城市軌道交通列車通信網(wǎng)絡系統(tǒng)故障分析

徐 磊 殷培強 李文正 尹龍龍

(中車青島四方車輛研究所有限公司電子事業(yè)部，266031，青島//第一作者，工程師)

在現(xiàn)代城市軌道交通列車運行控制過程中,列車通信網(wǎng)絡發(fā)揮著不可替代的作用，不但負責信息傳輸，而且還要執(zhí)行某些重要的控制邏輯，因此，列車通信網(wǎng)絡通信質量的穩(wěn)定性至關重要。本文結合現(xiàn)場普遍發(fā)生的列車通信網(wǎng)絡故障，進行深入分析，找到問題發(fā)生的根源，進而提出整改建議。

1 列車通信網(wǎng)絡系統(tǒng)的多功能車輛總線

目前，國內城市軌道交通列車多采用MVB(多功能車輛總線)作為列車線及車輛線的通信介質。MVB是IEC 61375標準中定義的一種總線形式，主要用于列車內各子系統(tǒng)設備的互聯(lián)。由于國內城市軌道交通列車多采用固定編組方式，基本不存在重聯(lián)運營的工況，因此MVB總線既用作列車總線，也用作車輛總線。

所有子系統(tǒng)的控制器均通過其自身的MVB-EMD(EMD為用于中距離傳輸?shù)碾娊橘|)通信接口接入到MVB網(wǎng)絡。其中，關鍵子系統(tǒng)如牽引控制系統(tǒng)、輔助電源控制系統(tǒng)、制動控制系統(tǒng)、信號系統(tǒng)、車門系統(tǒng)等均具有硬線接口，以便在網(wǎng)絡控制系統(tǒng)故障時，進行緊急牽引操作。

列車總線和車輛總線采用A、B路冗余傳輸，以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴VB總線的傳輸速率為1.5 Mbit/s, 可以傳輸過程數(shù)據(jù)、消息數(shù)據(jù)和監(jiān)視數(shù)據(jù)。

在列車司機室控制臺上安裝有HMI(人機界面)。HMI通過MVB獲取列車及設備信息，實時顯示車輛參數(shù)、系統(tǒng)運行狀態(tài)，并實時提示車輛故障信息。通過HMI可以進行時間、列車號、輪徑等參數(shù)的設置。HMI還可以實時顯示列車網(wǎng)絡的通信狀態(tài)，在顯示屏的通信狀態(tài)界面上，紅色表示通信異常。

在列車司機室安裝有RPT(中繼器)。RPT是滿足IEC 61375標準的0類設備，是冗余管理的MVB-EMD中繼設備，其主要作用是進行信號的放大和中繼傳輸。相對于以往常用的“串型”拓撲結構，目前所采用的“T型”拓撲結構能夠在一定程度上隔離通信故障，提高網(wǎng)絡通信質量。RPT前面板上會設置指示燈，用于表征通信狀態(tài)及故障。

在現(xiàn)場實際使用過程中，一般通過HMI和RPT來指示和定位故障。

2 列車通信網(wǎng)絡系統(tǒng)故障分析及解決方案

2.1 故障描述

造成列車通信網(wǎng)絡故障的原因多種多樣。從表面上來看，故障主要表現(xiàn)為整個網(wǎng)絡通信不穩(wěn)定、多個設備頻繁離線，或者某一個設備離線。對于第一種故障情況，故障原因往往較為復雜，這里不做詳述，本文將重點針對第二種故障情況進行研究和分析，結合現(xiàn)場實際發(fā)生的故障深入探究。

在某項目調試過程中，緊挨著RPT的設備D3頻繁離線，硬件更換之后，故障仍然存在。通過排查MVB線路及連接器，沒有發(fā)現(xiàn)明顯異常，每段線路阻抗均為(1±10%)×120 Ω，符合IEC 61375標準要求。故障線路拓撲示意如圖1所示，總線主BA和離線的從設備D3分別位于中繼器RPT的兩側。

