列车CRH2组通信网络

目录

第一章 绪论...............

1.1 国内外铁道车辆网络技术的发展........

1.2 国内外列车通信网络技术发展概况............. 1.3 国内列车发展

第二章 列车通信网络结构...................................

2.1 TCN的适用范围..................... 2.2 TCN的网络结构.................. 2.2.1 TCN的网络拓扑结构.................. 2.2.2 TCN的网络体系结构..................... 2.3 MVB总线............................ 2.3.1 MVB传输介质.......... 2.3.2 MVB 设备......... 2.3.2 MVB 报文............. 2.3.3 MVB 介质访问............... 2.3.4 MVB 容错...................... 2.4 WTB总线.................... 2.4.1 WTB拓扑.............

2.4.2 WTB 的介质......................

2.4.3 WTB的介质连接方式......................... 2.4.4 WTB报文...............

2.4.5 WTB 介质访问.................... 2.5 实时协议....................... 2.5.1 列车通信网络服务................ 2.5.2 变量服务.............

2.5.3 消息服务...... .................. 2.6 LonWorks总线概述............... 2.7 LonWorks总线拓扑结构. .............. 2.8 LonWorks通信网络协议..........

第三章 访问控制方式分析.......................

3.1 载波监听多路访问.................

3.2 令牌环访问控制方式............................ 3.3 令牌总线访问控制方式..................

第四章 列车网络通讯的具体应用................

4.1 CRH2动车组概述.......................

4.2 CRH2网络控制系统概述.......................... 4.2.1 系统组成及功能简介.......................... 4.2.2 网络拓扑结构.......................... 4.2.3 可靠性与冗余性.......................... 4.3 LonWorks在列车通信网络上的应用.............. 4.4 TCN在列车通信网络上的应用................

结论................ 致谢................... 参考文献......................

第一章 绪论

高速、舒适是世界铁路发展的主要目标和方向。

1964年10月1日，世界上第一条高速铁路----日本东海道新干线（全长515.5km）

通车，最高运行速度高达210km/h,从而拉开了世界高速铁路的序幕。其后，又有法国（1981年始）、德国（1991年始）、意大利（1992年始）、西班牙（1992年始）和英国、瑞典、韩国等国家取得了高速铁路的成功经验。此外，美国、俄罗斯、比利时、荷兰、中国以及中国台湾省等国家和地区也正在筹建或已建成高速铁路。目前世界上高速列车的最高运行速度已达到350km/h。2007年4月18日，我国铁路进行了第六次大提速，开行了200km/h的告诉动车组，部分线路区段运行速度达到250km/h.2007年4月3日，法国阿尔斯通公司的V150高速动车组试验速度已达到574.8km/h。

1.1 国内外铁道车辆网络技术的发展

计算机技术的发展使其在机车车辆上的应用日益增多，如牵引、供电、制动系统，以及主动控制等都广泛应用了计算机技术，导致车载计算机设备的数量增加。如何将这些大量的信息安全、快速、可靠、准确地在整个列车上传输，以及如何实现整个列车所有车辆计算机设备之间的信息交换和共享，从而实现列车安全运行、远程故障诊断和维护成为机车车辆的另一个重要研究方向。

列车通信网络也是伴随着计算机在机车车辆上的应用而发展的、20世纪70年代末至80年代初，车载微机的雏形分别在西门子公司和BBC公司出现，开始仅仅是用于传动装置的控制。随着微机技术和通信技术的发展，列车通信网络在初期的串行通信总线的基础上应运而生，并从原来不同公司的企业标准发展为国际标准，逐步形成了列车通信与控制系统的标准化、模块化的硬件系列以及全方位的开发、调试、维护、管理软件工具。

TCN和LonWorks这两个网络标准因各自的优良特性而被相关国际组织确定为国际列车通信网络。

1999年，IEC把TNC作为标准(IEC61375-1) 1999年，IEEE制定的列车通信标准IEEE1473-1999包含了TCN和LonWorks，即1473-T(TCN)和1473-L(LonWorks).

除此之外，法国阿尔斯通公司将WorldFIP作为标准通信协议应用于其开发的AGATE列车控制系统，并成功应用于TGV高速列车。日本采用ARCENT网络技术应用于新干线高速列车的控制系统，都取得了巨大的成功。目前，我国很多自行开发的动车组都已采用了列车通信网络技术。

1.2 国内外列车通信网络技术发展概况

为了实现列车中分散于车辆中设备的协调工作，列车通信网络在初期串行通信总线的基础上逐步发展起来，它能够实现整列车中所有设备的信息共享、协调工作，以及故障的远程诊断和维护，为旅客提供信息服务等功能。

世界各国铁道机车车辆生产企业在各自发展过程中使用了不同的列车通信网络技术。目前广泛使用的列车通信网络有符合IEC标准的TCN网络（IEC61375）、符合IEEE标准的列车通信网络（IEEE1473,包括TCN网络和LonWorks网络），以及其他工业控制网络，如应用于TGV高速列车ARGAT控制系统的WorldFIP网络，应用于日本新干线高速列车的ARCNET网络等。

1.列车通信网络国外发展情况简介

ABB公司的微机自动化系统MICAS-S2在列车层采用了FSK列车总线，波特率19.2Kbps，

车辆总线采用了在RS485控制器总线基础上进一步开发的MICAS车辆总线MVB，波特率1.5Mbps，这二种总线均具有全方位的软件工具支持。

1988年，IEC第九技术委员会TC9成立了第22工作组WG22，其任务是制订一个开放的通信系统，从而使得各种铁道机车车辆能够相互联挂，并且车上的可编程电子设备能够互换。 1992年6月，TC9 WG22以委员会草案CD（Committee Draft）的形式向各国发出列车通信网TCN的征求意见稿，该稿分成四个部分：第一部分总体结构，第二部分实时协议，第三部分多功能车辆总线MVB，第四部分绞式列车总线WTB。

