自動(dòng)化列車通信網(wǎng)絡(luò)分析儀設(shè)計(jì)

趙建博 ,孫曉東,胡國(guó)強(qiáng)2,王新政,胡雪峰

(1.中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東 青島 266111; 2.北京潤(rùn)科通用技術(shù)有限公司，北京 海淀 100191)

0 引言

現(xiàn)階段軌道車輛中，列車通信網(wǎng)絡(luò)普遍采用TCN(Train Communication Network 列車通信網(wǎng)絡(luò))網(wǎng)絡(luò)通信[1-2]，列車級(jí)網(wǎng)絡(luò)采用WTB(Wire Train Bus絞線式列車總線)通信[3]，車輛級(jí)的通信則大都采用MVB(Multifunction Vehicle Bus多功能車輛總線)[4]。在列車調(diào)試過(guò)程中，需要首先要保證WTB/MVB通信正常，才能進(jìn)行整車功能的調(diào)試。

由于MVB的分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[5]，各組網(wǎng)設(shè)備分布于車輛內(nèi)的不同設(shè)備、不同電氣柜內(nèi)，甚至是不同車輛上，并且不同系統(tǒng)的組網(wǎng)設(shè)備往往來(lái)自于不同的設(shè)備供應(yīng)商，這些都給網(wǎng)絡(luò)調(diào)試及故障定位帶來(lái)一定的難度。MVB采用了源尋址廣播的機(jī)制[6]，組網(wǎng)的各網(wǎng)絡(luò)設(shè)備一般不能獲取總線上的全部數(shù)據(jù)，而且無(wú)法獲取物理層數(shù)據(jù)[7]，這也制約了網(wǎng)絡(luò)調(diào)試過(guò)程中故障的排查定位。

WTB通信應(yīng)用于車輛間的通信，傳輸線路長(zhǎng)，中間連接點(diǎn)多，總線物理波形衰減大，編組后的WTB波形受連接點(diǎn)及衰減影響大，檢測(cè)困難[8]。

目前調(diào)試現(xiàn)場(chǎng)手段單一匱乏，效率較低，此外對(duì)現(xiàn)場(chǎng)人員的專業(yè)技術(shù)水平及調(diào)試經(jīng)驗(yàn)要求較高。另一方面列車調(diào)試現(xiàn)場(chǎng)情況隨機(jī)性大，調(diào)試工序重要且時(shí)間緊迫[9]，因此迫切需要一款自動(dòng)化列車通信網(wǎng)絡(luò)(TCN)分析儀。用來(lái)分析MVB網(wǎng)絡(luò)的通信情況，定位網(wǎng)絡(luò)中可能存在的問(wèn)題，定位故障點(diǎn)；分析WTB網(wǎng)絡(luò)的通信情況、網(wǎng)絡(luò)波形是否滿足列車要求。

自動(dòng)化TCN分析儀通過(guò)采集MVB/WTB總線波形及報(bào)文信息，分析網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量狀態(tài)，結(jié)合列車網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔ⅲㄎ还收峡赡芪恢没蚍秶榱熊嚈z修人員定位故障提供參考信息，提高了列車檢修效率。

1 功能定義與應(yīng)用場(chǎng)景分析

1.1 功能定義

根據(jù)列車網(wǎng)絡(luò)的調(diào)試需求，自動(dòng)化TCN分析儀需要滿足如下功能：

1)MVB網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量測(cè)試評(píng)估，自動(dòng)分析總線上某個(gè)設(shè)備/端口的通信狀態(tài)，自動(dòng)分析MVB網(wǎng)絡(luò)通信狀態(tài)，包括負(fù)載率、誤碼率等。

2)自動(dòng)獲取總線上的設(shè)備/端口配置，并與配置文件對(duì)比，統(tǒng)計(jì)對(duì)應(yīng)通信狀態(tài)；同時(shí)具備一定自學(xué)習(xí)能力，對(duì)功能正常的動(dòng)車組能夠自動(dòng)搜集配置文件主要信息、生成配置文件模板。

