張曉杰

上海軌道交通設(shè)備發(fā)展有限公司

0 引言

上海地鐵11號(hào)線(xiàn)自開(kāi)通運(yùn)營(yíng)以來(lái)，發(fā)生過(guò)因列車(chē)MVB 網(wǎng)絡(luò)癱瘓導(dǎo)致的清客或救援事件。上海地鐵5 號(hào)線(xiàn)也曾多次發(fā)生因網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定的情況，HMI的網(wǎng)絡(luò)界面不定期出現(xiàn)設(shè)備故障或離線(xiàn)的狀態(tài)。其他城市的軌道交通也發(fā)生過(guò)此類(lèi)問(wèn)題。因列車(chē)網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴發(fā)生的頻率低，且故障不可復(fù)現(xiàn)的特點(diǎn)，給故障原因的分析帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的深入調(diào)查和分析，找到了故障發(fā)生原因，并提出了相應(yīng)解決方案。

本文進(jìn)一步闡述MVB網(wǎng)絡(luò)通信原理、網(wǎng)絡(luò)故障實(shí)例，以及如何避免網(wǎng)絡(luò)故障的技術(shù)措施。

1 MVB網(wǎng)絡(luò)通信原理

列車(chē)控制與監(jiān)視系統(tǒng)的MVB 實(shí)時(shí)通信協(xié)議基于IEC61375標(biāo)準(zhǔn)[1,2]。采用EMD電氣中距離介質(zhì)，傳輸速率為1.5 Mbps，每段允許的設(shè)備數(shù)量最大可達(dá)32 個(gè)，傳輸距離可達(dá)200 m，其基本的通信原理如下：

1.1 周期輪詢(xún)

在MVB網(wǎng)絡(luò)總線(xiàn)拓?fù)渲?，通常?huì)設(shè)置一個(gè)總線(xiàn)管理器（BA），也稱(chēng)主設(shè)備，一般由列車(chē)控制與監(jiān)視系統(tǒng)TCMS 中的主控制器VCU 擔(dān)任，控制整個(gè)MVB通信過(guò)程。

總線(xiàn)管理器對(duì)設(shè)備端口進(jìn)行周期輪詢(xún)，將輪回的時(shí)間分為固定時(shí)間片，稱(chēng)為基本周期Tbp?；局芷诜秶?.0 ms≤基本周期≤2.5 ms。其中每個(gè)基本周期包括4個(gè)階段。

● 周期階段，用于過(guò)程數(shù)據(jù)傳輸。

● 監(jiān)管階段，用于網(wǎng)絡(luò)管理器監(jiān)控各MVB 子設(shè)備和傳遞管理器權(quán)限。

● 消息階段，用于消息數(shù)據(jù)傳輸。

● 空閑階段，預(yù)留一定時(shí)間，用于保證下個(gè)基本周期的正確開(kāi)始。

基本周期的4個(gè)階段見(jiàn)圖1。

圖1 基本周期的4個(gè)階段

在MVB 總線(xiàn)正常運(yùn)行前，要建立端口參數(shù)值及主設(shè)備讀端口的順序，定義每個(gè)端口特征周期。為了總線(xiàn)同步，特征周期T_ip（i）= T_bp× 2n ，n=（0～10）。特征周期不應(yīng)超過(guò)1 024 Tbp。主設(shè)備在特征周期T_ip內(nèi)輪詢(xún)每一個(gè)周期數(shù)據(jù)，按照周期掃描表發(fā)送一個(gè)預(yù)先定義好的主幀序列，最長(zhǎng)的特征周期叫宏周期，最大不超過(guò)1 024 ms。

