上海工程技术大学城市轨道交通列车网络控制技术

列车网络控制技术第一章绪论主讲老师：郑树彬上海工程技术大学城市轨道交通学院城市轨道交通列车网络控制技术列车网络控制技术一、网络控制系统概述1.1基本概念广义上，被称为基于网络的控制系统，是一种完全网络化、分布化的控制系统，通过网络构成闭环的反馈控制系统。狭义上，是以网络为基础，实现传感器、控制器和执行器等系统各部件之间的信息交换，从而实现资源共享、远程检测与控制。列车网络控制技术一、网络控制系统概述1.1产生和发展（1）集中控制（模拟控制系统）-需求：远距离传输（2）直接数字控制，计算机集中控制，不可靠；（3）集散控制系统（DCS）-“集中管理，分散控制”①结构为多级主从关系，设备通信系统必须通过主机进行，系统容易崩溃；②现场仪表大多采用模拟信号，可靠性差;③标准不统一；（4）现场总线控制系统（FCS），公开化、标准化，全分布式结构①现场总线标准种类过多，难以整合；②本质安全、数据传输、可靠性存在一定瓶颈；列车网络控制技术一、网络控制系统概述1.1产生和发展（5）工业以太网控制系统（FCS），全开放、全数字、标准化，实时性，安全性，环境适用性。列车网络控制技术一、网络控制系统概述1.3控制网络和信息网络的区别信息网络：指已在办公和通信等领域广为采用的、由包括PC在内的各种计算机及网络连接构成的系统。特点：（1）瞬间数据量大，支持各种数据；（2）发生频率较低；（3）实时性没有苛刻的限制；控制网络：控制系统向开放化、智能化与网络化发展所形成的一种特殊网络，直接面向生产过程和控制过程，肩负这工业一线测量与控制信息传输的特殊任务。要求实时性与确定性、高可靠性与安全性、恶劣环境适应性、总线供电与本质安全等特殊要求。列车网络控制技术一、网络控制系统概述1.3控制网络和信息网络的区别控制网络和信息网络的区别主要体现在：（1）短帧信息，交换频繁；（2）周期（测量与控制）与非周期信息（如报警）同时存在；（3）实时性强；（4）方向性强；（5）顺序性好；（6）环境适应性强；（7）广播通信方式，（信息网络：点对点）（8）需解决一致性和互操作性问题（信息网络：互联互通问题）区分信息网络和控制网络的关键因素是看网络是否具有支持实时应用的能力！列车网络控制技术二、列车通信网络的任务与功能（1）实现各动力车的牵引重联控制（2）实现全列车（动车和拖车）所有由计算机控制的部件联网通信和资源共享（3）实现全列车的制动控制、自动门控制、轴温监测及空调控制等功能（4）完成全列车的自检及故障诊断决策将分布于列车上不同位置具有不同功能的控制节点（计算机控制单元）以一定的规则用通信介质连接起来，形成信息通道；在一定的计算机软、硬件的支持下，为连接于其上的节点提供稳定、可靠的通信服务。列车网络控制技术二、国内外列车控制系统的现状与发展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。随着控制、服务对象的增多，人们把铁路系统依次划分为5个层次：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。列车网络控制技术1988年IEC第9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，车上的可编程电子设备能够互换。1992年6月,TC9WG22以委员会草案CD（committeeDraft）的形式向各国发出列车通信网TCN（TrainCommunicationNetwork）的征求意见稿。该稿分成4个部分：第1部分-总体结构，第2部分-实时协议，第3部分-多功能车辆总线MVB，第4部分-绞式列车总线WTB。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试验。1999年6月,TCN标准草案正式成为国际标准，即IEC61735。