3)通過(guò)主動(dòng)尋址方式，自動(dòng)查找定位總線上可能存在的故障點(diǎn)，針對(duì)MVB鏈路層、物理層數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，詳細(xì)定位通信異常位置。

4)針對(duì)MVB網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行故障類型、端口、設(shè)備的統(tǒng)計(jì)，并形成報(bào)告。

5)WTB網(wǎng)絡(luò)具備一定的自動(dòng)分析能力，能夠自動(dòng)分析WTB網(wǎng)絡(luò)通信狀態(tài)，包括負(fù)載率、誤碼率等；自動(dòng)獲取總線上的節(jié)點(diǎn)配置。

6)自動(dòng)采集WTB網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)的物理波形；自動(dòng)分析各節(jié)點(diǎn)物理波形質(zhì)量，并與標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比，自動(dòng)生成通信質(zhì)量報(bào)告。

1.2 應(yīng)用場(chǎng)景分析

自動(dòng)化TCN分析儀(以下簡(jiǎn)稱自動(dòng)分析儀)的典型應(yīng)用場(chǎng)景如下。

場(chǎng)景一：列車調(diào)試環(huán)境下，列車檢修人員將自動(dòng)分析儀接入MVB網(wǎng)絡(luò)，操作上位機(jī)掃描MVB總線設(shè)備及端口，并實(shí)時(shí)顯示總線設(shè)備及端口狀態(tài)(在線or離線)，一段時(shí)間后自動(dòng)停止掃描，生成設(shè)備及端口表，表格數(shù)據(jù)可導(dǎo)出。

場(chǎng)景二：列車調(diào)試環(huán)境下，列車檢修人員將自動(dòng)分析儀接入WTB網(wǎng)絡(luò)，操作上位機(jī)掃描WTB總線節(jié)點(diǎn)，并實(shí)時(shí)顯示節(jié)點(diǎn)信息表，一段時(shí)間后自動(dòng)停止掃描，生成總線節(jié)點(diǎn)列表，表格數(shù)據(jù)可導(dǎo)出。

場(chǎng)景三：列車調(diào)試環(huán)境下，將列車拓?fù)湫畔⒈韺?dǎo)入自動(dòng)分析儀。列車檢修人員將設(shè)備接入MVB網(wǎng)絡(luò)，操作上位機(jī)軟件進(jìn)入MVB監(jiān)聽(tīng)統(tǒng)計(jì)模式，啟動(dòng)分析，一段時(shí)間后軟件自動(dòng)停止分析，并輸出MVB網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量評(píng)估報(bào)告。

場(chǎng)景四：列車調(diào)試環(huán)境下，列車檢修人員將自動(dòng)分析儀接入WTB網(wǎng)絡(luò)，操作上位機(jī)軟件進(jìn)入WTB監(jiān)聽(tīng)統(tǒng)計(jì)模式，啟動(dòng)分析，一段時(shí)間后軟件自動(dòng)停止分析，并輸出WTB網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量評(píng)估報(bào)告。

場(chǎng)景五：列車調(diào)試環(huán)境下，將列車拓?fù)湫畔⒈韺?dǎo)入自動(dòng)分析儀。列車檢修人員判斷MVB網(wǎng)絡(luò)存在通信異常，將設(shè)備接入MVB網(wǎng)絡(luò)，操作上位機(jī)軟件進(jìn)入MVB檢索分析模式，軟件提示操作人員斷開(kāi)MVB主設(shè)備，啟動(dòng)分析，一段時(shí)間后軟件自動(dòng)停止分析。軟件結(jié)合拓?fù)湫畔⒈砼袛喙收衔恢茫敵鯩VB各設(shè)備的通信質(zhì)量報(bào)告。

2 設(shè)備接口及參數(shù)

2.1 接口電路

接口電路模塊用于總線信號(hào)的采集/發(fā)送，主要實(shí)現(xiàn)MVB/WTB網(wǎng)絡(luò)的接入、物理信號(hào)的調(diào)理及匹配、信號(hào)隔離等功能，接口電路包括如下。

