MVB冗余總線故障模式分析

陳志強(qiáng)

(1．北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 100070；2．北京市高速鐵路運(yùn)行控制系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，北京 100070)

1 概述

多功能車(chē)輛總線(Multifunction Vehicle Bus，MVB)是針對(duì)車(chē)輛內(nèi)部功能設(shè)備數(shù)據(jù)通信的現(xiàn)場(chǎng)總線[1]，是列車(chē)通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)(Train Communication Network，TCN)的核心部分之一。目前國(guó)內(nèi)的CRH和諧號(hào)系列和CR復(fù)興號(hào)系列動(dòng)車(chē)組均大量采用基于MVB標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，總線通信系統(tǒng)的高效可靠傳輸是列車(chē)設(shè)備正常運(yùn)行的基本前提。由于列車(chē)車(chē)載設(shè)備眾多，總線信道環(huán)境一般較為惡劣，受到的干擾較多，為提高總線通信可靠性，文獻(xiàn)[2-3]側(cè)重于從總線傳輸原理的角度出發(fā)，在設(shè)計(jì)階段盡量提高總線的抗干擾性和通信性能，即在源頭預(yù)防總線通信故障的發(fā)生。文獻(xiàn)[4-6]側(cè)重于列車(chē)設(shè)備的運(yùn)營(yíng)維護(hù)及檢修維護(hù)階段，通過(guò)測(cè)量定位和消除總線故障。作為一種具有實(shí)際意義的提高通信可靠性的方法，文獻(xiàn)[1]規(guī)定了MVB總線可采用冗余通信方式，詳細(xì)定義了冗余總線的物理層連接方式、切換策略以及鏈路層數(shù)據(jù)中冗余信息的定義。文獻(xiàn)[7-9]進(jìn)一步對(duì)冗余總線的實(shí)現(xiàn)機(jī)制、冗余切換方法、冗余切換測(cè)試方法進(jìn)行研究和說(shuō)明。

總線不同部件失效會(huì)導(dǎo)致不同的故障現(xiàn)象，單線MVB總線的故障模式分析相對(duì)簡(jiǎn)單。對(duì)于MVB冗余總線，由于同時(shí)存在兩路獨(dú)立的MVB總線，兩路總線的故障現(xiàn)象并不完全一致，故障情況較為復(fù)雜，不能簡(jiǎn)單等效于兩路單線故障的疊加。目前尚未有文獻(xiàn)對(duì)此進(jìn)行研究。本文將結(jié)合總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，對(duì)不同部件不同失效情況下的MVB冗余總線故障模式進(jìn)行深入分析與總結(jié)，用以指導(dǎo)后續(xù)MVB冗余總線的應(yīng)用與故障排查。

2 MVB冗余總線實(shí)現(xiàn)方式

MVB總線冗余線纜的連接方式如圖 1所示，單個(gè)DB9連接器中存在A、B雙路總線，每路總線采用RS-485差分信號(hào)傳輸方式，如圖1中A路總線的RS-485差分總線對(duì)為A.Data_P和A.Data_N信號(hào)線，各MVB設(shè)備按照RS-485差分總線連接標(biāo)準(zhǔn)跨接在雙路總線上。接收數(shù)據(jù)時(shí)，各設(shè)備同時(shí)接收A、B雙路總線信號(hào)，按照自身接收情況選擇質(zhì)量較優(yōu)的一路作為信任總線。另一路作為觀測(cè)總線。信任總線上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)被采信和使用，觀測(cè)總線作為備用。若檢測(cè)到當(dāng)前信任總線存在通信質(zhì)量問(wèn)題，設(shè)備將原先的觀測(cè)總線設(shè)置為信任總線，原先的信任總線設(shè)置為觀測(cè)總線。各設(shè)備對(duì)信任總線/觀察總線的判斷、選擇與切換是獨(dú)立的，彼此沒(méi)有相關(guān)性。譬如某一時(shí)刻設(shè)備1選擇A線作為信任總線，設(shè)備2可能會(huì)選擇B線作為信任總線。當(dāng)設(shè)備1進(jìn)行信任總線/觀察總線切換時(shí)，設(shè)備2的不會(huì)受到任何影響。發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，無(wú)論設(shè)備信任總線為A線或B線，各MVB設(shè)備都會(huì)同時(shí)往A/B總線發(fā)送數(shù)據(jù)，確保所發(fā)送數(shù)據(jù)會(huì)同時(shí)出現(xiàn)在A、B雙路總線上。