1.2 數(shù)據(jù)交換

當(dāng)主設(shè)備周期性地發(fā)送一個(gè)過(guò)程數(shù)據(jù)請(qǐng)求主幀報(bào)文（Process_Data_Request）時(shí)，相應(yīng)的唯一一個(gè)源設(shè)備響應(yīng)主幀，該設(shè)備讀取其源緩沖區(qū)的內(nèi)容，并用一個(gè)不可分割的操作將此內(nèi)容以從幀報(bào)文（Process_Data_Response）發(fā)送。如果主幀報(bào)文中的F_code 指定幀長(zhǎng)度不同于該邏輯地址設(shè)置的長(zhǎng)度，設(shè)備將不響應(yīng)。該從幀報(bào)文可被一個(gè)或多個(gè)宿設(shè)備接收。接收過(guò)程數(shù)據(jù)的宿設(shè)備，當(dāng)其標(biāo)識(shí)符出現(xiàn)在Process_Data_Request 中時(shí)，用一個(gè)不可分割的操作將在總線(xiàn)上接收到的幀的內(nèi)容存儲(chǔ)到相應(yīng)緩存區(qū)并覆蓋掉緩存區(qū)的先前內(nèi)容。僅總線(xiàn)管理器可發(fā)送主幀報(bào)文，所有其他的MVB 設(shè)備必須遵循MVB 網(wǎng)絡(luò)管理器的輪循訪(fǎng)問(wèn)。MVB 數(shù)據(jù)的交換嚴(yán)格按照從幀報(bào)文跟隨主幀報(bào)文的形式執(zhí)行。過(guò)程數(shù)據(jù)報(bào)文如圖2所示。

圖2 過(guò)程數(shù)據(jù)報(bào)文

2 MVB故障機(jī)理及實(shí)例

2.1 MVB網(wǎng)絡(luò)故障機(jī)理

MVB網(wǎng)絡(luò)為共享介質(zhì)的通信網(wǎng)絡(luò)，即所有的數(shù)據(jù)都將在同一個(gè)物理層線(xiàn)路上進(jìn)行傳輸。這就必須保證所有的設(shè)備都按照規(guī)定的協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)[3]。否則，一旦有某一個(gè)設(shè)備或多個(gè)設(shè)備出現(xiàn)故障不按照協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，整個(gè)MVB 網(wǎng)絡(luò)將出現(xiàn)異常，甚至癱瘓。

MVB設(shè)備的通信受環(huán)境影響，比如超出工作溫度范圍、電磁干擾（EMI）、供電質(zhì)量等。如果MVB設(shè)備所工作的環(huán)境超出了適用范圍，可能會(huì)發(fā)生通信故障等問(wèn)題，也可能導(dǎo)致MVB控制器的寄存器內(nèi)容和通信存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)丟失，甚至導(dǎo)致MVB網(wǎng)卡電子部件硬件的損壞。

MVB 網(wǎng)卡內(nèi)部寄存器和存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)丟失，或者硬件損壞將導(dǎo)致MVB設(shè)備的故障。MVB數(shù)據(jù)將無(wú)法發(fā)送和傳輸。設(shè)備與MVB 總線(xiàn)的通信中斷，其故障對(duì)于總線(xiàn)上其余網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的MVB 通信沒(méi)有影響。

但通常情況下，通信數(shù)據(jù)混亂不是因?yàn)榘l(fā)送和接收參數(shù)丟失，而是這些參數(shù)被修改，導(dǎo)致了非法的MVB傳輸。相對(duì)于丟失參數(shù)和通信中斷，這種情況下故障的MVB設(shè)備將會(huì)干擾網(wǎng)絡(luò)通信。

比如當(dāng)網(wǎng)絡(luò)管理器發(fā)送過(guò)程數(shù)據(jù)請(qǐng)求主幀后，正常的設(shè)備A 將響應(yīng)從幀，如果此時(shí)故障的某一個(gè)設(shè)備B 也同時(shí)響應(yīng)從幀，則出現(xiàn)雙從幀故障。當(dāng)兩個(gè)從幀報(bào)文疊加在一起時(shí)，該報(bào)文將無(wú)法被識(shí)別，那么設(shè)備A的通信也將受到干擾。

2.2 故障實(shí)例

2.2.1 MVB網(wǎng)卡故障

上海11 號(hào)線(xiàn)列車(chē)發(fā)生了多起空調(diào)控制器的MVB 網(wǎng)卡模塊（PC104 卡）故障和一起制動(dòng)系統(tǒng)網(wǎng)卡模塊（PC104卡）故障，具體情況如下：

