MVB冗余總線故障模式分析

陳志強

(1．北京全路通信信號研究設(shè)計院集團有限公司，北京 100070；2．北京市高速鐵路運行控制系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，北京 100070)

1 概述

多功能車輛總線(Multifunction Vehicle Bus，MVB)是針對車輛內(nèi)部功能設(shè)備數(shù)據(jù)通信的現(xiàn)場總線[1]，是列車通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)(Train Communication Network，TCN)的核心部分之一。目前國內(nèi)的CRH和諧號系列和CR復(fù)興號系列動車組均大量采用基于MVB標準的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，總線通信系統(tǒng)的高效可靠傳輸是列車設(shè)備正常運行的基本前提。由于列車車載設(shè)備眾多，總線信道環(huán)境一般較為惡劣，受到的干擾較多，為提高總線通信可靠性，文獻[2-3]側(cè)重于從總線傳輸原理的角度出發(fā)，在設(shè)計階段盡量提高總線的抗干擾性和通信性能，即在源頭預(yù)防總線通信故障的發(fā)生。文獻[4-6]側(cè)重于列車設(shè)備的運營維護及檢修維護階段，通過測量定位和消除總線故障。作為一種具有實際意義的提高通信可靠性的方法，文獻[1]規(guī)定了MVB總線可采用冗余通信方式，詳細定義了冗余總線的物理層連接方式、切換策略以及鏈路層數(shù)據(jù)中冗余信息的定義。文獻[7-9]進一步對冗余總線的實現(xiàn)機制、冗余切換方法、冗余切換測試方法進行研究和說明。

總線不同部件失效會導(dǎo)致不同的故障現(xiàn)象，單線MVB總線的故障模式分析相對簡單。對于MVB冗余總線，由于同時存在兩路獨立的MVB總線，兩路總線的故障現(xiàn)象并不完全一致，故障情況較為復(fù)雜，不能簡單等效于兩路單線故障的疊加。目前尚未有文獻對此進行研究。本文將結(jié)合總線拓撲結(jié)構(gòu)，對不同部件不同失效情況下的MVB冗余總線故障模式進行深入分析與總結(jié)，用以指導(dǎo)后續(xù)MVB冗余總線的應(yīng)用與故障排查。

2 MVB冗余總線實現(xiàn)方式

MVB總線冗余線纜的連接方式如圖 1所示，單個DB9連接器中存在A、B雙路總線，每路總線采用RS-485差分信號傳輸方式，如圖1中A路總線的RS-485差分總線對為A.Data_P和A.Data_N信號線，各MVB設(shè)備按照RS-485差分總線連接標準跨接在雙路總線上。接收數(shù)據(jù)時，各設(shè)備同時接收A、B雙路總線信號，按照自身接收情況選擇質(zhì)量較優(yōu)的一路作為信任總線。另一路作為觀測總線。信任總線上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)被采信和使用，觀測總線作為備用。若檢測到當前信任總線存在通信質(zhì)量問題，設(shè)備將原先的觀測總線設(shè)置為信任總線，原先的信任總線設(shè)置為觀測總線。各設(shè)備對信任總線/觀察總線的判斷、選擇與切換是獨立的，彼此沒有相關(guān)性。譬如某一時刻設(shè)備1選擇A線作為信任總線，設(shè)備2可能會選擇B線作為信任總線。當設(shè)備1進行信任總線/觀察總線切換時，設(shè)備2的不會受到任何影響。發(fā)送數(shù)據(jù)時，無論設(shè)備信任總線為A線或B線，各MVB設(shè)備都會同時往A/B總線發(fā)送數(shù)據(jù)，確保所發(fā)送數(shù)據(jù)會同時出現(xiàn)在A、B雙路總線上。

