TCN列车通信网络技术现状及发展趋势

引言

　　列车通信网络是用于连接车载设备，实现信息共享、控制功能、监测诊断的数据通信系统。经过近二三十年的发展，列车网络技术已经走向成熟，并成为现代轨道车辆的关键技术之一。目前，在城市轨道车辆、高速动车组上，无不采用列车通信网络技术。当前，列车网络形式并不统一，专门为列车车载设备通信而量身定制的符合IEC61375标准的TCN（Train Communication Networks）列车通信网络与其他多种网络形式相比，更能普遍地适应列车通信的要求。

　　基于TCN的列车网络，20年来取得了很大发展，从最初由两三家大公司主导，到现在得到众多公司和单位的支持。随着现代列车的智能化与信息化程度越来越高，也对列车通信网络提出了更高的要求，原有的技术形式已经在有些方面不能满足需求，必然要走向新发展。本文着重介绍了当今TCN列车网络技术的现状，并对其未来的发展趋势作一些分析、预测。

1　TCN列车网络简介

　　由于世界范围内列车通信网络技术的差异，造成了多种总线技术并存的局面。除TCN标准的列车总线之外，WorldFIP、LonWorks、CAN等其他总线形式也在列车通信网络中有不同程度的运用。上述几种列车网络技术，绝大部分都是在其他领域应用成熟的现场总线技术移植到列车控制系统中来的。它们依据各自的标准，不便进行互联。于是基于制订一种开放式列车通信系统，实现各种轨道车辆相互联挂，车载可编程电子设备统一接口标准而实现互换的构想，TCN列车通信网络标准应运而生。

1.1　TCN列车网络雏形

　　任何技术都不是凭空而生的，TCN列车网络也正是如此。它是由车载微机系统发展而来，在原有的技术基础上加以遴选、改进和标准化而形成的。其主要参考的模型则是Siemens公司的SIBAS系统和Adtranz公司的MICAS系统。以上两种形式车载微机控制系统的发展已从最初的完成简单的单一功能，发展到现在的多功能集成的列车通信网络，为TCN列车网络技术的起步与成型，以及日后成为国际标准，做出了巨大贡献。

1.1.1　SIBAS系统

　　在铁路机车动车控制方面，德国Siemens公司早在1981年就研制出了相应的微机控制系统，并命名为SIBAS16，这个系统的样机首次应用在纽伦堡交通运输管理局地铁车辆上。SIBAS16中的数字代表其采用的是16位微处理器，这个系统由中央机、一个或多个子机以及存储单元构成，各计算机之间采用串行通信来实现数据传送。这种机车控制系统形式新颖，扩展性好，可靠性高，使用安装便捷，大有取代传统控制技术的趋势，成为列车微机控制发展中的发轫之作，影响不可不谓之重大。

　　随着技术的不断革新以及SIBAS16的不断完善，Siemens公司不失时机地推出了基于32位控制器和信号处理器的列车微机控制系统SIBAS32，其在性能上较SIBAS16更具优越性，同时也对原有SIBAS16系统在接口上保持了向下兼容。20世纪90年代，列车通信网络国际标准正在制定当中，Siemens公司着眼于控制系统功能的长远发展，其推出的SIBAS32系统是一种多功能通用计算机系统。系统采用网络通信技术，外围设备已经开始标准化、专用化、智能化，基本上可在保持硬件结构不变的情况下便捷地与任意终端相挂接，构成一个对各种机车车辆移植性很好的控制与监控系统。

1.1.2　MICAS系统

　　MICAS系统的出现是在20世纪80年代。瑞士布朗·勃法瑞公司(BBC)最早研发的MICAS系统是应用于运输部门的微型计算机自动控制系统，能理想地实现机动车与船只等场合的控制功能。针对MICAS应用领域的不同，研发人员相应地开发出了适用于该场合的软件、硬件模块及工具，形成了以MICASS、MICASL和MICASE等不同系列。其中MICASS系统在1985年首次应用于牵引控制技术中，在对过程处理速度和性能要求苛刻的牵引控制系统中很好地实现了控制功能。

　　1988年瑞典的阿西亚公司(ASEA)和瑞士的布朗·勃法瑞公司(BBC)合并而成ABB集团。此后，ABB旗下的Adtranz公司在MICASS牵引控制系统基础上开发出了MICASS2，并于1992年第一次成功运用在瑞士Re460型变流机车上。MICASS2列车控制系统实行分级控制形式，由列车级、车辆级和传动级3级控制组成，各级系统控制单元之间的通信通过列车通信网络实现。列车通信网络采用总线型拓扑结构，分成车辆总线、列车总线两级局域网。车辆总线由同一车辆内的几个控制单元互连构成，采用RS485串行通信标准。列车总线为贯穿各车辆节点互连的通信线路，采用9芯EP电缆或18芯UIC电缆，线路通过两种总线之间的网关实现总线耦合。

