%低地板有轨电车的列车监控及控制系统（以下简称TCMS）按照IEC61375标准规定的列车通信网络组建，列车总线与车辆总线均采用MVB总线。总线采用冗余传输，保证数据传输的可靠性。MVB总线的传输速率为1.5Mbit/s。MVB总线可以传输过程数据和监视数据。多功能车辆总线（MVB）的电气接口为EMD介质。

连接到车辆总线（MVB）上各个子系统的控制单元主要包括：ATC、牵引、制动、辅助、空调、车门、乘客信息系统控制单元等。其它没有MVB接口的子系统可通过MVB总线协议转换模块连接到MVB网络中。整个TCMS系统包括车载硬件、操作系统、控制软件、诊断软件、监视软件和维护工具等。列车总线及车辆总线系统符合有关列车通信网络IEC61375标准及TB/T3035标准，列车网络控制系统硬件满足EN50155标准。

2 网络拓扑和系统配置

全列由两个基本对称的单元组成，网络拓扑配置：（1）两个MC车各配置一台主控制单元（MCU），其中包含列车控制单元（VCU）、远程输入输出单元（RIOM）、事件记录仪（ERM）；两个人机接口单元（HMI）分别位于两个Mc车，负责车辆及各子系统设备状态的显示、负责故障报警并且提供人机交互输入接口。（2）每个Mc车配置一台列车控制单元（VCU），两者互为冗余。（3）在每个Mc车各安装一个RIOM模块，实现对硬线控制电路的主要信号进行采集和控制，其中Mc车的RIOM模块为冗余配置，可实现对一些P键信号的冗余采集；（4）Mc1和Mc2车各配置一台列车事件记录仪，实现对列车主要设备的运行状态和故障信息的周期性记录，其记录的数据可通过便携式测试单元PTU读出和打印。（5）其它子系统，如TCU、ACU、BCU、HVAC、EDCU等，通过MVB接口连接到TCMS；（6）ERM通过以太网接口同无线传输设备连接，可实现故障数据实时传输；（7）电池管理系统BMS直接通过CAN网络同VCU连接；（8）在T车安装WTB网关（WTBGW），TCN网关用于将一列车的MVB数据通过WTB总线传送到另一列连挂车辆的MVB总线，为了保证数据传输的安全性，WTB网关具有冗余结构。（9）信号系统（ATC）通过RS485同VCU连接。

3 冗余功能工作原理

MVB通信线缆采用A、B双通道冗余设计，若MVB总线单通道通信中断，设备则从另一条传输线接收数据，整个网络通信不受影响。

每个Mc车配置一台列车控制单元（VCU），两者互为冗余。主VCU负责对网络的调度、车辆的控制以及对车辆设备的监视和诊断，从VCU实时监视主VCU的状态，当主VCU故障后，从VCU立即接替其工作；

在T车安装WTB网关（WTBGW），TCN网关用于将一列车的MVB数据通过WTB总线传送到另一列连挂车辆的MVB总线，为了保证数据传输的安全性，WTB网关具有冗余结构。

3.1 VCU冗余功能工作原理

列车控制单元（VCU）做为列车关键的控制设备，由于其主要实现总线管理、列车控制等功能，因此在整个列车网络中对VCU做了热备冗余配置。每列车设置两个列车控制单元（VCU），分别位于Mc1车和Mc2车。两个VCU通过竞争机制选取一个VCU为主控单元，执行总线管理和控制功能；另外一个VCU做为从控单元，监视主设备状态。当主控VCU出现故障时，从控VCU检测不到主控VCU的生命信号时接管总线，执行总线管理和控制功能，成为新的主控单元。

3.2 WTB网关冗余功能工作原理

WTB网关实现列车总线和车辆总线的双向数据传输，保证列车级总线和车辆级总线网络通信的实时性、可靠性、数据分配的合理性。

WTB网关由两组硬件完全相同、互为冗余的板卡组成，正常模式下，一组板卡处于激活状态，进行正常的网关通信，另一组板卡处于待机状态，激活网关失效后，待机网关会迅速自动转为激活网关。

对于MVB总线，激活网关与待机网关都具有两种配置，分别对应激活状态和待机状态的MVB端口及设备地址配置，激活网关参与MVB总线通信，参与实际列车通信和应用数据处理，待机网关监听MVB总线通信，保留一个端口用于发送生命信号，其他端口处于监听状态（宿端口），不发送应用数据。

两个MVB冗余接口在MVB网络中都是激活端，并且该状态与WTB冗余状态无关。在初始状态，MVB端口都配置成宿端口（sink port），应用层程序需根据WTB节点状态（激活或备用状态）来动态切换端口的方向是源端（source port）或者宿端（sink port）。MVB端口方向会随着WTB冗余节点状态的切换而切换。两个MVB板卡必须使用不一样的MVB地址，MVB设备地址会随着冗余切换的发生而变化。但是针对激活和热备的状态，MVB设备必须有固定的地址与冗余状态对应。

3.3 数据记录冗余工作原理

数据记录仪采用冗余设计，全列车有两个数据记录仪，两个数据记录仪在正常情况下同时记录列车的所有故障信息。当其中一个数据记录仪故障，另一个数据记录仪继续工作以保证列车的故障记录不会丢失。

4 结语

该项目网络配置充分考虑了各种工况的冗余功能，并能实时对采集的数据进行实时记录和故障分析，最大限度的能够保障列车稳定运行。

参考文献：

[1]刘琦，赵磊，徐慧林，吴紫薇.国产化列车控制及监控系统的监控设计改进[J].城市轨道交通研究，2013（10）：59-62+83.

[2]赵磊.北京地铁7号线列车网络控制系统[J].城市轨道交通研究，2014（5）：109-114.