圖1 MVB總線冗余連接方式Fig.1 MVB bus redundant connection mode

根據(jù)設(shè)備種類的不同，MVB總線設(shè)備的冗余實現(xiàn)方式大體上分為兩類。第1類為Class1-5設(shè)備，這些設(shè)備具備完備的MVB總線控制器功能，可實現(xiàn)總線鏈路層完整的編解碼功能。一種典型的Class 1類型設(shè)備的實現(xiàn)框圖如圖2所示。在數(shù)據(jù)發(fā)送部分，編碼模塊產(chǎn)生的輸出信號同時控制A、B兩路總線輸出驅(qū)動電路，也即模塊所發(fā)送的數(shù)據(jù)在A、B兩路總線上完全相同。第2類為Class 0設(shè)備，典型的即為MVB Repeater設(shè)備，這類設(shè)備主要用于增加總線的通信距離。為降低數(shù)據(jù)延遲時間，MVB Repeater設(shè)備只會在總線物理層對波形進行信號調(diào)理、再生和放大，不會在鏈路層實現(xiàn)完整的數(shù)據(jù)編解碼功能，實現(xiàn)方式較為簡單。一種典型Class 0設(shè)備Repeater的實現(xiàn)框圖如圖3所示，A、B兩路總線處理通道完全是獨立且互不相關(guān)的，A、B兩路輸出電路的驅(qū)動信號也是獨立的，Repeater設(shè)備發(fā)送的A、B兩路總線數(shù)據(jù)并不一定完全相同。

圖2 MVB Class 1設(shè)備冗余總線實現(xiàn)示意圖Fig.2 MVB Class 1 equipment redundant bus implementation diagram

3 總線拓撲結(jié)構(gòu)

總線故障模式與總線拓撲結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)。MVB總線設(shè)備分為主站設(shè)備、從站設(shè)備和Repeater設(shè)備3類，其組成的典型總線拓撲結(jié)構(gòu)如圖 4所示。整條總線由總線子段1、總線子段2組成，兩條子段都是冗余總線，并通過一個總線中繼器Repeater互聯(lián)互通。主設(shè)備作為整條總線的主站管理設(shè)備，位于總線子段1中。從設(shè)備11、12位于總線子段1，從設(shè)備21、22位于總線子段2，圖中的S11、S12表示組成總線子段1中的各個總線段，S21、S22表示組成總線子段2中的各個總線段。值得說明的是，實際應(yīng)用中為擴展總線通信距離，往往會采用2個總線中繼器Repeater，但由于Repeater的功能僅僅是物理層信號的重塑與放大，不參與實際通信，在充分考慮Repeater給通信數(shù)據(jù)帶來延遲的前提下，將2個Repeater簡化為模型中的1個Repeater是合理的，不影響分析結(jié)論。

4 冗余總線故障模式分析

結(jié)合上述總線拓撲結(jié)構(gòu)，在考慮單點失效的情況下，總線各部件的失效以及其導(dǎo)致的故障模式分析結(jié)果列舉如下。

1）線纜故障

a. 線纜屏蔽層不理想，或者屏蔽層線纜接地不理想

影響：導(dǎo)致各設(shè)備接收到的總線波形失真，通信質(zhì)量下降，誤碼率明顯升高，且出現(xiàn)錯誤的端口呈現(xiàn)均勻分布，各從設(shè)備的信任總線選擇會在A路總線和B路總線間來回切換。

b.單路線纜出現(xiàn)了斷線或連接器縮針

影響：若S11出現(xiàn)了A路總線斷線或連接器縮針，B線總線良好，從設(shè)備11、從設(shè)備12、從設(shè)備21、從設(shè)備22均無法在A線上接收到主幀輪詢信號，總線子段1和總線子段2的A線會處于靜默狀態(tài)。根據(jù)MVB冗余總線的切換策略，所有的設(shè)備都將使用B線作為信任總線，A線作為觀測總線，不影響正常通信。

圖3 MVB Class 0設(shè)備冗余總線實現(xiàn)示意圖Fig.3 MVB Class 0 equipment redundant bus implementation diagram