圖1 MVB總線冗余連接方式Fig.1 MVB bus redundant connection mode

根據(jù)設(shè)備種類(lèi)的不同，MVB總線設(shè)備的冗余實(shí)現(xiàn)方式大體上分為兩類(lèi)。第1類(lèi)為Class1-5設(shè)備，這些設(shè)備具備完備的MVB總線控制器功能，可實(shí)現(xiàn)總線鏈路層完整的編解碼功能。一種典型的Class 1類(lèi)型設(shè)備的實(shí)現(xiàn)框圖如圖2所示。在數(shù)據(jù)發(fā)送部分，編碼模塊產(chǎn)生的輸出信號(hào)同時(shí)控制A、B兩路總線輸出驅(qū)動(dòng)電路，也即模塊所發(fā)送的數(shù)據(jù)在A、B兩路總線上完全相同。第2類(lèi)為Class 0設(shè)備，典型的即為MVB Repeater設(shè)備，這類(lèi)設(shè)備主要用于增加總線的通信距離。為降低數(shù)據(jù)延遲時(shí)間，MVB Repeater設(shè)備只會(huì)在總線物理層對(duì)波形進(jìn)行信號(hào)調(diào)理、再生和放大，不會(huì)在鏈路層實(shí)現(xiàn)完整的數(shù)據(jù)編解碼功能，實(shí)現(xiàn)方式較為簡(jiǎn)單。一種典型Class 0設(shè)備Repeater的實(shí)現(xiàn)框圖如圖3所示，A、B兩路總線處理通道完全是獨(dú)立且互不相關(guān)的，A、B兩路輸出電路的驅(qū)動(dòng)信號(hào)也是獨(dú)立的，Repeater設(shè)備發(fā)送的A、B兩路總線數(shù)據(jù)并不一定完全相同。

圖2 MVB Class 1設(shè)備冗余總線實(shí)現(xiàn)示意圖Fig.2 MVB Class 1 equipment redundant bus implementation diagram

3 總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

總線故障模式與總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)緊密相關(guān)。MVB總線設(shè)備分為主站設(shè)備、從站設(shè)備和Repeater設(shè)備3類(lèi)，其組成的典型總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖 4所示。整條總線由總線子段1、總線子段2組成，兩條子段都是冗余總線，并通過(guò)一個(gè)總線中繼器Repeater互聯(lián)互通。主設(shè)備作為整條總線的主站管理設(shè)備，位于總線子段1中。從設(shè)備11、12位于總線子段1，從設(shè)備21、22位于總線子段2，圖中的S11、S12表示組成總線子段1中的各個(gè)總線段，S21、S22表示組成總線子段2中的各個(gè)總線段。值得說(shuō)明的是，實(shí)際應(yīng)用中為擴(kuò)展總線通信距離，往往會(huì)采用2個(gè)總線中繼器Repeater，但由于Repeater的功能僅僅是物理層信號(hào)的重塑與放大，不參與實(shí)際通信，在充分考慮Repeater給通信數(shù)據(jù)帶來(lái)延遲的前提下，將2個(gè)Repeater簡(jiǎn)化為模型中的1個(gè)Repeater是合理的，不影響分析結(jié)論。

4 冗余總線故障模式分析

結(jié)合上述總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在考慮單點(diǎn)失效的情況下，總線各部件的失效以及其導(dǎo)致的故障模式分析結(jié)果列舉如下。

1）線纜故障

a. 線纜屏蔽層不理想，或者屏蔽層線纜接地不理想

影響：導(dǎo)致各設(shè)備接收到的總線波形失真，通信質(zhì)量下降，誤碼率明顯升高，且出現(xiàn)錯(cuò)誤的端口呈現(xiàn)均勻分布，各從設(shè)備的信任總線選擇會(huì)在A路總線和B路總線間來(lái)回切換。

b.單路線纜出現(xiàn)了斷線或連接器縮針

影響：若S11出現(xiàn)了A路總線斷線或連接器縮針，B線總線良好，從設(shè)備11、從設(shè)備12、從設(shè)備21、從設(shè)備22均無(wú)法在A線上接收到主幀輪詢(xún)信號(hào)，總線子段1和總線子段2的A線會(huì)處于靜默狀態(tài)。根據(jù)MVB冗余總線的切換策略，所有的設(shè)備都將使用B線作為信任總線，A線作為觀測(cè)總線，不影響正常通信。

圖3 MVB Class 0設(shè)備冗余總線實(shí)現(xiàn)示意圖Fig.3 MVB Class 0 equipment redundant bus implementation diagram

圖4 MVB總線典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.4 MVB bus typical topology

若S12出現(xiàn)A路總線斷線或連接器縮針，B路總線良好，則從設(shè)備12、21、22無(wú)法在A線上接收到主幀輪詢(xún)信號(hào)，從設(shè)備12、21、22會(huì)使用B線作為信任總線，A線作為觀測(cè)總線。雖然從設(shè)備11仍可以從A線收到主幀信號(hào)，但無(wú)法從A線上接收到從設(shè)備12、21、22發(fā)送的從幀信號(hào)。若從設(shè)備11只關(guān)注主設(shè)備發(fā)送的主幀從幀信號(hào)，則從設(shè)備11可使用任意總線作為信任總線。若從設(shè)備11需要使用從設(shè)備12、21、22的從幀信號(hào)，則從設(shè)備11會(huì)使用B線作為信任總線，A線作為觀測(cè)總線。無(wú)論哪種情況，均不影響正常通信。

