TCN列車通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

引言

　　列車通信網(wǎng)絡(luò)是用于連接車載設(shè)備，實(shí)現(xiàn)信息共享、控制功能、監(jiān)測(cè)診斷的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)近二三十年的發(fā)展，列車網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已經(jīng)走向成熟，并成為現(xiàn)代軌道車輛的關(guān)鍵技術(shù)之一。目前，在城市軌道車輛、高速動(dòng)車組上，無(wú)不采用列車通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。當(dāng)前，列車網(wǎng)絡(luò)形式并不統(tǒng)一，專門為列車車載設(shè)備通信而量身定制的符合IEC61375標(biāo)準(zhǔn)的TCN（Train Communication Networks）列車通信網(wǎng)絡(luò)與其他多種網(wǎng)絡(luò)形式相比，更能普遍地適應(yīng)列車通信的要求。

　　基于TCN的列車網(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(dǎo)，到現(xiàn)在得到眾多公司和單位的支持。隨著現(xiàn)代列車的智能化與信息化程度越來(lái)越高，也對(duì)列車通信網(wǎng)絡(luò)提出了更高的要求，原有的技術(shù)形式已經(jīng)在有些方面不能滿足需求，必然要走向新發(fā)展。本文著重介紹了當(dāng)今TCN列車網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的現(xiàn)狀，并對(duì)其未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)作一些分析、預(yù)測(cè)。

1　TCN列車網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)介

　　由于世界范圍內(nèi)列車通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的差異，造成了多種總線技術(shù)并存的局面。除TCN標(biāo)準(zhǔn)的列車總線之外，WorldFIP、LonWorks、CAN等其他總線形式也在列車通信網(wǎng)絡(luò)中有不同程度的運(yùn)用。上述幾種列車網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，絕大部分都是在其他領(lǐng)域應(yīng)用成熟的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)移植到列車控制系統(tǒng)中來(lái)的。它們依據(jù)各自的標(biāo)準(zhǔn)，不便進(jìn)行互聯(lián)。于是基于制訂一種開放式列車通信系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)各種軌道車輛相互聯(lián)掛，車載可編程電子設(shè)備統(tǒng)一接口標(biāo)準(zhǔn)而實(shí)現(xiàn)互換的構(gòu)想，TCN列車通信網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)運(yùn)而生。

1.1　TCN列車網(wǎng)絡(luò)雛形

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

1.1.1　SIBAS系統(tǒng)

　　在鐵路機(jī)車動(dòng)車控制方面，德國(guó)Siemens公司早在1981年就研制出了相應(yīng)的微機(jī)控制系統(tǒng)，并命名為SIBAS16，這個(gè)系統(tǒng)的樣機(jī)首次應(yīng)用在紐倫堡交通運(yùn)輸管理局地鐵車輛上。SIBAS16中的數(shù)字代表其采用的是16位微處理器，這個(gè)系統(tǒng)由中央機(jī)、一個(gè)或多個(gè)子機(jī)以及存儲(chǔ)單元構(gòu)成，各計(jì)算機(jī)之間采用串行通信來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送。這種機(jī)車控制系統(tǒng)形式新穎，擴(kuò)展性好，可靠性高，使用安裝便捷，大有取代傳統(tǒng)控制技術(shù)的趨勢(shì)，成為列車微機(jī)控制發(fā)展中的發(fā)軔之作，影響不可不謂之重大。

　　隨著技術(shù)的不斷革新以及SIBAS16的不斷完善，Siemens公司不失時(shí)機(jī)地推出了基于32位控制器和信號(hào)處理器的列車微機(jī)控制系統(tǒng)SIBAS32，其在性能上較SIBAS16更具優(yōu)越性，同時(shí)也對(duì)原有SIBAS16系統(tǒng)在接口上保持了向下兼容。20世紀(jì)90年代，列車通信網(wǎng)絡(luò)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)正在制定當(dāng)中，Siemens公司著眼于控制系統(tǒng)功能的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展，其推出的SIBAS32系統(tǒng)是一種多功能通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。系統(tǒng)采用網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，外圍設(shè)備已經(jīng)開始標(biāo)準(zhǔn)化、專用化、智能化，基本上可在保持硬件結(jié)構(gòu)不變的情況下便捷地與任意終端相掛接，構(gòu)成一個(gè)對(duì)各種機(jī)車車輛移植性很好的控制與監(jiān)控系統(tǒng)。