圖4 MVB總線典型拓撲結(jié)構(gòu)Fig.4 MVB bus typical topology

若S12出現(xiàn)A路總線斷線或連接器縮針，B路總線良好，則從設(shè)備12、21、22無法在A線上接收到主幀輪詢信號，從設(shè)備12、21、22會使用B線作為信任總線，A線作為觀測總線。雖然從設(shè)備11仍可以從A線收到主幀信號，但無法從A線上接收到從設(shè)備12、21、22發(fā)送的從幀信號。若從設(shè)備11只關(guān)注主設(shè)備發(fā)送的主幀從幀信號，則從設(shè)備11可使用任意總線作為信任總線。若從設(shè)備11需要使用從設(shè)備12、21、22的從幀信號，則從設(shè)備11會使用B線作為信任總線，A線作為觀測總線。無論哪種情況，均不影響正常通信。

若S21出現(xiàn)A路總線斷線或連接器縮針，B路總線良好，則從設(shè)備21會使用B線作為信任總線，A線作為觀測總線。若不接收從設(shè)備21發(fā)送的從幀，從設(shè)備11、12、22會在A、B中隨意選擇信任總線。若需要關(guān)注從設(shè)備21發(fā)送的從幀，從設(shè)備11、12、22會使用B線作為信任總線，A線作為觀測總線。無論哪種情況，均不影響正常通信。

c.雙路線纜出現(xiàn)斷路或連接器縮針

影響：若S11出現(xiàn)雙路總線斷線或連接器縮針，所有從設(shè)備無法接收到主幀輪詢信號，總線A線和B線處于靜默狀態(tài)。根據(jù)冗余總線切換策略，所有設(shè)備的信任總線會在A線、B線之間來回切換，整個系統(tǒng)無法正常通信。

若S12出現(xiàn)雙路總線斷線或連接器縮針，從設(shè)備12、21、22無法收到任何主幀，其信任總線會在A線、B線之間來回切換。雖然從設(shè)備11可以收到完整主幀，但其從A線、B線均無法接收到從設(shè)備12、21、22發(fā)送過來的任何從幀數(shù)據(jù)。因此從設(shè)備11會從A線、B線中任意選擇一路作為信任總線進行工作，整個系統(tǒng)無法正常通信。

若S22出現(xiàn)雙路總線斷線或連接器縮針，從設(shè)備21、22無法收到任何主幀，其信任總線會在A線、B線之間來回切換。從設(shè)備11、12會從A線、B線中任意選擇一路作為信任總線進行工作，整個系統(tǒng)無法正常工作。

2）主站故障

a.主站發(fā)生設(shè)備失效

影響：主站設(shè)備失效時，整個總線上不再出現(xiàn)輪詢主幀信號，或者出現(xiàn)錯誤的輪詢主幀，整個總線系統(tǒng)將無法正常工作。

b.主站發(fā)送的輪詢主幀周期出現(xiàn)抖動

影響：總線系統(tǒng)可以進行通信，但通信性能會下降，數(shù)據(jù)通信實時性不一定能得到保障。

c.主站單路發(fā)送電路驅(qū)動能力下降或失效

影響：若主設(shè)備的A線驅(qū)動能力出現(xiàn)下降或失效，B線功能正常。雖然Repeater可以對A線的錯誤物理波形進行過濾和修正，但不可能徹底修復(fù)。A線主幀輪詢數(shù)據(jù)的缺陷會導(dǎo)致所有從設(shè)備使用B線作為信任總線，A線作為觀測總線。整個系統(tǒng)通信正常。

d.主站雙路發(fā)送電路驅(qū)動能力下降或失效

影響：整個總線上不再出現(xiàn)輪詢主幀信號，或者出現(xiàn)錯誤的輪詢主幀，整個總線系統(tǒng)將無法正常工作。

3)從站設(shè)備

a.從站發(fā)生設(shè)備失效

影響：單個從幀設(shè)備的失效不影響其它從站設(shè)備之間的相互通信，總線上的輪詢主幀仍會保持正常傳輸。

b.從站單路發(fā)送電路驅(qū)動能力下降或失效

影響：如果從設(shè)備11的A線發(fā)送電路驅(qū)動能力下降或失效，其他從設(shè)備將無法從A線上獲得從設(shè)備11發(fā)送的從幀信號，但可以從B線上獲得A線發(fā)送的從幀信號。其余所有從設(shè)備會將B線設(shè)置為信任總線，將A線設(shè)置為觀測總線，整個系統(tǒng)保持通信正常。

