电力机车控制系统及其通信网络发展概述
1 引言
电力机车和电动车组的运行是由司机和地面行车指挥系统通过控制系统来完成的。控制系统是实现列车控制的神经中枢。控制系统必须满足列车运行过程中的各种基本要求，完成对主电路、辅助电路、电子电路和微机系统的控制。大致地说，电力机车和电动车组的控制系统包括：有触点的电器控制子系统、电子控制子系统、微计算机控制子系统和列车通信网络系统。这些控制子系统既各有特点，又相互联系，甚至难以区分。有触点的电器控制系统是电力机车和电动车组控制系统的基础控制，虽然有触点的电器控制在相当长时间里，被认为技术落后和控制不方便，但即使是当今世界上最先进的列车，仍然保持着结构基本不变的电器控制系统。电子控制系统主要是由有别于计算机系统的电子线路构成的控制装置。20世纪80年代以来开始的机车微机控制系统是电力机车和电动车组控制技术的一次革命性的变革。由此而发展起来的微机控制、列车通信网络乃至最新的无线通信技术，是当今列车控制的发展潮流。
本文首先详细介绍了电力机车控制系统及其发展的四个阶段，然后介绍了列车通信网络方面的发展状况，最后对基于TCN标准的列车通信网络，在技术和应用性成果上进行了介绍。
2 电力机车和电动车组控制技术的发展
电力机车和电动车组的控制技术，从发展过程和技术特点来看，可大致分为下述四个阶段。
第一阶段：以有触点的继电器、接触器控制为主，附之以分立元件和小规模集成电路构成的模拟电子线路进行控制，国内的代表车型包括SS1和早期的SS3、SS4。其主要功能有：
(1) 牵引工况恒电枢电流控制，具有最高电机电压限制功能； (2) 制动工况恒励磁电流控制，具有最大制动电流限制功能； (3) 具有超压、二次侧短路、电机过流等保护功能；
(4) 具有调压开关进、退级与相控调压有关逻辑联锁、监控及保护电路。 第二阶段：以模拟电子技术控制为主，以20世纪80年代中期从欧洲引进的
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8K型电力机车及其相应的控制技术为标志，大量增加了电子控制电路和中大规模集成电路，系统形成电子柜结构。这一阶段对不同车型的电力机车电子控制装置初步实现了标准化、模块化。从而实现了我国电力机车控制技术的一次更新换代。这一阶段控制技术的特点是：
(1) 电路组成单元主要以LM124、LM139、74HC等新一代数模集成电路为
主。
(2) 采用国际标准，具有良好的防尘、防潮、防震和电磁屏蔽性能。 (3) 在系统设计上，较完整地考虑了电位隔离、滤波等抗干扰措施。 (4) 系统电路设计上采用了高精度电流、电压传感器等措施，可保证电路板
精度和系统精度。
(5) 系统充分考虑了个中控制需要，功能模块齐全，可满足特性控制，防空
转滑行控制，功率因数补偿控制，加馈或再生制动控制，重联控制以及各种保护的功能要求。
第三阶段：以微型计算机技术为核心。以20世纪90年代初期SS4型38号微机控制电力机车为标志，采用单板和单片机系统，大量增加了电子控制和中大规模集成电路。其特点主要有：
(1) 硬件标准化、通用化程度高，不同的特性、参数和控制功能只需在软件
上区别，硬件可通用。
(2) 装置的可靠性提高，平均无故障工作时间近1万小时。
(3) 微机系统智能化程度高，其故障诊断、显示功能实时监测系统的主要部
件，便于确认系统状态，查找分析故障原因。
(4) 便于功能的扩展和升级，如与其他部件或系统通过串行通讯方式建立联
系
第四阶段及未来的发展：以网络技术和无线通信技术为主。由于先进微处理器应用和网络技术的发展，加上巨大的市场前景，从20世纪80年代开始各大厂商竞相研发总线式的列车微机控制系统，主要有西门子的SIBAS16、SIBAS32，Adtranz公司的MICAS-S以及ALSTOM公司的AGATE系统。
3 国内外列车通信网络的发展
20世纪70年代末至80年代初车载微机的雏形分别在西门子公司和BBC公
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司出现开始仅仅是用于传动装置的控制，随着控制服务对象的增多，列车通信网络在初期的串行通信总线的基础上应运而生，并从原来不同公司的企业标准推向国际标准，逐步形成了列车通信与控制系统的标准化、模块化的硬件系列和全方位的开发、调试、维护、管理软件工具。如瑞士Adtranz公司的MICAS系统，德国Siemens公司的SIBAS系统，日本的TIS系统及法国ALSTOM公司的FIP系统等，但这些系统由于自成体系缺乏统一的通信协议及标准互不兼容。为此IEC第9技术委员会TC9于1988年成立了第22工作组WG22，其任务是制订一个开放的通信系统，从而使得各种铁道机车车辆能够相互联挂，车上的可编程电子设备能够互换。1992年6月TC9WG22以委员会草案的形式向各国发出列车通信网 TCN的征求意见稿。总体结构把列车通信网规定为由多功能车辆总线 MVB和绞线式列车总线 WTB组成。
