TCN列車(chē)通信網(wǎng)絡(luò )技術(shù)現狀及發(fā)展趨勢

引言

　　列車(chē)通信網(wǎng)絡(luò )是用于連接車(chē)載設備，實(shí)現信息共享、控制功能、監測診斷的數據通信系統。經(jīng)過(guò)近二三十年的發(fā)展，列車(chē)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)已經(jīng)走向成熟，并成為現代軌道車(chē)輛的關(guān)鍵技術(shù)之一。目前，在城市軌道車(chē)輛、高速動(dòng)車(chē)組上，無(wú)不采用列車(chē)通信網(wǎng)絡(luò )技術(shù)。當前，列車(chē)網(wǎng)絡(luò )形式并不統一，專(zhuān)門(mén)為列車(chē)車(chē)載設備通信而量身定制的符合IEC61375標準的TCN（Train Communication Networks）列車(chē)通信網(wǎng)絡(luò )與其他多種網(wǎng)絡(luò )形式相比，更能普遍地適應列車(chē)通信的要求。

　　基于TCN的列車(chē)網(wǎng)絡(luò )，20年來(lái)取得了很大發(fā)展，從最初由兩三家大公司主導，到現在得到眾多公司和單位的支持。隨著(zhù)現代列車(chē)的智能化與信息化程度越來(lái)越高，也對列車(chē)通信網(wǎng)絡(luò )提出了更高的要求，原有的技術(shù)形式已經(jīng)在有些方面不能滿(mǎn)足需求，必然要走向新發(fā)展。本文著(zhù)重介紹了當今TCN列車(chē)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的現狀，并對其未來(lái)的發(fā)展趨勢作一些分析、預測。

1　TCN列車(chē)網(wǎng)絡(luò )簡(jiǎn)介

　　由于世界范圍內列車(chē)通信網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的差異，造成了多種總線(xiàn)技術(shù)并存的局面。除TCN標準的列車(chē)總線(xiàn)之外，WorldFIP、LonWorks、CAN等其他總線(xiàn)形式也在列車(chē)通信網(wǎng)絡(luò )中有不同程度的運用。上述幾種列車(chē)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，絕大部分都是在其他領(lǐng)域應用成熟的現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)移植到列車(chē)控制系統中來(lái)的。它們依據各自的標準，不便進(jìn)行互聯(lián)。于是基于制訂一種開(kāi)放式列車(chē)通信系統，實(shí)現各種軌道車(chē)輛相互聯(lián)掛，車(chē)載可編程電子設備統一接口標準而實(shí)現互換的構想，TCN列車(chē)通信網(wǎng)絡(luò )標準應運而生。

1.1　TCN列車(chē)網(wǎng)絡(luò )雛形

　　任何技術(shù)都不是憑空而生的，TCN列車(chē)網(wǎng)絡(luò )也正是如此。它是由車(chē)載微機系統發(fā)展而來(lái)，在原有的技術(shù)基礎上加以遴選、改進(jìn)和標準化而形成的。其主要參考的模型則是Siemens公司的SIBAS系統和Adtranz公司的MICAS系統。以上兩種形式車(chē)載微機控制系統的發(fā)展已從最初的完成簡(jiǎn)單的單一功能，發(fā)展到現在的多功能集成的列車(chē)通信網(wǎng)絡(luò )，為T(mén)CN列車(chē)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的起步與成型，以及日后成為國際標準，做出了巨大貢獻。

1.1.1　SIBAS系統

　　在鐵路機車(chē)動(dòng)車(chē)控制方面，德國Siemens公司早在1981年就研制出了相應的微機控制系統，并命名為SIBAS16，這個(gè)系統的樣機首次應用在紐倫堡交通運輸管理局地鐵車(chē)輛上。SIBAS16中的數字代表其采用的是16位微處理器，這個(gè)系統由中央機、一個(gè)或多個(gè)子機以及存儲單元構成，各計算機之間采用串行通信來(lái)實(shí)現數據傳送。這種機車(chē)控制系統形式新穎，擴展性好，可靠性高，使用安裝便捷，大有取代傳統控制技術(shù)的趨勢，成為列車(chē)微機控制發(fā)展中的發(fā)軔之作，影響不可不謂之重大。