1)WTB接口： DB9接口，支持AB兩路信號(hào)同時(shí)采集；

2)MVB接口： DB9接口，支持AB兩路信號(hào)同時(shí)采集及發(fā)送；

3)接口電路：符合IEC61375中EMD以及WTB介質(zhì)接口要求；

4)信號(hào)調(diào)理電路：為匹配AD及DA芯片的電壓范圍，對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，實(shí)現(xiàn)電平匹配；

5)信號(hào)采集：采用高速AD可同時(shí)采樣A、B兩路信號(hào)，并將采樣的信號(hào)傳給FPGA進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理；

6)信號(hào)收發(fā)：完成MVB網(wǎng)絡(luò)物理信號(hào)和數(shù)字信號(hào)之間轉(zhuǎn)化。

2.2 電源參數(shù)

下位機(jī)具備三種供電方式：DC 110 V、AC 220 V及鋰電池供電，當(dāng)存在外部供電時(shí)，優(yōu)先選用外部供電方式。

表1 直流電源單元技術(shù)參數(shù)

交流電源技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表2 交流電源單元技術(shù)參數(shù)

交流電源設(shè)置單獨(dú)輸入接口，電源進(jìn)線從市電取得；直流電源設(shè)置單獨(dú)輸入接口，電源進(jìn)線從被測(cè)車輛取得；設(shè)置保險(xiǎn)絲和電源開(kāi)關(guān)來(lái)保護(hù)電源模塊。電源模塊面板設(shè)置直流電源指示燈來(lái)顯示電源狀態(tài)。

鋰電池容量支持2小時(shí)連續(xù)工作續(xù)航，滿足乘坐飛機(jī)攜帶需求。擁有電量檢測(cè)及溫度測(cè)量功能，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池包內(nèi)剩余電量及溫度。

2.3 通信接口

通訊接口滿足使用需求的無(wú)線路由器，用于連接上位機(jī)。通訊模塊包括M12工業(yè)以太網(wǎng)接口和WIFI無(wú)線接口。WIFI無(wú)線接口支持串口透明傳輸，符合FCC認(rèn)證，支持IEEE 802.11b/g/n協(xié)議，支持WEP64/128、WPA/WPA2 PSK數(shù)據(jù)安全標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)WIFI無(wú)線接口與網(wǎng)絡(luò)交互，線路上的數(shù)據(jù)延遲小于100 ms。

2.4 其它參數(shù)

根據(jù)列車環(huán)境規(guī)范，硬件滿足工作溫度：-25～50℃，工作濕度：10%～95% RH，無(wú)凝露。設(shè)置LED指示燈，指示設(shè)備工作狀態(tài)、總線通信狀態(tài)等信息；內(nèi)部存儲(chǔ)的容量不少于100 GB固態(tài)硬盤(pán)；有一對(duì)標(biāo)準(zhǔn)DB9接口，用于連接MVB網(wǎng)絡(luò)；一對(duì)標(biāo)準(zhǔn)DB9接口，用于連接WTB網(wǎng)絡(luò)。

3 硬件設(shè)計(jì)