WTB被设计用于在日常作业中经常改变其编组的列车中连接各车辆的串行数据总线，它可以在固定编组的列车中充当列车总线，其性能满足国际铁路联盟的要求。WTB的通信速率为1Mb/s，以屏蔽双绞线为介质，无需中继器即可传输860m，连接32个节点。WTB 的最显著特色是它的以连续顺序给节点自动编号和让所有节点具有识别列车右侧和左侧的能力。每当列车组成改变时（例如连挂或摘除车辆)，列车总线各节点执行初运行过程，该过程在电气上将各节点连接起来，并给每个节点分配连续地址。
MVB是用于在一个固定编组的几个车辆内连接各种可编程设备和这些设备的传感器/执行器的车辆总线，它也可在固定编组的列车内作列车总线 MVB的传输介质可以是双绞线, 也可以是光纤。在后一种场合其传输距离为2000 m，最多可连接256个智能总线站。数据划分为过程数据、消息数据和监管数据。对过程数据的传输作了优化。发送的基本周期是1ms或2ms。
1994年5月至1995年9月欧洲铁路研究所ERRI耗资300万美元在瑞士的 Interlaken至荷兰的阿姆斯特丹的区段，对由瑞士SBB、德国DB、意大利FS、荷兰NS的车辆编组组成的运营试验列车进行了全面的TCN试验。
我国向伊朗出口的TM1动车组为解决机车重联从瑞士Adtranz公司购买了 MICAS系统。其控制网络由3级构成；列车总线为FSK，速率为19.2kbit/s，介质为双绞屏蔽线；车辆总线为 MVB，介质为光纤，速率为1.5 Mbit/s。
在DDJ1动车组上也采用了Adtranz公司的MICAS系统，全列车只有2个
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节点（动力车和控制车上各1个），由控制车来操纵全列车,可在2个方向上行驶， 但总线结构上与TM1动车组有2点不同：一是车辆间连接的跨接电缆由一个车辆的末端伸出，至另一节车辆的插座，从而省去一组接插件；二是考虑到能将2 列短编组列车连接成长编组工作，列车总线冗余方式作了改变。在TM1动车组中将前向通道折回作为列车总线冗余通道，只是同一块插件通道和列车总线介质的冗余；而在DDJ1动车组上增加了一套列车总线硬件，做到了列车总线硬件和通信介质的双冗余。
我国的列车通信网络标准等效采用了IEC61375标准和LonWorks，即所谓的T型网络和L型网络。由于既有的下层控制设备大多具有RS-485，RS-232，CAN或LonWorks等这些现场总线接口，因而在一定的时期内，我国铁路列车通信网络中多种总线方式将与MVB共存。
2004年铁道部审查通过了中国列车运行控制系统(China Train Control System-CTCS)总则和CTCS2级技术条件，为我国在统一标准、统一制式的前提下发展列车控制系统提供了依据。CTCS的目标是提高安全性能，满足互通运营，规范系统设计，适应发展需要。为了保证列车的安全运行，以分级的形式满足不同铁路运输需求。2005年8月铁道部再次就客运专线列车控制系统进行了高层次的研讨，2008年基于无线通信技术的CTCS3技术条件也已经发布。
4 列车通信网络基础
在众多的控制网络标准中，TCN和LonWorks因各自的优点而被作为国际列车通信标准。根据定义，这里所说的列车通信网络，是指进行通信的车辆及列车总线的集合，并确定铰链式列车总线WTB(Wire Train Bus)和多功能车辆总线(Multifunction Vehicle Bus)作为列车总线和车辆总线。
随着标准的制订过程，许多子设备供应商也纷纷推出符合TCN标准的子系统和部件以及具有TCN接口的车载设备。近年来国内研制生产多型电力机车和出口机车上和所有和谐电动车组都装备了引进技术和国内消化相结合的列车通信网络设备，在中国新生产的机车和列车上也广泛采用TCN标准。 4.1 TCN的技术特点和结构
TCN 是由连接一辆车上各种设备的多功能车辆总线和连接列车中各车辆总线的列车总线组成，如图1所示。
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1、多功能车辆总线MVB
MVB是将位于同一车辆或不同车辆中的标准设备连到TCN上的一种总线。它提供了两种连接：一是可编程设备之间的互连；二是将这些设备与它们的传感器和执行机构互连。也能用作正常运行中固定编组列车的列车总线。机车上和拖车上的MVB见图2、3所示。
MVB能寻址至4095个设备，其中可有256个是能参与消息通信的站。
MVB可传送三种类型的数据：
·进程数据——源寻址数据的周期性广播，最快的周期为1ms； ·消息数据——根据需要，目标寻址的单播或广播；
·监视数据——以事件鉴别、总线主权传送、设备状态传送为目的的数据交换。
MVB可采用以下三种不同的物理介质，它们都在相同速度下工作：