圖1 故障線路拓撲示意圖

借助專用差分信號采集探頭，將示波器接入線路，通過協(xié)議分析儀配合端口觸發(fā)進行波形抓取。發(fā)現(xiàn)設備D3的端口0x350在進入RPT之前回復從幀正常，但是經(jīng)過RPT之后，從幀消失。為了排除RPT自身原因，更換RPT后再進行試驗，故障依舊存在。

測試波形如圖2所示。綠色波形為測試點在RPT左側網(wǎng)段的波形，橙色波形為測試點在RPT右側網(wǎng)段的波形，黑色圓圈(①)中的數(shù)據(jù)幀為主設備BA發(fā)送的進入RPT之前的0x350端口的主幀，黃色圓圈(②)中的數(shù)據(jù)幀為經(jīng)過RPT處理之后的0x350端口的主幀，綠色圓圈(③)中的數(shù)據(jù)幀為從設備D3回復的0x350端口的從幀。正常情況下，在紅色圓圈(④)位置，應該會出現(xiàn)經(jīng)過RPT處理之后的0x350端口的從幀，而此時并沒有出現(xiàn)。

圖2 現(xiàn)場通信故障測試波形

從整個線路的通信狀態(tài)來看，RPT對其他所有設備的端口數(shù)據(jù)轉發(fā)均正常。將測試波形進行局部放大，如圖3所示。從圖3中波形可以看出，主從幀之間的線路空閑時間約為1.76 μs，線路出現(xiàn)了比較明顯的干擾，噪聲幅值超過600 mV，這明顯超出標準規(guī)定(按照IEC 61375標準，EMD數(shù)據(jù)幀尾振鈴幅值要在300 ns內衰減到100 mV以下)。

圖3 現(xiàn)場通信故障測試波形局部放大圖

2.2 故障原因分析

為了判斷是否是因為線路干擾嚴重導致RPT無法正常轉發(fā)0x350端口的從幀，筆者在實驗室環(huán)境下進行了對比測試，測試波形如圖4所示。由圖4波形可見，幾乎不存在噪聲。在實驗室環(huán)境下，RPT確實能夠正常對0x350端口從幀進行轉發(fā)。在列車通信網(wǎng)絡系統(tǒng)中，造成線路噪聲的原因多種多樣，比如整車電磁環(huán)境、MVB連接器壓接工藝處理、線路中各設備通信板卡的MVB一致性參數(shù)等。在如此復雜的環(huán)境下，任何一個環(huán)節(jié)沒有處理好或者幾種情況發(fā)生了耦合，都有可能出現(xiàn)上述的線路噪聲。而如果想要徹底濾除線路噪聲，從筆者的項目經(jīng)驗來看，在工程應用中幾乎不可能實現(xiàn)。至于如何降低MVB通信線路噪聲，在此不做詳述。

圖4 試驗室模擬測試波形

通過前文描述可以發(fā)現(xiàn)，問題的關鍵點在于主從幀之間這段時間，一個與之相關的參數(shù)是源設備延時(t_source)，該參數(shù)是表征源設備性能的重要參數(shù)。簡單來說，該參數(shù)是指某個源設備從收到主幀到響應從幀之間這段時間延時，理論上來說，響應時間越短說明該設備性能處理速度越快。IEC 61375-3-1—2012中的6.2.3節(jié)對該參數(shù)進行了詳細描述，并且詳細說明了從幀響應的t_source時間需介于2.0 μs和6.0 μs之間，推薦值為4 μs。但是仔細研究之后發(fā)現(xiàn)，標準對于這段時間的起止點并沒有太明確的定義。從對從幀響應時間的要求可以看出，該時間起點為主幀校驗序列之后，終點為從幀起始分解符之前，包含3部分，分別是主幀終止位時間(T_ED)、線路空閑時間(T_LI)以及從幀起始位時間(T_SB)。其中，t_source=T_ED+T_LI+T_SB。

標準中關于終止位的描述詳見IEC 61375-3-1-2012中的5.1.6章節(jié)和標準中該章節(jié)的圖32所示，T_ED約為2 BT(按照IEC 61375標準定義，2 BT≈667 ns)，即1.33 μs。