1.1.2　MICAS系統(tǒng)

　　MICAS系統(tǒng)的出現(xiàn)是在20世紀(jì)80年代。瑞士布朗·勃法瑞公司(BBC)最早研發(fā)的MICAS系統(tǒng)是應(yīng)用于運(yùn)輸部門的微型計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)，能理想地實(shí)現(xiàn)機(jī)動(dòng)車與船只等場(chǎng)合的控制功能。針對(duì)MICAS應(yīng)用領(lǐng)域的不同，研發(fā)人員相應(yīng)地開發(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(tǒng)在1985年首次應(yīng)用于牽引控制技術(shù)中，在對(duì)過(guò)程處理速度和性能要求苛刻的牽引控制系統(tǒng)中很好地實(shí)現(xiàn)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(tuán)。此后，ABB旗下的Adtranz公司在MICASS牽引控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上開發(fā)出了MICASS2，并于1992年第一次成功運(yùn)用在瑞士Re460型變流機(jī)車上。MICASS2列車控制系統(tǒng)實(shí)行分級(jí)控制形式，由列車級(jí)、車輛級(jí)和傳動(dòng)級(jí)3級(jí)控制組成，各級(jí)系統(tǒng)控制單元之間的通信通過(guò)列車通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)。列車通信網(wǎng)絡(luò)采用總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，分成車輛總線、列車總線兩級(jí)局域網(wǎng)。車輛總線由同一車輛內(nèi)的幾個(gè)控制單元互連構(gòu)成，采用RS485串行通信標(biāo)準(zhǔn)。列車總線為貫穿各車輛節(jié)點(diǎn)互連的通信線路，采用9芯EP電纜或18芯UIC電纜，線路通過(guò)兩種總線之間的網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)總線耦合。

　　在MICASS2的基礎(chǔ)上Adtranz公司又推出了MITRAC系統(tǒng)，這是更新一代的分布式列車控制與通信系統(tǒng)。MITRAC系統(tǒng)中沒(méi)有集中的控制柜和機(jī)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(dú)立電源和標(biāo)準(zhǔn)車輛總線接口的殼體中，并分布于車體內(nèi)靠近控制對(duì)象的各個(gè)位置。其良好的電磁兼容性能保證各車輛控制單元工作在環(huán)境惡劣的列車中。

　　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(gòu)。Bombardier公司對(duì)MITRAC系統(tǒng)繼續(xù)不斷改進(jìn)，并按照不同客戶需求加以系列化，如今該系統(tǒng)有MITRAC500系列、1000系列和3000系列等。

1.2　TCN標(biāo)準(zhǔn)制定

　　《IEC61375電子鐵路設(shè)備列車總線》是專門為鐵路設(shè)備的數(shù)據(jù)通信而制定一項(xiàng)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，即TCN標(biāo)準(zhǔn)，它是IEC（國(guó)際電工委員會(huì)）第9技術(shù)委員會(huì)（TC9，牽引電氣設(shè)備分會(huì))委托由來(lái)自20多個(gè)世界范圍內(nèi)主要鐵路運(yùn)營(yíng)部門和制造廠家代表以及UIC(國(guó)際鐵路聯(lián)盟)的代表組成第22工作組（WG22），以前有著多年運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的Siemens的SIBAS系統(tǒng)和Adtranz的MICAS系統(tǒng)等技術(shù)為原型的基礎(chǔ)上推出的。自1999年推出以來(lái)，在世界范圍內(nèi)得到了推廣和應(yīng)用，成為目前采用最廣泛、最有應(yīng)用前景的一種列車網(wǎng)絡(luò)形式。

