动车组单车调试系统模拟装置的设计与研究.pdf

技术装备DOI:10.20151/ki.1672-7533.2024.02.007动车组单车调试系统模拟装置的设计与研究徐兴涛，栾佳林？（1.中车唐山机车车辆有限公司，河北唐山0 6 30 0 0；2.大连交通大学，辽宁大连116 0 2 1）摘要：在高速动车组的生产和检修过程中，调试工作是保证列车安全运行的重要程序。原有的单车调试系统在使用过程中容易发生数据点类型或者数据端口出错的情况，原有单车调试系统中的端部模拟试验器是用来实现对单车端部信号采集的功能，当出现接线改动的情况会存在改动点未验证等故障，导致单车调试系统存在兼容性差、调试效率低等问题。为提高调试工作效率、提升单车调试系统的通用性和准确性，文章设计一种兼容性强、稳定性高，并能通过模拟司机室的中央控制单元下达可调动整个动车组的控制指令，实现整个动车组各个系统协调工作的单车调试系统模拟装置。关键词：动车组调试；MVB协议；TRDP协议；单片机中图分类号：U22-291引言随着越来越多高速铁路线路的开通，高速动车组的需求量也与日俱增，为确保高速动车组列车交付之后的安全稳定运行，在交付前需要对每列列车进行调试工作。调试工作分为单车调试和整列车辆调试2 个阶段。提高单车调试的调试效率、保证单车调试的调试质量、缩短单车调试的调试周期，是提高整列车辆调试质量和效率的关键因素。第一作者：徐兴涛，男，高级工程师引用格式：徐兴涛，栾佳林.动车组单车调试系统模拟装置的设计与研究.现代城市轨道交通，2 0 2 4(0 2)：43-48.XU Xingtao,LUAN Jialin.Design and research of a simulation device for EMU single-car debugging systemsJ.Modern Urban Transit,2024(02):4348.现代城市轨道交通2/2 0 2 4MODERNURBANTRANSIT43世界各国在新的高速铁路开通运营前，均须对所有相关系统进行测试，且将各系统作为统一完整的整体，使各子系统技术标准匹配、技术接口完整、技术装备合理。最初在单车调试阶段使用的西门子仿真组态（S I M I T）试验台是基于西门子SIBAS-G软件开发平台，利用桌面与车辆总线（MVB）管理器通信原理开发的高速动车组智能调试设备，仅适用于西门子网络平台，该系统存在体积大、接线复杂、功能单一、兼容性差等问题。本文介绍的动车组单车调试系统模拟装置，主机设备和端部调试单元体积小、便携，软件人机界面简洁、操作方便，可提高调试效率、调试质量，降低调试及人力成本，利用该设备进行列车调试不仅可以提高列车的安全性、可靠性，还可提升故障排查效率。2列车通信协议2.1MVB多功能车辆总线我国高速动车组基本采用两级列车通信网络（T C N)，即由列车总线（WTB）网络和MVB网络构成，两者之间通过网关连接。MVB网络可以监控每节车厢中设备的运行情况，通过接收设备信号并向设备发送控制指令，从而检测车厢网络通信情况。在TCN中，MVB网络实现车辆控制，WTB网络实现列车控制。连接在MVB网络上的设备按性能可分为如表1所示的几种类型。技术装备动车组单车调试系统模拟装置的设计与研究表1MVB设备分类性能说明设备状态设备被轮询时发送设备状态过程数据设备被轮询时发送和接收过程数据消息数据设备被轮询时发送和接收消息数据用户可编程用户程序可以下载至此设备中总线管理器设备能够成为总线主TCN网关设备能够访问至少1条另外的总线（MVB或其他）2.2列车实时数据通信协议2015年7 月，国际标准化组织（IEC）推出基于以太网的列车通信网络标准，包括列车骨干以太网（ETB)和编组以太网（ECN)。驱动该标准制定的主要原因是列车通信数据量的激增，传统的MVB网络无法满足大量的数据传输，而以太网通信可以满足大量数据传输的要求，且相比MVB网络有着价格低、数据传输速度快、传输数据量大等优点。本装置使用的列车实时数据协议（TRDP)，是工业以太网标准IEC61375-2-3-2015 Electronic railway equipment-Train communicationnetwork(TCN)-Part 2-3:TCN communication profile 定义的ECN与ETB中的47 层，是专为铁路用途开发的自主协议。TRDP包有一个大的开头，且是字节对齐的格式。通信传输过程中在发送数据包之前，须对其进行格式化。即必须添加各层的报头信息，以保证数据包的格式符合规范。同样，在接收TRDP数据包时，也需要进行相应的解析工作，首先将各层的头部信息去除，然后对数据包进行解分组，由应用层将数据包重新组织成可识别的格式。通信端口用于标识TRDP通信报文，数据集字段用于存储应用协议数据。用户可以在该区域自定义应用协议报文格式。由于不同通信系统的需求不同，应用层的各个子系统通常都封装自已所需的应用协议，即数据集字段中的消息格式是变化的，而不是固定的。