　　隨著(zhù)技術(shù)的不斷革新以及SIBAS16的不斷完善，Siemens公司不失時(shí)機地推出了基于32位控制器和信號處理器的列車(chē)微機控制系統SIBAS32，其在性能上較SIBAS16更具優(yōu)越性，同時(shí)也對原有SIBAS16系統在接口上保持了向下兼容。20世紀90年代，列車(chē)通信網(wǎng)絡(luò )國際標準正在制定當中，Siemens公司著(zhù)眼于控制系統功能的長(cháng)遠發(fā)展，其推出的SIBAS32系統是一種多功能通用計算機系統。系統采用網(wǎng)絡(luò )通信技術(shù)，外圍設備已經(jīng)開(kāi)始標準化、專(zhuān)用化、智能化，基本上可在保持硬件結構不變的情況下便捷地與任意終端相掛接，構成一個(gè)對各種機車(chē)車(chē)輛移植性很好的控制與監控系統。

1.1.2　MICAS系統

　　MICAS系統的出現是在20世紀80年代。瑞士布朗·勃法瑞公司(BBC)最早研發(fā)的MICAS系統是應用于運輸部門(mén)的微型計算機自動(dòng)控制系統，能理想地實(shí)現機動(dòng)車(chē)與船只等場(chǎng)合的控制功能。針對MICAS應用領(lǐng)域的不同，研發(fā)人員相應地開(kāi)發(fā)出了適用于該場(chǎng)合的軟件、硬件模塊及工具，形成了以MICASS、MICASL和MICASE等不同系列。其中MICASS系統在1985年首次應用于牽引控制技術(shù)中，在對過(guò)程處理速度和性能要求苛刻的牽引控制系統中很好地實(shí)現了控制功能。

　　1988年瑞典的阿西亞公司(ASEA)和瑞士的布朗·勃法瑞公司(BBC)合并而成ABB集團。此后，ABB旗下的Adtranz公司在MICASS牽引控制系統基礎上開(kāi)發(fā)出了MICASS2，并于1992年第一次成功運用在瑞士Re460型變流機車(chē)上。MICASS2列車(chē)控制系統實(shí)行分級控制形式，由列車(chē)級、車(chē)輛級和傳動(dòng)級3級控制組成，各級系統控制單元之間的通信通過(guò)列車(chē)通信網(wǎng)絡(luò )實(shí)現。列車(chē)通信網(wǎng)絡(luò )采用總線(xiàn)型拓撲結構，分成車(chē)輛總線(xiàn)、列車(chē)總線(xiàn)兩級局域網(wǎng)。車(chē)輛總線(xiàn)由同一車(chē)輛內的幾個(gè)控制單元互連構成，采用RS485串行通信標準。列車(chē)總線(xiàn)為貫穿各車(chē)輛節點(diǎn)互連的通信線(xiàn)路，采用9芯EP電纜或18芯UIC電纜，線(xiàn)路通過(guò)兩種總線(xiàn)之間的網(wǎng)關(guān)實(shí)現總線(xiàn)耦合。

　　在MICASS2的基礎上Adtranz公司又推出了MITRAC系統，這是更新一代的分布式列車(chē)控制與通信系統。MITRAC系統中沒(méi)有集中的控制柜和機箱，各個(gè)控制單元或I/O單元均自成一體，分別封裝在一個(gè)配備獨立電源和標準車(chē)輛總線(xiàn)接口的殼體中，并分布于車(chē)體內靠近控制對象的各個(gè)位置。其良好的電磁兼容性能保證各車(chē)輛控制單元工作在環(huán)境惡劣的列車(chē)中。

　　之后Adtranz公司幾易其主，2001年4月，Bombardier公司從Daimler Chrysler手中將其子公司Adtranz收購。Bombardier公司對MITRAC系統繼續不斷改進(jìn)，并按照不同客戶(hù)需求加以系列化，如今該系統有MITRAC500系列、1000系列和3000系列等。

