LonWorks在列车通信网络上的应用

发展列车通信网络的意义

当今人类正进入网络社会，计算机网络的迅猛发展正在改变着人们的工作和生活。对铁路运输而言也不例外。近年来，我国开发或正准备开发的电动车组、高速车、城市轨道车，如雨后春笋。这些新的铁路机车车辆都需要装上列车通信网络产品，以实现整个列车的正常运行。列车通信网络将整个列车连成一个整体，司机对整个列车的控制命令通过列车通信网络送到列车的各个车厢上，列车的各个车厢工作状态通过列车通信网络送到司机显示台上，让整个列车有效而安全的工作。因此如果没有相应的列车通信网络产品装到这些新的铁路机车车辆上去，这些新的铁路机车车辆就不能很好投入使用。所以一些工厂为了尽早抢占市场，纷纷从国外进口有网络功能的控制系统，如出口伊朗的TM1车、唐山厂研制的内燃动车组和四方厂研制的液力传动动车组，分别从ADtranz瑞士分公司、德国西门子公司和日本新泻公司进口了相应的产品，以解燃眉之急。

列车通信网络国外发展情况简介

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。随着控制、服务对象的增多，人们把铁道系统依次划分为六个层次：公司管理、铁路运营、列车控制、机车车辆控制、传动控制和过程驱动，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推向国际标准，逐步形成了列车通信与控制系统的标准化、模块化的硬件系列和全方位的开发、调试、维护、管理软件工具。 

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。

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。[page]
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。

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（LonMark Functional Profile）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。