若S21出現(xiàn)A路總線斷線或連接器縮針，B路總線良好，則從設(shè)備21會(huì)使用B線作為信任總線，A線作為觀測(cè)總線。若不接收從設(shè)備21發(fā)送的從幀，從設(shè)備11、12、22會(huì)在A、B中隨意選擇信任總線。若需要關(guān)注從設(shè)備21發(fā)送的從幀，從設(shè)備11、12、22會(huì)使用B線作為信任總線，A線作為觀測(cè)總線。無(wú)論哪種情況，均不影響正常通信。

c.雙路線纜出現(xiàn)斷路或連接器縮針

影響：若S11出現(xiàn)雙路總線斷線或連接器縮針，所有從設(shè)備無(wú)法接收到主幀輪詢(xún)信號(hào)，總線A線和B線處于靜默狀態(tài)。根據(jù)冗余總線切換策略，所有設(shè)備的信任總線會(huì)在A線、B線之間來(lái)回切換，整個(gè)系統(tǒng)無(wú)法正常通信。

若S12出現(xiàn)雙路總線斷線或連接器縮針，從設(shè)備12、21、22無(wú)法收到任何主幀，其信任總線會(huì)在A線、B線之間來(lái)回切換。雖然從設(shè)備11可以收到完整主幀，但其從A線、B線均無(wú)法接收到從設(shè)備12、21、22發(fā)送過(guò)來(lái)的任何從幀數(shù)據(jù)。因此從設(shè)備11會(huì)從A線、B線中任意選擇一路作為信任總線進(jìn)行工作，整個(gè)系統(tǒng)無(wú)法正常通信。

若S22出現(xiàn)雙路總線斷線或連接器縮針，從設(shè)備21、22無(wú)法收到任何主幀，其信任總線會(huì)在A線、B線之間來(lái)回切換。從設(shè)備11、12會(huì)從A線、B線中任意選擇一路作為信任總線進(jìn)行工作，整個(gè)系統(tǒng)無(wú)法正常工作。

2）主站故障

a.主站發(fā)生設(shè)備失效

影響：主站設(shè)備失效時(shí)，整個(gè)總線上不再出現(xiàn)輪詢(xún)主幀信號(hào)，或者出現(xiàn)錯(cuò)誤的輪詢(xún)主幀，整個(gè)總線系統(tǒng)將無(wú)法正常工作。

b.主站發(fā)送的輪詢(xún)主幀周期出現(xiàn)抖動(dòng)

影響：總線系統(tǒng)可以進(jìn)行通信，但通信性能會(huì)下降，數(shù)據(jù)通信實(shí)時(shí)性不一定能得到保障。

c.主站單路發(fā)送電路驅(qū)動(dòng)能力下降或失效

影響：若主設(shè)備的A線驅(qū)動(dòng)能力出現(xiàn)下降或失效，B線功能正常。雖然Repeater可以對(duì)A線的錯(cuò)誤物理波形進(jìn)行過(guò)濾和修正，但不可能徹底修復(fù)。A線主幀輪詢(xún)數(shù)據(jù)的缺陷會(huì)導(dǎo)致所有從設(shè)備使用B線作為信任總線，A線作為觀測(cè)總線。整個(gè)系統(tǒng)通信正常。

d.主站雙路發(fā)送電路驅(qū)動(dòng)能力下降或失效

影響：整個(gè)總線上不再出現(xiàn)輪詢(xún)主幀信號(hào)，或者出現(xiàn)錯(cuò)誤的輪詢(xún)主幀，整個(gè)總線系統(tǒng)將無(wú)法正常工作。

3)從站設(shè)備

a.從站發(fā)生設(shè)備失效

影響：?jiǎn)蝹€(gè)從幀設(shè)備的失效不影響其它從站設(shè)備之間的相互通信，總線上的輪詢(xún)主幀仍會(huì)保持正常傳輸。

b.從站單路發(fā)送電路驅(qū)動(dòng)能力下降或失效

影響：如果從設(shè)備11的A線發(fā)送電路驅(qū)動(dòng)能力下降或失效，其他從設(shè)備將無(wú)法從A線上獲得從設(shè)備11發(fā)送的從幀信號(hào)，但可以從B線上獲得A線發(fā)送的從幀信號(hào)。其余所有從設(shè)備會(huì)將B線設(shè)置為信任總線，將A線設(shè)置為觀測(cè)總線，整個(gè)系統(tǒng)保持通信正常。

c.從站雙路發(fā)送電路驅(qū)動(dòng)能力下降或失效

影響：如果從設(shè)備11的雙路發(fā)送電路驅(qū)動(dòng)能力下降或失效，其他從設(shè)備將無(wú)法從總線上獲得從設(shè)備11發(fā)送的從幀信號(hào)，無(wú)法獲得設(shè)備11發(fā)送的數(shù)據(jù)。對(duì)于A線和B線，由于都沒(méi)有設(shè)備11的從幀信號(hào)，無(wú)法進(jìn)行對(duì)比，其他所有從設(shè)備會(huì)自主選擇一條總線作為信任總線。