列车网络控制技术三、列车通信网络的构成、特点及发展趋势列车通信网络是列车总线和车辆总线的二层结构，列车总线连接不同的车辆或动车组单元，贯穿整个列车；车辆总线连接车辆内部的控制单元或诊断单元等智能装置，车辆总线通过网关（或类似的装置）挂接于列车总线上。1、列车通信网络的结构列车网络控制技术(1)实时性；(2)协议简单性；(3)短帧信息传送；(4)信息交换的频繁性、网络负载的稳定性；(5)较高的安全性、容错能力；(6)低成本需要。列车通信网络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。2、对列车通信网的要求列车网络控制技术现代列车控制系统主要是基于网络技术的控制系统，比如Siemens的SIBAS32铁路自动化系统、ADtranz公司(现已被Bombardier公司收购)的MITRACR列车通信和控制系统、Alstom公司的A-GATER控制系统以及日本三菱、东芝公司的TCMS列车控制监视系统。近年来，随着用户对控制网络的开放性、性价比等要求的提高,以及基于网络的远程诊断与维护、旅客信息与舒适性支持等新需求的提出,IECTCN列车通信网络，WorldFIP，LonWorks，CAN，工业以太网以及无线网络等技术都在车载控制系统中找到了它们昀合适的应用场合,控制网络在列车上的应用将呈现出多种技术并存、相互竞争和融合的局面。四、列车网络技术应用现状列车网络控制技术1、局面上由于各种控制网络都有其优缺点,目前还没有一种控制网络能很好地满足铁路用户的所有应用需求。因此,在将来,列车网络技术标准和IEC61158工业现场总线标准一样,将不再是仅包含一种技术的标准,而是多种网络技术的融合。列车控制网络技术今后的发展将呈以下趋：1)相互竞争,多种网络技术并存；2)相容并蓄,多种网络共存于一个系统中；3)异军突起,工业以太网的引入将成为新的热点。五、列车网络发展趋势列车网络控制技术(1)为改善控制性和确保可靠性，在中央装置和各终端装置已分别采用复数的32位CPU代替了早期单一的8位CPU，以安全控制为中心的列车运行监测还要不断提高其可靠性和响应性。(2)进一步发展具有诊断功能的监测装置，其关键技术是信息传输系统（传输通道、传输速度、控制方式等）。由于列车的运行环境使有线和无线传输系统容易受到潜在的电磁干扰影响，如果采用光纤通讯，则可不受电磁干扰。(3)实现标准化和无维修化等。2、技术上列车网络控制技术第二章网络通信基础主讲老师：郑树彬上海工程技术大学城市轨道交通学院城市轨道交通列车网络控制技术列车网络控制技术第一节网络通信基础列车网络控制技术一、通信系统概述1、基本概念(4)信道信道是传输信号的通道，由传输介质及相应的附属信号设备组成。信道可分为逻辑信道和物理信道。一条线路可以是一条信道（一般称为物理信道），但这条线路上可以有多条逻辑信道，如一条光纤可以供上千人通话，就有上千个逻辑信道。通常所讲的信道都是指逻辑信道。根据信道传输的信号不同，将其分为模拟信道和数字信道。(5)带宽数据信号传送时信号的能量或功率的主要部分集中的频率范围称为信号宽带。若通信线路不失真地传送2MHz或10MHz的信号，则该通信线路的带宽为2MHz或10MHz。信道上能够传送信号的最大频率范围称信道的带宽，信道带宽大于信号带宽。(6)总线总线是将信息以一个或多个源部件传送到一个或多个目的部件的一组传输线。通俗的说，就是多个部件间的公共连线，用于在各个部件之间的传输信息。人们常常以MHz来描述总线频率。列车网络控制技术2、通信系统的组成信息源编码调制传输介质解调译码接收者发送设备接收设备噪声干扰将复杂网络间设备通信简化，可以得到以下的简单的单向数字通信模型。列车网络控制技术5（2）发送设备•发送设备的基本功能是将信息源和传输介质匹配起来，即将信息源产生的消息信号经过编码，变换为便于传送的信号形式，送往传输介质。