武漢地鐵車輛網絡控制系統及常見故障分析排查

摘"要：列車網絡控制系統作為地鐵車輛的核心設備，可以實現列車的通信管理、列車的控制與故障診斷等主要功能，對地鐵安全平穩運營起到關鍵性的作用。本文以武漢地鐵3號線列車網絡控制系統為例，介紹了MVB網絡系統的原理特點、拓撲結構、主要功能、硬件組成等基本情況，以及對地鐵列車常見的典型網絡故障進行分析，提供了網絡故障的查找思路和應急處置建議，給出故障排查分析方法，對后續列車網絡系統的故障查找與處理有一定的借鑒意義。

關鍵詞：武漢地鐵3號線；網絡控制系統；MVB網絡；故障分析排查

當今社會地鐵日益普及，成為人們必不可缺的出行方式，地鐵車輛的穩定運行是廣大旅客日常出行的重要保障［1］，同時，全國范圍內城市地鐵交通也越來越發達。在城市軌道交通車輛產業中，網絡控制技術好比車輛的“大腦”［2］，其性能直接關系到地鐵的安全平穩運營。

本文以武漢地鐵3號線為例，對車輛網絡控制系統和常見網絡系統故障的分析排查進行闡述。

1"網絡控制系統

1.1"列車基本概述

武漢地鐵3號線列車的基本配置為6輛車編組，車輛為B型車體。整列車采用4動2拖編組型式：=Tc－M－M＋M－M－Tc=（其中Tc：拖車，M：動車），列車兩端采用全自動車鉤，動力單元間采用半自動車鉤。供電方式為第三軌下部接觸受電，最高運行速度為80km/h。

列車由兩個單元車組組成，每個單元車組由1輛拖車（Tc車）和2輛動車（M車）組成，列車編組如圖1所示。

1.2"網絡控制系統基本概述

列車控制及監控系統（TCMS）為關鍵核心系統，是集列車的控制、監控和診斷為一體的集成控制系統，能為列車各子系統和模塊提供各種實時控制信息，完成對列車的控制［3］。TCMS采用分布式控制技術，網絡為2級結構，分為列車級網絡和車輛級網絡［4］，即列車控制及監控系統（TCMS）采用列車級、車輛級兩級總線式拓撲結構［5］。其中繼模塊REP作為列車級總線和車輛級總線的網關，實現列車級總線和車輛級總線之間數據轉發功能。

按照不同的功能與硬件配置列車分為帶司機室的拖車Tc車、帶受流器的動車M車。TCMS系統硬件由車輛控制模塊VCMe、事件記錄模塊EDRM、中繼模塊REP、數字量輸入輸出模塊DXMe、數字量輸入模塊DIMe、模擬量輸入輸出模塊AXMe和顯示器HMI等模塊構成，各模塊之間通過MVB"EMD接口實現數據通信，列車網絡控制系統拓撲圖如圖2。

TCMS系統主要功能模塊介紹如下：

（1）VCMe車輛控制模塊是TCMS系統的核心設備，具備車輛控制功能和執行列車牽引控制、制動控制、電空聯合制動控制等一系列的列車控制功能。通信管理：具有多功能車輛總線MVB的管理能力，通過MVB總線實現列車網絡的通信信息傳遞。顯示控制：與司機室兩端的HMI進行數據的傳輸互換。故障診斷：對列車的實時狀態數據、故障數據進行采集并進行處理，并將故障信息傳遞至HMI。兩端的司機室各有1個VCM模塊，TCMS系統采用VCMe冗余控制，在列車正常運行時，其中一個VCMe模塊作為主控實現列車的相應功能，另一個VCMe模塊作為熱備冗余，如主VCMe模塊故障，自動主權轉移，備用的VCMe模塊接管為主實現相應控制功能。

（2）EDRM事件記錄模塊，每列車裝有2個EDRM，分別安裝于兩端的Tc車，對列車的各項數據和事件故障進行記錄和存儲。

（3）REP中繼模塊，每節列車裝有1個中繼模塊REP，具備列車級、車輛級MVB總線的數據傳輸和轉化功能，以及實現信號中繼放大功能。

（4）DXMe數字量輸入輸出模塊，每節列車裝有DXMe，主要負責列車數字量信號的采集輸入，再將收集的信號由MVB網絡發給車輛控制模塊，同時將網絡控制信號轉化成電氣信號進行輸出，從而控制設備。

（5）DIMe數字量輸入模塊，每列車裝有2個DIMe，分別安裝于兩端的Tc車，主要負責列車數字量信號的采集輸入，再將收集的信號由MVB網絡發給車輛控制模塊。

（6）AXMe模擬量輸入輸出模塊，每列車裝有2個AXMe，分別安裝于兩端的Tc車，主要負責列車模擬量信號的采集輸入，再將收集的信號由MVB網絡發給車輛控制模塊，同時將網絡控制信號轉化成電氣信號進行輸出，從而控制設備。