●兩次故障引起MVB網(wǎng)絡(luò)完全癱瘓

●多于兩次故障引起MVB網(wǎng)絡(luò)部分系統(tǒng)故障

在所有的故障案例中均發(fā)現(xiàn)MVB 接口模塊上的芯片有高溫灼傷痕跡。如圖3所示。

圖3 MVB接口模塊上芯片高溫灼傷

2.2.2 MVB連接器問(wèn)題

1)MVB線(xiàn)纜接線(xiàn)問(wèn)題

由于MVB 電纜的接線(xiàn)問(wèn)題而引起的MVB 故障比較多，每次網(wǎng)絡(luò)故障時(shí)，均出現(xiàn)類(lèi)似的故障狀態(tài)，部分子系統(tǒng)受到持續(xù)的短暫影響，導(dǎo)致列車(chē)限速運(yùn)行。

經(jīng)調(diào)查后發(fā)現(xiàn)，在多個(gè)設(shè)備上的MVB插頭都出現(xiàn)了不規(guī)范的接線(xiàn)，有的電纜線(xiàn)芯觸碰到了MVB插頭的外殼導(dǎo)致接地，有的電纜則連接松動(dòng)，接觸不良，如圖4所示。

圖4 MVB連接器接線(xiàn)問(wèn)題

2)MVB連接器內(nèi)阻抗處理不當(dāng)

因近期項(xiàng)目的MVB 網(wǎng)絡(luò)連接器大多采用HARTING 公司的D-SUB MVB 專(zhuān)用連接器，其電路圖見(jiàn)圖5。

圖5 MVB連接器電路圖

終端電阻包含在連接器內(nèi)，當(dāng)設(shè)備在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中處于中間設(shè)備時(shí)，連接器內(nèi)的BRA 和BRB 需要剪斷；當(dāng)設(shè)備處于每段網(wǎng)絡(luò)的終端時(shí)，A線(xiàn)連接器內(nèi)的 BRA 需保留，BRB 應(yīng)被剪斷,而 B 線(xiàn)連接器內(nèi)的BRB需保留，BRA應(yīng)被剪斷。保證終端電阻和線(xiàn)路阻抗匹配。

如果電阻配置不當(dāng)，線(xiàn)路阻抗和終端電阻不匹配，則會(huì)影響網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的傳輸。

3 避免網(wǎng)絡(luò)故障的措施

通過(guò)MVB一致性型式試驗(yàn)、采用供電穩(wěn)壓電路的MVB板卡、MVB看門(mén)狗功能、標(biāo)準(zhǔn)的MVB接線(xiàn)工藝、網(wǎng)絡(luò)檢查等措施，可以避免MVB網(wǎng)絡(luò)故障。

3.1 MVB一致性型式試驗(yàn)

為保證MVB 網(wǎng)絡(luò)的可靠通信，所有接入MVB網(wǎng)絡(luò)的微機(jī)控制單元，在裝車(chē)前均應(yīng)由其供應(yīng)商負(fù)責(zé)對(duì)MVB 通信部分進(jìn)行一致性試驗(yàn)[2]。該試驗(yàn)的目的是驗(yàn)證被測(cè)試的MVB 設(shè)備是否符合相應(yīng)的要求和標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)這些測(cè)試，可以規(guī)范設(shè)備的機(jī)械和電氣設(shè)計(jì)，確定數(shù)據(jù)輸出波形、接收信號(hào)的能力以及系統(tǒng)整體表現(xiàn)是否符合TCN 標(biāo)準(zhǔn)。因此可以有效避免由于設(shè)備的設(shè)計(jì)不符合TCN 通信規(guī)范而導(dǎo)致的MVB故障。

3.2 提高設(shè)備的抗干擾能力

在上述案例中發(fā)現(xiàn)PC104 網(wǎng)卡有不同程度的灼傷痕跡。經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，空調(diào)控制板提供給PC104網(wǎng)卡的5V 供電電源（額定值：4.75～5.25 V）出現(xiàn)16.1 V的尖峰電壓。

