基于TCN的地铁列车牵引/制动指令控制方法研究

摘 要

通过TCN进行牵引/制动指令巧妙地采集和传输，更好地提高地铁车辆的牵引/制动力等指令信号的抗干扰能力，同时，充分发挥了列车网络监控功能的实时性、冗余和容错性及低成本等的优势，克服了列车硬连线控制布线复杂、设备多的弊端，从源头上降低生产成本，并能有效地减少设备增加而带来的故障隐患。

【关键词】地铁列车 司控器 列车网络系统 牵引/制动指令

地铁车辆是城市轨道交通系统的重要组成部分，也是技术含量较高的机电设备。随着现代经济技术的高速发展，现代列车也正朝着高速化、自动化、舒适化的方向发展。越来越多的列车状态和故障信息迫切需要在机车车辆各计算机之间互相传输与交换。为满足上述要求，TCN（列车通信网络）应运而生。

TCN（列车通信网络）是面向控制的一种连接车载设备的数据通信系统，是列车网络通讯系统。通常分2级总线，分别为列车级和车辆级总线。各总线系统符合列车通信网络IEC61375标准。具有很强的实时性和容错性，它将整个列车微机控制系统的各个单元之间连接起来，作为系统信息交换和共享的渠道，实现全列车环境下的信息交换。

地铁车辆的牵引/制动指令主要来自自动驾驶模式（ATO）的信号系统和手动驾驶模式（ATP）的司控器手柄。但通常情况下人们更关注列车手动驾驶模式。牵引/制动系统作为地铁车辆执行机构会接收列车牵引/制动指令，如何更好地通过TCN完成牵引和制动指令的采集、传输是整个设计的重点问题。

1 司控器牵引/制动指令的产生

通常司控器（司机控制器）的输出由两部分组成：逻辑开关量和给定信号。开关量用于表示列车运行的状态；给定信号用于给定列车牵引或制动力大小等信号。给定信号的输出方式：一种是模拟量信号输出模式，通常是电压信号（DC0～10V）、电流信号（4～20mA）；另一种是编码信号输出模式，通常为脉宽调制（PWM）信号。

司机控制器内有电位器，当司控器控制手柄的转动，司控器内电位器输出随之按比例相应变化，从而调节司控器给定信号输出值，产生不同牵引/制动力指令。

当司控器为PWM编码信号输出模式时，当司控器控制手柄的转动，电位器输出电压、电流信号经过PWM编码器处理，也会产生不同牵引/制动力指令。

2 司控器牵引/制动指令的采集和处理

当司控器为模拟量信号输出模式时，司控器输出可能是电压信号，也可能是电流信号。通常为电压信号，因电压信号比较容易实现。但电压信号传输更容易受到干扰，而且随着传输距离的加大，电压信号衰减较大，会严重影响信号的质量。因此，需要采用新的控制策略，通过TCN系统实现列车牵引/制动指令的采集及传输。

2.1 牵引/制动指令的采集

TCN系统的MVB远程I/O模块负责采集司控器控制手柄的牵引/制动力指令请求数据，并通过TCN系统的MVB源端口，如0x04端口发送给CCU的宿端口，如0x04端口。

2.2 司控器输出电压值的整合

TCN的中央控制单元CCU接收到上述I/O模块采集的牵引/制动级位信号后要进行巧妙的取值处理。CCU通过软件如silulink、mutprog等对采集的数据进行模数转换等逻辑处理，将司控器级位0-10V电压信号对应到0-100%级位，考虑到司控器机械误差，取牵引状态下3-8.3V，对应0-100%牵引力参考值；取2.5-3V对应0%牵引力参考值；取8.3-9V对应100%牵引力参考值。同理，取制动状态下3-8V，对应0-100%制动力参考值；取2.5-3V对应0%制动力参考值；取8-9V对应100%最大常用制动力参考值。其余范围值定为故障状态。

当司控器为PWM编码信号输出模式时，电位器输出电压、电流信号连接到PWM编码器的输入端，通过PWM编码器，牵引/制动控制手柄所处位置被转换为PWM信号的形式，不同的牵引/制动控制手柄所处位置对应不同占空比，CCU采集到不同的占空比，通过逻辑编程处理，将10%-90%的占空比对应到0-100%级位，再通过TCN系统的MVB总线传送给牵引/制动控制系统。

3 司控器牵引/制动指令的传输

TCN系统将牵引、制动控制单元作为列车通讯网络的一个节点连接到车辆总线上。CCU会通过MVB总线将采集来牵引/制动指令传输给牵引/制动控制单元。

在TCN通信系统中，CCU作为TCN中央控制单元，是一个非常重要的关键设备（MVB4类设备），具有MVB总线管理功能，可在CCU内利用图形化编程工具方便、可靠地开发车辆控制单元对其它子系统设备单元的控制和故障诊断程序，通过与各子系统的通信，实现对MVB网络通信的配置和网络上的各设备状态的控制、监视、管理。

在牵引/制动指令传输过程中，CCU先将来自司控器控制手柄的牵引/制动力参考值请求输出给牵引力/制动力变量Trforce_reference / Brforce_reference，并通过MVB源端口0x05/0x06，行经TCN系统的MVB总线，分别发送给牵引/制动控制单元TCU/BCU，TCU/BCU收到来自CCU的牵引/制动力参考值请求，执行该请求，从而实现了列车牵引/制动指令快速、准确的传输，协助地铁列车完成对牵引/制动的控制功能。

4 结轮

实践证明，TCN系统很好的完成了地铁车辆牵引/制动指令的采集和传输，更好地提高地铁车辆的牵引/制动力等指令信号的抗干扰能力，充分发挥了TCN控制功能的可靠性、安全性、可维护性与低成本等的优势。

同时，大大地增加牵引、制动的信息交互，以及大大地减少牵引、制动的响应时间。TCN参与控制，很大程度上克服了列车硬连线控制布线复杂，设备多的弊端，从源头上降低生产成本，维护成本，并有效的减少设备增加而带来的故障隐患。

参考文献

[1]常振臣，牛得田，王立德，田永洙.列车通信网络研究现状及展望[J].电力机车与城轨车辆，2005，28（03）.

[2]马森林.轨道交通列车司机控制器概述[J].城市轨道交通研究，2008.