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第5章 功能组分析

5.1 TCN发展概述

高速列车为保证旅客乘车的安全与舒适，需对机车和车辆的各种设备进行可靠地控制、监测和诊断。随着现场总线技术的发展，这种过程控制已从集中型的直接控制系统发展成为基于网络的分布式控制系统。

现场控制总线出现于上世纪80年代，是一种开放式数字化多点通信的底层控制网络。这种总线技术把单个分散的测量控制设备变成网络节点，以现场总线为纽带，完成现场自动化设备之间的多点数字通信。相互共享信息。它打破了原来孤立的直接控制系统的信息孤岛局面，既是一个分布式控制系统，又是一个开放的通信网络。所以非常适合在列车上应用，既可用于车辆控制，又可传输旅客信息和进行故障诊断。

目前已发展出了很多总线技术，如WorldFIP、LonWorks、CAN总线及Profibus等，它们各有特点，在各个方面发挥着重要的作用。但由于多方面的原因，而未被业界一致接受作为列车通信网的行业标准。

为实现车载数据通信的国际标准化，国际电工技术委员会IEC于1999年通过了一项列车通信网络专用标准TCN（IEC-61375-1）。该标准将列车通信网络分成用于连接各节可动态编组的列车级通信网络WTB（绞接式列车总线）和用于连接车辆内固定设备的车辆通信网络MVB（多功能车辆总线）。

5.1.1 TCN网络

列车通信网络是一种面向控制、连接车载设备的数据通信系统，是分布式列车控制系统的核心，其集列车控制系统、故障检测与诊断系统以及旅客信息服务系统于一体，以车载微机为主要技术手段，并通过网络实现列车各个系统之间的信息交换，最终达到对车载设备的集散式监视、控制和管理目的，实现列车控制系统的智能化、网络化与信息化。

列车通信网络即列车控制、诊断信息数据通信网络，其将列车微机控制系统的各个层次、各个单元之间连接起来，作为系统信息交换和共享的渠道，从而实现全列车环境下的信息交换。列车通信网络是铁路列车车辆之间和车辆内部可编程设备互连传送控制、检测与诊断信息的数据通信网络。它是用于列车这一流动性大、环境恶劣、可靠性要求高、实时性强、与控制系统紧密相关的特殊的计算机网络。

由于TCN是专门为列车通信网络制定的标准，在实时性、可靠性、可管理性、介质访

问控制方法、寻址方式、通信服务种类等方面有着一定的优势。

图5-1

（1）TCN网络结构

TCN分为两层结构，分别是WTB和MVB。

1）连接列车中各车厢的绞接式列车总线（WTB），WTB是一种串行数据通信总线，主要设计用于经常相互联挂和解编的重联车辆，总线能自己组态。

2）连接一个车辆内设备的多功能车辆总线（MVB），MVB是主要用于有互操作性和互换性要求的互联设备之间的串行数据通信总线，总线能快速响应。各段MVB总线在网关的连接下连接到列车的WTB总线。 （2）TCN的组态

列车有三种构成方式：

1）开放式列车：由一组车辆构成的列车，其组成在正常运行中是可以改变的，如UIC列车。

2）闭式列车：由一组车辆组成的列车，在正常运行中其组成不会改变，如地铁、城轨列车或高速列车组。

3）多单元列车：列车由几个闭式列车单元组成，在正常运行中，组成列车的单元数量可以改变。

TCN应用于不同的领域可以使用不同的组态：

1）自动组态的开放式列车，如UIC列车。WTB作为标准的列车总线。它最多支持32个节点，每个车辆可没有或有1个，或有更多的节点。每个节点最多可挂15个车辆总线（MVB）。

2）多单元列车包含多个相连的闭式列车，当这些闭式列车需要经常联挂和解编时，可使用WTB作为标准的列车总线。但如果可能用其它方法组态时，也可以用其它总线如MVB来代替，MVB可以穿越几个车辆。

3）闭式列车上，MVB既能作为列车总线，也可以作为车辆总线。

开式列车 列车总线WTB车辆总线MVBMVBMVB引导车辆总线无车辆总线1路车辆总线2路车辆总线

闭式列车

MVBMVB，另一个XXX1路车辆总线无车辆总线多单元列车 MVBMVBWTBMVB，另一个一个车辆总线图5-2

（3）TCN总线的特点

TCN是IEC专门为列车通信网制定的标准，包括实时通信协议（RTP）、绞接式列车总线（WTB）、多功能车辆总线（MVB），它们作为相对较为独立的部分有各自的体系结构。理论上可以在WTB和MVB上运行非RTP的其它协议，而RTP也可以作为除WTB和MVB外其它总线上的通信协议，但一般作为一个总体考虑。