在轨道交通中，每条线路通常都配置相应的应用通信协议，即不同线路之间TRDP消息应用协议的格式通常是不同的。3模拟装置硬件设计模拟装置由单车模拟器（SIM和4个端部检测器组成，架构如图1所示。端部模拟器1#端部模拟器3#单车模拟器端部检测器1#CE1-X13X15硬线信号硬线信号端部检测器3#CE2-X13X15CE1-X16CE2-X16SIM端部检测器2#硬线信号硬线信号端部检测器4#TRDP/MVB端部模拟器2#端部模拟器4#单车试验台图1模拟装置示意图44MODERNURBANTRANSIT212024现代城市轨道交通动车组单车调试系统模拟装置的设计与研究技术装备模拟装置主要功能是模拟待测车辆通过MVB或TRDP与单车试验台进行通信，模拟装置内部的端部检测器通过硬线与端部模拟器连接，且适用多种车型，具有智能化、携带方便等优点。该模拟装置用于动车组单车出厂前调试，通过向数据库中添加不同车型文件即可对不同车型进行调试。该装置将人机界面与中央控制单元相结合，系统直接与所连接车辆的网卡通信，上位机调试软件基于Java语言编写，向车辆模块发送控制命令，即在车辆系统继电器中置0 或1来控制其开启或关闭，同时接收来自端部检测器的反馈信号，从而实现车辆各系统的调试。本文介绍的模拟装置是1台高配置的工业笔记本电脑，主要功能有：模拟SIMIT试验台，内部装有MVB模块，可以连接至被调试车辆的网络，实现单车调试功能；当MVB板卡设置为诊断模式时，实现MVB网络设备、过程数据端口的扫描，过程数据的发布和接收等功能；通过无线网卡连接至车间工业以太网，从车间服务器获取订单信息、无纸化工艺文件以及配置信息，并将调试信息及时发送到车间服务器进行记录和存档；扩展端部模拟器进行车端的硬线调试。单车模拟器用于辅助列车调试，装置内具有以太网接口、扩展输入输出（I/O）接口，可模拟列车调试过程必要的I/O控制功能。为方便开发和维护，将模拟装置硬件部分进行模块化，整个装置由不同类型的功能板卡组成，包括中央处理器（CPU）板、数字输人信号（DI)板、数字输出信号（DO）板、电源板等板卡，同时通过扩展I/O芯片，最多可扩展到6 8 路I/O接口，具有良好的可扩展性，可以满足不同类型车辆调试的需求。如图2 所示，STM32单片机是单车模拟器的核心模块，负责控制和采集端部检测器的I/O通道的状态。端部检测器使用CY8C9520A芯片进行接口扩展，提供I/O通道，每个通道既可以作为DI输人，也可以作为DO输出。电源模块负责将电源电压转化成适合模拟装置中各个芯片模块的工作电压。设备还可通过以太网接口或无线通信功能与上位机相连，由上位机实现监控，可广泛应用于需要进行开关量远程监控的场合，如单台车辆的开关量调试、远程设备状态的采集等。单车模拟器作为上位机，需具有便携性，因此将其定制为1台工业笔记本，尺寸约为40 0 mm300mm150mm，与普通笔记本外型类似，包括显示器、键盘、散热风扇等，外壳强度需满足调试现场复杂环境的需求，电源供电为标准2 2 0 VAC（50 H z）。单车模拟器具有以太网、控制器局域网络（CAN)、M V B接口、6 4路DI和DO等接口，为便于接线和测试，接口布设在同一侧。单车模拟器还外置Wi-Fi天线与单车试验台进行无线通信，用于多台控制单元之间的内部组网。4通信功能软件设计单车模拟器通过MVB网卡与单车试验台进行MVB通信，在进行网卡配置时，将单车试验台作为11单车试验台1111DO13MVB板卡Wi-FiSTM32单片机电源模块端部检测器1串行设备RS485通信接口46芯线缆端部模拟器11111图2 单车模拟器硬件结构图现代城市轨道交通2 12 0 2 4MODERNURBANTRANSIT45技术装备动车组单车调试系统模拟装置的设计与研究MVB主设备，具有总线调度管理功能，将单开始厂车模拟器作为MVB从设备。MVB从设备作为1个MVB网络节点，接受主设备的轮询。DI作为源端口，向MVB总线发送数据。DO作为宿端口，接受总线数据对状态的设置。MVB主设备作为带有源宿端口被使用，端口轮询表需要通过特定的配置软件或者参数文件来设置。MVB通信程序流程如图3所示。运行MVB驱动程序时，需通过加载配置文件、启动总线管理器、建立MVB网络通信等过程，从而实现MVB数据传输。数据开始传输后，依次进行XML文件的读取、MVB端口信息加载，端口配置初始化后，MVB网络数据最终存放到缓存区，用户根据API接口读取信息并进行处理。根据MVB通信协议，MVB的逻辑端口分为源端口和宿端口，写模块中通过源端口将消息数据写人到MVB总线，读模块中通过宿端口从MVB总线读取消息数据。TRDP协议同样使用基于VS环境的C语言开发，调试软件将TRDP驱动程序生成dIl文件，使用JNI技术进行调用。在调用TRDP程序前，先使用javah生成调用C语言的.h格式的头文件，以便让调试软件对TRDP本地函数进行调用。将.c程序中的main函数直接改写为本地（native）函数，生成dll文件，可直接调用。