黃琪鑫

(成都地鐵運(yùn)營有限公司 四川 成都 610000)

0 引言

隨著現(xiàn)代軌道交通在電氣化、自動(dòng)化方面的快速發(fā)展，列車通信網(wǎng)絡(luò)TCN(Train Communication Network)在軌道交通領(lǐng)域含內(nèi)燃機(jī)車、電力機(jī)車、城際列車、高鐵動(dòng)車組等多種平臺(tái)上得到大規(guī)模的深入設(shè)計(jì)和廣泛應(yīng)用，多功能車輛總線MVB(Multifunction Vehicle Bus)協(xié)議作為列車通信網(wǎng)絡(luò)TCN的重要組成部分[1]，已成為高速電力列車控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，是狀態(tài)監(jiān)控檢測、故障診斷調(diào)試以及列車邏輯控制的多功能通信總線。而成都地鐵18號(hào)線作為新一代城市地鐵應(yīng)用的市域快線，采用8編組6動(dòng)2拖的A+型電客車，設(shè)計(jì)時(shí)速達(dá)140 km，MVB網(wǎng)絡(luò)廣涉牽引、制動(dòng)、車門、PIS、TCMS等多個(gè)系統(tǒng)，車輛速度提升意味著物理和網(wǎng)絡(luò)的可靠性要求更高，因此成都地鐵18號(hào)線車輛的MVB網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、拓?fù)浜凸δ芫哂休^高的可分析性。

1 MVB關(guān)鍵技術(shù)淺析

1.1 物理層

MVB總線的物理層是傳輸通信數(shù)據(jù)的物理載體，傳輸方式按照介質(zhì)的不同可分為3種[2]，介質(zhì)和傳輸方式不同，傳輸距離和支持總線設(shè)備拓展的能力也不同。

(1)ESD:使用雙絞屏蔽線傳輸，為標(biāo)準(zhǔn)的RS-485格式和收發(fā)器，采用差分信號(hào)的傳輸方式，其信號(hào)傳輸距離較短(最大傳輸距離為20 m)，支持32個(gè)設(shè)備拓展，適用于較短距離且干擾較小的通信傳輸場合。

(2)EMD:屏蔽雙絞線，并通過變壓器耦合方式，適用中距離傳輸(最大傳輸距離200 m)，支持32個(gè)設(shè)備拓展。

(3)OGF:使用光學(xué)玻璃纖維介質(zhì)(光纖)和總線連接器，在良好的線路設(shè)施下信號(hào)衰減慢，傳輸距離較大(約2 000 m)。

1.2 幀和報(bào)文

MVB總線鏈路層以報(bào)文作為傳輸和數(shù)據(jù)單元，其固定傳輸速率為1.5 Mbit/s，每個(gè)周期的報(bào)文為主幀加從幀的格式，采用曼徹斯特編碼方式，主幀發(fā)送數(shù)據(jù)請(qǐng)求，而從幀會(huì)針對(duì)主幀請(qǐng)求數(shù)據(jù)做出回應(yīng)，從而形成周期的報(bào)文結(jié)構(gòu)。

1.2.1主幀結(jié)構(gòu)

主幀結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 主幀結(jié)構(gòu)

在一段完整報(bào)文中，主幀的數(shù)據(jù)長度固定為33位，由5個(gè)部分組成:

(1)MSD:起始分界符，占主幀9位；(2)F_code:數(shù)據(jù)幀類型判斷符，占整個(gè)主幀4位，主要用于說明傳輸數(shù)據(jù)的類型，共分為3種:當(dāng)F_code為十進(jìn)制0～4時(shí)，表示傳輸數(shù)據(jù)為過程數(shù)據(jù)幀，屬于周期性數(shù)據(jù)，其從幀數(shù)據(jù)有16 bit、32 bit、64 bit、128 bit或者256 bit；當(dāng)F_code為十進(jìn)制12時(shí)，表示傳輸數(shù)據(jù)為消息數(shù)據(jù)幀，偶發(fā)性數(shù)據(jù)，其從幀數(shù)據(jù)有256 bit；當(dāng)F_code為十進(jìn)制8、9、13、14、15時(shí)，表示傳輸數(shù)據(jù)為監(jiān)督數(shù)據(jù)幀，其從幀數(shù)據(jù)有16 bit；(3)Addr:地址位，用于描述通信從站地址，并根據(jù)從站地址尋址實(shí)現(xiàn)通信，占整個(gè)主幀12位；(4)CheckSum:校驗(yàn)序列，用于本次傳輸數(shù)據(jù)校驗(yàn)，占整個(gè)主幀8位；(5)ED:分界符結(jié)束，不占位。

1.2.2從幀結(jié)構(gòu)

