徐 磊 殷培強(qiáng) 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(yùn)行控制過(guò)程中,列車通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)揮著不可替代的作用，不但負(fù)責(zé)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(luò)通信質(zhì)量的穩(wěn)定性至關(guān)重要。本文結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)普遍發(fā)生的列車通信網(wǎng)絡(luò)故障，進(jìn)行深入分析，找到問(wèn)題發(fā)生的根源，進(jìn)而提出整改建議。

1 列車通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的多功能車輛總線

目前，國(guó)內(nèi)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(zhì)。MVB是IEC 61375標(biāo)準(zhǔn)中定義的一種總線形式，主要用于列車內(nèi)各子系統(tǒng)設(shè)備的互聯(lián)。由于國(guó)內(nèi)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(yùn)營(yíng)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(guò)其自身的MVB-EMD(EMD為用于中距離傳輸?shù)碾娊橘|(zhì))通信接口接入到MVB網(wǎng)絡(luò)。其中，關(guān)鍵子系統(tǒng)如牽引控制系統(tǒng)、輔助電源控制系統(tǒng)、制動(dòng)控制系統(tǒng)、信號(hào)系統(tǒng)、車門系統(tǒng)等均具有硬線接口，以便在網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)故障時(shí)，進(jìn)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?。MVB總線的傳輸速率為1.5 Mbit/s, 可以傳輸過(guò)程數(shù)據(jù)、消息數(shù)據(jù)和監(jiān)視數(shù)據(jù)。

在列車司機(jī)室控制臺(tái)上安裝有HMI(人機(jī)界面)。HMI通過(guò)MVB獲取列車及設(shè)備信息，實(shí)時(shí)顯示車輛參數(shù)、系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，并實(shí)時(shí)提示車輛故障信息。通過(guò)HMI可以進(jìn)行時(shí)間、列車號(hào)、輪徑等參數(shù)的設(shè)置。HMI還可以實(shí)時(shí)顯示列車網(wǎng)絡(luò)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(jī)室安裝有RPT(中繼器)。RPT是滿足IEC 61375標(biāo)準(zhǔn)的0類設(shè)備，是冗余管理的MVB-EMD中繼設(shè)備，其主要作用是進(jìn)行信號(hào)的放大和中繼傳輸。相對(duì)于以往常用的“串型”拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，目前所采用的“T型”拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能夠在一定程度上隔離通信故障，提高網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量。RPT前面板上會(huì)設(shè)置指示燈，用于表征通信狀態(tài)及故障。

在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用過(guò)程中，一般通過(guò)HMI和RPT來(lái)指示和定位故障。

2 列車通信網(wǎng)絡(luò)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(luò)故障的原因多種多樣。從表面上來(lái)看，故障主要表現(xiàn)為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)通信不穩(wěn)定、多個(gè)設(shè)備頻繁離線，或者某一個(gè)設(shè)備離線。對(duì)于第一種故障情況，故障原因往往較為復(fù)雜，這里不做詳述，本文將重點(diǎn)針對(duì)第二種故障情況進(jìn)行研究和分析，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際發(fā)生的故障深入探究。

在某項(xiàng)目調(diào)試過(guò)程中，緊挨著RPT的設(shè)備D3頻繁離線，硬件更換之后，故障仍然存在。通過(guò)排查MVB線路及連接器，沒(méi)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(biāo)準(zhǔn)要求。故障線路拓?fù)涫疽馊鐖D1所示，總線主BA和離線的從設(shè)備D3分別位于中繼器RPT的兩側(cè)。

圖1 故障線路拓?fù)涫疽鈭D

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

測(cè)試波形如圖2所示。綠色波形為測(cè)試點(diǎn)在RPT左側(cè)網(wǎng)段的波形，橙色波形為測(cè)試點(diǎn)在RPT右側(cè)網(wǎng)段的波形，黑色圓圈(①)中的數(shù)據(jù)幀為主設(shè)備BA發(fā)送的進(jìn)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(guò)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(shè)備D3回復(fù)的0x350端口的從幀。正常情況下，在紅色圓圈(④)位置，應(yīng)該會(huì)出現(xiàn)經(jīng)過(guò)RPT處理之后的0x350端口的從幀，而此時(shí)并沒(méi)有出現(xiàn)。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)通信故障測(cè)試波形

從整個(gè)線路的通信狀態(tài)來(lái)看，RPT對(duì)其他所有設(shè)備的端口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)均正常。將測(cè)試波形進(jìn)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(shí)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(guò)600 mV，這明顯超出標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定(按照IEC 61375標(biāo)準(zhǔn)，EMD數(shù)據(jù)幀尾振鈴幅值要在300 ns內(nèi)衰減到100 mV以下)。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)通信故障測(cè)試波形局部放大圖