因为在调试过程中，对数据的传输要求有很强的实时性，所以将调试软件作为一个功能模块，与列车网络连接，在进行程序设计时，采用Java本地方法接口（JNI）和Java共享内存区域的方式，提高系统的工作效率，并实现数据的共享。通过DirectBuffer类来传递的方式如同在堆上创建了1个Java和JNI层共享的整块内存区域，无论是Java层或者JNI层均可访问这块内存，并且Java端与JNI端同步变化。通过在Java中增加comid数组、comid大小数组、comid状态数组后，就可以在Java中实现基于此信息更改数据的自动发送和接受。5模拟装置功能测试启动单车调试软件，主界面右下角会有MVB或TRDP通信状态的指示灯显示。指示灯黄绿闪烁代表通信正常，红色闪烁则代表通信异常，需要重启软件或者46MODERNURBANTRANSIT212024现代城市轨道交通加载BA、X M L 配置文件初始化BA、加载XML信息建立MVB通信通信数据存放至缓存区Java、A P I接口函数读取数据图3MVB通信程序流程图检查单车模拟器的状态。测试过程中单车模拟器作为MVB网络中的从设备模拟列车信号。单车试验台发送控制指令后，软件界面中的每个点位均可以单独进行控制，各点位在界面中的初始状态为橙色，点击对应的模块后，软件会发送数据到对应的端口，此时界面图标中方框内部颜色变为绿色，表示对应针脚功能已设置为需要调试的对应功能。端部装置发送数据信号给上位机，单车调试软件接收数据信号后对其进行处理，此时调试界面更新显示当前模拟装置连接器的引脚状态，上位机接收到端部的状态信号后显示界面如图4所示。界面中，短接、110 V加电和0 V加电的模块内部为绿色，表示模拟装置引脚功能已设置成功；110 V测量点位蓝色外框表示针脚已设置为测量模式，内部绿色表示电压成功测量到110 V，如果未测量到110 V电压，则内部为红色，根据页面显示，MVB通信正常。6结束语随着高速动车组技术迅速发展，对单车调试工作的技术与设备要求也逐渐提高，本文所介绍的单车调试系11采用C语言开发11采用Java语言开发1动车组单车调试系统模拟装置的设计与研究技术装备1单车模拟验证装置SIM-V0.002功能(E)10设置12 维护项目：T-00057TSD046E9TC01,TCO8D24-T31D24-T32D24-T33D24-T34DGFX-3A口安全环功能测式D车钩前开闭系统口乘客信息系统试验0单车网络口电源模块口横向失稳口火灾报警系统口客室空调试验D咖儿功能口列车无线电系统D列车自动保护ATP口轮纸润滑系统D内部照明式验D内门口水系统口外部照明式验口外门局部门控制口雨刷功能口制动系统口轴温监测式验M02.M07TP03.TPO6MH04你好！管理员当前项目：TSD046E口16注销16退出列号：0002日制动系统_37 2 2【TSD046E_TC01,TC0824-T31,X42,828-F32绿色=制动指令列车线供电空开闭合散砂试验24-T33,X62,572-K01绿色=7 2-K01吸合24-T31,X44,1372-S01绿色=微砂开关FRONT位24-T34,X41,1072-A01绿色=一位侧砂箱砂子高于10 0%砂位车号：00属于：8车CabA数据库版本：TSD046E_V1.00单调列调作人员：请输入工号24-T32,X42,828-F32黑色=制动指令列车线供闭合24-T34,X62,572-K01绿色=7 2-K01吸合24-T31,X45,772-S01绿色=微砂开关ALL位24-T34,X45,1372-A02绿色=二位侧砂箱砂子高砂位打开（）车端信号监控110V加电CE2-X16-28绿色=小于5公里信号短接CE2-X16-34,35绿色=UB环路短接CE2-X15-24,25绿色=乘客环路短接CE2-X15-28,29绿色=EB环路短接CE2-X15-34,35绿色=停放环路短接CE2-X15-38,39绿色=制动缓解环路MVB外部连接MVB本地区110V侧望CE2-X15-1绿色=档位110V侧里CE2-X15-2绿色-档位110V测里CE2-X15-3绿色=档位110V刚里CE2-X15-4绿色=制动110V则里CE2-X15-5绿色=牵引110V则里CE2-X15-6绿色=ATP110V则里CE2-X15-8-图4模模拟装置调试界面统模拟装置是用于动车组生产调试中的一款调试模拟装3陈波国外动力集中动车组网络系统的发展与借鉴置，该装置在单车调试阶段可提前发现网络通信和部件.铁道机车车辆，2 0 19,39(0 1):7-14.故障等问题，主机设备和端部调试单元硬件携带便携，CHEN Bo.Development and reference of the TCMS on软件人机界面简洁、操作方便，不仅可提高调试效率、power centralized EMU abroadJJ.Railway Locomotive调试质量，还可降低人力、调试成本。