中国标准动车组自动驾驶模式下的网络控制应用研究
技术与市场创新与实践２０２１年第２８卷第１期
饥荒mod中国标准动车组自动驾驶模式下的
网络控制应用研究
刘晓磊，李海龙
（中车长春轨道客车股份有限公司，吉林长春１３００６２）
摘　要：随着轨道车辆技术的不断发展，自动驾驶技术在高速动车组上逐渐开展应用。对中国标准动车组装备ＡＴＯ系统、列车网络控制系统与ＡＴＣ系统之间的信号接口设计进行了分析和描述，对网络系统在自动驾驶功能上的应用研究进行了详细介绍，该应用研究有利于提高高速铁路的智能化和自动化。
关键词：网络控制系统；中国标准动车组；ＡＴＯ；自动驾驶
ＴｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｎｅｔｗｏｒｋｃｏｎｔｒｏｌｉｎａｕｔｏｍａｔｅｄｄｒｉｖｉｎｇｍｏｄｅｏｆＣＥＭＵ
ＬＩＵＸｉａｏｌｅｉ，ＬＩＨａｉｌｏｎｇ
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Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｔｈｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｒａｉｌｖｅｈｉｃｌｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ａｕｔｏｍａｔｅｄｄｒｉｖｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｓｇｒａｄｕａｌｌｙａｐｐｌｉｅｄｉｎｈｉｇｈ－ｓｐｅｅｄＥＭＵ．ＴｈｅｓｉｇｎａｌｉｎｔｅｒｆａｃｅｄｅｓｉｇｎｂｅｔｗｅｅｎｔｒａｉｎｎｅｔｗｏｒｋｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍａｎｄＡＴＣｓｙｓｔｅｍａｆｔｅｒＣｈｉｎｅｓｅｓｔａｎｄａｒｄＥＭＵｗｉｔｈＡＴＯｄｅ ｖｉｃｅｗａｓａｎａｌｙｚｅｄａｎｄｄｅｓｃｒｉｂｅｄ，ｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｒｅｓｅａｒｃｈｏｆｎｅｔｗｏｒｋｓｙｓｔｅｍｉｎａｕｔｏｍａｔｅｄｄｒｉｖｉｎｇｆｕｎｃｔｉｏｎｉｓｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｉｎｄｅｔａｉｌ，ｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｒｅｓｅａｒｃｈｗｉｌｌｈｅｌｐｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅａｎｄａｕｔｏｍａｔｉｏｎｏｆｔｈｅＨｉｇｈ ｓｐｅｅｄｒａｉｌ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｎｅｔｗｏｒｋｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍ；ＣＥＭＵ（ＣｈｉｎｅｓｅｓｔａｎｄａｒｄＥＭＵ）；ＡＴＯ；ａｕｔｏｍａｔｅｄｄｒｉｖｉｎｇ
ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００６－８５５４．２０２１．０１．００５
　引言
随着ＡＴＯ自动驾驶技术在ＣＴＣＳ－３级列控系统的投入使用，进一步提高了我国高速铁路自动化程度，有效地实现了节能控制，降低了司机和站台客运人员的劳动强度。列车网络控制系统（ＴＣＭＳ）作为高速动车组的神经中枢系统，完成了列车控制、监视和故障诊断的任务，时速３５０ｋｍ中国标准网络控制系统的可靠性已被长期运营充分证明。因此，研究和设计的基本出发点是充分利用现有中国标准动车组网络系统的整体架构和功能，着重考虑网络系统能够为列车自动运行控制系统（ＡＴＣ）的自动驾驶功能实现提供必要的条件，为此对中国标准动车组列车网络控制系统进行适应性修改。
　中国标准动车组网络控制系统概述
