可变编组动车组制动系统TCN网络信号传输需求研究*

王学文， 马永靖， 张笑凡， 曹宏发， 孟繁辉

(1 中车长春轨道客车股份有限公司 国家轨道客车工程研究中心， 长春 130062;2 中国铁道科学研究院集团有限公司 机车车辆研究所， 北京 100081)

可变编组动车组主要为满足不同线路、或同一线路不同时段的运营需求，可实现对编组型式及编组数量进行配置的车辆。文献[1-2]可变编组不同于灵活编组车辆(可以任意数量配置编组)，常用的编组配置单元有1动1拖(1M+1T)和2动2拖(2M2T)，其中动车组车辆的重联运营即4个2M2T的典型应用。

为更好满足不同线路城际车编组型式多样性需求，中车长春轨道客车股份有限公司(简称：长客股份)可变编组动车组项目采用1动1拖为一个编组单元。基于该项目的网络拓扑(一个牵引单元内1动1拖为一个网段，8辆编组)，借鉴列车级数据传输规范对实时性标准要求，文献[3]对比分析制动系统进行制动力无主复合分配，在单网段内与跨网段时的MVB与WTB信号传输量需求、系统复杂度差异。

1 信号及传输需求

制动系统分配制动力时优先使用电制动，出现单车故障时制动力分配复合范围越大，电制动利用率越高、基础制动磨耗越小、对车辆运营线路影响越小。文献[4]随着分配复合范围的扩大，信号传输量和信号流将成倍增加，同时仍需保证信号的实时性，需在制动系统性能及复杂度间权衡。文献[5]按照制动系统制动力分配控制及监测需求，将信号依响应时间划分为不同的数据包Dn，进行信号量及信号流分析。

1.1 BCU与TCU上报信息

采用跨网段无主方式进行制动力分配时，各车制动控制单元(BCU) BCU x.1都需接收其他BCU(本网段和跨网段内的)的摩擦制动能力、车重及与摩擦制动施加相关的其他状态信息；为与主控CCU发送的制动试验指令进行交互，需要传输制动试验交互指令，两者对响应实时性要求都比较高，组成数据包D1。为上报BCU的状态信息及BCUx.2监测的轴不旋转检测(DNRA)信息，分别通过两个响应速度较慢的MVB端口上报数据包D2和D3。为实现空电复合控制，各车也需接收其他网段内牵引控制单元(TCU)的电制能力值、实际值、防滑减量及TCU工作状态信息(即数据包D4)。

其中数据包D1和数据包D4都需要网关进行转发到其他网段的BCUx.1或主控CCU。若采用单网段1动1拖间进行制动力复合时，数据包D1和D4内摩擦制动和电制动相关变量都不需要、或不需要高速上报(如上报，则仅用于监测显示)。信号传输显示及数据报信息分别参见图1和表1。

表1 BCU与TCU上报信息数据包定义

图1 BCU与TCU上报信息信号流

1.2 WTB数据传输

(1)WTB数据组包

当采用跨网段制动力分配方式时，网关接收到本网段内的BCUx.1、BCUx.2、TCU的数据包D1、D2、D3、D4后，将按照数据内容进行转发，制动相关信号按响应的实时性要求，划分为数据包D5和D6。

D5主要包含D1和D4数据包信息，传输周期短。当跨网段制动力分配时，要包含两个D1数据包，分别对应动车BCU和拖车BCU，不跨网段制动力分配时，D5数据包将在D1+D4的基础上减去不需上报显示的制动力分配相关变量。因此，两种分配方式D5的数据包大小相差约1倍。

D6数据包主要用于显示监测，由数据包D2和数据包D3组成，传输速率要求不高。

WTB过程数据报文长度为128字节，D5和D6都走实时报文还需评估是否满足需求传输需求，若不满足，则需要进行分时分页传输，增加系统的复杂度。WTB报文数据长度划分需求如图2所示。

图2 WTB报文数据长度划分需求

(2)传输周期

WTB过程数据应采用25 ms的传输周期，即在25 ms内所有WTB节点的过程数据至少发送一次。若采用分页数据传输，则25 ms内发送一页，但所有过程数据应在500 ms内至少发送一次。

WTB过程数据报文长度为128 Byte，根据GB/T 28029.1章节4.4.2.2中规定，发送一帧WTB过程数据报文的时间为1 756 us。因此在25 ms内至少将4个WTB节点的过程数据报文发送一次。WTB过程数据通信时序示意图如图3所示(4个节点)。

图3 WTB报文传输周期需求

1.3 网关下发到本网段的信息

网关接收到主控CCU或其他网段发送的信息后，按照信号内容划分为两类数据包。D7主要包含列车时间、环路信息、来自CCU的制动指令、制动试验及本网段制动力分配相关信息，约20 Byte。

D8/D9……其他车制动力分配相关信息，仅考虑摩擦制动可用值、设定值、电制能力值、实际值、请求值，一个网段一个数据包也需14 Byte，另也需考虑布尔量的状态信息(需包含网段内动拖车的摩擦制动状态与TCU状态)，跨网段越多，D8/D9……依次类推包含其他车辆制动力分配相关端口越多。

若考虑将来一个网段内扩展为2动2拖，则D8/D9……类数据包大小仍需翻倍；且从制动角度不建议把不同网段的制动力分配信息通过同一个端口下发。WTB报文转发如图4所示。

图4 WTB报文转发示意图

2 WTB信号流对比

2.1 单网段制动力复合

单网段制动力复合分配时，D5与D6数据量仅包含发送给主列控单元(CCU)和司机屏(HIM)用监控的数据信息，数据量约为跨网段复合分配的1/2。当实际设计时，若D5与D6数据量小可以不分时分页传输。

8辆车4个牵引单元进行单网段制动力复合分配时，WTB传输的数据流如图5所示，为保证响应的同步性，主控网段内的D5与D6也需通过网关传输，示意图未画出。

主控牵引单元网关接收到其他网段的D5与D6数据后，转发只有CCU或HMI接收，用于监控显示，主控网段内的BCU和TCU不接收。

图5 单网段制动力复合WTB信号传输示意图(8辆车)

2.2 跨网段复合

跨网段制动力复合分配时，D5与D6数据量仅包含发送给主列控单元(CCU)和司机屏(HIM)用监控的数据信息，还需包含各网段内制动力分配相关信息，数据量约为单网段复合分配的2倍。

6辆车3个牵引单元进行制动力复合分配时，WTB传输的数据流如图6所示，对比单网段制动力复合分配时，传输的数据量、网关转发的数据端口、BCU接收的端口及数据量，随跨网段复合数量增加，信号量和信号流呈几何特性增加。

图6 跨3网段制动力复合分配WTB信号传输示意图(6辆车)

3 总 结

从信号量和信号流对比分析，多网段制动力复合时，相对单网段制动力复合，需要WTB转发的高实时响应数据量增加1倍，且随跨网段数量的增多，WTB上的信号流方向也成倍扩展，制动系统和网络系统的复杂度也随之提高。因此从信号角度分析，单网段制动力复合方案优势更为明显。