总体结构把列车通信网规定为由多功能车辆总线MVB和绞式列车总线WTB组成。其中多功能车辆总线MVB以ABB的MICAS车辆总线MVB为蓝本，WTB以西门子的DIN 43322和意大利的CD 450为蓝本。

MVB的传输介质可以是双绞线，也可以是光纤。在后一种场合，其跨距为2000m，最多可联结256个智能总线站。数据划分为过程数据、消息数据和监管数据，对过程数据的传输作了优化。发送的基本周期是1ms或2ms。

WTB的传输介质为双绞线，最多可连接32个节点，总线跨距860m。WTB具有列车初运行和接触处防氧化功能。发送的基本周期是25ms。

1994年5月至1995年9月，欧洲铁路研究所ERRI耗资300万美元，在瑞士的Interlaken至荷兰的阿姆斯特丹的区段，对由瑞士SBB、德国DB、意大利FS、荷兰NS的车辆编组成的运营试验列车进行了全面的TCN实验。

1998年11月，在中国湖南株洲召开IEC年会。1999年6月，TCN标准草案61375-1正式成为国际标准。在61375-1中，除了以上四个部分外，还有第五部分列车网络管理，附录A列车通信网导引，附录B一致性测试导则。

2.我国列车通信网络的开发应用历程

在昆明―石林的动车组研制时，国内还没有一种成熟的控制网络，只好采用RS485标准，由显示屏作主机，分时与各动车通信。控制命令不经网络，通信只传送状态数据，供显示屏显示。它的基础是SS4B型机车，但SS4B型机车的通信是在两节相邻的机车间，而在昆明―石林动车组上，距离加长了，因而须采取许多有效的抗干扰措施。实际使用情况是满意的。

向伊朗出口的动车组为二动八拖，首尾为机车TM1。为解决机车重联从瑞士ADtranz购买了MICAS-S2系统。控制网络由三级构成。列车总线为FSK，速率为19.2Kbit/s，介质为双绞屏蔽线；车辆总线为MVB，介质为光纤，速率为1.5Mbit/s。

在DDJ1一动六拖的动车组上，也是采用ADtranz公司的MICAS-S2系统，全列车也只有两个节点（动力车和控制车上各一个），能由控制车来操纵全列车，可在两个方向上行驶。但总线结构上与伊朗车组有两点不同，一是车间连接的跨接电缆由一个车的末端伸出，至另一节车辆的插座，从而省去一组接插件；二是考虑到能将两列短编组列车连接成长编组工作，列车总线冗余方式作了改变。在TM1车中，将前向通道折回作为列车总线冗余通道，只是同一块插件通道和列车总线介质的冗余，而在DDJ1机车上增加了一套列车总线硬件，做到列车总线硬件和通信介质的双冗余。

1.3 国内列车概括

（1）引入过程

中方最初向拥有700系及800系技术的日本车辆制造（日车）及日立制作所洽商，但日车及日立均表明拒绝向中国出售车辆及技术转移。其后中方改向与四方有合作的川崎招手，当时川崎的销售业绩并未如预期理想，便出售3组E2-1000系及其车辆技术予中国，以改善业绩。

川崎向中国出售新干线技术最初仍被东日本旅客铁道（JR东日本）、日车及日立反对，后经一轮谈判，川崎在得到众日本公司不反对亦不赞成的情况下，出售E2-1000系车辆及技术予中国。出口中国的列车并没有如台湾般举行出厂典礼，同时也低调报导车辆接收，据闻，这与中国内地的媒体报导机制及民间存在的反日情绪有关。

（2）生产模式

中国方面订购的首批列车数量为数60列，乃CRH车系中数量最多。当中为数3列在日本完成，并完整地运往中国；另有6列以散件形式付运，由中方负责组装；其余51组将透过日本的技术转移，由四方机车厂建造，但一些高技术部件，包括IGBT VVVF牵引逆变器等，在中国有能力国产化以前，仍会使用日本原装产品。首辆列车已于2006年3月8日运抵中国。

按照政府的指示，所有CRH系列均会被命名为“和谐号”。由于中国传媒指称CRH2型等乃“中国自主研制和开发”，与事实不符，结果遭遇到部份中国和日本的网民斥责，当中甚至有将CRH译成 Chi Ru Hao （“耻辱号”）。

这些中国版本的E2系，也按照中国国情及铁路标准而作出适当的改动，包括安装采用德国斯特曼公司（Stemmann-Technik）技术的DSA250型受电弓，以适应高变化的沿线架空电缆接触网。在头尾两节车厢顶部均装有天线，这也是日本本土的同型车所没有的。

首批为数60列的CRH2已于2007年11月底全数交付，另一款由CRH2型改良而成的加强版新型列车正在制造当中，营运时速可达300公里，首组列车已于2007年12月22日出厂，编号由CRH2-061C开始。2008年1月，CRH2-061C及CRH2-062C已分别由四方厂开往北京环铁进行运行测试。

（2）国产化

按照铁道部的订购合同，获订单的国外公司需把若干关键技术转让予中国公司。 株洲南车电机受让日本三菱电机提供的MT205型牵引电动机及牵引变压器技术，产品于2005年年底开始试生产，至2007年8月20日通过铁道部考核验收。在首批60列CRH2动车组中，株洲南车电机为其中17组列车提供272台牵引电机，另为这些列车提供其中36台牵引变压器。

