5号线国产化车辆网络控制和诊断系统
摘 要： 深圳地铁 5 号线国产车辆网络控制和诊断系统是一种分布式列车电子控制系统，文章介绍了该系统的网络体系结构、各部件功能和系统的主要功能。 该系统能使司机实时、全面、直观地了解整列车的工作状态，便于发现和解决故障，易于检修和维护。
关键词： 地铁车辆； 网络控制和诊断系统； 多功能车辆总线； 冗余控制
1 概述
深圳地铁5 号线国产化车辆是南车株机公司生产的新一代自主创新高端A 型地铁车辆，该型车辆首次运用国产化网络控制技术和牵引传动系统， 国产化率达90%以上。
在城市轨道交通车辆产业中， 网络控制技术好比车辆的“大脑”，深圳地铁 5 号线国产车辆网络控制和诊断系统是一个分布式控制系统，它采用多功能车辆总线MVB 将分布于整个列车的各个智能单元联结成一个列车网络，网络协议遵循IEC 61375 标准。 该系统能显著减少各箱柜之间的连线，并方便将来系统功能的扩展。
2 网络系统结构
网络体系结构分为3 级：列车控制级、车辆控制级和功能控制级。根据车辆类型的不同，按照需求为每种车辆配置数量不等的车辆控制模块（VCM）、人机接口单元（HMI）、事件记录仪（ERM）、MVB 中继器（REP）、数字量输入输出模块（DXM）、数字量输入模块（DIM）、及模拟量输入输出模块（AXM）。
列车采用MVB EMD（电气中距离 ）总线连接各车辆间的电子部件，车辆上各设备的连接也采用MVB，从而形成整车通信网络（见图1）。
3 系统各部件功能
3.1 车辆控制模块 VCM
每列车装有2 个 VCM， 分别位于 2 个 A 车中，通过MVB EMD 总线与其它设备通信。 VCM 是网络控制和诊断系统的核心，具备如下功能：
1）列车/车辆级过程控制：执行诸如牵引/制动、空电联合、空调启动等一系列控制功能；
2）通信管理：具有 MVB 的管理能力，并且能够进行被动的主权转移功能；
3）显示控制：与 HMI 显示有关的数据传输；
4）故障诊断：状态数据、故障数据的采集处理，并通过HMI 报告司机。
3.2 人机接口单元 HMI
每列车装有2 个 HMI，分别位于 2 个 A 车中，通过MVB EMD 与其它设备通信。 HMI 是司机和维护人员操作的窗口，具备如下功能：
1）列车信息显示：向车辆驾驶人员和维护人员提供车辆综合信息、各设备的工作状态、故障信息的综合与处理等；
2）参数设定：对轮径值、时间日期等参数进行更改与设定；
3）数据转储：通过 USB 接口，将故障信息转储地面进行统计、分析。
深圳地铁5 号线国产车辆显示器界面结构如图 2所示。
西门子显示器界面结构图如图3 所示。
从图2、图 3 可以看出国产车辆显示器显示的内容更全面： 网络拓扑界面能实时监视列车网络上主要设备的通信状态；I/O 检查界面能实时监视 DXM 模块、AXM 模块的输入输出信息， 以及 DCDC、SIV 和 DCU的相关信息； 车辆号设置和轮径设置界面可以直接修改车辆号和轮径。 因此国产车辆显示器能使司机更直观地了解列车工作状态，更及时地发现和排除故障，更方便对列车进行操作设置。
3.3 事件记录仪 ERM
每列车装有2 个 ERM， 分别安装于 2 个 A 车中，通过MVB 与其它设备通信。 ERM 是数据转储的关键部件，具备如下功能：
1）数据记录：司机操作数据 、故障数据、事件数据的记录，将 VCM 的故障数据具体化；
2）数据转储：通过车载信息网（工业以太网）将记录的数据下载，供便携式维护工具分析。
3.4 数字量输入输出模块 DXM
每列车装有12 个 DXM，分别安装于各车辆中（每节车2 个），通过 MVB 与其它设备通信。 DXM 实现数字量信号的采集输入和控制输出，具备如下功能：
1）输入信号采集：将车辆间电气信号转换成控制信号，经由列车控制网络传送给 VCM，完成各种控制功能；
2）控制信号输出：将网络控制信号转换成电气信号，控制指示灯、继电器等设备；
3）设备地址输入：通过外部跳线配置设备地址，维护简单。
3.5 数字量输入模块 DIM
每列车装有2 个 DIM，分别安装于 2 个 A 车中，通过MVB 与其它设备通信。 DIM 实现数字量信号的采集输入，具备如下功能：
1）输入信号采集；
2）设备地址输入。
3.6 模拟量输入输出模块 AXM
每列车装有2 个 AXM， 分别位于 2 个 A 车内，通过MVB 与其它设备通信。 AXM 实现模拟量信号的采集输入和控制输出，具备如下功能：
1）输入信号采集；
2）控制信号输出：将网络控制信号转换成电气信号，控制诸如仪表等设备。
3.7 中继器 REP
每列车装有12 个 REP 模块， 分别安装于各车辆中（每节车2 个）。 REP 具有信号中继功能，它将一个车辆单元的智能设备通过MVB 总线连接到列车通信网。
4 系统的主要功能
网络控制和诊断系统对列车牵引系统、 辅助电源系统、制动系统、ATC 系统、车门及空调系统等进行控制、监视和故障诊断、记录，其主要功能包括：控制功能（包括冗余设计）、监视功能、故障诊断功能、维护检修功能。
4.1 控制功能
4.1.1 系统冗余控制
1）VCM 冗余。 正常运行时，系统随机选择一个作为主控设备，另一个为备用，备用设备不停地监视主控设备状态，当主控设备出现故障时，备用设备将代替主控设备行使列车控制的功能，以保障整个列车正常运行。
