城市轨道交通车辆总线对比分析

GXF360 2019-09-21

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0 引言

城市轨道交通车辆总线是列车控制管理系统（Train Control and Management System，TCMS）的物理传输介质，其组网方式、拓扑结构、传输速率、数据传输机制等对TCMS系统的设计具有重要影响。目前主流的车辆总线形式主要包括控制器局域网络(Controller Area Network，CAN) 总线、多功能车辆（Multifunction Vehicle Bus，MVB）总线和工业以太网总线。

经上述分析可知，采用近方波LC-Marx发生器的技术路线，合理设计电路参数，能够在负载上获得良好的阶梯型方波脉冲。更大功率的脉冲发生器需多级叠加，且在实际装置中，期望能够摒弃输出主开关，从而更加体现出所提出的脉冲发生器的优越性,这在短脉冲需求场合中是可以做到的。设计了输出功率达10 GW的方波脉冲的发生器电路结构，如图6所示。

1 CAN总线

1.1 CAN网络设备模型

CAN总线是在20世纪80年代提出的，最初应用在汽车领域，而后逐渐扩展到包括城市轨道交通在内的工业控制领域。CAN总线是一种串行通信协议、多主竞争式的总线，其传输介质可以是双绞线、同轴电缆和光纤等，传输速率根据传输距离的不同而不同，最高可达1 Mb/s。

CAN总线作为车辆总线一般运用在城市轨道交通短编组车辆（如低地板有轨电车车辆）中，传输介质通常采用带屏蔽的双绞线。通常情况下，低地板车辆以长为150～200 m作为CAN总线的最大布线长度，传输速率保证在250 kb/s，能够满足短编组运营车辆TCMS数据的传输需求。

[29]CNN,“The Top Tourist Destinations in 2017”, https://edition./travel/article/top-tourist-destinations-2017/index.html, 2017年11月16日。

CAN总线及其扩展协议对应于ISO/OSI参考模型的网络应用如图1所示。

图1中，CAN设备模型分为3层，即物理层（第1层）、数据链路层（第2层）和应用层（第3层）。物理层定义信号怎样传输、完成电气连接、实现驱动器/接收器的特性。数据链路层的功能主要是传送规则，即控制帧结构、执行仲裁、错误检测、出错标定和故障界定，还有报文滤波、超载通知和恢复管理等。物理层与数据链路层一般由CAN接口器件完全实现。应用层为基于CAN总线扩展的CANopen应用层协议、J1939应用层协议、DeviceNet应用层协议及它们的子协议（DS301、DS4xx等）。

图1 CAN总线及其扩展协议对应于ISO/OSI参考模型的网络设备模型

CAN总线采用多主竞争式结构，具有多主站运行、分散仲裁和广播通信的特点，其基础协议ISO11898和CAN 2.0分别对应物理层和数据链路层。在实际运用中，针对不同的工况，相应的扩展协议（如CANopen、J1939等）对应用层进行了规范化的定义。

（3）有机硅褐煤SHY-2代替SMP-1和SPNH，在准噶尔盆地西北缘环玛湖和腹部区块钻井，钻井液性能基本能满足该地区钻井要求。但与钾钙基聚磺钻井液比较，该体系的稳定性不如钾钙基聚磺钻井液，主要表现为钻井液的热稳定性相对差一些，钻井液的粘切变化快，流变性控制难点大。

1.2 CAN网络拓扑结构

在城市轨道交通车辆总线中，CAN总线一般选择中央控制单元（Vehicle control unit， VCU）作为CAN主节点，其他系统控制器（如车门控制器）作为CAN子节点，通过过程数据对象（PHP Data Object，PDO）和服务数据对象（Service Data Objects，SDO）来传输控制数据和监视数据。

CAN总线作为车辆总线在城市轨道交通车辆中的一般网络拓扑结构如图2所示。图中，车辆为“2动1拖”3节编组，车辆总线采用CAN总线、车门控制单元（RDCU）、牵引控制单元（TCU）、火警控制系统（FAS）等总线节点设备，均通过串行方式接入CAN总线；列车显示屏HMI与车辆中央控制单元（VCU）单独连接。

图2 CAN总线网络拓扑结构

每一个CAN节点设备都有2个CAN接口。从图3中可以看出，城市轨道交通车辆上每个CAN节点设备的2个CAN接口相当于2只手，连接方式看起来像手拉手一样，所以称为“手拉手”式串行连接方式；这2个CAN接口分别为CAN-IN和CAN-OUT。这里的“IN”和“OUT”分别代表物理连接的进和出，而不代表通信数据的进和出。实际上，这2个CAN接口在内部是连通的，这也是目前城市轨道交通车辆总线接口（包括MVB总线）普遍采用的方式。