株洲南车时代电气受让列车的IGBT牵引逆变器等技术，2007年11月26日，四方向南车时代采购供CRH2使用的牵引逆变器、辅助牵引变流器、通风系统及列车信息系统，合同总值5.96亿元人民币，供货期由2008年首季开始，至2009年首季结束。

（3）服役

2007年1月28日，CRH2正式开始在沪杭线及沪宁线投入服务。在服役初期，营运最高时速维持在160公里，至4月18日“六提”实施后方以最高250公里时速行驶。

在首批时速200公里级别的动车组中，CRH2是最先全部下线的车款，因此使用CRH2行走的动车组车次的比例也较高。

首批出厂的时速300公里版本CRH2，预计会于2008年北京奥运前，投入京津城际铁路运营。 （4）分配概况

于2007年12月，所有CRH2列车已经上线，被分配往西安、济南、武汉、北京、郑州、上海及南昌铁路局，当中以上海局的数量占最多。

编号2010的列车现作为轨道检测车使用，与新干线使用的“Doctor Yellow”类似。 编号2001的列车，只以公务车名称载客，车辆配属铁道部。

第二章 列车通信网络结构

2.1 TCN网络概括

2.4.1 WTB拓扑

WTB采用总线拓扑，可互连最多32个节点，长度最长达860m。更长的距离和更多的节点（做多62个）也可以实现。WTB介质是由不同车辆上的电缆节连接而成，如图2.10所示。

图2.9 WTB拓扑

列车正常运行时，每个中间节点接入主干电缆，并连接两个总线节；端节点电气上用与它连接的端接器来终止两个总线节以减少反射（端接器的电阻器与电缆的特征阻抗相匹配）

WTB 在一给定时间内只由一个单一的总线主控制。

在列车组成发生改变或节点出现故障时总线主权可以转移

一个节点可同时成为总线主和从节点，虽然总线主只有一个，但多个节点可成为总线主，这样为总线主丢失时提供了冗余。

2.4.2 WTB的介质

WTB介质为规定型号的双绞线屏蔽线，为连接各个车辆，它需要有较高的机械稳定性。

它所规定的电缆允许速度为1.0Mb/s，长度为860m，这相当于UIC标准的22个车辆组成的列车，每个车辆长26M再虑到弯曲增加50%。这种电缆最多可挂32个节点，因为，每个车辆中可有一个以上的节点。

2.4.3 WTB的介质连接装置

WTB的介质连接装置用于将网关设备连接到WTB上。

WTB的介质连接装置有两个收发器，，用于前后两个方向。收发器与线路电气上用变压器隔离。收发器与曼彻斯特编码/译码器相连。

每个收发器连在一个能发送和接收帧的通道上，或是主通道，或是辅助通道。两个通道可以相同。

2.4.4 WTB报文

总线主发送一个主帧建立一个源从设备与一个或几个目标从设备间的通信，被选定的从设备用一个从帧响应。主帧和从帧都采用广播方式被所有节点接收。

从设备总是以与它接收的主帧相同类型的帧来回答。 WTB帧的数据采用曼彻斯特信号的反相定义：“1”用位元中间的正跳变表示；“0”用位元中间的负跳变表示。所有的帧编码相同，遵守HDLC（ISO/IEC3309）标准。WTB的报文类型和MVB类似。

2.4.5 WTB介质访问

总线主节点负责介质访问，所有其他从节点只有当总线主对其轮询时才响应。

在正常运行时，总线主循环工作，它把总线活动分成基本周期，每个基本周期由周期相和偶发相组成，如图2.10所示。

为保证确定和及时分发过程数据，总线主在预定的间隔（它的特征周期）内轮询每个节点的周期性数据;在两个周期相间的固定时间内总线组轮询节点的偶发性数据：消息数据及监视数据。

2.5 实时协议

2.5.1 列车通信网络服务

实时协议（RTP）为一个应用与另一个应用在列车通信网络上通信提供协议和服务。这

两个应用可以位于不同车辆上、在同一个车辆内或在同一个设备内。

实时协议可用于多功能车辆总线、绞线式列车总线或有相同基本服务的其他总线的通信。 （1）周期性通信和偶发性通信

周期性数据在一个基本周期的周期相内周期性地发送。特征周期可以是基本周期的若干倍；周期相在每个基本周期中占有固定的部分，在周期相中总线主按预定顺序轮询各设备以获取周期性数据，这种通信称为周期性通信。

偶发性数据是在两个周期相的间隔中按需要传送的数据，这种通信称为偶发性通信。 （2）被发送的数据

列车总线或车辆总线传送三种类型的数据：过程数据、消息数据和监视数据。 (3)变量和消息

2.5.2 变量服务

1、过程变量

实时协议为时间紧迫的数据或过程变量在列车通信网络上传送提供变量服务。变量服务依赖总线对所有设备广播源寻址数据的能力。

过程变量表示物理过程的状态，传送其的目的是为了监视、控制和命令。 2、过程控制协议

包括流量控制、差错恢复、刷新管理、同步、WTB与MVB的总线差异 3、数据集

WTB上数据集格式在初运行后可以改变；在MVB上，数据集格式在组态是固定。 4、过程变量的入网 5、应用变量接口

应用接口是应用程序访问列车通信网络的唯一通路，该通路简化了不同类型设备的应用端口。为访问变量服务的那部分接口称为应用变量接口AVI。

2.5.3 消息服务

列车通信网络为两层体系，第一层是连接各车辆的列车总线，第二层是连接同一车辆内各设备的车辆总线。

1、消息的链路层：包含消息链路层协议、消息数据格式。 2、消息网络层：包含列车总线寻址、系统观点。

3、消息的传送层：传送层从生产者传送一个完整的消息到消费者，传送层把长的消息分段成包的序列，传送协议保证丢失的包可以重新传送，生产者发送包的速率与消费者的消费的速率适配。