WTB用于连接编组经常改变的列车中的各基本运转单元，MVB用于连接一个基本运转单元中的车载电子装置。

WTB和MVB总线的特点：

1）WTB、MVB通信速率较高。WTB最多支持32个节点，在运行时可以进行自动配置，较适用于列车级网络；MVB组网方式为预先配置，较适用于固定编组列车的列车级网络和非固定编组列车的车辆级网络。

2）为适应列车结构的要求，列车通信网络一般采用列车级和车辆级2级网络，WTB和MVB组合可以较好地满足这一要求。

3）WTB、MVB采用主从方式下的确定性的介质访问控制。所有设备只能在受控的确定的时间访问介质，这样可以有固定的响应时间，但代价是需要发轮询帧，总线利用率相对较低。在响应时间要求严格的情况下，建议采用WTB、MVB总线。

4）WTB、MVB有两种寻址方式：过程变量采用逻辑地址，一个逻辑地址标识一种固定含义的数据，发送方式是广播的，发送方和接收方使用相同的逻辑地址来标识同一数据。这种寻址被称为源寻址广播，用来实现多个设备之间横向高效的共享数据。消息数据采用设备地址（网络地址），支持成组寻址，设备地址标识的是设备，用来实现上下级关系的点对点纵向通信，如网络管理、旅客信息等。

5）WTB、MVB支持多服务种类的变量和消息服务，可以合理的安排实时和非实时的数据传输。

6）在列车编组自适应能力上，WTB能够以顺序给节点自动编号和让所有的节点识别何处是列车的右侧或左侧的能力。每当列车组改变时（例如联挂或解编），列车总线各节点执行初运行过程，该过程在电气上将各节点连接起来，并给每个节点分配连续地址。这是WTB最显著的特色，其它总线都不具备这个能力。

7）在可靠性方面，具有检错能力。WTB、MVB具备介质冗余能力和主设备冗余能力。 8）在可管理性方面，WTB、MVB都有各自的网络管理能力。

总体来说，TCN（WTB和MVB）作为专门为列车通信网制定的标准，包括实时的变量通信、非实时的消息通信、列车编组的自适应能力、网络的可靠性、网络的可管理性。

表5-1 TCN网络特点

特性 网络结构 绞线式列车总线(WTB) 可变的结构，当组成改变时自动多功能车辆总线(MVB) 固定结构和设备地址 组态 双绞屏蔽线，特征阻抗120Ω传输介质 （860m，32个节点，或22节车辆） 物理冗余 信号编码 信号数据速率 响应时间 地址长度 数据都为8位地址 物理地址 点对点和广播 理地址）都为12位地址 点对点和广播 冗余自动切换 ESD：短距离的双绞线，20m EMD：中距离的双绞屏蔽线，200m OGF： 长距离的光纤，2km 冗余自动切换 有16～32位帧头的曼彻斯特码 有分界符的曼彻斯特码 1.0Mbit／s ≤100ms 过程数据（每节点1个）和消息1.5Mbit／S ≤16m S 过程数据（逻辑地址）和消息数据（物有效的帧长度 完整性 可变的4～132个8位 每帧FCS-16、帧长度检查及曼彻斯特编码，汉明距4 固定为16，32，64，128或256位 IEC 60870校验序列及帧长度检查，汉明距4（光纤介质为8） 由一个总线主 通过令牌传递总线管理器成为总线主 介质分配 由一个总线主 每个节点都可成为总线主、强总主权转移 线主（根据命令）或弱总线主（根据默认） 初运行后，总线主权转移到另一自动的主权转移，由令牌传递进行冗余校验 总线主冗余 节点 链路层服务 过程数据 周期性 源寻址广播数据集 消息数据 偶发性 点对点或广播数据报文 监视数据 偶发性/周期性 总线监视的数据 5.1.2 MVB的通信原理概述 MVB的网络拓扑结构：

一个MVB结构一般包括多个总线段，总线段可由下述三种介质构成：

1）ESD：电气短距离介质是依照RS-485标准和差分传输导线对，在无需要电气隔离的情况下在20m的传输距离内最大可支持到32个设备。

2）EMD：由屏蔽双绞线组成的电气中距离介质。在200m的传输距离内最大可支持32个设备，允许使用变压器作电气隔离。

3）OGF：光纤介质。通过星耦器汇出，传输距离可达2000m，主要用于较为苛刻的环境。

连接各个总线段的设备叫耦合器，耦合器分为可连接不同介质的中继器和可将光纤汇入总线的星耦器。

下图列出了MVB网络拓扑的结构图，ESD段包括一个总线管理器，几个在机箱内或外的设备及一个网关。EMD段包括一个总线管理器和几个其他设备。OGF段上也有几个其他设备。总线段之间通过中继器相互连接。每个总线段都可被重复以提高实用性，又称双线总线段。