由于控制板的供電出現(xiàn)很高的EMC干擾，導(dǎo)致PC104 網(wǎng)卡完全損壞或者部分芯片受損。因此對(duì)PC104網(wǎng)卡進(jìn)行了硬件升級(jí)，以提高自身的抗干擾能力[4]。網(wǎng)卡版本從S25659-B2231-A140更新為S25659-B2231-A142。

3.2.1 增加網(wǎng)卡供電穩(wěn)壓電路

對(duì)網(wǎng)卡的5 V 輸入電壓增加了額外的穩(wěn)壓電路。5V輸入電壓穩(wěn)壓電路見(jiàn)圖6。

圖6 5 V輸入電壓穩(wěn)壓電路

3.2.2 增加引腳抗干擾元件

對(duì)所有的地址總線(xiàn)、數(shù)據(jù)總線(xiàn)和控制總線(xiàn)增加瞬態(tài)抑制二極管和電阻（見(jiàn)圖7），增強(qiáng)引腳的抗干擾能力。

圖7 引腳增加抗干擾元件

3.3 看門(mén)狗功能

看門(mén)狗功能是避免MVB 網(wǎng)絡(luò)故障的主動(dòng)性措施。當(dāng)設(shè)備(主應(yīng)用程序) 檢測(cè)到MVB 網(wǎng)卡的故障時(shí)，將激活看門(mén)狗功能，使MVB網(wǎng)卡停止工作。

MVB控制器在完成初始化后，僅能基于存儲(chǔ)在通信存儲(chǔ)器中的參數(shù)與通信存儲(chǔ)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。因此，MVB控制器無(wú)法驗(yàn)證自身寄存器的設(shè)置以及通信存儲(chǔ)器內(nèi)部數(shù)據(jù)的完整性。

因此在MVB 控制器完成初始化后，主機(jī)應(yīng)用程序（主CPU）必須監(jiān)測(cè)MVB 控制器的寄存器內(nèi)容和通信存儲(chǔ)器內(nèi)部數(shù)據(jù)的完整性。當(dāng)主CPU檢測(cè)到相應(yīng)問(wèn)題時(shí)，MVB 網(wǎng)卡激活看門(mén)狗功能，保證該網(wǎng)卡停止接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，與MVB 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行有效隔離，從而不影響其他MVB 設(shè)備的正常通信。

3.3.1 看門(mén)狗計(jì)數(shù)寄存器

對(duì)于使用西門(mén)子MVB PC104卡或MVBCS1芯片[6]的應(yīng)用都可以且必須啟用看門(mén)狗功能。在MVBCS1 芯片中設(shè)置有1 個(gè)16 位的看門(mén)狗計(jì)數(shù)寄存器，見(jiàn)圖8。

圖8 看門(mén)狗計(jì)數(shù)寄存器

在激活看門(mén)狗功能后，主CPU 需周期性寫(xiě)入一個(gè)非“0”值到看門(mén)狗計(jì)數(shù)寄存器。該寄存器的數(shù)值將自動(dòng)遞減（根據(jù)TB 值，每1 ms 或每32 ms遞減）。

因此，當(dāng)主CPU持續(xù)給看門(mén)狗計(jì)數(shù)寄存器寫(xiě)入非“0”值時(shí)，可保證該計(jì)數(shù)器始終為非“0”狀態(tài)。如果出現(xiàn)故障情況，或主CPU 檢測(cè)到相應(yīng)故障，則主CPU停止“喂狗”操作，也即停止給看門(mén)狗計(jì)數(shù)寄存器寫(xiě)值。當(dāng)看門(mén)狗計(jì)數(shù)寄存器的數(shù)值降為“0”時(shí)，將觸發(fā)看門(mén)狗功能，此時(shí)MVBCS1芯片將停止接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。