相比于现有的调and Rolling Stock Journal,2019,39(01):7-14.试装置如SIMIT试验台等，智能化更强、便携性更好、4】杨佳丽.SIMIT试验台在新一代高速动车组中的应用更易于操作、现场线缆数量更少，使得现场调试工作更C/中国智能交通协会.第八届中国智能交通年会论加方便快捷。单车试验台与单车模拟器可通过有线无线文集.北京：电子工业出版社，2 0 13:2 96-2 99.2种方式进行通信，可控制装置输出信号、采集输入信5姚放，穆瑞琦，王童毅，等.TCN网络通信一致性测号、自动分析系统数据，无需调试人员另外进行判断，试自动化实现.铁道机车车辆，2 0 2 1,41(0 4):6 0-6 5.具有良好的应用前景。YAO Fang,MU Ruiqi,WANG Tongyi,et al.Automaticrealization of TCN network communication consistency参考文献testing.Railway Locomotive&Car,2021,41(04):1牛兴荣，潘锋，王利丹，等。高速铁路联调联试领域认60-65.可现状分析研究C中国铁道学会.自主创新装备先6】G B/T 2 8 0 2 9.2-2 0 2 0 轨道交通电子设备列车通信网行，趁势而上开启未来一一轨道交通装备技术高层络(TCN)第2-1部分：绞线式列车总线(WTB)S.2020.论坛论文集.2 0 2 0:44-49.7GB/T28029.3-2020轨道交通电子设备列车通信网2 WU Jianping,LIN Boliang,WANG Jiaxi,et al.A络(TCN)第2-2 部分：绞线式列车总线(WTB)一致性network-based method for the EMU train high-level测试S.2020.maintenance planning problem.Applied Sciences,8GB/T28029.10-2020轨道交通电子设备列车通信网2017,8(1):2.络(TCN)第3-2 部分：多功能车辆总线(MVB)一致性现代城市轨道交通2/2024MODERN URBANTRANSIT47技术装备动车组单车调试系统模拟装置的设计与研究测试S.2020.9GB/T28029.9-2020轨道交通电子设备列车通信网络(TCN)第3-1部分：多功能车辆总线(MVB)S.2020.10刘成瑞，邹颖.基于TCN消息及过程数据实现WTB总线通信的网关程序设计J.铁路计算机应用，2 0 19,28(05):46-49.LIU Chengrui,ZOU Ying.Gateway programming forWTB bus communication based on TCN message andprocess data.Railway Computer Application,2019,28(05):46-49.11GB/T28029.6-2020轨道交通电子设备列车通信网络(TCN)第2-5部分：以太网列车骨干网(ETB)S.2020.12GB/T28029.12-2020轨道交通电子设备列车通信网络(TCN)第3-4部分：以太网编组网(ECN)S.2020.13郑艺，孙可，孙野，等.基于IEC61375-2-3标准的安全数据传输协议设计及测试方法研究.铁路通信信号工程技术,2 0 2 0,17(0 9):33-38.ZHENG Yi,SUN Ke,SUN Ye,et al.Design and testmethod of safe data transmission protocol based onIEC61375-2-3 standardJ.Railway Signalling&Communication,2020,17(09):33-38.14 IEC 61375-2-3-2015 Electronic railway equipment-Train communication network(TCN)-Part 2-3:TCNcommunication profileS.2015.15 YAO.Y.A protocol for metro train controcommunication network based on TRDPC/ECITech2022 The 2022 International Conference on Electrical,Control and Information Technology,Kunming,China,2022:1-5.16缪岱.轨道交通以太网总线TRDP通信实现研究电脑与信息技术,2 0 2 1,2 9(0 2):7 2-7 5.MIAO Dai.Research on TRDP communicationimplementation of ethernet bus in rail transit.Computer&Information Technology,2021,29(02):72-75.17张大林，郝梓腾，王洪伟，等.