TCN列車通信網絡技術現狀及發(fā)展趨勢

引言

　　列車通信網絡是用于連接車載設備，實現信息共享、控制功能、監(jiān)測診斷的數據通信系統(tǒng)。經過近二三十年的發(fā)展，列車網絡技術已經走向成熟，并成為現代軌道車輛的關鍵技術之一。目前，在城市軌道車輛、高速動車組上，無不采用列車通信網絡技術。當前，列車網絡形式并不統(tǒng)一，專門為列車車載設備通信而量身定制的符合IEC61375標準的TCN（Train Communication Networks）列車通信網絡與其他多種網絡形式相比，更能普遍地適應列車通信的要求。

　　基于TCN的列車網絡，20年來取得了很大發(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。隨著現代列車的智能化與信息化程度越來越高，也對列車通信網絡提出了更高的要求，原有的技術形式已經在有些方面不能滿足需求，必然要走向新發(fā)展。本文著重介紹了當今TCN列車網絡技術的現狀，并對其未來的發(fā)展趨勢作一些分析、預測。

1　TCN列車網絡簡介

　　由于世界范圍內列車通信網絡技術的差異，造成了多種總線技術并存的局面。除TCN標準的列車總線之外，WorldFIP、LonWorks、CAN等其他總線形式也在列車通信網絡中有不同程度的運用。上述幾種列車網絡技術，絕大部分都是在其他領域應用成熟的現場總線技術移植到列車控制系統(tǒng)中來的。它們依據各自的標準，不便進行互聯(lián)。于是基于制訂一種開放式列車通信系統(tǒng)，實現各種軌道車輛相互聯(lián)掛，車載可編程電子設備統(tǒng)一接口標準而實現互換的構想，TCN列車通信網絡標準應運而生。

1.1　TCN列車網絡雛形

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

1.1.1　SIBAS系統(tǒng)

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

　　隨著技術的不斷革新以及SIBAS16的不斷完善，Siemens公司不失時機地推出了基于32位控制器和信號處理器的列車微機控制系統(tǒng)SIBAS32，其在性能上較SIBAS16更具優(yōu)越性，同時也對原有SIBAS16系統(tǒng)在接口上保持了向下兼容。20世紀90年代，列車通信網絡國際標準正在制定當中，Siemens公司著眼于控制系統(tǒng)功能的長遠發(fā)展，其推出的SIBAS32系統(tǒng)是一種多功能通用計算機系統(tǒng)。系統(tǒng)采用網絡通信技術，外圍設備已經開始標準化、專用化、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，構成一個對各種機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(tǒng)是應用于運輸部門的微型計算機自動控制系統(tǒng)，能理想地實現機動車與船只等場合的控制功能。針對MICAS應用領域的不同，研發(fā)人員相應地開發(fā)出了適用于該場合的軟件、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年首次應用于牽引控制技術中，在對過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(tǒng)基礎上開發(fā)出了MICASS2，并于1992年第一次成功運用在瑞士Re460型變流機車上。MICASS2列車控制系統(tǒng)實行分級控制形式，由列車級、車輛級和傳動級3級控制組成，各級系統(tǒng)控制單元之間的通信通過列車通信網絡實現。列車通信網絡采用總線型拓撲結構，分成車輛總線、列車總線兩級局域網。車輛總線由同一車輛內的幾個控制單元互連構成，采用RS485串行通信標準。列車總線為貫穿各車輛節(jié)點互連的通信線路，采用9芯EP電纜或18芯UIC電纜，線路通過兩種總線之間的網關實現總線耦合。

　　在MICASS2的基礎上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)中沒有集中的控制柜和機箱，各個控制單元或I/O單元均自成一體，分別封裝在一個配備獨立電源和標準車輛總線接口的殼體中，并分布于車體內靠近控制對象的各個位置。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。Bombardier公司對MITRAC系統(tǒng)繼續(xù)不斷改進，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標準制定

　　《IEC61375電子鐵路設備列車總線》是專門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）第9技術委員會（TC9，牽引電氣設備分會)委托由來自20多個世界范圍內主要鐵路運營部門和制造廠家代表以及UIC(國際鐵路聯(lián)盟)的代表組成第22工作組（WG22），以前有著多年運行經驗的Siemens的SIBAS系統(tǒng)和Adtranz的MICAS系統(tǒng)等技術為原型的基礎上推出的。自1999年推出以來，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網絡形式。

　　1988年，以制定應用于鐵道車輛、能使鐵道車輛相互聯(lián)掛的開放性通信系統(tǒng)標準為目的，WG22成立。1992年6月，TC9/WG22制定出委員會草案，并向各國征求列車通信網絡TCN草案的意見稿?？紤]到列車通信網絡的特點，WG22在制訂TCN標準時，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，其根據列車通信網絡的要求，對已有的Profibus、LonWorks、Bitbus、FIP、CAN、Tornad等解決方案進行考量，但由于協(xié)議不透明，或實時性、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。經過多年的努力，WG22在Siemens和Adtranz公司原有技術方案的基礎上，共同開發(fā)出了一套標準，并于1999年成為國際標準，即IEC613751 TCN列車通信網絡國際標準。