從幀主要作用是回應(yīng)主幀請(qǐng)求，由4個(gè)部分構(gòu)成，其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 從幀結(jié)構(gòu)

(1)SSD:從幀起始定界符，占整個(gè)從幀數(shù)據(jù)9位；(2)DATA:從幀數(shù)據(jù)幀，根據(jù)主幀類型判斷符(F_code)的不同，數(shù)據(jù)幀有效長度為16 bit、32 bit、64 bit、128 bit或者256 bit；(3)CheckSum:校驗(yàn)序列，用于本次傳輸數(shù)據(jù)校驗(yàn)，占整個(gè)主幀8位；(4)ED:分界符結(jié)束，不占位。

1.2.3數(shù)據(jù)編碼方式

MVB通信編解碼方式與一般通信編碼不同，含有單元編碼“0”、“1”以及非數(shù)據(jù)類型編碼“NH”與“NL”共計(jì)4種編解碼方式[3]，即曼徹斯特編碼(G.E.Thomas Andrew S.Tanenbaum)，編碼規(guī)則示意如圖3所示。

編碼“1”表示在1個(gè)位(bit)單元中，前半個(gè)位單元為高電平(high)，后半個(gè)位單元為低電平(low)。

編碼“0”表示在1個(gè)位(bit)單元中，前半個(gè)位單元為低電平(low)，后半個(gè)位單元為高電平(high)。

非數(shù)據(jù)編碼“NH”在整個(gè)位單元中均為高電平(high)。

非數(shù)據(jù)編碼“NL”在整個(gè)位單元中均為低電平(low)。

根據(jù)曼徹斯特編碼的4種編解碼規(guī)則，可以方便讀取主從幀中傳送的通信數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)讀取示例如圖4所示(9位起始分界符分別為“起始位1，NH，NL，0，NH，NL，0，0，0”)。

圖3 編碼規(guī)則示意圖

圖4 曼徹斯特編碼示例

2 成都地鐵18號(hào)線車輛MVB網(wǎng)絡(luò)運(yùn)用

2.1 MVB網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

成都地鐵18號(hào)線為6動(dòng)2拖8編組A型車，車輛分MC(帶司機(jī)室動(dòng)車)、M(不帶司機(jī)室動(dòng)車)、TP(帶受電弓非動(dòng)力車)3種車廂，車長287 m，整車頭車聯(lián)掛端采用全自動(dòng)車鉤，其中電氣車鉤主要用于車輛救援時(shí)的電氣連接，中間車輛采用半永久車鉤連接，運(yùn)營速度140 km/h，列車網(wǎng)絡(luò)控制與診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)滿足IEC61375-3-1標(biāo)準(zhǔn)，其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D5所示，設(shè)備和系統(tǒng)名稱對(duì)應(yīng)如表1所示。

圖5 車輛網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

表1 車輛網(wǎng)絡(luò)配置對(duì)應(yīng)表

成都地鐵18號(hào)線車輛區(qū)別于既有線路與高鐵網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌淞熊嚳偩€、車輛總線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渚捎肕VB通信，列車總線系統(tǒng)由列車總線、車輛總線以及子系統(tǒng)總線三級(jí)總線組成[4]，車輛總線、列車總線隸屬于網(wǎng)絡(luò)控制和診斷系統(tǒng)，物理層采用的傳輸介質(zhì)為EMD藍(lán)色雙絞屏蔽線纜，牽引、制動(dòng)、車門、空調(diào)、PIDS等主要系統(tǒng)內(nèi)子設(shè)備通過其他類的主從通信結(jié)構(gòu)(如CAN、TCP/IP等方式)傳輸，而后以子系統(tǒng)設(shè)備主站作為MVB節(jié)點(diǎn)接入MVB總線進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，對(duì)于不能直接通過總線進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的設(shè)備，例如煙火、無線等系統(tǒng)，通過配置網(wǎng)關(guān)的形式實(shí)現(xiàn)協(xié)議間的轉(zhuǎn)換，從而達(dá)到數(shù)據(jù)交互的目的。

2.2 MVB網(wǎng)絡(luò)淺析

根據(jù)成都地鐵18號(hào)線車輛的MVB網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，可得出以下淺析結(jié)果。

2.2.1雙MVB結(jié)構(gòu)

一般情況下， TCN系統(tǒng)包含列車總線WTD及車輛總線MVB網(wǎng)絡(luò)，WTD被設(shè)計(jì)成手插式跨接電纜或自動(dòng)連接器來實(shí)現(xiàn)車輛之間的互聯(lián)，適用于經(jīng)常連掛解編的列車，但成都地鐵18號(hào)線車輛間采用半永久車鉤，頭車的全自動(dòng)車鉤僅用于車輛救援功能，其聯(lián)掛需求次數(shù)極少，因此成都地鐵18號(hào)線列車總線及車輛總線均采用MVB總線網(wǎng)絡(luò)。