中国标准动车组为动力分散型电动车组，采用８辆编组，包括４辆动车和４辆拖车，２列动车组可重联运行。列车网络控制系统采集与列车运行有关的各种数据，并对这些数据进行逻辑判断处理后，发送到牵引、制动、辅助供电、旅客信息、空调和充电机等连接到网络系统上的各电气子系统，从而对各电气子系统进行控制、监视和诊断任务［１］。
列车网络系统采用两级总线拓扑结构，包括列车级总线ＷＴＢ和车辆级总线ＭＶＢ。网络系统设置成２个车辆级网段，ＷＴＢ总线用于２个网段之间的数据传输，ＭＶＢ总线用于本网段内部的数据传输
［２］。
网络系统硬件由中央控制单元、ＷＴＢ网关、人机接口单元、中继器、远程输入输出模块和事件记录仪等设备组成，整车网络系统拓扑结构，如图１所示。  自动驾驶设备逻辑架构
中国标准动车组自动驾驶设备主要由ＴＣＭＳ设备和ＡＴＣ车载设备组成，其中ＴＣＭＳ设备包括中央控制单元（ＣＣＵ）、远程输入输出单元（ＩＯＭ）和人机接口单元（ＩＯＭ）等，ＡＴＣ车载设备主要包括ＡＴＯ控制单元、ＡＴＰ控制单元、测速测距单元、ＢＴＭ单元和ＧＳＭ－Ｒ无线通信单元等组成，如图２所示。同时牵引控制单元（ＴＣＵ）、制动控制单元（ＢＣＵ）、门控单元（ＤＣＵ）和空调控制单元（ＨＶＣＵ）等设备做为执行设备响应ＡＴＯ或ＴＣＭＳ的指令。
２．１　中央控制单元
中央控制单元负责完成ＭＶＢ总线管理、ＷＴＢ总线管理、列车重联、ＴＣＮ初运行、列车控制、状态监视和故障诊断等功能，是列车网络系统的核心设备。
２．２　远程输入输出单元
输入输出模块可与不具有车辆总线接口的输入输出信号进行连接，如１１０Ｖ数字量信号采集、２４Ｖ数字量信号采集和模拟量信号采集等，同时可依据中央控制单元控制指令进行输出控制。
２．３　人机接口单元
人机接口单元通过多功能车辆总线ＭＶＢ与中央控制通信。ＨＭＩ向车辆驾驶人员和维护人员提供车辆综合信息和设备工作状态，实现故障信息的综合与处理等功能。
２．４　ＡＴＰ控制单元
ＡＴＰ控制单元作为ＣＴＣＳ３＋ＡＴＯ车载设备的核心控制系统，主要实现高速动车组的自动防护功能，保证列车的行车安全。
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创新与实践ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＡＮＤＭＡＲＫＥＴ
Ｖｏｌ．２８，Ｎｏ．１，２０２
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图１　
中国标准动车组网络系统拓扑结构
一言以蔽之图２　自动驾驶设备逻辑架构
２．５　ＡＴＯ控制单元
ＡＴＯ控制单元在ＡＴＰ的防护下运行，可实现动车组的自动驾驶和开关车门等功能。
$　网络控制系统与.+*接口
中国标准动车组与ＡＴＣ车载设备（包括ＡＴＯ和ＡＴＰ）采用网络和硬线相结合的接口形式。３．１　网络控制系统与ＡＴＯ的通信
ＡＴＯ作为车辆级子系统，通过ＭＶＢ总线接入列车网络，实现与网络系统的信息交互，主要用于对ＡＴＯ进行控制和状态监控。相关数据信息按照ＭＶＢ过程数据方式进行传输，传输速率为１．５Ｍｂｐｓ，并且根据传输方向和功能的区别放置在不同的端口中进行管理。ＡＴＯ使用２个端口将自动驾驶相关指令和
表１　ＭＶＢ端口设置分配表
端口地址
端口大小
四年级数学上册教学计划端口周期
用途
数据方向Ｄ１０１６字节６４ｍｓＡＴＯ提供控制指令ＡＴＯ→ＴＣＭＳＤ１１１６字节６４ｍｓ
ＡＴＯ提供状态信息
ＡＴＯ→Ｔ
ＣＭＳＤ１２３２字节６４ｍｓ网络系统提供车辆信息ＴＣＭＳ→Ａ
ＴＯ状态信息传输给网络系统；网络系统使用１个端口把车辆控制信号和车辆状态信息传输给ＡＴＯ，如表１所示。３．２　网络控制系统与ＡＴＣ的硬线接口
对于车门控制和司机操作信号等安全相关的自动驾驶信息，网络系统与ＡＴＣ系统直接通过继电器接口方式进行信息交互，具体是通过网络系统的远程输入输出单元采集实现信号传递，车辆为硬线接口提供ＤＣ１１０Ｖ供电。涉及到的车门控制和司机操作，车辆增加了以下按钮或开关，如图３
所示。
图３　Ｉ／Ｏ继电器接口示意图
１）ＡＴＯ模式启动按钮：当动车组允许进入ＡＴＯ模式的条件满足时，司机按压该按钮，车辆可进入Ａ
ＴＯ驾驶模式。２）门控模式开关：为２位置开关，司机可以选择自动开／手动关（ＡＯ／ＭＣ）或者手动开／手动关（ＭＯ／ＭＣ），ＡＯ／ＭＣ模式由ＡＴＯ自动打开车门，由司机手动关闭车门；ＭＯ／ＭＣ模式由司机负责开／关车门。