4、消息的会话层：用成对的两次呼叫为应用提供远程呼叫（呼叫/应答）协议。一个远程呼叫由两相组成：呼叫相和应答相。

5.、消息的表示层：没有协议，典型的变换是遵守数据传送的标准格式。 6、消息的应用层：提供一个应用消息接口（AMI），让用户程序可通过网络来发送和接

收消息。AMI提供呼叫/应答服务，以及初始化、缓冲区管理和多播服务。

2.6 LonWorks总线概括

LonWorks ( Local Operating Network) 现场总线技术， 于1990 年正式公布而形成的。它采用了ISO/OSI 模型的全部七层通讯协议， 被誉为通用控制网络， 采用了面向对象的设计方法， 通过网络变量把网络通讯设计简化为参数设置， 其通信速率为300bps~1.5Mbps， 支持双绞线、同轴电缆、光纤、射频、红外线、电力线等多种通信介质。其各层作用和所提供的服务如图2.11所示。

图2.11 LonWorks 网络各层作用和所提供的服务

LonWorks 技术所采用的LonTalk 协议被封装在Neuron 神经元芯片中， 该集成芯片中有3 个8 位CPU，其中一个用于完成开放互联模型中第1 和第2 层的功能， 称为网络控制处理器， 实现介质访问的控制与处理； 第二个用于完成第3~6 层功能， 称为网络处理器，进行网络变量的寻址、处理、背景判断、路径选择、软件计时、网络管理， 并负责网络通讯控制、收发数据包等。第三个是应用处理器， 执行操作系统服务与用户代码， 芯片中还具有存储信息缓冲区， 以实现CPU 之间的信息传递， 并作为网络缓冲区和应用缓冲区[2]。由于第三个CPU 直接处理用户应用， 因此它无需扩展PC机、微控制器或其它可编程控制器， 应用极为方便。该协议包含一个称为LNS 的网络操作系统管理平台， 可为LonWorks 控制网络提供全面的管理和服务， 同时Lon-Works 控制网络又可通过各种连接设备接入IP 数据网，与信息技术应用实现无缝结合。

2.7 LonWorks通信网络拓扑结构

LonWorks 是一开放的控制网络平台技术， 还具有公平性和对等性的特点， 网络中的每个设备都可以独立接收、传送和处理网络信息， 与其它设备无关。它使用改进的CSMA 介质访问协议—带预测P 坚持CSMA 载波侦听/多路数据检测技术。能够使所有的节点根据网路积

压参数等待随机时间访问介质， 因此可减少网络的频繁碰撞。但是仍不能保证网络数据传输的实时性和可预测性。

LonWorks 可以有域、子网和节点3 层结构， 每个域可以最多255 个子网， 每个子网可以有127 个节点。数据交换可以使用网络变量和显示报文两种方式。使用网络变量进行点对点或一点对多点的数据传送。一个节点输出的网络变量更新， 所有与之相连的输入网络变量随之更新； 输入网络变量也可以通过垂询方式获得更新的网络变量值。网络变量的互联需通过网络管理工具完成。显示报文可以弥补网络变量在长度、个数和发送目的地址受限方面的不足， 它通过请求/响应机制来实现，其拓扑结构如图2.12。

图2.12 LonWorks网络拓扑结构。

2.8 LonWorks通信网络协议

1 协议定义:LonWorks技术所使用的通信协议称为LonTalk协议。LonTalk协议遵循开放系统互联（OSI）模型，即LonTalk协议提供了OSI参考模型定义的全部七层服务。LonTalk协议是一个分层的以数据包为基础的对等的通信协议。LonTalk协议固化在每一个LonWorks设备的神经元芯片中或片外存储器。LonTalk协议由各种允许网络上不同设备彼此间智能通信的底层协议组成。

2 Lontalk协议的体系结构

1 物理层：支持多种传输介质，如双绞线、电力线、同轴电缆、光纤、无线电和红外线等。每种传输介质都有对应的收发器作为节点与传输介质之间的通信接口。不同的收发器采用不同的数据编码和解码方案。 每一种传输介质称为一种信道，一个LonWorks网络由一个或多个信道组成，信道之间通过路由器连接。信道的数据传输速率与传输介质、传输距离、收发器的性能和数据包的长度等因素有关，主要依赖于所使用的传输介质和收发器的设计。对于同一种传输介质，可以设计多种传输速率的收发器，从而在通信距离、通信速率、节点能耗和成本上取得平衡。

2 数据链路层：LonTalk协议的链路层提供介质访问控制、帧传输、数据编码、CRC错误校验、冲突避免、冲突检测与优先级等机制。LonTalk使用类似以太网所用的“载波监听多路访问”（CSMA）算法；LonTalk协议建立在CSMA基础上，运用预测性P-Persistent CSMA协议算法，使得可以根据预测网络业务量发送优先级报文和动态调整时间槽数目。