　　在MICASS2的基础上Adtranz公司又推出了MITRAC系统，这是更新一代的分布式列车控制与通信系统。MITRAC系统中没有集中的控制柜和机箱，各个控制单元或I/O单元均自成一体，分别封装在一个配备独立电源和标准车辆总线接口的壳体中，并分布于车体内靠近控制对象的各个位置。其良好的电磁兼容性能保证各车辆控制单元工作在环境恶劣的列车中。

　　之后Adtranz公司几易其主，2001年4月，Bombardier公司从Daimler Chrysler手中将其子公司Adtranz收购。Bombardier公司对MITRAC系统继续不断改进，并按照不同客户需求加以系列化，如今该系统有MITRAC500系列、1000系列和3000系列等。

1.2　TCN标准制定

　　《IEC61375电子铁路设备列车总线》是专门为铁路设备的数据通信而制定一项国际标准，即TCN标准，它是IEC（国际电工委员会）第9技术委员会（TC9，牵引电气设备分会)委托由来自20多个世界范围内主要铁路运营部门和制造厂家代表以及UIC(国际铁路联盟)的代表组成第22工作组（WG22），以前有着多年运行经验的Siemens的SIBAS系统和Adtranz的MICAS系统等技术为原型的基础上推出的。自1999年推出以来，在世界范围内得到了推广和应用，成为目前采用最广泛、最有应用前景的一种列车网络形式。

　　1988年，以制定应用于铁道车辆、能使铁道车辆相互联挂的开放性通信系统标准为目的，WG22成立。1992年6月，TC9/WG22制定出委员会草案，并向各国征求列车通信网络TCN草案的意见稿。考虑到列车通信网络的特点，WG22在制订TCN标准时，曾在是制定一套全新的标准，还是对原有方案加以标准化这两种思路之间权衡。最后，其根据列车通信网络的要求，对已有的Profibus、LonWorks、Bitbus、FIP、CAN、Tornad等解决方案进行考量，但由于协议不透明，或实时性、可靠性、确定性不能满足列车通信要求等各方面原因而被逐一否定。经过多年的努力，WG22在Siemens和Adtranz公司原有技术方案的基础上，共同开发出了一套标准，并于1999年成为国际标准，即IEC613751 TCN列车通信网络国际标准。

　　IEC613751标准的内容如表1所列。

　　该标准中规定典型的TCN网络系统的拓扑结构如图1所示。

　　由图可见，IEC列车网络标准中规定系统分成两层总线结构：列车级的绞线式列车总线WTB和车辆级的多功能车辆总线MVB，两者之间协议转换需要通过网关实现。列车总线WTB最突出的特点是具有列车初运行的功能，即在车辆之间的重联通信时，能自动识别并标识各车辆在列车编组中的位置和方向，这对于需要频繁进行编组的列车而言可谓意义非凡。车辆总线MVB则用于实现车辆内的控制单元及控制设备的互联。TCN标准在列车通信的实时性方面规定，网络采用基于总线管理器的主从式介质访问控制，而在可靠性方面则规定，网络采取介质和总线管理器的冗余技术。

IEC613751标准通过后，TC9于2003年成立专门的工作组TAHG(Train Communication Network AD Hoc Group)，致力于研究TCN的改进与发展，并于2007年4月对IEC613751进行了修订，发布了第2版，同时也发布了IEC613752列车通信网络一致性测试标准。此外，工作组还在讨论将CANopen、LonWorks、TEthernet、TIMN等多种总线形式纳入车辆总线的规范当中。

表1　IEC613751标准主要内容

图1　TCN列车网络拓扑图


2　TCN列车网络技术的现状

　　在推出TCN国际标准后，基于TCN标准的产品需求增加，对于TCN产品的研制有了越来越多的单位支持，TCN列车网络在世界范围内也得到了日趋广泛的应用。

2.1　TCN列车网络产品主要供应商

　　目前，TCN标准列车通信网络的推广形成以Siemens、Bombardier等大公司主导，日趋增多的第三方广泛支持的局面。

　　Bombardier、Siemens等公司推出了一系列符合TCN标准的产品，诸如列车网络专用芯片(MVBC01、MVBD、AMED)以及网络实时协议(RTP)软件等。

