鄭吳富 江 騰 黃凱宇 姜送來 陳秀珍

(南寧軌道交通集團(tuán)有限責(zé)任公司運(yùn)營分公司 廣西 南寧 530001)

0 引言

隨著地鐵車輛控制技術(shù)的發(fā)展，最近幾年地鐵無觸點(diǎn)邏輯控制單元(LCU)替代傳統(tǒng)繼電器進(jìn)行列車控制的方案在地鐵行業(yè)內(nèi)越來越受到認(rèn)可。地鐵車輛一般采用4編組或者6編組，每編組車采用多臺LCU替代繼電器，每節(jié)車LCU通過MVB把各自狀態(tài)數(shù)據(jù)上傳到TCMS網(wǎng)絡(luò)[1]。南寧地鐵3號線車輛為6編組，采用的LCU技術(shù)方案為：各車LCU之間采用冗余CAN通信，僅在頭車LCU與TCMS之間通過MVB通信。該方案減少LCU占用整車TCMS控制網(wǎng)絡(luò)的端口資源，加強(qiáng)整車LCU控制單元之間整體性，能夠最大化利用LCU優(yōu)勢特點(diǎn)，簡化車輛布線，豐富車輛功能。

1 技術(shù)方案分析

1.1 系統(tǒng)方案

南寧地鐵3號線車輛采用6臺LCU，所有車采用3U-B機(jī)箱配置；各車廂LCU之間通過CAN網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)共享；列車級CAN網(wǎng)絡(luò)采用冗余設(shè)計，由CAN1/CAN2兩路物理及接口上完全獨(dú)立的總線組成，實現(xiàn)當(dāng)任意總線異?；蚪涌谒擅摃r，可保證LCU系統(tǒng)數(shù)據(jù)正常交互的功能；Tc車LCU承擔(dān)MVB通信功能，將整車LCU工作狀態(tài)上報至TCMS網(wǎng)絡(luò)。整車LCU網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖1所示。

圖1 南寧地鐵3號線車輛整車LCU網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

1.2 CAN數(shù)據(jù)處理

CAN數(shù)據(jù)傳輸分兩層進(jìn)行，處理層級如圖2所示。第一層數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)先級最高，主要為列車線數(shù)據(jù)。第二層數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)先級較低，主要為故障數(shù)據(jù)和狀態(tài)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸周期為300 ms。

圖2 CAN通信數(shù)據(jù)處理層級

1.3 CAN替代列車線可行性分析

在ISO 11898協(xié)議規(guī)范中，波特率與傳輸距離之間關(guān)系如表1所示。

表1 CAN通信波特率與傳輸距離

六節(jié)車編組車輛長度約180 m，LCU安裝在電氣柜內(nèi)部，CAN通信線纜實際長度長于列車長度，粗約220 mm，因此選用250 Kbps以下波特率。再綜合傳輸及時和距離的降額設(shè)計，采用125 Kbps波特率，具體分析如下：

(1)125 Kbps的速率， 傳輸一位數(shù)據(jù)的時間是：0.000 008 s(1/125 Kbps)。

(2)一幀CAN通信擴(kuò)展幀，共16字節(jié)，一幀時間：0.001 024 s(8×16×1/125 Kbps)。

(3)一幀中有8字節(jié)代表數(shù)據(jù)，共有8×8=64位數(shù)據(jù)，如果列車線硬線信號采用LCU的CAN網(wǎng)絡(luò)信號替代，一幀可以滿足64條列車線信號。目前LCU的CAN網(wǎng)絡(luò)信號替代的全車列車線信號有升降弓、受電弓監(jiān)視、HSCB狀態(tài)監(jiān)視、列車占有、列車門控制及狀態(tài)采集、零速、允許庫用、牽引制動控制、停放(空氣)制動控制及施加(緩解)等16條，CAN通信單幀可以滿足全部列車線信號要求。