1.2　TCN標準制定

　　《IEC61375電子鐵路設備列車(chē)總線(xiàn)》是專(zhuān)門(mén)為鐵路設備的數據通信而制定一項國際標準，即TCN標準，它是IEC（國際電工委員會(huì )）第9技術(shù)委員會(huì )（TC9，牽引電氣設備分會(huì ))委托由來(lái)自20多個(gè)世界范圍內主要鐵路運營(yíng)部門(mén)和制造廠(chǎng)家代表以及UIC(國際鐵路聯(lián)盟)的代表組成第22工作組（WG22），以前有著(zhù)多年運行經(jīng)驗的Siemens的SIBAS系統和Adtranz的MICAS系統等技術(shù)為原型的基礎上推出的。自1999年推出以來(lái)，在世界范圍內得到了推廣和應用，成為目前采用最廣泛、最有應用前景的一種列車(chē)網(wǎng)絡(luò )形式。

　　1988年，以制定應用于鐵道車(chē)輛、能使鐵道車(chē)輛相互聯(lián)掛的開(kāi)放性通信系統標準為目的，WG22成立。1992年6月，TC9/WG22制定出委員會(huì )草案，并向各國征求列車(chē)通信網(wǎng)絡(luò )TCN草案的意見(jiàn)稿?？紤]到列車(chē)通信網(wǎng)絡(luò )的特點(diǎn)，WG22在制訂TCN標準時(shí)，曾在是制定一套全新的標準，還是對原有方案加以標準化這兩種思路之間權衡。最后，其根據列車(chē)通信網(wǎng)絡(luò )的要求，對已有的Profibus、LonWorks、Bitbus、FIP、CAN、Tornad等解決方案進(jìn)行考量，但由于協(xié)議不透明，或實(shí)時(shí)性、可靠性、確定性不能滿(mǎn)足列車(chē)通信要求等各方面原因而被逐一否定。經(jīng)過(guò)多年的努力，WG22在Siemens和Adtranz公司原有技術(shù)方案的基礎上，共同開(kāi)發(fā)出了一套標準，并于1999年成為國際標準，即IEC613751 TCN列車(chē)通信網(wǎng)絡(luò )國際標準。

　　IEC613751標準的內容如表1所列。

　　該標準中規定典型的TCN網(wǎng)絡(luò )系統的拓撲結構如圖1所示。

　　由圖可見(jiàn)，IEC列車(chē)網(wǎng)絡(luò )標準中規定系統分成兩層總線(xiàn)結構：列車(chē)級的絞線(xiàn)式列車(chē)總線(xiàn)WTB和車(chē)輛級的多功能車(chē)輛總線(xiàn)MVB，兩者之間協(xié)議轉換需要通過(guò)網(wǎng)關(guān)實(shí)現。列車(chē)總線(xiàn)WTB最突出的特點(diǎn)是具有列車(chē)初運行的功能，即在車(chē)輛之間的重聯(lián)通信時(shí)，能自動(dòng)識別并標識各車(chē)輛在列車(chē)編組中的位置和方向，這對于需要頻繁進(jìn)行編組的列車(chē)而言可謂意義非凡。車(chē)輛總線(xiàn)MVB則用于實(shí)現車(chē)輛內的控制單元及控制設備的互聯(lián)。TCN標準在列車(chē)通信的實(shí)時(shí)性方面規定，網(wǎng)絡(luò )采用基于總線(xiàn)管理器的主從式介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制，而在可靠性方面則規定，網(wǎng)絡(luò )采取介質(zhì)和總線(xiàn)管理器的冗余技術(shù)。

IEC613751標準通過(guò)后，TC9于2003年成立專(zhuān)門(mén)的工作組TAHG(Train Communication Network AD Hoc Group)，致力于研究TCN的改進(jìn)與發(fā)展，并于2007年4月對IEC613751進(jìn)行了修訂，發(fā)布了第2版，同時(shí)也發(fā)布了IEC613752列車(chē)通信網(wǎng)絡(luò )一致性測試標準。此外，工作組還在討論將CANopen、LonWorks、TEthernet、TIMN等多種總線(xiàn)形式納入車(chē)輛總線(xiàn)的規范當中。