2.2.2冗余技術(shù)

由于市域快線速度較高，站間距相對(duì)較大，環(huán)境相對(duì)惡劣，在運(yùn)營過程中震動(dòng)較大，容易造成MVB通信連接器或硬線接觸不良進(jìn)而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)通信中斷，因此MVB網(wǎng)絡(luò)在物理層(chA、chB)方面采用了充足的冗余技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)在正常工況下，chA通道正常進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，屬于網(wǎng)絡(luò)線路的信任層(Truster-Line)，此時(shí)chB作為監(jiān)視層(Observed-Line)，實(shí)時(shí)監(jiān)測chA的通信質(zhì)量與狀態(tài)，兩個(gè)通道通過總線管理器的軟件編程功能進(jìn)行隔離，當(dāng)chA通道物理層受損導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)通信中斷時(shí)，chB能夠及時(shí)通過程序處理進(jìn)行連接，進(jìn)而有效防止單通道受損造成的通信中斷；與此同時(shí)，總線連接器也采用單總線單連接器的形式，子系統(tǒng)設(shè)備部件故障或單個(gè)連接器的脫落不影響MVB車輛總線的正常運(yùn)行。

對(duì)某些關(guān)鍵的設(shè)備以及關(guān)鍵的控制信號(hào)如VCU、RIOM設(shè)備以及通信數(shù)據(jù)中車輛速度、主斷路器閉合狀態(tài)、受電弓升降等重要信號(hào)也采用冗余的方式，在運(yùn)營過程中，主VCU正常工作，負(fù)責(zé)MVB網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)控制及車輛邏輯處理；另一端備用VCU則實(shí)時(shí)監(jiān)控主VCU工作狀態(tài)，當(dāng)主VCU工作故障或通信異常時(shí)，備用VCU無縫連接，可繼續(xù)執(zhí)行主VCU的通信和命令，保證車輛正常工作。在硬線方面，對(duì)于主斷、升弓控制輸入輸出信號(hào)也采用冗余模式，并將相同的車輛關(guān)鍵信號(hào)傳輸?shù)讲煌妮斎攵丝?如受電弓升弓、降弓信號(hào)可分別從VCU和RIOM的I/O端口同時(shí)傳輸?shù)絋CMS系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理)，防止單點(diǎn)故障造成整個(gè)車輛的癱瘓繼而觸發(fā)救援的情形發(fā)生。

2.2.3中繼功能

高標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)和多冗余的設(shè)計(jì)往往伴隨著現(xiàn)場施工工藝的困難，網(wǎng)絡(luò)線纜在車輛上的敷設(shè)需要和交流、高壓線分開，以免造成信號(hào)干擾和衰減，而冗余設(shè)計(jì)采用雙倍的物理層會(huì)造成現(xiàn)場線纜敷設(shè)和排布更加繁瑣，難以將其與交流線徹底隔開，雖然成都地鐵18號(hào)線采用物理層為EMD的線纜，最大傳輸距離理論可達(dá)200 m，但是線纜敷設(shè)和干擾對(duì)MVB網(wǎng)絡(luò)造成較大影響，因此每列車裝有8個(gè)中繼模塊REP，每節(jié)車配備一個(gè)中繼器設(shè)備，中繼器REP可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的中繼放大、整形，以及傳輸通道的隔離，在保證傳輸信號(hào)有效性的前提下將故障點(diǎn)造成的影響降到最低。每節(jié)車的所有主控制設(shè)備通過MVB總線互連成車輛級(jí)通信網(wǎng)絡(luò)并通過REP與列車級(jí)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行互聯(lián)互通。

2.2.4多級(jí)子系統(tǒng)通信

車輛多個(gè)系統(tǒng)通過MVB總線連接到TCMS，但對(duì)于無法連接在總線上的設(shè)備，如無線系統(tǒng)，則是通過對(duì)應(yīng)4G無線網(wǎng)關(guān)模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互，將其他方式的通信協(xié)議轉(zhuǎn)化為MVB網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。

3 總結(jié)

目前MVB總線被運(yùn)用在各個(gè)機(jī)車、地鐵甚至高鐵平臺(tái)，控制技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋺?yīng)用相對(duì)成熟，特有的傳輸結(jié)構(gòu)和編碼解碼方式有較高的可靠性，據(jù)悉各車輛廠已以此設(shè)計(jì)出全自動(dòng)無人駕駛的地鐵車輛，并在部分城市相繼開通。其強(qiáng)大的自動(dòng)控制和完善的通信結(jié)構(gòu)將會(huì)在軌道交通領(lǐng)域不斷運(yùn)用和推廣。