硬件電路的原理框圖如圖1所示。

圖1 自動(dòng)化TCN分析儀硬件原理框圖

3.1 FPGA

FPGA用于完成總線數(shù)據(jù)的高速分析，包括：

1)外圍接口進(jìn)行配置，控制接口狀態(tài)；

2)采集物理波形進(jìn)行解碼，得到總線傳輸數(shù)據(jù)報(bào)文；

3)總線報(bào)文物理層、鏈路層及幀幀間隔異常進(jìn)行判決；

4)對(duì)發(fā)送報(bào)文進(jìn)行編碼，控制發(fā)送電路發(fā)送報(bào)文。

3.2 ARM處理器

ARM處理器搭載嵌入式處理系統(tǒng)，根據(jù)總線解碼結(jié)果判斷總線通信情況，完成上下位機(jī)通信，設(shè)備工作模式控制等功能。

3.3 DDR內(nèi)存模塊

主控器具備兩個(gè)DDR3內(nèi)存，分別位于PL端和PS端。其中，PL端DDR3用于緩沖AD采集的報(bào)文數(shù)據(jù)和波形數(shù)據(jù)，邏輯觸發(fā)模塊根據(jù)表達(dá)式內(nèi)容讀取并判斷報(bào)文是否符合要求。PS端DDR3用于嵌入式系統(tǒng)的程序運(yùn)行，包括裸核和Linux系統(tǒng)的運(yùn)行。

3.4 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)需要考慮硬件同時(shí)兼容SSD存儲(chǔ)方案和eMMC存儲(chǔ)方案。

報(bào)文及波形數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在SSD中，SSD建議采用256GB的存儲(chǔ)容量。SSD存儲(chǔ)滿時(shí)，可按照用戶預(yù)先設(shè)置的兩種模式：循環(huán)存儲(chǔ)、停止存儲(chǔ)之一進(jìn)行后續(xù)數(shù)據(jù)的處理。循環(huán)存儲(chǔ)，即最新數(shù)據(jù)覆蓋最老數(shù)據(jù)；停止存儲(chǔ)，即丟棄新的數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)應(yīng)用程序以及系統(tǒng)版本、配置數(shù)據(jù)存放在EMMC介質(zhì)中。

3.5 網(wǎng)絡(luò)通信

PS端的網(wǎng)口用于與上位機(jī)通信，設(shè)備內(nèi)部提供RJ45接口，連接至交換機(jī)，設(shè)備對(duì)外輸出RJ45接口。

無(wú)線模塊提供4G、WIFI功能，WIFI同時(shí)支持AP+STA模式。

4 軟件設(shè)計(jì)

軟件包括上位機(jī)軟件和分析儀嵌入式軟件。

4.1 上位機(jī)軟件

上位機(jī)軟件使用JAVA編程語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，軟件的層次結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2，主要分為界面層、業(yè)務(wù)層、報(bào)文服務(wù)層和通信層。

圖2 上位機(jī)軟件結(jié)構(gòu)

界面層在3種分析模式顯示的內(nèi)容上有差異，但均由配置顯示，過(guò)程顯示，結(jié)果顯示及設(shè)備狀態(tài)顯示構(gòu)成。配置顯示配置功能的用戶接口，過(guò)程顯示負(fù)責(zé)分析過(guò)程的內(nèi)容和進(jìn)度展示，結(jié)果顯示主要負(fù)責(zé)分析結(jié)果和報(bào)告內(nèi)容的展示，設(shè)備狀態(tài)顯示負(fù)責(zé)設(shè)備狀態(tài)信息的用戶接口。

業(yè)務(wù)層為上位機(jī)核心功能層，負(fù)責(zé)報(bào)文信息統(tǒng)計(jì)及端口節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)、波形質(zhì)量分析。業(yè)務(wù)層根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔ⅲ治龀鼍W(wǎng)絡(luò)總線通信質(zhì)量以及各設(shè)備/節(jié)點(diǎn)通信質(zhì)量，并以報(bào)告形式展示。

數(shù)據(jù)服務(wù)層接收數(shù)據(jù)、解析數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)分發(fā)給業(yè)務(wù)層。

通信層和下位機(jī)建立鏈接，給下位機(jī)發(fā)送執(zhí)行，接收?qǐng)?bào)文數(shù)據(jù)和波形數(shù)據(jù)。

4.2 分析儀嵌入式軟件

嵌入式軟件設(shè)計(jì)包括PL端軟件設(shè)計(jì)和PS端軟件設(shè)計(jì)。PL端軟件實(shí)現(xiàn)總線波形采集，波形解碼、報(bào)文鏈路異常判斷、波形存儲(chǔ)等工作。PS端采用OpenAMP架構(gòu)，其中CPU0運(yùn)行PetaLinux操作系統(tǒng)，CPU1運(yùn)行單任務(wù)操作系統(tǒng)(即裸核操作系統(tǒng))，如圖3所示。

