城铁车辆列车控制及监控系统的功能及其发展趋势
发布时间：2020-07-29
摘要：城铁车辆的列车控制及监控系统是列车的“中枢神经系统”，它控制和监控着车上各种设备，承担着列车所有控制信息和故障信息的传输、处理、存储和显示功能，是轨道客车最关键的核心技术之一。随着社会经济的飞速发展，列车控制及监控系统功能也日趋成熟和安全可靠。基于此，本文将着重分析探讨列车控制及监控系统的功能及其未来发展趋势。
关键词：列车控制及监控系统;列车中央控制单元;黑匣子;安全;可靠
列车控制及监控系统组成
1.1 概述
列车网络控制系统包括列车控制和各子系统控制，它连接所有系统的微机控制单元，用以传递控制和监控信息，它能独立与相关系统车载交换机进行数据交换，并考虑物理隔离。列车和车辆控制分为列车控制级、车辆控制级与子系统控制级三级(包括牵引/电制动控制、空气制动、辅助电源、车门控制、列车广播系统等)，列车级网络传输整列车的控制信号和故障信息，车辆级网络采用以太网或MVB通信方式,在本车上提供本车控制信号，通过网络连接器或I/O接口与各子系统连接，传递控制数据、信息数据等，控制各子系统完成相应的功能,子系统级网络为最低功能级，向各子系统提供控制信号和过程数据,各子系统具有自诊断和本地存储功能。各控制级均具有冗余结构，即在全列各级网络中单点故障不会导致列车正常运行停止，具有高安全性和高可靠性。
1.2 系统组成
列车控制及监控系统包括列车控制与管理系统和列车监控系统。
列车控制与管理系统(TCMS)是列车通信网络以列车中央控制单元(CCU)为核心的一个列车监控系统。它由具有列车控制级和车辆控制级功能的多台计算机系统和一些专门开发的高处理速度的微机组成。TCMS负责列车的控制、监控和诊断，为一套完整的集成控制系统，该系统为列车各子控制系统和模块提供各种实时控制信号。带司机室的拖车有一个列车中央控制单元(CCU)来作为网络管理主机,管理列车在正常条件或非正常条件下的所有列车控制功能。列车网络连接整列车的两个列车中央控制单元(CCU)，列车级的数据通过列车网络进行通信，实现数据交换。列车中央控制单元(CCU)有标准以太网接口与便携式测试单元PTU进行通信，读取其状态信息(包括可读取的各功能模块的输入/输出波形)和故障信息，并实现相应的控制功能。单个CCU故障情况下自动实现主控/从控转换。CCU具有自我监控功能，并在故障处理完后能继续工作。
列车监控系统是一个信息采集、记录和显示系统，用于对列车主要设备的运行状态和故障进行自动信息采集、记录和显示并兼有对列车辅助设备的控制功能，并可通过便携式测试单元PTU将数据读出和打印。列车监控系统具有自诊断功能，监控系统启动时，系统自动进行自诊断并将自诊断的结果通过监控终端的LED和监控显示屏显示并上传,系统具有高可靠性、安全性和冗余性，具有故障导向安全的设计理念。
列车控制及监控系统的功能
2.1 控制和监控功能
使用TCMS列车管理系统监控和显示所有列车系统的运行状态，并通过显示装置向列车司机显示必要的信息。
TCMS列车管理系统具有自动数据传输功能，可以传输所要求的信息、指令和信号，用于列车子系统的控制和诊断，主要包括牵引和制动系统、门系统、空调系统等列车子系统。
(3)TCMS将能够显示不同子系统的软件版本，包括牵引和制动系统，车门系统，空调系统，PIS，辅助供电系统等等。
2.2 故障分析和诊断功能
列车故障诊断功能由列车控制单元集中完成，对于每个连接到车辆总线上的子控制单元，各子系统可诊断到最小可更换单元，列车控制单元通过列车总线控制系统接受从各子系统传来的故障信息，并附带一定的环境数据和相应的时间，在无电的情况下也能存储故障信息。
所有列车运行所需的关键的诊断信息可以在激活端的显示器上显示出来，列车司机可以从显示器上得到故障信息，而且故障显示信息不会影响其它信息的正常显示。
车辆运行环境参数记录存储(网压、网流、地理信息数据、车速、运行时刻等)。
(4)车辆控制状态参数记录存储(信号系统控制状态、司机操作状态、电机电流状态、制动压力状态等重要系统运行状态、乘客报警状态、重要开关按钮状态等)。
(5)除了可直接利用司机显示器外，还能够通过服务接口(串行/USB/以太网接口)将存储在显示器中的存储数据传输到普通的个人计算机。在个人计算机中借助专用的分析软件对故障数据进行分析。对重要的故障信息的记录可以给出跟踪数据，并通过分析数据记录并显示出连续的数据曲线图形。
2.3 与其他系统的接口
TCMS具有与信号系统、列车无线电系统、固定通信系统、轨道检测等系统的接口功能，实现远程通讯和网络管理与过程数据通讯。
列车控制及监控系统的发展趋势
3.1列车监控信息传输的安全、实时、稳定、可靠性技术
列车网络控制系统对各部件及通信的安全性、可靠性、实时性具有较高的要求，而工业以太网在传输机制上的特点无法满足通信实时性上的要求。基于这些要求，未来以太网硬件、以太网路由协议、软件协议等方面将会进行优化处理，提高通信的可靠性和实时性。
以太网拓扑结构将会采用环型可靠冗余网络或进一步优化以适合车辆通信形式，并从实时性、可靠性等角度研究网络系统与各系统间通信协议。
3.2并网传输技术与多网融合
用于列车控制、监视及诊断的小容量、实时信息与用于旅客服务、视频传输的大容量、非实时信息并网传输技术是未来研究的方向。带宽介质有效分配与端口调度优化算法多网融合技术网融合是对车辆通信技术的优化升级的优选方法，但这对以太网通信方式、控制方法、传输机制等方面提出了较高的要求，通过对通信形式的分类、优先级划分、优化调度算法等方法实现多网融合，建立可靠、安全的车辆网络通信技术，实现视频、音频、控制以及状态信息综合承载。
3.3列车黑匣子存储技术
列车黑匣子存储记录的数据不仅包括列车运行中的视频、语音等信息，以及列车运行状态等关键数据，还包括一些快速变化的控制信号数据。这些数据的分类存储以及事后检索将是黑匣子存储技术研究的重点。列车黑匣子存储技术具备三防(防水、抗冲击、防火)功能，保障列车安全关键数据的可靠存储。
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另外，黑匣子数据记录中的关键数据将是列车事故发生后原因分析和追查的重要依据，要防止事后人为修改的可能。因此关键数据的加密和签名技术的运用也将是未来研究的重点。——论文作者：盛立芳 柏欣欣 李文荣 高阳 刘坤