3 网络层：LonTalk协议的网络层主要功能为网络管理和路由。其网络管理包括：网络地址分配、路由选择、流量控制、网络服务和网络证实等服务。

? 命名、寻址

名字是用来唯一标明某个对象的。当创建一个对象时名字即被赋予，且终身不变。Neuron芯片的名字是一个48b的ID码，它是唯一的且在Neuron芯片的生命期内不会改变。地址是在

一类对象类中唯一标识一个或一组对象的标识符。与名字不同的是，地址在创建之后被赋予且可以更改。

A.域地址：域是一个或多个通道上节点的逻辑组合。只有在一个域中的节点才能相互通信。LonTalk协议虽然不支持两个域之间的通信，但可通过应用程序实现两个域间的数据报文的传送。域标识使用域标识符，域标识符可以配置为0B、1B、3B或6B。

B.子网地址：子网是同一个域中最多127个节点的逻辑集合。每个域最多可以有255个子网。一个子网中的所有节点都必须位于同一个网段上，子网不能跨越智能路由器。

C.节点地址：一个子网中的每一个节点都被赋予一个唯一的节点号，其长度为7b。这样，一个子网有127个节点，一个域可容纳32 385个节点。

D.组地址：组是一个域中节点的逻辑集合。不同于子网，分组中的节点对其物理位置无任何限制。一个节点可以同属于15个分组。组可以由长度为1B的组号来标识，一个域最多可定义256个组。

E.Neuron ID：Neuron芯片的48b ID码可以用作地址。该地址由网络管理工具在节点安装时使用，称为域/ Neuron ID编址方式。

F.编址方式：节点使用的编址方式有五种，即域、域/子网、域/子网/节点、域/组、域/子网/ Neuron ID，不同编址方式的源地址和目标地址所需要的字节数也不同。

G.寻址方式：LonTalk协议提供的寻址方式有三种，即单点寻址、多点寻址和广播寻址。单点寻址即是将数据报文传递到某个节点；多点寻址是指在对节点编组后，将数据报文传送到某组节点中；广播寻址则是将数据报文传送到某个子网或某个域。

? 路由器

路由器是LonWorks技术的一个非常重要的组成部分，其主要作用是连接不同传输介质的LonWorks网络，实现多种介质的混合组网。路由器有四种，即中继器、网桥、学习路由器和配置路由器。此处将简要介绍学习路由器和配置路由器。这两种路由器都是智能路由器，它们可以提高整个系统的容量和可靠性。

A.学习路由器：学习路由器可以用来监视网络的通信量、学习域/子网的网络拓扑关系，然后用其所学知识有选择性地确定数据包的路由。但是，学习路由器不能学习组拓扑，因而不能传递使用组地址的数据包。

B.配置路由器：配置路由器也是借助内部的路由表在通道间有选择地路由消息包。与学习路由器不同的是，其内部的路由表是由网络管理器建立的。网络管理器通过建立子网地址及组地址的路由表来优化网络的通信能力，使网络的通信量达到最佳。

4 传输层

LonTalk协议的传输层管理报文的执行和报文的二次检测，负责点对点及点对多点的可靠传送，提供信息证实服务等。传输层有五个定时器用于辅助实现其服务。这五个定时器是：事务定时器、重复定时器、组接收定时器、非组接收定时器和等待空闲缓存器定时器。这些定时器的值均由网络管理工具自动计算并配置。LonTalk协议提供了四种基本报文服务，即应答服务、请求/响应服务、非应答重发服务和非应答服务。报文服务是由Neuron芯片内的NET自动完成的，不需人工干预。

? 确认服务或请求/应答服务 要求对方进行确认或应答，是可靠性的信息传输方式。如果在规定时时间里没有收到应答报文，发送节点会重发这条报文，若重发次数超过规定次数，则传输失败，并通告相关进程进行处理。

?无确认重复服务 为了保证对方能正确收到发送的信息，不需要对方进行确认或应答，采用多次向对方发送的方式进行信息传输，重发次数可事先设定。这种服务的可靠性比确认服务或请求/应答服务差些，但费用有时会较少。

?无确认服务 该种服务方式的可靠性要低于前两种，只向对方发送一次，并且不需要确

认或应答。可靠性虽然低，但传输效率很高。通常用于需要较高传输性能、网络带宽有限及对报文丢失不敏感的场合。

?优先服务 通过预先设定的优先级，按报文的优先级进行传输。利用此种服务可以发送紧急报文，以实现对紧急事件的实时处理。为了保证紧急报文的实时传输，这种服务必须预留一定的通信带宽。

5 会话层：为会话用户提供服务和活动管理，主要是提供请求/响应机制，即通过节点的连接来进行远程数据服务，使用该机制可以遥控实现远端节点的过程建立。此外还提供Lontalk协议最具特色的认证功能，防止非法访问和操作，同时也是在节点安装和配置时通过设置一个48bit密钥来确定的。

6 表示层：定义了报文数据的编码，包括网络变量报文编码和显示报文编码。其中，网络变量（NV）Lontalk协议中最为重要的概念，称为“隐式报文”，是传输互操作功能信息的主要方式之一。而显示报文可用于传输应用程序定的任意数据。

7 应用层：主要定义了标准网络变量类（SNVT）和一个主要用于传输应用程序间数据流的文件传输协议。

第三章 访问控制方式

为解决几个设备同时发起通信而出现的争用传输介质的现象，需采用某种介质访问控制方式，协调各设备访问介质的顺序。

通讯中对介质的访问可以是随机的，即网络各节点可在任何时刻随机地访问介质，也可以是受控的，即采用一定的算法调整各节点访问介质的顺序和时间。在随机访问方式中，常用的争用总线技术为载波监听多路访问/冲突检测（CSMA/CD）。在控制访问方式中则常用主从式。令牌总线、令牌环（或称之为标记总线，标记环）、多路存取等方式。