(4)一列車6臺LCU全部傳輸完程列車線數(shù)據(jù)，則需要6×0.001 024 s=0.006 144 s。

(5)考慮容錯性，一列車6臺LCU 2次全部傳輸完程列車線數(shù)據(jù)總共需要時間：2×0.006 144 s=0.012 288 s，即12.2 ms。滿足輸入輸出響應(yīng)時間。

(6)LCU的IO輸入輸出信號響應(yīng)時間設(shè)計為30 ms。

1.4 CAN替代列車線可靠性分析

(1)獨(dú)立性

CAN1/CAN2網(wǎng)絡(luò)硬件物理層是完全獨(dú)立的。LCU內(nèi)部兩路CAN通信電路設(shè)計采用2個接口、2個獨(dú)立CAN收發(fā)器、2個獨(dú)立處理器以及2個獨(dú)立供電電源(如圖3所示)，保證整車設(shè)備CAN通信在任意單點(diǎn)故障的情況下，不會造成冗余CAN網(wǎng)絡(luò)故障或網(wǎng)絡(luò)癱瘓[2]。

(2)冗余性

CAN1/CAN2通信收發(fā)數(shù)據(jù)完全一致，沒有主備用之分，LCU設(shè)備通過內(nèi)部對兩路CAN通信數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)選處理。保持良好冗余特性。

圖3 LCU CAN獨(dú)立性

(3)容錯性

CAN 總線通信采用特別的策略對數(shù)據(jù)幀進(jìn)行處理, 包括位填充、數(shù)據(jù)塊編碼、循環(huán)冗余檢驗等，用以提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。采用非破壞性仲裁機(jī)制篩選當(dāng)前發(fā)送節(jié)點(diǎn)，提高總線使用效率的同時確保可靠性[3]。利用故障界定和總線管理的方式，處理已經(jīng)出現(xiàn)的故障節(jié)點(diǎn)。

2 CAN通信應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)

(1)簡化列車信號硬線

如圖4所示，傳統(tǒng)硬線列車線一個信號需要兩根①②硬線完成。整車總共16根列車線信號，那么需要32個硬線信號。

而CAN網(wǎng)絡(luò)信號則只需要兩個通信線，所有列車線信號通過CAN網(wǎng)絡(luò)即可傳輸完成，實現(xiàn)列車線信號網(wǎng)絡(luò)化，簡化硬線布線，如圖5所示。

圖4 硬線列車線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

圖5 CAN列車線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

(2)優(yōu)化TCMS網(wǎng)絡(luò)端口資源

從圖4和圖5網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇芍?，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞绞剑琇CU占用MVB端口6個資源，而LCU之間采用CAN通信后，整車LCU占用MVB端口2個資源，只有原來的1/3。

(3)列車控制功能擴(kuò)展性

后續(xù)車輛新增列車控制功能，按圖4硬線列車線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞桨?，則需要新增兩條列車硬線，如果原先車輛預(yù)留列車硬線不足，則需要新增車端連接器等，增加改造難度和工作量。如果采用LCU CAN通信網(wǎng)絡(luò)替代硬線網(wǎng)絡(luò)，則不需要增加列車硬線，僅通過修改LCU邏輯軟件就可以實現(xiàn)列車硬線功能，大大簡化改造工作量。

3 現(xiàn)場應(yīng)用問題分析

3.1 問題簡述

南寧3號線車輛初期現(xiàn)場調(diào)試以及試運(yùn)行過程中，TCMS多次報出類似“TC2車LCU6 CAN2通信故障”和“TC2車LCU6 設(shè)備生命信號丟失”，此類閃報1 s故障，隨后故障消失。但LCU設(shè)備CAN通信控制功能又正常，不影響列車控制功能。

3.2 數(shù)據(jù)分析

根據(jù)日志記錄數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)TC1車、TC2車在故障發(fā)生時刻以及之后，均一直在正常進(jìn)行CAN通信。故判定此次通信故障并非TC2 車LCU CAN2硬件故障，只可能是信號數(shù)據(jù)受到干擾而導(dǎo)致信號丟失。