　　此外，一些第三方公司(如Farsystem、Firema、EKE、Duagon、Unicontrol)等也相继推出了TCN网关和相关网络产品，用户可以选择需要的网络部件来集成、开发符合自己要求的TCN网络控制系统。其他可以提供TCN产品的公司还有：自动控制方面的Holec、Ansaldo、AEG，制动方面的Knorr Electronic、Westinghouse Brakes，门控方面的IFE，采暖通风与空调方面的Hagenuk。另外，一些中小公司也能提供MVB板卡、WTB网关、实时协议文件等。
　　我国作为TCN标准的制定成员国之一，也对该标准大力支持。在研发方面，我国南车、北车集团等单位通过自主研发与技术引进相结合，目前也具有了提供TCN相关产品的能力。铁道科学研究院、西南交通大学、同济大学、北京交通大学等研究单位在TCN方面也进行了广泛研究，取得了一定的成果。

2.2　TCN列车网络产品应用现状

　　TCN网络主要应用在高速动车组、重载列车以及地铁车辆等轨道交通领域，这些场合对产品的互操作性和控制实时性要求一般很高，只有通过可靠、实时的列车网络技术才能达到要求。

　　目前采用TCN方案的国家有德国、法国、英国、瑞士、瑞典、挪威、芬兰、丹麦、印度、澳大利亚、菲律宾、美国、巴西等，包括高速列车、摆式列车、城市轨道车辆。我国列车网络技术采用的形式繁多，但TCN技术应用的比重很大，并且采用TCN标准已经成为趋势，如和谐号动车组CRH1、CRH3、CRH5和CRH380A等车型，各大城市的地铁（如上海轨道交通1、2、4、9、11号线，北京地铁15号线、房山线、昌平线、亦庄线，广州地铁2、3、8号线等）均广泛采用。

2.3　TCN列车网络的研究推广

　　自从TCN国际标准推出以后，得到了越来越广泛的应用。究其原因，离不开TCN网络自身的实时、可靠、安全、开放的优点，能很好地满足列车通信需求。当然，更离不开Siemens、Bombardier等大公司不遗余力的研发和推广，使得支持和应用TCN产品的公司和国家在十几年间有了很大的增长。在TCN标准采纳以后，世界范围内很多研究单位积极地设计了相应的电路、仿真软件和验证工具，极大地推进了TCN技术的发展。

3　TCN列车网络的发展趋势

　　从TCN标准推出到今天，已经十余年了，期间各方面科学技术飞速发展。可以说，尽管TCN标准的推出为解决列车以及车载控制设备之间的相互联挂的问题贡献巨大，但总体看来，TCN网络技术中的核心部分仍基本由若干家大公司所垄断，技术门槛较高也限制了它更大范围的应用。TCN并没有完全满足列车在所有场合的控制需要，在技术与日俱新的今天，它需要新的发展。

　　列车网络技术已经成熟，也是当代轨道车辆必然采用的核心技术之一。随着通信网络技术的应用范围不断扩大，用户对网络的开放性、性价比、开发和应用的多样性及灵活性等方面都提出了更高的要求。由于TCN网络自身也难免存在一些不足，所以不可能完全取代其他形式的控制网络，完全满足铁路用户的所有应用需求。因此，在将来，列车网络技术不可能是TCN的天下，必然是多种网络技术的融合。列车控制网络技术的发展趋势可能会是以TCN为主，在轨道车辆的高速动车组、地铁车辆等高端市场应用；其他各种形式的总线形式作为列车网络的重要补充，在各种适用的场合找到应用的空间。这些通用网络技术在今后一段时间内将和原有TCN网络共同发展，取长补短并相互融合，形成有机的整体。

　　另外，随着列车通信要求的不断提高，TCN自身方面的改进是必要的。如在可靠性方面，目前对列车通信网络的可靠性进行量化的评估在国内外还是鲜见的，对于可靠性要求高的列车网络，全面引入可靠性工程的分析、评价、设计及验证的方法是必要的；在安全性方面，近些年提出了功能安全通信的理念，并在2007年推出了《IEC617843用于工业网络功能安全通信行规》国际标准，随后很多种用于工业控制的总线标准也应用该标准，对自身的协议加以完善，添加了功能安全通信层来保证通信网络的功能完整性等级。那么，列车通信网络对安全性如此强调的总线形式，是否要执行功能安全标准，是非常值得考虑的问题。随着列车服务质量水平和乘客需求的不断提高，列车信息化服务的要求也越来越高，TCN在此方面显然是不能满足的。因此，为乘客提供优质的信息娱乐服务，包括移动电视、移动网络等，也必将是TCN未来的方向。