3.1 载波监听多路访问/冲突检测（CSMA/CD）

适合总线形拓扑结构。

采用这种控制方式时，网络上任何节点都没有预定的发送时间。节点的发送是随机的。若同一时刻有多个节点同时向传输线路发送信号，则这些信号会在传输线上相互混淆而遭破坏，称为“冲突”。为尽量避免由于竞争引起的冲突，每个节点在发送信息之前，都要监听传输线上是否有信息在发送，这就是“载波监听”。

载波监听（CSMA）的控制方案是先听再讲。一个节点要发送，首先需监听总线，以决定介质上是否存在正在发送信号的其他节点。如果介质是空闲的，则可以发送；如果介质是忙的，则等待一定间隔后重试。当监听总线状态后，可以采用以下三种坚持退避算法：

第一种为不坚持CSMA。假如介质是空闲的，则发送；假如介质是忙的，则等待一段随机时间，重复第一步。

第二种为1-坚持CSMA。假如介质是空闲的，则发送；假如介质是忙的，继续监听，直到介质空闲，立即发送；假如冲突发生，则等待一段随机时间，重复第一步。

第三种为P-坚持CSMA。假如介质是空闲的，则以P的概率发送，或以（1-P）的概率延迟一个时间单位后重复处理，该时间单位等于最大的传输延迟；假如介质是忙的，继续监听，直到介质空闲，重复第一步。

由于传输线上不可避免地存在传输延迟，有可能多个节点同时监听到线上空闲，并开始发送，从而导致冲突。故每个节点发送信息之后，还要继续监听线路，判定是否有其他节点正

与本节点同时向传输介质发送。一旦发现，便中止当前发送，这就是“冲突检测”。

CSMA/CD已广泛应用于计算机局域网中。每个站点在发送报文帧的同时还有检测冲突的能力，即所谓边讲边听。一旦检测到冲突，就立即停止发送，并向总线上发一串阻塞（Jam）信号，通知总线上个站点冲突已发生，使信道不致传送已损坏的帧。工作流程图如3.1所示。

图3.1 CSMA/CD工作流程图

3.2 令牌（标记）访问控制方式

令牌访问原理可用于环形结构，构成令牌环网络，也可用于总线网，构成令牌总线网

络。

（1）令牌环（Token-Ring）方式

令牌环是环形结构局域网采用的一种控制方式。令牌在网络环路上不断地传送，只有拥有此令牌的站点，才有权向环路上发送报文，而其他站点仅允许接受报文。一个站点在发送完毕后，便将令牌交给网上下一个站点，下一个站点如果没有报文发送，便把令牌顺次传给它的下一个站点。因此，表示发送权的令牌在环型信道上不断循环。环路上每个站点都可获得发送报文的机会，而任何时刻只会有一个站点利用环路发送报文，因而在环路上保证不会发生访问冲突令牌环的工作原理。如图3.2所示。

节点A截获令牌，并 节点A将数据发送到 数据循环一周后，节点 产生新的令牌，

准备发送数据 节点C A将其收回 发送到环路中

图3.2 令牌环的工作原理

（2）令牌传递总线（Token-Passing Bus）方式

这种方式和CSMA/CD方式一样，采用总线形拓扑，但不同的是在网上各节点按一定顺序形成一个逻辑环。每个节点在逻辑环中均有一个指定的逻辑位置，末站的后站就是始站，即首尾相连。总线上各站的物理地址与其逻辑位置无关。结构如图3.2.1和3.2.2所示。各站点连接顺序如图3.3所示。

图3.2.1 令牌总线结构示意图

图3.2 .2令牌总线结构示意图 图3.3 令牌总线网上站点连接顺序图

第四章

CRH2动车组网络控制系统

4.1 CRH2动车组概述

这款车型是以日本新干线的E2系1000番台为基础，也是继台湾高铁的700T

型后，第二款自日本出口的新干线列车。供中国使用的CRH2型均使用与E2系相同的牵引电动机，另外，所有CRH2型的座椅均可以回转。

CRH2A型

第一批CRH2型电动车组为数60列（编号CRH2-001A ~ CRH2060A），编组方式是4节动车配4节拖车（4M4T），每4节为一个单元，速度级别属A型（标称时速200公里），最高营运时速为250公里，用于经改造的既有路线上。

CRH2B型

除2A及2C型外，四方又设计出16节长大编组的CRH2B型电动车组，（编号CRH2-111B ~ CRH2-120B），级别属B型（标称时速200公里），最高营运时速为250公里。

CRH2C型

第二批CRH2型电动车组编号由CRH2-061C开始，是以CRH2A型设计作为基础上进行修改，改动包括把动车数量增至6节（6M2T），使用DSA350型高速受电弓，以及在电弓两旁加装挡板等。列车速度级别属C型（标称时速300公里），最高营运时速为

350公里，会用于新建的高速客运专线上。

CRH2E型

除2A、2B及2C型外，四方又设计出16节长大编组的CRH2E型卧铺电力动车组，列车编号由CRH2-121E开始，级别属E型（标称时速200公里），最高营运时速为250公里。

4.2 CRH2网络控制系统概述

CRH2型动车组网络控制系统是采用三菱公司基于A N S I / A T A - 8 7 8 . 1(ARCNET)协议开发的TIS系统，该网络控制系统通过贯穿列车的总线来传输信息，并且对列车运行状况及车载设备动作的相关信息进行集中管理，不仅有效地实现了对列车的控制，同时实现了对司机和乘务员的辅助作用，加强了对设备状态的监控与维护保养，提高了对乘客的服务质量。