c.從站雙路發(fā)送電路驅(qū)動能力下降或失效

影響：如果從設(shè)備11的雙路發(fā)送電路驅(qū)動能力下降或失效，其他從設(shè)備將無法從總線上獲得從設(shè)備11發(fā)送的從幀信號，無法獲得設(shè)備11發(fā)送的數(shù)據(jù)。對于A線和B線，由于都沒有設(shè)備11的從幀信號，無法進行對比，其他所有從設(shè)備會自主選擇一條總線作為信任總線。

4）Repeater故障

a.Repeater的單路出現(xiàn)了故障，導(dǎo)致無法正常轉(zhuǎn)發(fā)所有總線數(shù)據(jù)

影響：如果Repeater的A線發(fā)生了故障，B線保持正常。因為總線子段2的A線沒有主幀信號，B線存在主幀信號，從設(shè)備21、22會選擇B線作為信任總線，A線作為觀測總線。從設(shè)備11、22會自主選擇一條總線作為信任總線。整個系統(tǒng)保持通信正常。

b.Repeater的雙路出現(xiàn)了故障，導(dǎo)致無法正常轉(zhuǎn)發(fā)所有總線數(shù)據(jù)

影響：總線子段1的A線、B線均存在正常的主幀信號，總線子段2的A線、B線均沒有主幀信號，從設(shè)備21、22的信任總線會在A線、B線之間反復(fù)切換，從設(shè)備11、22會自主選擇一條總線作為信任總線。主設(shè)備、從設(shè)備11、從設(shè)備12之間的通信正常，從設(shè)備21、從設(shè)備22不能與其他設(shè)備進行通信。

c.Repeater單路出現(xiàn)異常情況，導(dǎo)致對某一或某幾個特定端口主幀數(shù)據(jù)出現(xiàn)處理錯誤，無法轉(zhuǎn)發(fā)主幀輪詢數(shù)據(jù)幀

影響：如果A線存在某一或幾個特定端口主幀輪詢信號的缺失，B線一切正常。從設(shè)備被動地響應(yīng)主幀信號的輪詢，但由于A線并不是完全缺失主幀信號，而僅僅存在部分主幀信號缺失，從設(shè)備將無法檢測到A線存在故障。所有從設(shè)備將會自主選擇一條總線作為信任總線，若存在選擇A線作為信任總線的從設(shè)備，會導(dǎo)致通信間歇性出現(xiàn)故障。

d.Repeater雙路出現(xiàn)異常情況，導(dǎo)致對某一或某幾個特定端口主幀數(shù)據(jù)出現(xiàn)處理錯誤，無法轉(zhuǎn)發(fā)主幀輪詢數(shù)據(jù)幀

影響：總線的A線和B線均存在某一或某幾個特定端口主幀輪詢信號的缺失，從設(shè)備會被動地響應(yīng)主幀信號的輪詢，但由于總線并不是完全缺失主幀信號，而僅僅存在部分主幀信號缺失，從設(shè)備將無法檢測到當前信任總線存在故障，所有從設(shè)備將會自主選擇一條總線作為信任總線，主幀輪詢信號的缺失會導(dǎo)致通信間歇性出現(xiàn)故障。

5 總結(jié)和展望

高鐵應(yīng)用中廣泛采用MVB冗余總線以提升通信可靠性，總線不同部件的失效會導(dǎo)致不同的故障模式。MVB冗余總線的故障現(xiàn)象較為復(fù)雜，需要經(jīng)過較為復(fù)雜的分析才能進行故障定位，給實際應(yīng)用帶來了不便。本文通過構(gòu)建MVB冗余總線拓撲結(jié)構(gòu)，采用窮舉法對不同部件不同失效情況下的MVB冗余總線故障模式進行深入分析與總結(jié)，所得結(jié)論對于設(shè)計MVB總線控制電路、優(yōu)化冗余總線切換邏輯、提升總線通信質(zhì)量、定位總線故障原因都具有重要指導(dǎo)意義。