3.3.2 觸發(fā)看門(mén)狗的故障

對(duì)于使用MVB PC104卡或MVBCS1芯片的應(yīng)用而言，西門(mén)子提供了API 函數(shù)[6]（應(yīng)用程序接口）。API 函數(shù)需寫(xiě)入主CPU程序中，并且可支持過(guò)程數(shù)據(jù)，消息數(shù)據(jù)和控制數(shù)據(jù)。應(yīng)用系統(tǒng)所執(zhí)行的API函數(shù)示例見(jiàn)圖9。

圖9 開(kāi)門(mén)狗API函數(shù)示例

在MVBIdle()函數(shù)中，將有8 個(gè)返回值體現(xiàn)故障。

●通信存儲(chǔ)器未初始化

●MVBC芯片在復(fù)位模式

●MVBC芯片在初始化

●通信存儲(chǔ)器中的端口索引表（PIT）與配置不一致

●通信存儲(chǔ)器中的某一個(gè)端口的大小設(shè)置與配置不一致

●通信存儲(chǔ)器中的某一個(gè)端口的數(shù)據(jù)類(lèi)型設(shè)置與配置不一致

●MVBC 的寄存器的內(nèi)容在下一個(gè)地址中未鏡像

●MVBC 的寄存器的內(nèi)容在配置運(yùn)行后產(chǎn)生了更改

當(dāng)上述故障發(fā)生時(shí)，主CPU需要在函數(shù)MVBCRetriggerWd()停止觸發(fā)看門(mén)狗（停止寫(xiě)入非零值到看門(mén)狗計(jì)數(shù)寄存器）。

3.4 增加網(wǎng)絡(luò)通信檢查

按照規(guī)范的MVB連接器制作工藝完成MVB線(xiàn)纜接線(xiàn)，使用FLUKE DSX5000 線(xiàn)纜測(cè)試儀檢查MVB線(xiàn)纜的線(xiàn)纜拓?fù)?、特性阻抗等特性是否超?biāo)[5]。MVB線(xiàn)纜檢查見(jiàn)表1，MVB通信質(zhì)量檢查見(jiàn)表2。

表1 MVB線(xiàn)纜檢查

表2 MVB通信質(zhì)量檢查

通過(guò)TCN 協(xié)議分析儀接入MVB 網(wǎng)絡(luò)，在網(wǎng)絡(luò)沒(méi)有人為干擾（接設(shè)備、斷電等）的情況下監(jiān)視并記錄MVB 總線(xiàn)數(shù)據(jù)10 min，連接電腦打開(kāi)分析儀軟件選擇MVB 分析功能。通過(guò)協(xié)議分析儀進(jìn)行端口掃描、周期掃描、丟幀錯(cuò)幀統(tǒng)計(jì)、AB 線(xiàn)狀態(tài)監(jiān)視等測(cè)試。

4 總結(jié)

由于列車(chē)控制與監(jiān)視系統(tǒng)在軌道交通車(chē)輛中的重要性，MVB網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定與否直接關(guān)系到運(yùn)營(yíng)效率，在設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量避免網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴發(fā)生。預(yù)防網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴（網(wǎng)絡(luò)故障）的措施如下：

1)接入MVB 網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備在裝車(chē)前均須通過(guò)MVB一致性型式試驗(yàn)；

2)增強(qiáng)MVB網(wǎng)卡自身抗電磁干擾的能力；

3)啟用各MVB控制單元的看門(mén)狗功能；

4)規(guī)范MVB接線(xiàn)工藝，排查終端電阻阻抗匹配情況，并進(jìn)行相關(guān)的線(xiàn)纜及通信質(zhì)量檢查；

5)列車(chē)采用硬線(xiàn)緊急牽引功能。為了最大可能降低清客救援事件，提高運(yùn)營(yíng)質(zhì)量，車(chē)輛設(shè)計(jì)時(shí)可實(shí)施硬線(xiàn)緊急牽引功能作為備份，即當(dāng)列車(chē)發(fā)生整個(gè)MVB網(wǎng)絡(luò)故障無(wú)法動(dòng)車(chē)時(shí)，可使用列車(chē)硬線(xiàn)牽引功能達(dá)到動(dòng)車(chē)的目的。