4.2.1 系统组成及功能简介

图1为CRH2型200 km/h动车组列车网络控制系统构成简要示意图。系统主要由列车信息中央装置（简称中央装置）、列车信息终端装置（简称终端装置）、监控显示器、显示控制装置、I C卡读写装置、乘客信息显示器及车厢内各对象设备等组成。CRH2型200 km/h动车组网络控制系统具有传输控制指令、实时监视状态数据（故障信息、状态信息）、收集跟踪数据（故障前后设备内的运行记录）三大类功能。主要功能具体如下：①牵引、制动指令的传输；②设备的控制、复位指令的传输；③显示灯、蜂鸣器控制指令的传输；④司乘人员支持功能；⑤服务设备控制功能；⑥数据记录功能；⑦车上试验功能；⑧自我诊断线备份功能；⑨远程控制功能；⑩自我诊断功能； 页面显示功能。引入高可靠性的列车网络控制系统可实现对动车组的控制及动车组的状态实时监控，使动车组控制的可靠性和智能化得到极大提高。列车网络控制系统对各子系统设备的状态实时监视和管理，使司机对动车组的运行状态实时掌控、操作及故障处理变得更为简洁。

4.2.2 网络拓扑结构

CRH2型动车组列车网络控制系统采用2层网络结构，上层网络为连接各编组车辆的列车级通信网络，下层为连接车辆内固定设备的车辆通信网络。上层网络以列车运行控制计算机为核心，连接各中央装置和终端装置，采用双重环网结构。下层网络用于各车厢，是面向控制的一种连接车载设备的数据通信系统。

1 列车级网络

①列车级网络结构列车级网络由中央装置、终端装置构成，其组成结构如图4.2所示。

图4.2 列车级网络结构框架

② 列车级网络总线列车级网络采用的总线有2种类型。其一为光纤环网，连接所有中央装置与终端装置，采用ANSI/ATA-878.1(ARCNET)协议；其二是作为光纤环网的备用总线自我诊断传输线（屏蔽双绞线），以总线方式连接中央装置与终端装置，采用HDLC作为数据交换协议。光纤环网故障时，控制指令可以使用自我诊断传输线完成控制传送部间的传送。传输线路具体传输有2种。

2种传输线路的具体传输方式和技术参数如下： 1）光纤环网光节点之间的传输

① 通过光纤双重环路结构传输；② 固定长度的循 环传输方式（传输控制指令）；③ 令牌传递方式（传输监控信息）；④ 传输周期10 ms 标准；⑤ 适用光纤 GI50/

125；⑥ 传输速度2.5 Mbps。 2）自我诊断线的传输

① 通过多站总线结构进行单向传输(控制发送部→控制接收部) ；② 固定长度的循环传输方式；③ 传输周期10 ms 标准；④ 符号化基带方式24VP-P(120Ω平衡电路)；⑤ HDLC方式38.4 kbps；⑥ 由Dual-CPU方式进行安全确保式传输。

2 车辆级网络

① 车辆级网络结构

车辆级网络用于连接车辆内各对象设备，其组成结构如图4.3所示。

图4.3 车辆级网络结构框架 车辆级网络设备配置情况如表1所示。

② 车辆级网络总线

车辆级网络指中央装置/终端装置与车厢内设备之间信息交换的通道。中央装置/终端装置与各车载设备之间采用点对点通信方式，主变流器、制动控制单元与终端装置采用光纤连接，其他设备与中央装置、终端装置采用电流环方式连接。各对象设备传输方式有以下几种。

1）光节点与设备（主变流器、制动控制装置）之间的传输。 ① 通过光纤进行点对点连接的2线式半双工传输； ② 轮询选择方式；③ 传输周期10 ms 标准；④ 适用光纤 H-PCF200/230；⑤ HDLC方式192 kbps。

2）设备(乘客信息显示器、空调显示设定器、自动

广播装置、辅助电源装置、LKJ2000装置)—监视器部之 间的传输。

① 点对点连接的4线式双向传输；② 轮询选择方式；③ 20 mA 电流环路方式24 V ；④ 起止同步方式 9 600 bps。

3）侧面目的显示器（仅接收信号）—监视器部之间的传输。

① 通过点对点连接的2线式单向传输 ；② 20 mA电流环路方式24 V；③ 起止同步方式9 600 bps。

4）距离检测装置（仅发送信号）—监视器部之间的传输。

① 通过点对点连接的2线式单向传输 ；② 30 mA电流环路方式24 V；③ HDLC方式9 600 bps。

5）收音机广播装置(仅接收信号)—监视器部之间的传输。

① 通过点对点连接的2线式单向传输；② 30 mA电流环路方式24 V ；③ HDLC方式4 800 bps。

4.2.3 系统可靠性与冗余性

中央装置及终端装置间通过光纤双重环路及自我诊断传输线连接，控制指令通过光纤双重环路及自我诊断传输线传输。为提高控制指令传输的可靠性，控制指令传输系统具有以下结构上的特征：

①双重环路结构；②中央装置内的控制传送部的双重化；③与监视功能相分离的双重CPU方式的控制传送部；④能够独立支持的备份传输线。为保证控制指令传输的即时性，控制指令的传送周期（从接到司机台指令的控制传送部向中央节点发送信息的周期）为10 ms，控制指令到各控制装置、制动装置的到达时间在50 ms以内。控制指令的传输具有多重冗余性，并有故障导向安全和备份作用。其特点有：