•对于数字通信系统来说，发送设备的编码常常又可分为信道编码与信源编码两部分。信源编码是把连续消息变换为数字信号；而信道编码则是使数字信号与传输介质匹配，提高传输的可靠性或有效性。变换方式是多种多样的，调制是最常见的变换方式之一。•发送设备还要为达到某些特殊要求而进行各种处理，如多路复用、保密处理、纠错编码处理等。列车网络控制技术二、数据编码步骤：（1）采样、（2）量化、（3）编码列车网络控制技术曼彻斯特编码（manchesterEncoding）：这是一种常用的基带信号编码。它具有内在的时钟信息，因而能使网络上的每一个系统保持同步。在曼彻斯特编码中，时间被划分为等间隔的小段，其中每小段代表一个比特。每一小段时间本身又分为两半，前半个时间段所传信号是该时间段传送比特值取反码，后半个时间段传送的是比特值本身。可见在一个时间段内，其中间点总有一次信号电平的变化。因此携带有信号传送的同步信息而不需另外传送同步信号。二、数据编码列车网络控制技术数据编码类型：二、数据编码数字调制解调技术：列车网络控制技术模拟数据编码：模拟数据编码采用模拟信号来表达数据的0，1状态。幅度、频率、相位描述模拟信号的参数，可以通过改变这三个参数，实现模拟数据编码。幅度键控ASK（amplitude-sheftkeying）、频移键控FSK（frequency-sheftkeying）、相移键控PSK中(phase-shiftkeying）是模拟数据编码的三种编码方法。二、数据编码0110010110(a)原始信号（b）键控调幅后信号（c）键控调频后信号（d）键控调相后信号12列车网络控制技术三、信号的传输方式1.串行和并行：按每次传送的数据位数，传输方式可分为：并行传输和串行传输两种。列车网络控制技术2.异步传输和同步传输•在串行通信中，数据是一位一位依次传输的，同步问题尤为重要，因为比特的传送和接收是通过采用定时时钟来完成的。发送方利用它的时钟来决定每个数据位的起始和结束。在接收方时钟被用来确定对信号进行采样取值的位置和间隔时间。三、信号的传输方式列车网络控制技术三、信号的传输方式基带传输：基带传输就是在数字通信的信道上直接传送数据的基带信号，即按数据波的原样进行传输，不包含有任何调制，它是最基本的数据传输方式。特点：信号按位流形式传输，整个系统不用调制解调器，这使得系统价格低廉。它可采用双绞线或同轴电缆作为传输介质，也可采用光缆作为传输介质。与宽带网相比，基带网的传输介质比较便宜，可以达到较高的数据传输速率（一般为1Mbps～10Mbps），但其传输距离一般不超过25km，传输距离越长，质量越低。基带网中线路工作方式只能为半双工方式或单工方式。载波传输：载波传输采用数字信号对载波进行调制后实行传输。最基本的调制方式有上述的幅度键控（ASK）频移键控（FSK）相移键控（PSK）三种。列车网络控制技术三、信号的传输方式宽带网：由于基带网不适于传输语言、图像等信息，随着多媒体技术的发展，计算机网络传输数据、文字、语音、图像等多种信号的任务愈来愈重，于是，提出了宽带传输的要求。宽带网与基带网的主要区别，一是数据传输速率不同，基带网的数据速率范围为0～10Mbps，宽带网可达0～400Mbps；二是宽带网可划分为多条基带信道，提供良好的通信路径。一般宽带局域网可与有线电视系统共建，以节省投资。异步传输模式ATM（asynchronoustransfermode）：ATM是一种新的传输与交换数字信息技术，也是实现高速网络的主要技术。它支持多媒体通信，包括数据、语音和视频信号，按需分配频带，具有低延迟特性，速率可达155Mbpd到2.4Gbps，也有25Mbps和50Mbps的ATM技术，可适用于局域网和广域网。列车网络控制技术四、通信方式列车网络控制技术五、差错控制技术1.差错的产生所谓差错就是在数据通信中，接收端接收到的数据与发送端实际发出的数据