3.3 機(jī)理分析

(1)TCMS診斷LCU設(shè)備生命信號丟失機(jī)理

如圖6所示，LCU1和LCU6車同時通過MVB通信上傳LCU1/LCU2/LCU3/LCU4/LCU5/LCU6設(shè)備生命信號。當(dāng)TC1或者TC2車VCU收到LCU上報丟失狀態(tài)，則報出故障信息。

圖6 TCMS診斷機(jī)理邏輯

(2)LCU設(shè)備狀態(tài)傳輸過程

如圖7所示，LCU1和LCU6同時接收來自各節(jié)車LCU的狀態(tài)信息，其中就包括CAN通信故障信息和設(shè)備生命信號。

(3)LCU設(shè)備生命信號上報處理

LCU1和LCU6判斷其他設(shè)備生命信號時間為3 s。通過檢查軟件參數(shù)設(shè)置，可知CAN通信故障時間為1 s。

圖7 狀態(tài)數(shù)據(jù)傳輸圖

(4)數(shù)據(jù)分析過程

①LCU應(yīng)用層MVB任務(wù)周期是99 ms，邏輯運(yùn)算任務(wù)周期10 ms：T1=100 ms；

②LCU的故障數(shù)據(jù)以及狀態(tài)數(shù)據(jù)CAN通信周期延時是300 ms：T2=300 ms；

③TC1 LCU MVB數(shù)據(jù)通過主控板到MVB的時間是200 ms：T3=200 ms；

④TCMS接受MVB板數(shù)據(jù)時間：X=256 ms。

單次傳輸需要最大延時時間：T1+T2+T3+X=856 ms；二次傳輸需要最大延時時間：2×(T1+T2+T3+X)=1 712 ms；三次傳輸需要最大延時時間：3×(T1+T2+T3+X)=2 568 ms。

在現(xiàn)場復(fù)雜應(yīng)用環(huán)境下，LCU間CAN通信受到不同程度的電磁干擾。那么CAN通信發(fā)生周期中斷、丟包、錯包以及延時等現(xiàn)象就存在可能；如果通信故障判斷機(jī)制過于靈敏，不設(shè)計足夠的濾波時間，就存在應(yīng)用過程中偶爾上報通信故障和生命信號丟失現(xiàn)象，大大降低系統(tǒng)可靠性。

4 優(yōu)化以及應(yīng)用試驗

4.1 優(yōu)化設(shè)計

(1)TCMS診斷機(jī)制

如圖8所示，將TC1 VCU和TC2 VCU邏輯由

“或”改成“與”[4]，發(fā)揮冗余特性，避免誤報故障，提高可用性。

圖8 TCMS診斷機(jī)理邏輯

(2)LCU處理機(jī)制

將LCU1和LCU6判斷其他設(shè)備生命信號時間從3 s延長設(shè)置為8 s，另外CAN通信故障時間設(shè)置為3 s，提高抗干擾性能和容錯性能，避免誤報故障。

4.2 優(yōu)化后試驗結(jié)果

針對上述故障，在理論分析計算和邏輯梳理分析、修改優(yōu)化設(shè)計后，經(jīng)過一年多的現(xiàn)場實際運(yùn)行跟蹤，列車運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定，LCU運(yùn)行狀態(tài)良好，再未出現(xiàn)過類似的問題。驗證了該設(shè)計優(yōu)化的可行性和有效性。

5 結(jié)束語

本文對LCU采用雙CAN冗余網(wǎng)絡(luò)通信替代列車線信號進(jìn)行了理論分析，從實際應(yīng)用效果看，技術(shù)革新確實帶來了實際應(yīng)用優(yōu)勢。但同時在應(yīng)用初期，LCU出現(xiàn)CAN通信誤報故障問題，經(jīng)過深入分析、解決以及驗證確認(rèn)過程，為后續(xù)車輛控制技術(shù)提升和新技術(shù)引進(jìn)提供了參考經(jīng)驗。