標準中關于從幀起始位的描述詳見IEC 61375-3-1-2012中的5.1.5章節(jié)和標準中該章節(jié)的圖31所示，T_SB約為1 BT(按照IEC 61375標準定義，1 BT=667 ns)，即0.667 μs。

將T_ED、T_SB數(shù)值帶入上述t_source計算公式可得出T_LI的范圍約為0到4 μs之間，即0

從標準定義可以看出，t_source只是針對能夠響應從幀的源設備的要求，但是RPT并不在此范圍內。標準中關于RPT的性能要求描述詳見IEC 61375-3-1-2012中的5.3.1章節(jié)。其中，與本文所描述問題相關的標準中的第一條，從字面上理解為，RPT能夠識別數(shù)據(jù)幀的初始方向并能保持穩(wěn)定時間T_ST=2.0 μs，即RPT在從A側向B側轉發(fā)數(shù)據(jù)幀結束后的2.0 μs時間內將無法轉發(fā)B側發(fā)來的數(shù)據(jù)幀。這正是本文中描述的列車通信故障所處的工況：主設備BA與從設備D3分別位于RPT的A、B兩側，中繼器從A側接受了主幀轉發(fā)到B側，然后又將B側發(fā)來的從幀轉發(fā)到A側。

筆者認為，該參數(shù)的定義初衷受當時硬件性能的限制，隨著硬件性能參數(shù)的提升，該時間也在縮短。本文中提到的RPT的該時間參數(shù)為1.5 μs，因此在試驗室環(huán)境測試時工作正常。

經(jīng)過上述分析，發(fā)現(xiàn)IEC 61375標準中存在矛盾之處，如果T_LI小于T_ST(如果RPT與源設備距離較近，可忽略線路延時)，將導致RPT在某些特定工況下無法正常轉發(fā)數(shù)據(jù)幀，而T_LI由t_source決定。通過簡單計算可得知，t_source應大于4 μs，那么其取值范圍將變?yōu)? μs

再回到本文描述的這種列車網(wǎng)絡通信故障，由圖3可以看出，線路噪聲在主幀結束后約0.7 μs后才降低到了200 mv以下，因此，對于RPT來說T_LI時間只剩下不到1 μs，遠小于T_ST時間。至此，本文所描述的這種特定工況下的列車網(wǎng)絡通信故障的原因已經(jīng)找到。

2.3 解決方案

前文的分析中，詳細描述了這種列車網(wǎng)絡通信故障產(chǎn)生的原因，既有線路通信質量的原因，又有源設備與RPT配合的原因。根據(jù)筆者的項目經(jīng)驗，給出針對這種故障的解決方案。

(1)優(yōu)化整車電磁環(huán)境，減少對MVB通信線路的干擾。

(2)規(guī)范MVB連接器制作工藝，特別注意電纜屏蔽處理。

(3)在前期的MVB一致性測試中，增加對于t_source試驗項點，了解網(wǎng)絡中所有控制器通信板卡的t_source參數(shù)，盡量將該參數(shù)修改至4 μs

(4)提高RPT接收器的不靈敏度。根據(jù)筆者的項目經(jīng)驗，提高到350 mV以上能夠濾除多數(shù)干擾。

3 結語

城市軌道交通列車通信網(wǎng)絡系統(tǒng)是一個復雜的集成系統(tǒng)，影響該系統(tǒng)工作的因素很多，可能發(fā)生的故障也多種多樣。本文介紹了現(xiàn)場調試過程中遇到的一種典型故障，分析了故障原因，提出了相應的解決方案。在現(xiàn)場的故障處理過程中，應充分利用協(xié)議分析儀和示波器等儀器設備，深入分析故障的根本原因，只有這樣才能最終解決問題。

另外，IEC 61375標準已經(jīng)頒布多年，各廠家生產(chǎn)出了各類通信板卡，在城市軌道交通及高鐵列車中廣泛應用，然而，在實際工程應用過程中，仍然存在參數(shù)匹配問題，需要繼續(xù)深入研究。