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·20m以内采用电气短距离介质(ESD)，依照IEC8264(RS-485)标准的差分传输导线对，在无需电气隔离的情况下，在20 m内的传输距离最大可支持到32 个设备，若使用电气隔离则传输距离可更远；
·200m内采用电气中距离介质(EMD)，每段最多支持32个设备，采用双绞屏蔽线和变压器作电气隔离，允许使用标准的IECll58-2变压器和收发器；
·2000m以内采用光玻璃纤维介质(OGF)，采用点对点或星耦连接。通过星耦器汇出，传输距离可达2000 m，推荐用于较高电磁干扰的环境(如机车上)。
2、列车总线WTB
WTB是为互连车辆设计的串行数据通信总线。对于频繁改变其组成的列车组(如国际联运列车或市郊列车)，被设计成通过手插式跨接电缆或自动连接器来实现车辆之间的互连，见图4。
WTB最显著的(在行业中独特的)特色，是它的以连续顺序给节点自动编号和让所有的节点识别何处是列车的左侧或右侧的能力。每当列车组成改变时(例如连挂或摘除车辆)，列车总线各节点执行初运行过程，该过程在电气上将各节点连接起来，并给每个节点分配连续地址。初运行后，所有车辆均获得以下的列车结构信息：
·相对于主控制节点，它们各自的地址、方向(左/右和)位置(前/后)； ·列车中其他车辆的数量和位置；
·其他车辆的型号和种类(机车、客车……)及支持的功能；
·各车辆的动力学特性(例如，是否存在传动装置)，可以帮助制动计算机推算列车长度和重量。
列车总线用于连接可变列车中的各个机车车辆，其特点总结如下： ·列车总线支持UIC所规定的列车组成，车辆数22辆，列车总线通过的距离860 m；
·列车总线至少支持32个节点；
·列车总线节点能接收位置地址，认别它们在列车中的取向(左/右，前/后)以及知道其它节点的位置；
·当两个或更多装有可兼容设备的车辆电气上连接后，列车总线将工作，即使某些车辆只作为连贯车辆；
·列车总线允许车辆连挂和解连的密度为每小时1 次；
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·由于列车的端节点或中间节点都可能由于损坏或无电而不工作，列车总线将告知所有车辆上应用它的节点号和类型，以验证它是否与列车组成相匹配；
·当车辆数发生改变或设备退出或加入总线，列车总线应能连续工作而无需人工干预；
4.2 中国列车运行控制系统
2003年开始，中国铁路开始从列车运行的总体上考虑列车控制系统，2004年，铁道部正式审查通过了《CTCS技术规范总则》和《CTCS2级技术条件》，开始实施所谓中国列车运行控制系统，它是为了保证列车安全运行，并以分级形式满足不同线路运输需求的技术规范。
CTCS根据系统配置，按功能划分为5级：
1、CTCS-0级为既有线的现状，由现有的通用机车信号和运行监控记录装置构成。
2、CTCS-1级由主体机车信号和加强型运行监控记录装置构成，面向160km/h以下区段，在既有设备基础上改造。达到机车信号主体化要求，增加点式设备，实现列车运行安全监控功能。
3、CTCS-2面向提速干线和高速新线，200~250km/h区段，采用车-地一体化设计。
4、CTCS-3基于无线传输信息，在CTCS-2基础上增加铁路专用全球移动通信系统（GSM-R）。
5、CTCS-4同样基于无线传输，但采用连续式机车速度监控，不再设传统的地面区间信号设备，列车运行控制功能集中于车上。在CTCS-4级列控系统中，车-地之间大数据量的传输可以支持高速列车的运行需求，时速可达350km/h以上。
从CTCS-2到CTCS-4的发展是难以一蹴而就的，尚存在很多技术问题需要
解决，其中最重要的就是采用无线方式传输列控信息的可靠性、实时性。出于安全考虑，需要实现一个中间的列车控制等级，即CTCS-3级。只有通过CTCS-3级的无限闭塞设备彻底解决了开放网络环境下的各种问题后，才有可能实现CTCS-4级的无线虚拟闭塞或移动闭塞以及CTCS-4级列控系统。
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5 结语
随着计算机的推广，电力机车和电动车组的微机控制系统应运而生，而随着网络技术的发展，微机控制系统也进入网络时代。2000以来，我国电力机车和电动车组微机控制与网络化控制技术得到了前所未有的高度发展，通过列车总线、车辆总线及控制器总线，将分散在列车各车厢中的所有微机控制部件联网通信，时事全列车的信息交换、显示和重联控制。这一发展方向上产生了许多应用型成果，如基于MVB的机车逻辑控制单元、列车信息化车载平台等等。随着电力机车控制系统全面由单台机车控制向列车网络控制过渡，采用灵活可变编组的动车组成为当今流行的控制方式，电力机车和高速列车也将继续获得规模空前的发展。
参考文献
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