2.2 故障原因分析

為了判斷是否是因?yàn)榫€路干擾嚴(yán)重導(dǎo)致RPT無(wú)法正常轉(zhuǎn)發(fā)0x350端口的從幀，筆者在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)行了對(duì)比測(cè)試，測(cè)試波形如圖4所示。由圖4波形可見，幾乎不存在噪聲。在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，RPT確實(shí)能夠正常對(duì)0x350端口從幀進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。在列車通信網(wǎng)絡(luò)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(shè)備通信板卡的MVB一致性參數(shù)等。在如此復(fù)雜的環(huán)境下，任何一個(gè)環(huán)節(jié)沒(méi)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(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，在工程應(yīng)用中幾乎不可能實(shí)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(yàn)室模擬測(cè)試波形

通過(guò)前文描述可以發(fā)現(xiàn)，問(wèn)題的關(guān)鍵點(diǎn)在于主從幀之間這段時(shí)間，一個(gè)與之相關(guān)的參數(shù)是源設(shè)備延時(shí)(t_source)，該參數(shù)是表征源設(shè)備性能的重要參數(shù)。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，該參數(shù)是指某個(gè)源設(shè)備從收到主幀到響應(yīng)從幀之間這段時(shí)間延時(shí)，理論上來(lái)說(shuō)，響應(yīng)時(shí)間越短說(shuō)明該設(shè)備性能處理速度越快。IEC 61375-3-1—2012中的6.2.3節(jié)對(duì)該參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)描述，并且詳細(xì)說(shuō)明了從幀響應(yīng)的t_source時(shí)間需介于2.0 μs和6.0 μs之間，推薦值為4 μs。但是仔細(xì)研究之后發(fā)現(xiàn)，標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于這段時(shí)間的起止點(diǎn)并沒(méi)有太明確的定義。從對(duì)從幀響應(yīng)時(shí)間的要求可以看出，該時(shí)間起點(diǎn)為主幀校驗(yàn)序列之后，終點(diǎn)為從幀起始分解符之前，包含3部分，分別是主幀終止位時(shí)間(T_ED)、線路空閑時(shí)間(T_LI)以及從幀起始位時(shí)間(T_SB)。其中，t_source=T_ED+T_LI+T_SB。

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

標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)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(biāo)準(zhǔn)中該章節(jié)的圖31所示，T_SB約為1 BT(按照IEC 61375標(biāo)準(zhǔn)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(jì)算公式可得出T_LI的范圍約為0到4 μs之間，即0

從標(biāo)準(zhǔn)定義可以看出，t_source只是針對(duì)能夠響應(yīng)從幀的源設(shè)備的要求，但是RPT并不在此范圍內(nèi)。標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)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(wèn)題相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)中的第一條，從字面上理解為，RPT能夠識(shí)別數(shù)據(jù)幀的初始方向并能保持穩(wěn)定時(shí)間T_ST=2.0 μs，即RPT在從A側(cè)向B側(cè)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)幀結(jié)束后的2.0 μs時(shí)間內(nèi)將無(wú)法轉(zhuǎn)發(fā)B側(cè)發(fā)來(lái)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(shè)備BA與從設(shè)備D3分別位于RPT的A、B兩側(cè)，中繼器從A側(cè)接受了主幀轉(zhuǎn)發(fā)到B側(cè)，然后又將B側(cè)發(fā)來(lái)的從幀轉(zhuǎn)發(fā)到A側(cè)。

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

經(jīng)過(guò)上述分析，發(fā)現(xiàn)IEC 61375標(biāo)準(zhǔn)中存在矛盾之處，如果T_LI小于T_ST(如果RPT與源設(shè)備距離較近，可忽略線路延時(shí))，將導(dǎo)致RPT在某些特定工況下無(wú)法正常轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)幀，而T_LI由t_source決定。通過(guò)簡(jiǎn)單計(jì)算可得知，t_source應(yīng)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(luò)通信故障，由圖3可以看出，線路噪聲在主幀結(jié)束后約0.7 μs后才降低到了200 mv以下，因此，對(duì)于RPT來(lái)說(shuō)T_LI時(shí)間只剩下不到1 μs，遠(yuǎn)小于T_ST時(shí)間。至此，本文所描述的這種特定工況下的列車網(wǎng)絡(luò)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(xì)描述了這種列車網(wǎng)絡(luò)通信故障產(chǎn)生的原因，既有線路通信質(zhì)量的原因，又有源設(shè)備與RPT配合的原因。根據(jù)筆者的項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，給出針對(duì)這種故障的解決方案。

(1)優(yōu)化整車電磁環(huán)境，減少對(duì)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(cè)試中，增加對(duì)于t_source試驗(yàn)項(xiàng)點(diǎn)，了解網(wǎng)絡(luò)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(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，提高到350 mV以上能夠?yàn)V除多數(shù)干擾。

3 結(jié)語(yǔ)

城市軌道交通列車通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)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(chǎng)調(diào)試過(guò)程中遇到的一種典型故障，分析了故障原因，提出了相應(yīng)的解決方案。在現(xiàn)場(chǎng)的故障處理過(guò)程中，應(yīng)充分利用協(xié)議分析儀和示波器等儀器設(shè)備，深入分析故障的根本原因，只有這樣才能最終解決問(wèn)題。

另外，IEC 61375標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)用，然而，在實(shí)際工程應(yīng)用過(guò)程中，仍然存在參數(shù)匹配問(wèn)題，需要繼續(xù)深入研究。