①车辆信息传送系的传送路径切换。

列车网络传输的信息主要包括控制指令、设备状态数据和故障诊断数据三大信息。对控制指令等要求有应答的重要数据同时向网络环路的2个方向发送信息，以便即时避开故障点。对于监控信息等其他的数据采用单方向传输，如果发信源的光传输节点没有检测到应答，则向另一方向的传输回路发送信息。具体见图4.4 。

②主变流器、制动控制装置间的切换。在装置侧进行异常检测，故障时切换到控制传送部传来的备份用并列指令。具体见图4 .4。

③中央装置内控制传送部的切换。控制传送部1系、2系通过双CPU进行自我故障诊断，1系故障时使用来自2系的数据（异常检测在50 ms以内）。具体见图4.4。

④自我诊断传输线。

通过自我诊断传输线（双绞屏蔽线）进行常时监视功能。双重光纤环网故障时，控制指令可以使用这条传输线而不经过光传送系统完成控制传送部间的传送（最终备份手段）。具体见图4.4。在实际运行中，该系统偶有因光纤接头松动导致的局部通信异常情况，由于该网络系统具有多级冗余性，局部通信不良情况基本不影响动车组的正常运营。

图4.4 传送框图

4.3 LonWorks在列车通信网络上的应用

可以用作列车通信网络的还有现场总线的产品。现场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一，被誉为自动化领域的计算机局域网。五十年代检测控制仪器|仪表处于发展的初级阶段，信号仅在本仪表内起作用。后来出现了气动、电动系列的单元组合式仪表，出现了集中控制室。后来人们寻求用数字信号取代模拟信号，出现了直接数字控制。随着计算机技术的发展，出现了数字调节器、可编程控制器（PLC）以及有多个计算机构成的集中、分散相结合的集散控制系统，也就是今天被许多企业采用的DCS系统。由于在DCS系统形成的过程中，受计算机系统早期存在的系统封闭这一缺陷的影响，各厂家的产品自成体系，彼此不能互连，难以实现互操作，组成更大范围信息共享的网络系统存在很多困难。

新型现场总线控制系统突破了DCS系统中通信由专用网络的封闭系统带来的缺陷，

把基于封闭、专用的解决方案变成基于公开化、标准化的解决方案，即可以把来自不同厂商而遵守同一协议的自动化设备，通过现场总线连成系统，实现综合自动化的各种功能；同时把DCS集中与分散相结合的集散系统结构，变成全分布式机构，把控制功能下放到现场，依靠现场智能设备实现基本控制功能。

PROFIBUS、基金会现场总线（FF）、CAN和LonWorks是目前几种有影响的现场总线技术。LonWorks是美国Echelon公司开发的工业现场总线，与其它工业现场总线相比，它的温度范围宽，其网络芯片即神经元协议控制器和总线收发器的工作温度为-40℃～85℃；支持双绞线、电力线、无线电、红外线、光纤等多种介质和支持总线型、环型、自由拓扑型多种拓扑；传输信号采用差分曼彻斯特编码；是现有各种现场总线中唯一提供了OSI参考模型中所定义的全部7层服务的网络，它有配套的节点、路由器或网关开发、网络调试、安装设备，可以在较高层次上实施网络工程。LonWorks用在铁道车辆上已有先例；今年7月19日，LonWorks互操作协会运输任务组开会讨论了铁路运输业的第一个LonMark功能框架（LonMarkFunctionalProfile）草案。

九十年代初在美国出现的LonWorks工业控制网络，这些年来迅速在各个领域推广普及开来，铁路运输领域也不例外。加拿大Bombardier和日本川崎等公司已将LonWorks用作列车通信网络，用在他们生产的地铁车辆上。

今年IEEE制定的列车通信标准IEEE1473-1999包含了TCN和LonWorks，即

1473-T(TCN)和1473-L(LonWorks)，而且有些公司已在生产连接这两个协议的网关。我国列车总线采用LonWorks现场总线的方案，首先在昆明—石林车组上进行三点的通信试验，现已成功地用于新曙光号二动九拖的内燃动车组上。列车总线为双绞屏蔽线，通信速率78Kbit/s。双层全空调新曙光号快速列车可载客1140人，首尾两节都是动车，中间9节为拖车，蓝白相间的车身分为两层。它的时速超过199公里。现在每天在上海、南京、杭州间运行。

鉴于时间仓促，LonWorks电路板还来不及做各种试验，虽然目前在新曙光号快速列车的使用尚未出现问题。另外，当列车上网络节点再多时，LonWorks通信的实时性问题尚待研究；列车的重组也有待试验。

新曙光号2动9拖内燃动车组。从1999年10月开始使用LonWorks技术，已无故障运行40余万公里。

总之，LonWorks在新曙光号快速列车的成功应用，是LonWorks技术在我国铁路领域的首次尝试。要发挥LonWorks技术的长处，还有很多工作要做。希望在今后的工作中，能同各位同人共磋技艺，并得到Echelon公司和威通公司进一步的支持。

4.4 TCN在列车通信网络上的应用

TCN 是专为轨道交通车辆开发的网络，具有通信速率高、实时性好等特点。TCN

网络配置做得较完整，在我国的应用比较多，但由于TCN 的实用化产品主要由几大欧洲公司所垄断，所以不仅价格昂贵，而且很难获取开发中必需的资料及信息，加之我国的列车主要采用固定编组方式，因此将工业控制领域成功的网络控制系统引入铁路系统并且国产化已是目前国内列车网络发展的一个趋势。

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