表1　IEC613751標準主要內容

圖1　TCN列車(chē)網(wǎng)絡(luò )拓撲圖


2　TCN列車(chē)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的現狀

　　在推出TCN國際標準后，基于TCN標準的產(chǎn)品需求增加，對于TCN產(chǎn)品的研制有了越來(lái)越多的單位支持，TCN列車(chē)網(wǎng)絡(luò )在世界范圍內也得到了日趨廣泛的應用。

2.1　TCN列車(chē)網(wǎng)絡(luò )產(chǎn)品主要供應商

　　目前，TCN標準列車(chē)通信網(wǎng)絡(luò )的推廣形成以Siemens、Bombardier等大公司主導，日趨增多的第三方廣泛支持的局面。

　　Bombardier、Siemens等公司推出了一系列符合TCN標準的產(chǎn)品，諸如列車(chē)網(wǎng)絡(luò )專(zhuān)用芯片(MVBC01、MVBD、AMED)以及網(wǎng)絡(luò )實(shí)時(shí)協(xié)議(RTP)軟件等。

　　此外，一些第三方公司(如Farsystem、Firema、EKE、Duagon、Unicontrol)等也相繼推出了TCN網(wǎng)關(guān)和相關(guān)網(wǎng)絡(luò )產(chǎn)品，用戶(hù)可以選擇需要的網(wǎng)絡(luò )部件來(lái)集成、開(kāi)發(fā)符合自己要求的TCN網(wǎng)絡(luò )控制系統。其他可以提供TCN產(chǎn)品的公司還有：自動(dòng)控制方面的Holec、Ansaldo、AEG，制動(dòng)方面的Knorr Electronic、Westinghouse Brakes，門(mén)控方面的IFE，采暖通風(fēng)與空調方面的Hagenuk。另外，一些中小公司也能提供MVB板卡、WTB網(wǎng)關(guān)、實(shí)時(shí)協(xié)議文件等。
　　我國作為T(mén)CN標準的制定成員國之一，也對該標準大力支持。在研發(fā)方面，我國南車(chē)、北車(chē)集團等單位通過(guò)自主研發(fā)與技術(shù)引進(jìn)相結合，目前也具有了提供TCN相關(guān)產(chǎn)品的能力。鐵道科學(xué)研究院、西南交通大學(xué)、同濟大學(xué)、北京交通大學(xué)等研究單位在TCN方面也進(jìn)行了廣泛研究，取得了一定的成果。

2.2　TCN列車(chē)網(wǎng)絡(luò )產(chǎn)品應用現狀

　　TCN網(wǎng)絡(luò )主要應用在高速動(dòng)車(chē)組、重載列車(chē)以及地鐵車(chē)輛等軌道交通領(lǐng)域，這些場(chǎng)合對產(chǎn)品的互操作性和控制實(shí)時(shí)性要求一般很高，只有通過(guò)可靠、實(shí)時(shí)的列車(chē)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)才能達到要求。

　　目前采用TCN方案的國家有德國、法國、英國、瑞士、瑞典、挪威、芬蘭、丹麥、印度、澳大利亞、菲律賓、美國、巴西等，包括高速列車(chē)、擺式列車(chē)、城市軌道車(chē)輛。我國列車(chē)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)采用的形式繁多，但TCN技術(shù)應用的比重很大，并且采用TCN標準已經(jīng)成為趨勢，如和諧號動(dòng)車(chē)組CRH1、CRH3、CRH5和CRH380A等車(chē)型，各大城市的地鐵（如上海軌道交通1、2、4、9、11號線(xiàn)，北京地鐵15號線(xiàn)、房山線(xiàn)、昌平線(xiàn)、亦莊線(xiàn)，廣州地鐵2、3、8號線(xiàn)等）均廣泛采用。