基于TRDP协议的高速动车组列车通信网络检测平台.高速铁路技术,2 0 2 1,12(02):91-95.ZHANG Dalin,HAO Ziteng,WANG Hongwei,et al.Train communication network detection platform of48MODERNURBANTRANSIT212024现代城市轨道交通high-speed EMU based on TRDP protocolJ.HighSpeed Railway Technology,2021,12(02):91-95.18乐梅，王宁宁，杨婧。城市轨道交通CBTC互联互通网络化运营研究.现代城市轨道交通，2 0 2 2(0 5)：73-80.LE Mei,WANG Ningning,YANG Jing.Researchon urban rail transit networked operation based oninteroperability of CBTCJ.Modern Urban Transit,2022(05):73-80.19蔡世源，刘留，包峰，等.面向下一代城市轨道交通的无线自组织网络关键技术研究.现代城市轨道交通,2 0 2 3(0 3):91-95.CAI Shiyuan,LIU Liu,BAO Feng.Research on keytechnologies of wireless Ad-Hoc networks for nextgeneration urban rail transitJJ.Modern Urban Transit,2023(03):91-95.收稿日期2 0 2 3-0 8-2 9责任编辑安小璟Design and research of a simulation device forEMU single-cardebugging systemsXU Xingtao,LUAN Jialin?(1.CRRC Tangshan Locomotive and Rolling Stock Co.,Ltd.,Tangshan Hebei 063000,China;2.Dalian Jiaotong University,Abstract:In the production and maintenance process of high-speed EMUs,debugging is a crucial step to ensure the safeoperation of trains.The original single-car debugging system issusceptible to faults,particularly in data point types or data portsduring utilization.Additionally,the end simulation tester in thesingle-car debugging system,used for signal acquisition at theend of the car,may encounter issues such as unverified changesin wiring,leading to poor compatibility and low debuggingefficiency.To enhance the debugging efficiency and improve theversatility and accuracy of the single-car debugging system,thisarticle introduces the design of a single-car simulation device.This device exhibits strong compatibility and high stability,enabling control of the entire EMU through the central controlunit of the simulated drivers cab.This facilitates the coordinationof various systems of the whole EMU,addressing the challengesassociated with the original single-car debugging system.Keywords:EMU debugging,MVB protocol,TRDP protocol,singlechip microcomputerDalian Liaoning 116021,China)