（7）HMI顯示器，HMI屏設置在兩端的司機室，是TCMS的顯示終端設備，可以提供和顯示列車的各項信息、各設備的工作狀態，可以綜合和處理列車的故障信息，還具備列車參數的修改功能以及列車加減速度、制動距離等測試功能。

TCMS系統主要有四類功能：控制功能，故障檢測，監視功能以及診斷功能。

結合車輛運行工況及各設備的工作狀態，對車輛進行網絡控制是TCMS的主要功能之一，主要有以下控制功能：司機室激活控制、方向控制、模式選擇、緊急牽引、牽引封鎖、保持制動控制、空電聯合控制、擴展供電控制、空調啟動控制、斬波控制、加減速度測試、蓄電池報警反饋。TCMS具備故障檢測功能，對故障進行檢測判斷，主要有以下檢測：指令不一致檢測、顯示器設置參數錯誤檢測、通信狀態檢測、牽引封鎖條件檢測、限速條件檢測。監視功能：司機臺上的HMI屏上顯示TCMS以及各個設備的實時狀態，實現對列車狀態進行監視。診斷功能：TCMS完成各部件故障數據的采集、分析、轉儲，同時將列車故障信息在HMI屏上顯示。

2"列車常見網絡控制系統故障分析排查

本文對武漢地鐵3號線常見的網絡控制系統故障進行分析排查，其中網絡存在干擾源是網絡控制系統中最易發生的故障類型，針對網絡干擾故障查找原則和思路如下。

2.1"設備故障引起網絡干擾

關于故障設備造成的網絡干擾，可以以TC車最少設備連入MVB網絡（武漢地鐵3號線一般為REP、VCM、HMI），如拓撲圖顯示正常，VCM燈顯正常，再逐步連入網絡其他設備；如果網絡拓撲圖里的設備沒有報紅或顯示狀態異常、數據端口發送接收數據正常，說明設備正常；如果網絡拓撲圖顯示該設備報紅或者造成其他設備干擾報紅的，主VCM的BE燈閃黃，則說明網絡干擾由該設備引起。

2.2"端口地址錯誤引起網絡干擾

端口地址分為物理地址和網絡地址兩種，例如，網絡模塊的DIMe和DXMe模塊，通過短接模塊X4插頭里面的線路確定物理地址，如果物理地址錯誤，網絡也顯示閃紅。網絡地址造成的網絡干擾主要表現在MVB網絡定義的端口不唯一，兩種或兩種以上設備進行發送接收數據，造成總線的數據紊亂，系統無法確定有效數據從而造成網絡干擾。

2.3"線路錯誤引起網絡干擾

線路錯誤引起的網絡故障一般體現在MVB車輛總線和列車總線中，如MVB插頭的連接工藝有誤：正負極反接、進線出線顛倒、終端電阻絞線錯誤、法蘭壓裝工藝不到位等，注意帶有終端電阻的設備必須連入網絡，不可甩開測試，或者自制終端電阻插入MVB插頭進行網絡測試。

下面對幾種典型的網絡控制系統故障進行分析和排查。

2.3.1"REP模塊故障

故障描述：TCMS屏界面整列車車門反復掉線，M4車BHB/BLB斷開后無法閉合，故障履歷上顯示M1車、M2車、M3車、M4車DCU網絡通信中斷，列車網絡拓撲圖中顯示1車VCM報紅，1車VCM模塊上BE燈（干擾燈）持續閃黃。

通過故障現象，初步判斷是由于間歇性網絡干擾引起的網絡通信中斷，導致網絡數據傳輸中斷或者丟失。可能存在的干擾源：網絡模塊內部原因導致的干擾、網絡上的外接設備對整個網絡產生的干擾、MVB線路短路（接地或者接觸不良）引起的干擾。采取逐級排查方式，將列車總線和車輛總線分開排查，確定引起干擾的故障車輛，然后逐個甩開外接設備，排查外接設備是否對網絡產生干擾，最后對MVB線路和MVB插頭進行檢查。

切除6車網絡，即拆下6車REP模塊和VCM模塊的MVB插頭，1車VCM模塊BE燈出現持續閃黃，網絡干擾依然存在，可以確定干擾源在1車和5車之間，再依次將2車和5車之間REP模塊上的MVB插頭拆下甩掉后，故障仍然存在，進一步確定干擾源在1車。將1車上所有的網絡模塊和外接設備依次甩掉，列車整個網絡就只留下1車的VCM模塊、REP模塊、1車到6車間的MVB列車總線、1車的MVB車輛總線，故障仍然存在。依次更換1車的REP模塊和VCM模塊后進行試驗，更換1車REP模塊時故障恢復。可以判斷故障為由于1車REP模塊內部故障，在REP模塊A、B通道交叉傳輸時對整個網絡造成了干擾，造成網絡通信中斷和數據丟失。在發生網絡模塊故障導致全列車無牽引時，可優先嘗試轉緊急牽引模式，緊急牽引模式下BCU、DCU通過接收硬線的指令實現列車的牽引和制動控制，忽略TCMS的網絡信號。