　　IEC613751標準的內容如表1所列。

　　該標準中規(guī)定典型的TCN網絡系統(tǒng)的拓撲結構如圖1所示。

　　由圖可見，IEC列車網絡標準中規(guī)定系統(tǒng)分成兩層總線結構：列車級的絞線式列車總線WTB和車輛級的多功能車輛總線MVB，兩者之間協(xié)議轉換需要通過網關實現。列車總線WTB最突出的特點是具有列車初運行的功能，即在車輛之間的重聯(lián)通信時，能自動識別并標識各車輛在列車編組中的位置和方向，這對于需要頻繁進行編組的列車而言可謂意義非凡。車輛總線MVB則用于實現車輛內的控制單元及控制設備的互聯(lián)。TCN標準在列車通信的實時性方面規(guī)定，網絡采用基于總線管理器的主從式介質訪問控制，而在可靠性方面則規(guī)定，網絡采取介質和總線管理器的冗余技術。

IEC613751標準通過后，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的改進與發(fā)展，并于2007年4月對IEC613751進行了修訂，發(fā)布了第2版，同時也發(fā)布了IEC613752列車通信網絡一致性測試標準。此外，工作組還在討論將CANopen、LonWorks、TEthernet、TIMN等多種總線形式納入車輛總線的規(guī)范當中。

表1　IEC613751標準主要內容

圖1　TCN列車網絡拓撲圖


2　TCN列車網絡技術的現狀

　　在推出TCN國際標準后，基于TCN標準的產品需求增加，對于TCN產品的研制有了越來越多的單位支持，TCN列車網絡在世界范圍內也得到了日趨廣泛的應用。

2.1　TCN列車網絡產品主要供應商

　　目前，TCN標準列車通信網絡的推廣形成以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標準的產品，諸如列車網絡專用芯片(MVBC01、MVBD、AMED)以及網絡實時協(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網關和相關網絡產品，用戶可以選擇需要的網絡部件來集成、開發(fā)符合自己要求的TCN網絡控制系統(tǒng)。其他可以提供TCN產品的公司還有：自動控制方面的Holec、Ansaldo、AEG，制動方面的Knorr Electronic、Westinghouse Brakes，門控方面的IFE，采暖通風與空調方面的Hagenuk。另外，一些中小公司也能提供MVB板卡、WTB網關、實時協(xié)議文件等。
　　我國作為TCN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、北車集團等單位通過自主研發(fā)與技術引進相結合，目前也具有了提供TCN相關產品的能力。鐵道科學研究院、西南交通大學、同濟大學、北京交通大學等研究單位在TCN方面也進行了廣泛研究，取得了一定的成果。

2.2　TCN列車網絡產品應用現狀

　　TCN網絡主要應用在高速動車組、重載列車以及地鐵車輛等軌道交通領域，這些場合對產品的互操作性和控制實時性要求一般很高，只有通過可靠、實時的列車網絡技術才能達到要求。

　　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、擺式列車、城市軌道車輛。我國列車網絡技術采用的形式繁多，但TCN技術應用的比重很大，并且采用TCN標準已經成為趨勢，如和諧號動車組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號線，北京地鐵15號線、房山線、昌平線、亦莊線，廣州地鐵2、3、8號線等）均廣泛采用。

2.3　TCN列車網絡的研究推廣

　　自從TCN國際標準推出以后，得到了越來越廣泛的應用。究其原因，離不開TCN網絡自身的實時、可靠、安全、開放的優(yōu)點，能很好地滿足列車通信需求。當然，更離不開Siemens、Bombardier等大公司不遺余力的研發(fā)和推廣，使得支持和應用TCN產品的公司和國家在十幾年間有了很大的增長。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，極大地推進了TCN技術的發(fā)展。

3　TCN列車網絡的發(fā)展趨勢

　　從TCN標準推出到今天，已經十余年了，期間各方面科學技術飛速發(fā)展?？梢哉f，盡管TCN標準的推出為解決列車以及車載控制設備之間的相互聯(lián)掛的問題貢獻巨大，但總體看來，TCN網絡技術中的核心部分仍基本由若干家大公司所壟斷，技術門檻較高也限制了它更大范圍的應用。TCN并沒有完全滿足列車在所有場合的控制需要，在技術與日俱新的今天，它需要新的發(fā)展。

　　列車網絡技術已經成熟，也是當代軌道車輛必然采用的核心技術之一。隨著通信網絡技術的應用范圍不斷擴大，用戶對網絡的開放性、性價比、開發(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網絡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絡，完全滿足鐵路用戶的所有應用需求。因此，在將來，列車網絡技術不可能是TCN的天下，必然是多種網絡技術的融合。列車控制網絡技術的發(fā)展趨勢可能會是以TCN為主，在軌道車輛的高速動車組、地鐵車輛等高端市場應用；其他各種形式的總線形式作為列車網絡的重要補充，在各種適用的場合找到應用的空間。這些通用網絡技術在今后一段時間內將和原有TCN網絡共同發(fā)展，取長補短并相互融合，形成有機的整體。

　　另外，隨著列車通信要求的不斷提高，TCN自身方面的改進是必要的。如在可靠性方面，目前對列車通信網絡的可靠性進行量化的評估在國內外還是鮮見的，對于可靠性要求高的列車網絡，全面引入可靠性工程的分析、評價、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)網絡功能安全通信行規(guī)》國際標準，隨后很多種用于工業(yè)控制的總線標準也應用該標準，對自身的協(xié)議加以完善，添加了功能安全通信層來保證通信網絡的功能完整性等級。那么，列車通信網絡對安全性如此強調的總線形式，是否要執(zhí)行功能安全標準，是非常值得考慮的問題。隨著列車服務質量水平和乘客需求的不斷提高，列車信息化服務的要求也越來越高，TCN在此方面顯然是不能滿足的。因此，為乘客提供優(yōu)質的信息娛樂服務，包括移動電視、移動網絡等，也必將是TCN未來的方向。