　　1988年，以制定應(yīng)用于鐵道車輛、能使鐵道車輛相互聯(lián)掛的開放性通信系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)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(guó)征求列車通信網(wǎng)絡(luò)TCN草案的意見稿?？紤]到列車通信網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，WG22在制訂TCN標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，曾在是制定一套全新的標(biāo)準(zhǔn)，還是對(duì)原有方案加以標(biāo)準(zhǔn)化這兩種思路之間權(quán)衡。最后，其根據(jù)列車通信網(wǎng)絡(luò)的要求，對(duì)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?qū)崟r(shí)性、可靠性、確定性不能滿足列車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(chǔ)上，共同開發(fā)出了一套標(biāo)準(zhǔn)，并于1999年成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，即IEC613751 TCN列車通信網(wǎng)絡(luò)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。

　　IEC613751標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容如表1所列。

　　該標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定典型的TCN網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　由圖可見，IEC列車網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定系統(tǒng)分成兩層總線結(jié)構(gòu)：列車級(jí)的絞線式列車總線WTB和車輛級(jí)的多功能車輛總線MVB，兩者之間協(xié)議轉(zhuǎn)換需要通過(guò)網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)。列車總線WTB最突出的特點(diǎn)是具有列車初運(yùn)行的功能，即在車輛之間的重聯(lián)通信時(shí)，能自動(dòng)識(shí)別并標(biāo)識(shí)各車輛在列車編組中的位置和方向，這對(duì)于需要頻繁進(jìn)行編組的列車而言可謂意義非凡。車輛總線MVB則用于實(shí)現(xiàn)車輛內(nèi)的控制單元及控制設(shè)備的互聯(lián)。TCN標(biāo)準(zhǔn)在列車通信的實(shí)時(shí)性方面規(guī)定，網(wǎng)絡(luò)采用基于總線管理器的主從式介質(zhì)訪問(wèn)控制，而在可靠性方面則規(guī)定，網(wǎng)絡(luò)采取介質(zhì)和總線管理器的冗余技術(shù)。

IEC613751標(biāo)準(zhǔn)通過(guò)后，TC9于2003年成立專門的工作組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(duì)IEC613751進(jìn)行了修訂，發(fā)布了第2版，同時(shí)也發(fā)布了IEC613752列車通信網(wǎng)絡(luò)一致性測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。此外，工作組還在討論將CANopen、LonWorks、TEthernet、TIMN等多種總線形式納入車輛總線的規(guī)范當(dāng)中。

表1　IEC613751標(biāo)準(zhǔn)主要內(nèi)容

圖1　TCN列車網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D


2　TCN列車網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的現(xiàn)狀

　　在推出TCN國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)后，基于TCN標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品需求增加，對(duì)于TCN產(chǎn)品的研制有了越來(lái)越多的單位支持，TCN列車網(wǎng)絡(luò)在世界范圍內(nèi)也得到了日趨廣泛的應(yīng)用。

2.1　TCN列車網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品主要供應(yīng)商

　　目前，TCN標(biāo)準(zhǔn)列車通信網(wǎng)絡(luò)的推廣形成以Siemens、Bombardier等大公司主導(dǎo)，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(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品，諸如列車網(wǎng)絡(luò)專用芯片(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，用戶可以選擇需要的網(wǎng)絡(luò)部件來(lái)集成、開發(fā)符合自己要求的TCN網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。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，門控方面的IFE，采暖通風(fēng)與空調(diào)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(guó)作為TCN標(biāo)準(zhǔn)的制定成員國(guó)之一，也對(duì)該標(biāo)準(zhǔn)大力支持。在研發(fā)方面，我國(guó)南車、北車集團(tuán)等單位通過(guò)自主研發(fā)與技術(shù)引進(jìn)相結(jié)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(jì)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列車網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品應(yīng)用現(xiàn)狀