３）门允许开关：为２位置开关，设置ＡＴＰ开门允许和人工
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动车组和高铁的区别１
技术与市场创新与实践２０２１年第２８卷第１期
允许，车载ＡＴＯ设备控制列车在站台停准且停稳后，根据“门控模式”开关和“门允许”开关，进行车门开关控制。
%　网络控制系统软件适应性修改
为了配合ＡＴＯ的功能完整性，网络系统控制逻辑和软件需要进行适应性修改，以实现以下自动驾驶的相关功能。４．１　列车驾驶模式扩展
在动车组既有的级位模式、速度模式和低恒速模式基础上，新增ＡＴＯ驾驶模式。当列车牵引系统、制动系统、限速状态和ＡＴＯ系统等状态正常时，司机操作ＡＴＯ启动按钮，网络系统控制列车进入ＡＴＯ模式；当列车状态不满足自动驾驶条件时，网络系统控制列车由ＡＴＯ模式转到人工驾驶模式［５］。
当以下条件均满足时，动车组允许进入ＡＴＯ模式：①牵引系统未被切除。②所有空气制动均可用。③车辆当前无限速保护。④车辆未施加常用制动。⑤车辆未施加紧急制动。
⑥保持制动未隔离。⑦ＴＣＭＳ与ＡＴＯ通信正常，如图４
沉默的反义词
所示。
图４　列车驾驶模式转换
４．２　牵引／制动自动控制
既有动车组的牵引／制动指令来自司控器手柄，增加了ＡＴＯ驾驶模式后，网络系统需要响应ＡＴＯ发送的牵引／制动指令来控制列车运行。在ＡＴＯ模式下，当ＡＴＯ牵引命令有效时，网络系统使用ＡＴＯ发送的牵引百分比来驱动列车运行；当ＡＴＯ制动命令有效时，网络系统使用ＡＴＯ发送的制动百分比来控制列车减速；当ＡＴＯ惰性命令时，网络系统控制列车牵引力和制动力均为０。
４．３　空调新风门自动关闭功能
当列车驶入隧道后，车外空气压力的剧烈变化会通过空调系统传入车内，影响车内人员的乘坐舒适性，所以在列车进入隧道前，应使空调新风门关闭。ＡＴＯ将地面应答器发送的隧道信息通过ＭＶＢ总线发送给网络系统，网络系统根据收到的信息实时计算列车距离隧道口的距离，当列车将在５ｓ后进入隧道时，网络系统控制自动关闭空调系统新风门，如图５南昌市中考分数线
所示。
图５　关闭新风门流程图４．４　人机接口单元界面显示
动车组人机接口单元作为网络控制系统的重要组成部分，主要负责显示列车状态、系统控制和故障诊断等信息，所以有人值守自动驾驶模式需要将ＡＴＯ控车状态通过图形化界面实时展示给司机，具体地是在既有显示界面上增加ＡＴＯ模式、牵引百分比和制动百分比等信息的显示，如图６
所示。
图６　自动驾驶模式显示屏界面
&　实际应用情况
装备ＡＴＯ系统的时速３５０ｋｍ中国标准动车组通过了厂内例行试验和铁路总公司组织的正线运营考核等一系列试验验证，网络控制系统得到了充分验证，配合ＡＴＯ系统实现了自动驾驶功能，保证了列车的运行安全性和可靠性。
/　结语
时速３５０ｋｍ中国标准动车组是贯彻国家创新驱动发展战略，以自主化、可靠性、先进性等为设计原则，实施的具有完全自主知识产权的铁路重大装备工程。自动驾驶功能在中国标准动车组上的运用，可有效降低运行能耗、提供运输能力、减轻司乘人员劳动强度，同时也为网络系统在高速铁路运输中的应用提供了新的方向，进一步提高了高铁的竞争力并使其成为未来最高效的交通工具之一。
参考文献：
［１］　常振臣．高速列车网络控制系统原理与应用［Ｍ］．北京：中国铁道出版社，２０１６．
［２］　ＩＥＣ６１３７５－１—２０１２，轨道交通电子设备列车通信网络［Ｓ］．２０１２．
［３］　ＩＥＣ６１１３１－３—２００３，可编程控制器的程序语言［Ｓ］．２００３．
［４］　穆进超．ＣＴＣＳ－３级列控ＡＴＰ车载设备升级自动驾驶的扩展技术研究［Ｊ］．中国铁路，２０１８（１０）：１４－１９．［５］　朱少彤．ＣＴＣＳ３＋ＡＴＯ高速列车自动驾驶系统关键设备研究［Ｊ］．中国铁路，２０１８（１０）：１－６．
［６］　王景波，王吉松，张鹏．３５０ｋｍ／ｈ中国标准动车组网络控制系统［Ｊ］．机车电传动，２０１８（２）：１２－１５．
作者简介：
刘晓磊（１９８５－），男，吉林长春人，硕士，工程师，研究方向：列车网络系统研究。
李海龙（１９８６－），男，吉林四平人，本科，高级工程师，研究方向：列车网络系统研究。
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