圖3 嵌入式軟件結(jié)構(gòu)

CPU0運(yùn)行的PetaLinux操作系統(tǒng)分為內(nèi)核空間及用戶空間。內(nèi)核空間包含了設(shè)備運(yùn)行需要的基本驅(qū)動(dòng)，用戶空間實(shí)現(xiàn)設(shè)備業(yè)務(wù)邏輯控制。

用戶空間的線程設(shè)計(jì)包括：

1)以太網(wǎng)通信線程：

a)同時(shí)支持MVB/WTB參數(shù)配置；

b)支持通過(guò)接收命令啟動(dòng)/停止ADC采集；

c)支持MVB報(bào)文發(fā)送控制；

d)設(shè)備狀態(tài)查詢返回接口；

e)MVB/WTB總線選擇命令；

f)支持MVB/WTB綜合分析儀上位機(jī)軟件讀取報(bào)文波形信息。

2)波形存儲(chǔ)：

a)MVB/WTB波形分別進(jìn)行存儲(chǔ)；

b)支持MVB/WTB波形獨(dú)立上報(bào)；

3)報(bào)文接收傳輸線程：

a)MVB/WTB報(bào)文接收；

b)MVB/WTB報(bào)文組包上報(bào)。

4)狀態(tài)顯示：

a)顯示當(dāng)前采集環(huán)境(MVB或WTB)；

b)電池或者芯片溫度過(guò)高時(shí)，設(shè)備自動(dòng)關(guān)機(jī)；

c)顯示自動(dòng)化TCN分析儀設(shè)備狀態(tài)。

5)雙核通信：

a)設(shè)備配置參數(shù)傳輸；

b)采集報(bào)文及波形傳輸；

c)波形采集控制命令傳輸；

6)程序主線程：

a)主線程初始化時(shí)，配置默認(rèn)參數(shù)，默認(rèn)進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)采集模式；

b)配置參數(shù)中，觸發(fā)條件個(gè)數(shù)設(shè)置為0，設(shè)備僅使用強(qiáng)制觸發(fā)功能；

c)通信線程接收到上位機(jī)指令，通知進(jìn)入TCN網(wǎng)絡(luò)分析模式；

CPU1運(yùn)行裸核操作系統(tǒng)，配合PL端完成外圍設(shè)備進(jìn)行配置，完成波形、報(bào)文采集及傳輸。

5 故障定位設(shè)計(jì)

列車MVB網(wǎng)絡(luò)設(shè)備故障定位功能包括線路異常引起的故障定位以及單個(gè)設(shè)備故障定位。自動(dòng)分析儀基于設(shè)備各端口的誤碼率統(tǒng)計(jì)結(jié)果以及波形分析結(jié)果，結(jié)合導(dǎo)入的MVB網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔ⅲㄎ怀龉收纤谖恢眯畔⒁约翱赡芄收显颉Ｆ渲袑?dǎo)入的MVB網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳捎盟募?jí)結(jié)構(gòu)，標(biāo)注端口、設(shè)備、中繼器、車廂之間的物理連接關(guān)系，設(shè)備依據(jù)該物理關(guān)系定位故障位置信息。

分析儀提取的物理波形特征參數(shù)信息如表3所示，分析儀軟件支持指標(biāo)健康參考值設(shè)置。

表3 MVB物理波形特征參數(shù)

故障定位處理流程如圖4所示，分析儀統(tǒng)計(jì)各設(shè)備及端口的誤碼率信息以及波形參數(shù)信息，根據(jù)設(shè)置的健康標(biāo)準(zhǔn)判斷設(shè)備故障狀態(tài)；網(wǎng)絡(luò)中各設(shè)備故障狀態(tài)分析完成以后，根據(jù)設(shè)備故障數(shù)據(jù)，結(jié)合導(dǎo)入網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔ⅲ袛嗑W(wǎng)絡(luò)中是否存在線纜故障。