　　TCN網(wǎng)絡(luò)主要應(yīng)用在高速動(dòng)車組、重載列車以及地鐵車輛等軌道交通領(lǐng)域，這些場(chǎng)合對(duì)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)的列車網(wǎng)絡(luò)技術(shù)才能達(dá)到要求。

　　目前采用TCN方案的國(guó)家有德國(guó)、法國(guó)、英國(guó)、瑞士、瑞典、挪威、芬蘭、丹麥、印度、澳大利亞、菲律賓、美國(guó)、巴西等，包括高速列車、擺式列車、城市軌道車輛。我國(guó)列車網(wǎng)絡(luò)技術(shù)采用的形式繁多，但TCN技術(shù)應(yīng)用的比重很大，并且采用TCN標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)成為趨勢(shì)，如和諧號(hào)動(dòng)車組CRH1、CRH3、CRH5和CRH380A等車型，各大城市的地鐵（如上海軌道交通1、2、4、9、11號(hào)線，北京地鐵15號(hào)線、房山線、昌平線、亦莊線，廣州地鐵2、3、8號(hào)線等）均廣泛采用。

2.3　TCN列車網(wǎng)絡(luò)的研究推廣

　　自從TCN國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)推出以后，得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。究其原因，離不開TCN網(wǎng)絡(luò)自身的實(shí)時(shí)、可靠、安全、開放的優(yōu)點(diǎn)，能很好地滿足列車通信需求。當(dāng)然，更離不開Siemens、Bombardier等大公司不遺余力的研發(fā)和推廣，使得支持和應(yīng)用TCN產(chǎn)品的公司和國(guó)家在十幾年間有了很大的增長(zhǎng)。在TCN標(biāo)準(zhǔn)采納以后，世界范圍內(nèi)很多研究單位積極地設(shè)計(jì)了相應(yīng)的電路、仿真軟件和驗(yàn)證工具，極大地推進(jìn)了TCN技術(shù)的發(fā)展。

3　TCN列車網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢(shì)

　　從TCN標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)的推出為解決列車以及車載控制設(shè)備之間的相互聯(lián)掛的問(wèn)題貢獻(xiàn)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)門檻較高也限制了它更大范圍的應(yīng)用。TCN并沒(méi)有完全滿足列車在所有場(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。

　　列車網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已經(jīng)成熟，也是當(dāng)代軌道車輛必然采用的核心技術(shù)之一。隨著通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，用戶對(duì)網(wǎng)絡(luò)的開放性、性價(jià)比、開發(fā)和應(yīng)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)，完全滿足鐵路用戶的所有應(yīng)用需求。因此，在將來(lái)，列車網(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。列車控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)可能會(huì)是以TCN為主，在軌道車輛的高速動(dòng)車組、地鐵車輛等高端市場(chǎng)應(yīng)用；其他各種形式的總線形式作為列車網(wǎng)絡(luò)的重要補(bǔ)充，在各種適用的場(chǎng)合找到應(yīng)用的空間。這些通用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在今后一段時(shí)間內(nèi)將和原有TCN網(wǎng)絡(luò)共同發(fā)展，取長(zhǎng)補(bǔ)短并相互融合，形成有機(jī)的整體。

　　另外，隨著列車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(duì)列車通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性進(jìn)行量化的評(píng)估在國(guó)內(nèi)外還是鮮見的，對(duì)于可靠性要求高的列車網(wǎng)絡(luò)，全面引入可靠性工程的分析、評(píng)價(jià)、設(shè)計(jì)及驗(yàn)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(guī)》國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，隨后很多種用于工業(yè)控制的總線標(biāo)準(zhǔn)也應(yīng)用該標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)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(jí)。那么，列車通信網(wǎng)絡(luò)對(duì)安全性如此強(qiáng)調(diào)的總線形式，是否要執(zhí)行功能安全標(biāo)準(zhǔn)，是非常值得考慮的問(wèn)題。隨著列車服務(wù)質(zhì)量水平和乘客需求的不斷提高，列車信息化服務(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。