2.3　TCN列車(chē)網(wǎng)絡(luò )的研究推廣

　　自從TCN國際標準推出以后，得到了越來(lái)越廣泛的應用。究其原因，離不開(kāi)TCN網(wǎng)絡(luò )自身的實(shí)時(shí)、可靠、安全、開(kāi)放的優(yōu)點(diǎn)，能很好地滿(mǎn)足列車(chē)通信需求。當然，更離不開(kāi)Siemens、Bombardier等大公司不遺余力的研發(fā)和推廣，使得支持和應用TCN產(chǎn)品的公司和國家在十幾年間有了很大的增長(cháng)。在TCN標準采納以后，世界范圍內很多研究單位積極地設計了相應的電路、仿真軟件和驗證工具，極大地推進(jìn)了TCN技術(shù)的發(fā)展。

3　TCN列車(chē)網(wǎng)絡(luò )的發(fā)展趨勢

　　從TCN標準推出到今天，已經(jīng)十余年了，期間各方面科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展?？梢哉f(shuō)，盡管TCN標準的推出為解決列車(chē)以及車(chē)載控制設備之間的相互聯(lián)掛的問(wèn)題貢獻巨大，但總體看來(lái)，TCN網(wǎng)絡(luò )技術(shù)中的核心部分仍基本由若干家大公司所壟斷，技術(shù)門(mén)檻較高也限制了它更大范圍的應用。TCN并沒(méi)有完全滿(mǎn)足列車(chē)在所有場(chǎng)合的控制需要，在技術(shù)與日俱新的今天，它需要新的發(fā)展。

　　列車(chē)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)已經(jīng)成熟，也是當代軌道車(chē)輛必然采用的核心技術(shù)之一。隨著(zhù)通信網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的應用范圍不斷擴大，用戶(hù)對網(wǎng)絡(luò )的開(kāi)放性、性?xún)r(jià)比、開(kāi)發(fā)和應用的多樣性及靈活性等方面都提出了更高的要求。由于TCN網(wǎng)絡(luò )自身也難免存在一些不足，所以不可能完全取代其他形式的控制網(wǎng)絡(luò )，完全滿(mǎn)足鐵路用戶(hù)的所有應用需求。因此，在將來(lái)，列車(chē)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)不可能是TCN的天下，必然是多種網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的融合。列車(chē)控制網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的發(fā)展趨勢可能會(huì )是以TCN為主，在軌道車(chē)輛的高速動(dòng)車(chē)組、地鐵車(chē)輛等高端市場(chǎng)應用；其他各種形式的總線(xiàn)形式作為列車(chē)網(wǎng)絡(luò )的重要補充，在各種適用的場(chǎng)合找到應用的空間。這些通用網(wǎng)絡(luò )技術(shù)在今后一段時(shí)間內將和原有TCN網(wǎng)絡(luò )共同發(fā)展，取長(cháng)補短并相互融合，形成有機的整體。

　　另外，隨著(zhù)列車(chē)通信要求的不斷提高，TCN自身方面的改進(jìn)是必要的。如在可靠性方面，目前對列車(chē)通信網(wǎng)絡(luò )的可靠性進(jìn)行量化的評估在國內外還是鮮見(jiàn)的，對于可靠性要求高的列車(chē)網(wǎng)絡(luò )，全面引入可靠性工程的分析、評價(jià)、設計及驗證的方法是必要的；在安全性方面，近些年提出了功能安全通信的理念，并在2007年推出了《IEC617843用于工業(yè)網(wǎng)絡(luò )功能安全通信行規》國際標準，隨后很多種用于工業(yè)控制的總線(xiàn)標準也應用該標準，對自身的協(xié)議加以完善，添加了功能安全通信層來(lái)保證通信網(wǎng)絡(luò )的功能完整性等級。那么，列車(chē)通信網(wǎng)絡(luò )對安全性如此強調的總線(xiàn)形式，是否要執行功能安全標準，是非常值得考慮的問(wèn)題。隨著(zhù)列車(chē)服務(wù)質(zhì)量水平和乘客需求的不斷提高，列車(chē)信息化服務(wù)的要求也越來(lái)越高，TCN在此方面顯然是不能滿(mǎn)足的。因此，為乘客提供優(yōu)質(zhì)的信息娛樂(lè )服務(wù)，包括移動(dòng)電視、移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )等，也必將是TCN未來(lái)的方向。