地鐵車輛TCMS系統網絡離線故障原因分析

摘要：文章介紹了西安地鐵三號線列車監控系統基本原理和網絡拓撲結構介紹，通過對設備離線故障判斷機理分析，推斷出子設備離線的原因無法正常接收生命信號，結合運營過程中發生的典型故障，闡述導致設備離線的原因及現場檢查方法，并提出了幾種網絡通訊質量的檢測方法。

關鍵詞：列車監控系統；設備離線；典型故障；網絡通訊質量；地鐵車輛 文獻標識碼：A

中圖分類號：U279 文章編號：1009-2374（2017）10-0131-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.10.065

列車監控系統（TCMS）具有對列車牽引系統、制動系統和列車各主要設備進行監視、控制及故障診斷的功能，實現這些功能的前提就是TCMS具有完整可靠的網絡拓撲結構，通過MVB（多功能車輛總線）的傳輸實現數據的交互。西安地鐵三號線電客車自試運行以來，發生了多起車輛設備離線故障，對正線行車工作造成了極大的影響。

1 列車監控系統介紹

1.1 列車監控系統原理

西安地鐵3號線TCMS系統用于監視車載牽引系統、制動系統和列車內各主要設備的狀態，實現車輛的管理、監視和診斷功能。列車總線和車輛總線均采用多功能車輛總線MVB進行數據傳輸，電氣接口為電氣中距離EMD介質，雙通道冗余。TCMS系統主要包括中央控制單元CCU，實現了車輛的MVB總線管理與列車運行控制功能；中繼器RPT將TCMS分為列車總線與車輛總線；RIOM用于實現TCMS與車輛硬線及與車載信號系統數據的交互；HMI用來顯示車輛及子系統的狀態及提供人機交互的接口。列車事件記錄儀ERM實現對列車主要設備的運行狀態和故障進行自動信息采集并記錄，并可通過便攜式測試單元PTU將數據讀出和打印。

1.2 列車監控系統網絡拓撲結構介紹

西安地鐵3號線列車管理系統系統（TCMS）按照IEC61375標準規定的列車通信網絡組建。TCMS系統使用了兩級總線：其中4個中繼器之間使用了列車總線，為MVB列車網絡，EMD介質；每個中繼器下面有一個車輛總線MVB網絡，同樣為EMD介質。全車使用了4個中繼器RPT，其中Tc車與Mp車共用一個RPT，這樣Tc車與Mp車的MVB設備在同一個總線網段上；M車上的所有MVB設備單獨在一個總線網段上。主控單元CCU1/2分別位于Tc1/2車，兩個CCU都是MVB總線主設備，運行中互為熱備。列車總線和車輛總線均使用MVB EMD電纜，采用總線連接器作為MVB連接器，A/B路分別進行傳輸。

TCMS系統與車輛各設備間采用硬線連接或網絡通信，其中多數電氣控制設備與TCMS系統間采用硬線連接，連接接口為DI、DO、AX等，具有MVB接口的子系統，如HVAC、PIS、EDCU、VVVF等與TCMS之間直接通過MVB網絡相連。出于車輛運行安全考慮，司控器的信號同時通過列車硬線分別傳輸到VVVF、BCU，這樣在網絡故障時，在降級模式下可以通過硬線控制車輛運行，將影響正常運行的故障降到最低。

2 離線故障判斷機理

從TCMS系統離線故障的判斷機理為通過相互連續應答機制進行判斷。拿CCU與BCU來舉例說明，系統上電后CCU給BCU持續不斷地發送一個累加的生命信號值，從0累加到65535循環；同理，BCU也在持續不斷地給CCU發送此信號。如果CCU在一段時間內未能收到來自BCU的該信號則判斷BCU離線，BCU亦然。

CCU與其他總線設備的離線判斷機制同理。目前CCU判斷子設備離線的時間周期統一為3s。各子設備判斷CCU離線的時間周期不盡相同，例如BCU判斷CCU的離線標準為10個刷新周期，接口協議中所確定的刷新周期為64ms，故10個刷新周期為0.64s。即CCU如果連續3s沒有收到來自BCU的生命信號則判斷CCU離線并在TCMS屏幕上彈出“BCU離線”故障；BCU連續0.64s沒有收到來自CCU的生命信號則報“MVB總線錯誤”故障。

3 離線故障成因

離線故障成因為宿設備在約定的刷新周期內不能收到源設備的生命信號導致。其成因如下：

3.1 設備本身故障

設備本身故障，導致無法發送和接收生命信號真實離線。

3.2 網絡傳輸錯誤

此類故障可歸類為物理層傳輸故障，如由于網絡信號傳輸質量不良如信號中斷、信號反射、噪音干擾、信號失真、信號衰減、線路串擾、阻抗不匹配等原因導致的數據不能正常發送。

3.3 各設備間未能按照接口協議正確發送生命信號

此類故障可歸類為數據鏈路層故障，各設備未能按照既定的接口協議和約定發送符合正確編碼格式的數據包，各設備不能對數據包正確解析，從而導致該故障。

4 典型離線故障舉例

4.1 TCU離線故障

故障現象簡述：8月20日15∶22報0309車在桃花潭站下行5車HB狀態顯示時有時無，15∶30在辛家廟下行6車TCMS報EDCU離線。

故障處理簡述：對列車通訊總線進行校核，發現5車1門處MVB列車總線連接器插頭接線虛接，導致列車部分子設備通訊中斷。重新壓接5車1門處MVB列車總線連接器插頭接線后列車通訊狀態正常。總線斷點位于MVB第4網段。此次故障的成因非常明確，即MVB網絡通訊總線物理斷開導致，重新恢復連接故障消除。