2.3.2"接頭接線故障

故障描述：列車M1、M2、M3、M4車報通信故障，多個車門掉線，6車VCM模塊上BE燈（干擾燈）持續閃黃，全車無牽引力給出，牽引封鎖。查看網絡拓撲圖，1車與6車VCM交替顯示網絡掉線，其他設備的拓撲圖顯示正常。通過故障現象判斷TCMS出現網絡干擾，造成設備顯示狀態錯誤。

先關閉6車VCM電源，1車VCM為主，1車VCM模塊閃紅，BE干擾燈閃黃；關閉1車VCM電源，6車VCM為主，6車VCM模塊閃紅，BE干擾燈閃黃，列車總線的網絡干擾仍然存在。

從1車到6車依次甩開REP的MVB插頭，網絡只連接HMI、REP、VCM，A、B通道單獨試驗測試，測試發現6車B通道網絡顯示異常，其A通道正常；將6車HMI、REP、VCM更換備件后故障依舊，由此可以排除設備造成的網絡干擾，干擾源在MVB線路上。

對6車B通道的線路進行故障排除，首先確定B通道的終端電阻是否正確：根據線路特點，終端電阻的測量可以采用簡便方法，拔掉BCU的PL4插頭，從此插頭測量B通道兩端的終端電阻是否為120歐左右，測量結果正常。

分別挑開6車B通道終端設備（ATC和REP）的終端電阻，對BCU和REP插頭對應點位進行校線測量，發現BCU的MVB出線與REP的線路不通，可以確定BCU的B通道到REP的B通道的中間線路存在交叉。從BCU到REP的線路中，中間設備只有SIV，檢查SIV的B通道MVB插頭，發現其插頭出現B+與B-反接，糾正錯誤接線方式后，故障恢復。

2.3.3"VCM搶主故障

故障描述：TCMS屏界面彈出多個車門掉線故障，4個DCU網絡通信中斷，列車網絡拓撲圖中顯示VCM模塊報紅，全車無牽引力給出，同時列車故障履歷中1、6車VCM互報對方VCM通信故障。分析列車兩端EDRM數據，顯示的VCM主備存在差異，1車EDRM數據顯示1車VCM為主信號一直為高電平，6車VCM為主信號一直為低電平，即一直以1車VCM為主，而6車EDRM數據顯示故障前1車VCM為主信號為高電平，但在故障發生時6車VCM為主信號突然變為高電平，即6車VCM與1車VCM出現搶主情況。

綜合以上故障現象判斷兩端VCM出現搶主故障，從而出現DCU、車門等系統通信丟失，設備狀態反饋出現異常，TCMS屏界面車門顯示掉線狀態，并彈出DCU網絡通信、VCM通信故障。故障原因有以下方面：（1）VCM模塊故障；（2）連接的網絡設備及接線存在干擾。進一步對列車MVB網絡接線進行檢查，測量1車及6車的MVB插頭終端電阻無異常。分析為VCM模塊出現故障。

當VCM搶主出現網絡故障時，DCU網絡通信中斷，列車未能執行網絡牽引指令，此時轉緊急牽引模式牽引后，牽引指令由列車硬線給出，列車可以動車，或者斷開任一端的VCM電源，由另一端的VCM成為主機，避免搶主。

結語

本文簡述了武漢地鐵3號線列車網絡控制系統，以及對常見的網絡系統故障進行分析排查，給出故障排查分析方法以供參考，對列車車輛網絡控制系統的故障查找起到一定的借鑒作用。

參考文獻：

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［2］鄧小娟.深圳地鐵5號線國產化車輛網絡控制和診斷系統［J］.電力機車與城軌車輛，2011（04）：1821.

［3］曾東亮.成都地鐵既有列車網絡控制系統對比分析［J］.鐵道機車車輛，2019，39（S1）：4044.

［4］徐紅星.上海13號線列車網絡控制系統設計與研究［J］.鐵道機車車輛，2012，32（03）：8488.

［5］高楓.城軌車輛列車網絡控制系統技術方案及發展方向［J］.鐵路技術創新，2015（04）：5762.

作者簡介：熊潔（1990—"），女，漢族，江西九江人，碩士研究生，工程師，研究方向：軌道交通車輛；龐友闈（1994—"），男，漢族，山西朔州人，本科，工程師，研究方向：軌道交通供變電；劉敏軍（1988—"），男，漢族，湖北漢川人，本科，工程師，研究方向：軌道交通車輛。