图3 CAN节点设备的“手拉手”式串行连接方式

2 MVB总线

2.1 MVB网络应用模型

MVB总线是由西门子等公司提出、专门针对城市轨道交通车辆应用的车辆总线，是IEC61375标准中最早纳入的车辆总线。MVB总线同样是一种串行通信协议，属于总线仲裁型网络，主设备与从设备之间采用主帧/从帧的轮询应答方式进行访问；其传输介质可以为屏蔽双绞线和光纤，传输速率为1.5 Mb/s。

MVB总线作为车辆总线广泛运用于城市轨道交通的各类车型中，包括地铁、有轨电车等，其传输介质通常采用带屏蔽的双绞线，在150～200 m的最大布线长度下，可通过中继器级联或并联的方式，保证1.5 Mb/s的数据传输速率，能够满足各种车辆运营工况下TCMS的数据传输需求。

《厕所》里的哥哥莫里有惊恐障碍患者，之前在钢琴比赛的时候发作过一次，在妈妈去世之后更是严重到闭门不出。他在整理妈妈遗物时发现了缝纫机和布料，布料和小时候妈妈穿的长裙一模一样，于是他爱上了缝纫机和穿长裙，之后他竟然也可以穿着长裙弹琴，惊恐障碍症也没有发作。缝纫机是妈妈的遗物，长裙能让他想起了和妈妈在一起的童年时光。弟弟雷，他偏爱机器人模型到着魔，如果公寓着火，他会本能抢救机器人模型，痴迷的原因是因为雷的亲生妈妈去世之后，他哭得很伤心，莫里的妈妈给他买了机器模型，开心地瞬间忘记了亲生妈妈去世的事。

“请大家回到座位，继续我们的演出，”声音再次响起，“现在，舞台上的椅子只剩下十把，没有抢到座位的人，将接受我们的惩罚。”

MVB总线及协议对应于ISO/OSI参考模型的网络设备模型如图4所示。

图4 MVB总线及协议对应于ISO/OSI参考模型的网络设备模型

图4中，MVB设备模型的过程数据通信协议只包含了物理层、链路层和应用层3层，用广播的形式传输周期性的控制命令和控制变量，以实现控制的实时性要求；而消息数据通信协议包含了OSI定义的7层模型，以“点对点”建立连接的形式，实现网络信息管理和故障信息诊断等偶发性数据传输。

MVB总线及协议相对CAN总线规定要更加严苛，这也保证了MVB在城市轨道交通车辆运用中的稳定性，在工业以太网运用尚未发展成熟的情况下，MVB总线是目前城市轨道交通车辆中运用比较广泛、成熟和稳定的车辆总线。

2.2 MVB网络拓扑结构

MVB总线作为城市轨道交通车辆总线，一般选择车辆（中央）控制单元作为MVB总线管理器（Bus Administrator，BA），其他系统控制单元（如车门控制单元）作为MVB子设备，通过过程数据传输数据长度固定的、周期性较强的控制和监视信息，通过消息数据传输长度不定、时间性不强、非周期性的信息，通过监督数据对总线设备进行检测，一般用于网络初运行和网络重构的管理。

MVB总线作为车辆总线在城市轨道交通车辆中的一般拓扑结构如图5所示。图中，车辆为“2动1拖”3节编组，网络采用“主干-分支”结构，通过MVB中继器（图6）将拓扑结构分为2层：列车控制层和车辆控制层。列车控制层通过MVB中继器组成主干网络；车辆控制层将车门控制单元（DCU）、牵引控制单元（TCU）、火警控制系统(FAS)等节点设备，通过串行方式接入MVB总线。列车显示屏（HMI）与中央控制单元（VCU）单独连接到MVB总线。

2018年1-6月，安顺煤矿商品煤销售总量36.26万吨，电煤14.20万吨，市场粉煤12万吨，粒煤为6.73万吨。粉煤平均价格371元/吨，粒煤价格为695元/吨，粒煤平均价格高于粉煤324元。

MVB中继器可将电气中距离MVB总线分成不同的网段，相连接的网段可以相同的速度在同一协议中运行。采用内部并联结构的中继器优点在于：当某单个网段失效时，不会影响整车的网络通信。

道路路面施工的质量控制，必须对其摊铺施工温度做好实时把控，在公路施工前对相应沥青混凝土做加热至施工要求设置，使混凝土活性充分得以体现。注重其温度过低，便会影响沥青压实度和黏结度，引发沥青液情况出现；而温度过高便会引发施工设备部件溶解，严重损害设备质量。

3 工业以太网总线

3.1 工业以太网总线应用模型

由施乐（Xeros）公司提出的工业以太网总线广泛应用于商用领域。工业以太网总线是一种串行通信总线，采用带冲突检测的载波监听多路访问技术（Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection，CSMA/CD），具有兼容性强、传输速率高等特点。其基础协议IEEE 802.3仅定义了物理层和数据链路层，数据链路层又被分为介质访问控制层和逻辑链路控制层，从而决定了工业以太网的数据链路不受介质影响。TCP/IP协议为工业以太网提供了网络层和传输层，而工业以太网协议主要是基于对TCP/IP协议的改进和扩充，包括现场总线（Ethernet/IP)、以太网控制自动化技术（EtherCAT）和基于工业以太网技术的自动化总线标准（ProfiNet）等。