4.2 “MVB總線錯誤”故障

故障現象簡述：8月27日0305車北池頭上行出站車輛屏顯示6車“MVB總線錯誤”。

故障處理簡述：“MVB總線錯誤”故障成因為BCU連續10個刷新周期未檢測到CCU的生命信號，BCU會報出此故障。查看BCU數據記錄，BCU認為來自CCU的生命信號有中斷的情況；查看CCU的數據記錄，由CCU發送至BCU和來自BCU的生命信號均正常。

先采用排除法將6車網關閥與1車網關閥進行對調。故障并未轉移，初步排除網關閥本身的故障。而后對列車MVB總線上各個插頭和接線進行排查，檢查各線纜接線情況并進行緊固后，查看總線刷新時間及總線冗余情況均恢復到正常狀態，故障消除，由此分析問題還是由于總線通訊質量差導致的。

4.3 ROM離線

前期0321車在庫內多次發生4、5、6車ROM離線故障，對全車的相關ROM及RPT等網絡硬件設備均進行了更換，故障并未消除。對全車MVB總線上所有的總線連接器、各接插件的接線情況進行逐一檢查，發現總線連接器存在電纜扭曲、擠壓現象，致使電纜局部阻抗變化，影響整個傳輸線路的阻抗不連續，從而使信號衰減，造成ROM離線問題。

5 離線故障成因分析及當前排查故障的手段

前述三例故障除0309車有非常明確的故障點，成因為網絡傳輸錯誤中的傳輸中斷導致，其余兩例均排除了這種可能。當前排查網絡通訊故障的手段比較單一，僅僅只能依靠萬用表對網絡總線的通斷和阻抗匹配阻值是否正確進行測量，僅能判斷網絡配線是否中斷，對于諸如信號反射、噪音干擾、信號失真、信號衰減、線路串擾等情況無對應的測試方法和技術手段，僅靠萬用表無法對網絡傳輸的性能進行定性定量的分析。針對此情況與國內幾家主機廠及網絡設備制造商均有過交流和探討，總結大致通過以下五種方法進行網絡通訊質量的檢測：

5.1 FLUKE DTX1800型測試儀

該型號測試儀為FLUKE公司針對以太網網絡通訊質量測試開發的一套測試設備，并不是原生針對MVB網絡線纜質量而進行測試的設備，后續FLUKE公司對該測試設備的軟件進行升級加入了MVB網絡測試的相關子項，如串擾、阻抗是否連續等，但并未原生提供針對MVB網絡適用的DB9型適配器。對采用總線連接器型式的MVB總線線纜測試支持不佳，測試標準嚴苛，誤判率較高，故該儀器不能對整個MVB網絡布線進行定性的測試，通常作為排查故障的輔助手段。

5.2 示波器

通過對網絡MVB總線的波形進行檢測，查看波形是否達到預期的要求，通過波形本身來判斷通訊質量的優劣。目前現場針對該測試缺乏技術支持。

5.3 MVB信號發生器

在網絡一端通過不斷發送按照協議編碼好的數據，另外一端進行接收，通過發送和接收到的數據對比來驗證丟包率有多高。

5.4 反射儀

反射現象為當線路中存在阻抗不匹配時，從源端口發送的信號就會返回源端口，從而造成信號傳輸不良。反射儀用來找尋MVB總線中存在的反射點。

5.5 MVB協議分析儀

MVB協議分析儀用來對MVB網絡傳輸的數據包進行捕獲、截取，對數據流進行解析。每個項目的接口定義、端口配置不盡相同，故需要對MVB分析儀進行二次開發，加入適合測試項目的測試規則，才能對總線傳輸數據對應進行解析。

通過上述一種或幾種測試手段的綜合使用可以有效地對網絡物理層和數據鏈路層存在的問題進行分析，找到問題的成因而后進行對應的整改。

6 結語

TCMS系統由于網絡信號傳輸質量不良導致的數據不能正常發送，造成設備離線問題會導致安全相關信號傳輸丟失等問題，影響列車的正常運行。西安地鐵三號項目首次使用大連電機牽引研究所提供的列車控制及監控系統，通過對典型設備離線問題的梳理整改，提高了現場對問題的判斷和故障排查能力，通過對監控軟件的不斷更新，完善了TCMS系統的監控設計，確保列車運營安全可靠。

參考文獻

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[3] 王磊，何正友.高速列車通信網絡技術特點及其應用[J].城市軌道交通研究，2008，（2）.

作者簡介：侯向陽（1986-），男，甘肅渭源人，西安市地下鐵道有限責任公司運營分公司助理工程師，研究方向：城市軌道交通車輛維修。

（責任編輯：王 波）