當(dāng)滿足以下條件之一，則認(rèn)為該設(shè)備連接線纜存在故障：

1)設(shè)備與分析儀掛載在一路中繼器中，設(shè)備位于分析儀與中繼器之間，從該設(shè)備開(kāi)始至中繼器間的所有設(shè)備，均出現(xiàn)某路總線無(wú)從幀響應(yīng)；

2)設(shè)備與分析儀掛載在一路中繼器中，設(shè)備位于分析儀與終端電阻之間，從該設(shè)備開(kāi)始至終端電阻間的所有設(shè)備，均出現(xiàn)某路總線無(wú)從幀響應(yīng)；

3)設(shè)備與分析儀掛載在不同中繼器間，從該設(shè)備開(kāi)始至終端電阻間的所有設(shè)備，均出現(xiàn)某路總線無(wú)從幀響應(yīng)。

圖4 故障定位處理流程圖

6 實(shí)車測(cè)試結(jié)果分析

自動(dòng)分析儀的典型應(yīng)用為高鐵/地鐵列車MVB網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量評(píng)估，MVB網(wǎng)絡(luò)通信故障位置定位；高鐵/地鐵列車WTB網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量評(píng)估。

自動(dòng)分析儀在某十六節(jié)車廂編組WTB+MVB組合網(wǎng)絡(luò)控制的高鐵實(shí)車測(cè)試中，分別完成了正常通信車輛的MVB/WTB網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量評(píng)估以及通信故障車輛的MVB故障定位測(cè)試。正常通信車輛的MVB網(wǎng)絡(luò)監(jiān)聽(tīng)測(cè)試結(jié)果如圖5、圖6所示。圖5給出了監(jiān)聽(tīng)測(cè)試時(shí)總線分析結(jié)果，圖6給出了監(jiān)聽(tīng)測(cè)試時(shí)網(wǎng)絡(luò)異常設(shè)備信息。

圖5 MVB網(wǎng)絡(luò)總線測(cè)試結(jié)果

圖6 MVB 監(jiān)聽(tīng)測(cè)試問(wèn)題匯總

在故障車輛測(cè)試中，自動(dòng)分析設(shè)備有效地分析了MVB網(wǎng)絡(luò)的通信質(zhì)量，給出了故障位置信息，并以圖表的形式展示，幫助列車調(diào)試人員快速定位網(wǎng)絡(luò)故障，提高了列車調(diào)試效率。實(shí)車調(diào)試檢測(cè)出的列車設(shè)備狀態(tài)如圖7所示，綠色為正常設(shè)備，黃色為分析指標(biāo)不合格設(shè)備，紅色為不響應(yīng)設(shè)備。圖8為故障信息的詳細(xì)列表，從表中可以看出，設(shè)備準(zhǔn)確定位出了故障的詳細(xì)位置及故障原因。

圖7 MVB網(wǎng)絡(luò)設(shè)備狀態(tài)圖

7 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)現(xiàn)階段軌道車輛中MVB和WTB通信網(wǎng)絡(luò)測(cè)試和診斷困難，及檢測(cè)手段單一低效的現(xiàn)狀，研發(fā)了自動(dòng)化TCN分析儀。分析了自動(dòng)化測(cè)試及診斷的難點(diǎn)及應(yīng)對(duì)手段，設(shè)計(jì)了硬件接口及各模塊，定義了硬件參數(shù)；設(shè)計(jì)了軟件并給出了交互界面。將分析儀應(yīng)用到實(shí)車檢測(cè)中，分析了測(cè)試數(shù)據(jù)，得出使用結(jié)論。未來(lái)將進(jìn)一步將自動(dòng)化TCN分析儀推廣到更多軌道交通中去，通過(guò)實(shí)際使用效果完善自動(dòng)化MVB和WTB通信測(cè)試和診斷技術(shù)。