2）REP 冗余。 每节车辆中的 REP 都进行了设备冗余， 当 1 个 REP 故障， 列车控制系统将通过另一个REP 建立通信。
3）总线冗余。 网络控制系统采用了通道互为冗余的列车及车辆总线MVB 进行数据传输。 正常情况下网络随机信任A 或 B 通道进行数据传输，当某一通道发生故障时，网络自动切换到另一通道进行数据传输。
4.1.2 牵引/制动控制
牵引/制动控制信号主要有：运行方向信号（向前、向后、无方向），牵引/制动信号（牵引、制动、惰行），牵引/制动级位信号 （司控器级位信号、ATO 级位信号），操作模式（ATC 模式、人工模式、洗车模式、高加速模式等）。
4.1.3 空电联合制动控制
为了有效地制动操作和提高乘坐平稳性， 网络控制和诊断系统与BCU 协调进行整个空电联合制动的混合控制。 网络控制和诊断系统将来自司控器或 ATO的制动命令传输给BCU 和 DCU， 在尽可能发挥列车电制动力的基础上，BCU 将补充空气制动力， 以满足总制动力要求。
4.1.4 空调控制
空调启/停控制： 主控司机台可以根据司机面板空调启/停选择开关对空调进行启/停控制。 当开关处于启动（停止）位置时，网络控制系统发出空调启（停）指令，启动（关断）全车空调。
温度设定：司机可以通过司机台显示器对全车空调进行温度设定。
4.1.5 PIS 控制
网络控制和诊断系统有指定运行信息的数据库，它传输运行信息给PIS，可以通过 HMI 进行跳站设置，且手动设置级别最高。
4.2 监视功能
网络控制和诊断系统主要监视对象有： 系统自身设备、列车牵引系统、高压电路、辅助电源系统、低压供电系统、制动系统、ATC 系统、车门及空调系统等。 它持续监视车载主要设备的状态并通过显示器显示各设备状态信息。
4.3 诊断功能
车载故障诊断系统是网络控制和诊断系统的一个重要组成部分，主要完成车载各部件故障数据的采集、分析、转储和显示。 简单的故障信息在 HMI 上显示，详细的故障环境记录数据则存储在ERM 中。
故障诊断功能可以协助司机和检修人员进行工作。当列车发生故障，将以显示器的文本信息和蜂鸣器的鸣叫同时警示司机。 故障等级和纯文本信息显示在HMI 界面上。 此外，故障提示信息可以协助司机采取适当的操作，并使维护人员更容易地查找并解决故障。
4.3.1 故障等级的划分
网络控制和诊断系统将故障划分为3 个级别：
1）严重故障（等级 1）：列车需在运行的下一站进行清客，空车回库以解决故障。
2）中等故障（等级 2）：列车需在完成本次单程运营后退出运行，空车回库以解决故障。
3）轻微故障（等级 3）：不影响运行，可以在列车运营结束后回库处理。
4.3.2 故障信息显示
在显示器上有故障提示区， 醒目地提示当前列车故障数目和故障内容， 并且要求司机对故障进行确认操作。 同时，在显示器的事件信息界面，按照时间顺序显示在线的故障， 包括故障级别和解决故障的建议措施。
另外， 事件信息查询界面显示系统在一天中检查到的所有故障。当操作人员换班时，新的操作人员将能够知道上一班次列车发生的所有故障信息。
4.3.3 故障记录
网络控制和诊断系统分别将故障信息记录在显示器和事件记录模块的闪存中， 其数据可以保存 6 个月以上。显示器中记录的故障信息比较简单，只包括故障内容、车号、发生时间、等级信息，记录方式为先进先出。事件记录模块中记录的故障信息还包括故障代码、故障消除时间、 同类故障的累计次数以及相关的环境数据。
4.3.4 故障下载
ERM 中的数据信息可以使用便携式维护工具通过以太网方便地下载到笔记本电脑中， 做进一步的数据分析和故障诊断。
4.4 维护功能
1）加/减速度测试。 在显示器的加/减速度测试界面中设定速度的起始值和终止值， 可测试列车在一段时间内的平均加/减速度。
2）自检功能。 系统在上电后对各 MVB 节点通信状态进行检查， 与系统有总线通信的子系统的软件版本和输入/输出状态也可以在显示器上进行检查。
3）初始设定功能。 系统时间日期、轮径等可以在显示器上进行设置。
4）数据下载上传功能。 记录的数据可以通过便携式维护工具下载和分析。
5）操作记录功能。 记录相关的操作信息，如运行里程和空压机运行时间等，以便于列车检修和维护。
5 结束语
深圳地铁5 号线国产车辆网络控制和诊断系统采用冗余控制，配有诊断设备、人机界面、标准化的硬件模块和软件模块， 能减少对硬件许多不必要的检查过程，而且能使司机随时对车辆的状态有全面、直观的了解，能够及时发现故障，减少事故的发生，并方便检修和维护，具有很高的可靠性和很好的可用性。
参考文献：
[1] 李 蕾. 列车通信网络拓扑结构及采用技术初探[J]. 铁道技术监督 ，[1] 2009（6）：42-45.
[2] 陶 艳. 分布式列车控制系统的冗余设计[J]. 郑州铁路职业技术学[1] 院学报， 2009（2）：10-11.
[3] 张元林. 列车控制网络技术的现状与发展趋势[J]. 电力机车与城轨[1] 车辆， 2006（4）：1-3.
[4] 严云升. 列车通信网络及其与设备的连接方式[J]. 机车电传动，2002[1] （2）：23-25.
[5] IEC 61375—2007，牵引电气设备 列车总线 第 1 部分：列车通信网络[1] [S].
京公网安备 11010202007575号