4）Repeater故障

a.Repeater的單路出現(xiàn)了故障，導(dǎo)致無(wú)法正常轉(zhuǎn)發(fā)所有總線數(shù)據(jù)

影響：如果Repeater的A線發(fā)生了故障，B線保持正常。因?yàn)榭偩€子段2的A線沒(méi)有主幀信號(hào)，B線存在主幀信號(hào)，從設(shè)備21、22會(huì)選擇B線作為信任總線，A線作為觀測(cè)總線。從設(shè)備11、22會(huì)自主選擇一條總線作為信任總線。整個(gè)系統(tǒng)保持通信正常。

b.Repeater的雙路出現(xiàn)了故障，導(dǎo)致無(wú)法正常轉(zhuǎn)發(fā)所有總線數(shù)據(jù)

影響：總線子段1的A線、B線均存在正常的主幀信號(hào)，總線子段2的A線、B線均沒(méi)有主幀信號(hào)，從設(shè)備21、22的信任總線會(huì)在A線、B線之間反復(fù)切換，從設(shè)備11、22會(huì)自主選擇一條總線作為信任總線。主設(shè)備、從設(shè)備11、從設(shè)備12之間的通信正常，從設(shè)備21、從設(shè)備22不能與其他設(shè)備進(jìn)行通信。

c.Repeater單路出現(xiàn)異常情況，導(dǎo)致對(duì)某一或某幾個(gè)特定端口主幀數(shù)據(jù)出現(xiàn)處理錯(cuò)誤，無(wú)法轉(zhuǎn)發(fā)主幀輪詢(xún)數(shù)據(jù)幀

影響：如果A線存在某一或幾個(gè)特定端口主幀輪詢(xún)信號(hào)的缺失，B線一切正常。從設(shè)備被動(dòng)地響應(yīng)主幀信號(hào)的輪詢(xún)，但由于A線并不是完全缺失主幀信號(hào)，而僅僅存在部分主幀信號(hào)缺失，從設(shè)備將無(wú)法檢測(cè)到A線存在故障。所有從設(shè)備將會(huì)自主選擇一條總線作為信任總線，若存在選擇A線作為信任總線的從設(shè)備，會(huì)導(dǎo)致通信間歇性出現(xiàn)故障。

d.Repeater雙路出現(xiàn)異常情況，導(dǎo)致對(duì)某一或某幾個(gè)特定端口主幀數(shù)據(jù)出現(xiàn)處理錯(cuò)誤，無(wú)法轉(zhuǎn)發(fā)主幀輪詢(xún)數(shù)據(jù)幀

影響：總線的A線和B線均存在某一或某幾個(gè)特定端口主幀輪詢(xún)信號(hào)的缺失，從設(shè)備會(huì)被動(dòng)地響應(yīng)主幀信號(hào)的輪詢(xún)，但由于總線并不是完全缺失主幀信號(hào)，而僅僅存在部分主幀信號(hào)缺失，從設(shè)備將無(wú)法檢測(cè)到當(dāng)前信任總線存在故障，所有從設(shè)備將會(huì)自主選擇一條總線作為信任總線，主幀輪詢(xún)信號(hào)的缺失會(huì)導(dǎo)致通信間歇性出現(xiàn)故障。

5 總結(jié)和展望

高鐵應(yīng)用中廣泛采用MVB冗余總線以提升通信可靠性，總線不同部件的失效會(huì)導(dǎo)致不同的故障模式。MVB冗余總線的故障現(xiàn)象較為復(fù)雜，需要經(jīng)過(guò)較為復(fù)雜的分析才能進(jìn)行故障定位，給實(shí)際應(yīng)用帶來(lái)了不便。本文通過(guò)構(gòu)建MVB冗余總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，采用窮舉法對(duì)不同部件不同失效情況下的MVB冗余總線故障模式進(jìn)行深入分析與總結(jié)，所得結(jié)論對(duì)于設(shè)計(jì)MVB總線控制電路、優(yōu)化冗余總線切換邏輯、提升總線通信質(zhì)量、定位總線故障原因都具有重要指導(dǎo)意義。