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摘要：在现代城市轨道交通列车运行控制过程中，列车通信网络发挥着不可替代的作用，不但负责信息传输，而且还要执行某些重要的控制逻辑，因此，列车通信网络通信质量的稳定性至关重要。本文结合现场普遍发生的列车通信网络故障，进行深入分析，找到问题发生的根源，进而提出整改建议。
关键词：城市轨道交通；列车通信网络；多功能车辆总线；通信故障
一、列车通信网络系统的多功能车辆总线
目前，国内城市轨道交通列车多采用MVB(多功能车辆总线)作为列车线及车辆线的通信介质。MVB是IEC61375标准中定义的一种总线形式，主要用于列车内各子系统设备的互联。由于国内城市轨道交通列车多采用固定编组方式，基本不存在重联运营的工况，因此MVB总线既用作列车总线，也用作车辆总线。所有子系统的控制器均通过其自身的MVB-EMD(EMD为用于中距离传输的电介质)通信接口接入到MVB网络。其中，关键子系统如牵引控制系统、辅助电源控制系统、制动控制系统、信号系统、车门系统等均具有硬线接口，以便在网络控制系统故障时，进行紧急牵引操作。列车总线和车辆总线采用A、B路冗余传输，以保证数据传输的可靠性。MVB总线的传输速率为1．5Mbit/s，可以传输过程数据、消息数据和监视数据。
在列车司机室控制台上安装有HMI(人机界面)。HMI通过MVB获取列车及设备信息，实时显示车辆参数、系统运行状态，并实时提示车辆故障信息。通过HMI可以进行时间、列车号、轮径等参数的设置。HMI还可以实时显示列车网络的通信状态，在显示屏的通信状态界面上，红色表示通信异常。在列车司机室安装有ＲPT(中继器)。RPT是满足IEC61375标准的0类设备，是冗余管理的MVB-EMD中继设备，其主要作用是进行信号的放大和中继传输。相对于以往常用的“串型”拓扑结构，目前所采用的“T型”拓扑结构能够在一定程度上隔离通信故障，提高网络通信质量。ＲPT前面板上会设置指示灯，用于表征通信状态及故障。在现场实际使用过程中，一般通过HMI和RPT来指示和定位故障。
二、列车通信网络系统故障分析及解决方案
1、故障描述
造成列车通信网络故障的原因多种多样。从表面上来看，故障主要表现为整个网络通信不稳定、多个设备频繁离线，或者某一个设备离线。对于第一种故障情况，故障原因往往较为复杂，这里不做详述，本文将重点针对第二种故障情况进行研究和分析，结合现场实际发生的故障深入探究。在某项目调试过程中，紧挨着ＲPT的设备D3频繁离线，硬件更换之后，故障仍然存在。通过排查MVB线路及连接器，没有发现明显异常，每段线路阻抗均为(1±10%)×120Ω，符合IEC61375标准要求。故障线路拓扑示意如图1所示，总线主BA和离线的从设备D3分别位于中继器ＲPT的两侧。
图1 故障线路拓扑示意图
借助专用差分信号采集探头，将示波器接入线路，通过协议分析仪配合端口触发进行波形抓取。发现设备D3的端口0x350在进入ＲPT之前回复从帧正常，但是经过ＲPT之后，从帧消失。为了排除ＲPT自身原因，更换ＲPT后再进行试验，故障依旧存在。
测试波形如图2所示。绿色波形为测试点在ＲPT左侧网段的波形，橙色波形为测试点在ＲPT右侧网段的波形，黑色圆圈(①)中的数据帧为主设备BA发送的进入ＲPT之前的0x350端口的主帧，黄色圆圈(②)中的数据帧为经过ＲPT处理之后的0x350端口的主帧，绿色圆圈(③)中的数据帧为从设备D3回复的0x350端口的从帧。正常情况下，在红色圆圈(④)位置，应该会出现经过ＲPT处理之后的0x350端口的从帧，而此时并没有出现。
图3现场通信故障测试波形局部放大图
2、故障原因分析
为了判断是否是因为线路干扰严重导致ＲPT无法正常转发0x350端口的从帧，笔者在实验室环境下进行了对比测试，测试波形如图4所示。由图4波形可见，几乎不存在噪声。在实验室环境下，ＲPT确实能够正常对0x350端口从帧进行转发。在列车通信网络系统中，造成线路噪声的原因多种多样，比如整车电磁环境、MVB连接器压接工艺处理、线路中各设备通信板卡的MVB一致性参数等。在如此复杂的环境下，任何一个环节没有处理好或者几种情况发生了耦合，都有可能出现上述的线路噪声。而如果想要彻底滤除线路噪声，从笔者的项目经验来看，在工程应用中几乎不可能实现。至于如何降低MVB通信线路噪声，在此不做详述。
图4试验室模拟测试波形
通过前文描述可以发现，问题的关键点在于主从帧之间这段时间，一个与之相关的参数是源设备延时(t_source)，该参数是表征源设备性能的重要参数。简单来说，该参数是指某个源设备从收到主帧到响应从帧之间这段时间延时，理论上来说，响应时间越短说明该设备性能处理速度越快。IEC61375-3-1—2012中的6．2．3节对该参数进行了详细描述，并且详细说明了从帧响应的t_source时间需介于2．0μs和6．0μs之间，推荐值为4μs。但是仔细研究之后发现，标准对于这段时间的起止点并没有太明确的定义。从对从帧响应时间的要求可以看出，该时间起点为主帧校验序列之后，终点为从帧起始分解符之前，包含3部分，分别是主帧终止位时间(T_ED)、线路空闲时间(T_LI)以及从帧起始位时间(T_SB)。其中，t_source=T_ED+T_LI+T_SB。
2、解决方案
前文的分析中，详细描述了这种列车网络通信故障产生的原因，既有线路通信质量的原因，又有源设备与ＲPT配合的原因。根据笔者的项目经验，给出针对这种故障的解决方案。
(1)优化整车电磁环境，减少对MVB通信线路的干扰。
(2)规范MVB连接器制作工艺，特别注意电缆屏蔽处理。
(3)在前期的MVB一致性测试中，增加对于t_source试验项点，了解网络中所有控制器通信板卡的t_source参数，尽量将该参数修改至4μs＜t_source＜6μs区间范围内。如果某些设备实在难以实现，可在拓扑设计时将这些设备远离ＲPT(线路传输延时也可以延长T_LI)。
(4)提高ＲPT接收器的不灵敏度。根据笔者的项目经验，提高到350mV以上能够滤除多数干扰。
结束语
城市轨道交通列车通信网络系统是一个复杂的集成系统，影响该系统工作的因素很多，可能发生的故障也多种多样。本文介绍了现场调试过程中遇到的一种典型故障，分析了故障原因，提出了相应的解决方案。在现场的故障处理过程中，应充分利用协议分析仪和示波器等仪器设备，深入分析故障的根本原因，只有这样才能最终解决问题。
参考文献:
［1］谢维达，邵德荣．城市地铁与轻轨列车的微机控制系统［J］．电力机车技术，2001，24(3):10．
［2］谢维达，赵亚辉，徐晓松．现场总线与列车通信网络［J］．工业控制计算机，2002，15(1):5．
论文作者:梁英
论文发表刊物:《防护工程》2018年第35期
论文发表时间:2019/4/4
标签：列车论文; 故障论文; 设备论文; 波形论文; 通信论文; 总线论文; 线路论文; 《防护工程》2018年第35期论文;