图5 MVB总线网络拓扑结构

图6 MVB中继器

在城市轨道交通行业，工业以太网运用尚未成熟。在2014年，IEC 61375标准中新增了列车用工业以太网的相关章节，对车辆用工业以太网（ETBN）协议进行了定义和规范。

工业以太网总线及协议对应于ISO/OSI参考模型的网络设备模型如图7所示。

图7 工业以太网总线及协议对应于ISO / OSI参考模型的网络设备模型

图7中，应用层负责处理待定的应用程序细节；传输层可以采用TCP协议发送可靠的面向连接的控制数据，也可以采用用户数据报协议（User Datagram Protocol，UDP协议）发送较短的监视数据；网络层可以采用地址解析协议（Address Resolution Protocol，ARP协议）获得目标网际协议（Internet Protocol，IP）设备的介质访问控制（Media Access Control，MAC）地址，或者采用反向地址转换协议（Reverse Address Resolution Protocol，RARP协议）通过设备MAC地址获取其IP地址；数据链路层中的逻辑链路控制层定义了一些字段，使上层协议能共享数据链路层，而介质访问控制层处理CSMA/CD算法、数据出错校验、成帧等；物理层实现最终信号的传输。

3.2 工业以太网拓扑结构

工业以太网总线作为城市轨道交通车辆总线能够灵活地选用总线型、环型、星型网络，可以根据以太网特点、车辆结构和系统特点，设计选取更佳的拓扑结构。例如，星型拓扑结构使用路由器将网络划分为多个子域，分别对应车辆中的各个独立区域，能够有效地减少网络冲突和数据包碰撞，可以进一步利用工业以太网交换技术对网络进行更深层次的细分，从拓扑设计上避免工业以太网本身的冲突和碰撞问题。

对发文作者进行统计分析，可以反映出某一领域研究的核心作者群和作者之间的合作关系。据统计（表1），该领域研究者共469人，发表1篇论文的作者有159人，占作者总数的33.90%。发文量较多的作者有汪传雷7篇，邓胜利6篇，邓小昭5篇，李贵成、吴丹各4篇，高产作者的数量可以根据普赖斯提出的计算公式得出。根据普赖斯定律，M = 0. 749( Nmax ) 1/2，M为论文篇数，Nmax 为发文量最高的作者所发表的论文数量，其中发表网络信息行为相关研究论文最多的是汪传雷，发表论文7篇，代入公式M取整为2，即发表2篇以上的为高产作者，共59人。

在城市轨道交通车辆总线设计中，由于冗余设计可以保证车辆运行的可靠性，因此工业以太网总线的冗余设计目前主要采用路由器的链路聚合技术和Bypass技术。其中，链路聚合技术能够提高网络带宽，Bypass技术能够在单个路由器失效情况下，保证网络上其他设备数据的有效传输。

工业以太网总线作为车辆总线的一般拓扑结构如图8所示。

工业以太网采用CSMA/CD技术，没有主设备和子设备的划分，车辆控制单元作为应用层面上的管理设备，与各系统控制单元平等地处于总线网络的管理下。

图8为2节编组列车，其中车门控制单元、火警控制系统、空调控制单元等子系统，分别接入交换机的不同端口，系统分支子网的组网形式为交换机环形网络。

4 3种车辆总线运用与对比

3种车辆总线在城市轨道交通车辆中的运用与对比如表1所示。

3种车辆总线中，CAN总线成本最低，对子系统设备的可选择性最广；MVB总线在传输速率、实时性、通信一致性等方面与城市轨道交通车辆运用最匹配；工业以太网总线符合目前工业控制网络智能化的趋势，并在带宽、设备节点数量、拓扑设计灵活性、灵活分配地址、多种业务融合传输等方面具有优势。当前TCMS系统的集成设计中，实时性、确定性、冗余性、可靠性是基本要求，灵活编组、减少布线、运维便利、智能化是业务趋势要求。因此目前MVB总线在城市轨道交通车辆中运用最广泛，CAN总线运用稍少一些，而工业以太网总线在实时性、确定性和可靠性方面，仍然需要很大的适用性改进，才能够真正推广使用。

图8 工业以太网网络拓扑结构

表1 3种车辆总线在城市轨道交通车辆中的运用与对比

参数 CAN总线 MVB总线工业以太网总线传输速率/ Mb·s-1 0.25 1.5 10/100/1 000传输距离/ m 200 200 1 000竞争机制非破坏性总线仲裁和多主竞争机制过程数据采用轮询机制，消息数据采用仲裁机制载波监听机制CSMA/CD拓扑结构一进一出“手拉手”形式一进一出“手拉手”形式总线型、环型、星型多种结构灵活采用运用欧洲车辆运用较多，国内主要用于低地板车辆广泛运用于高铁、城市轨道交通中运用较少，且主要以维护网、信息网为主

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