高速動(dòng)車組MVB通訊故障診斷軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

李申龍，孔 元，鄭雪洋

（1 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 機(jī)車車輛研究所，北京100081；2 北京縱橫機(jī)電科技有限公司，北京100094）

多功能車輛總線（Multifunction Vehcle Bus）是IEC 61375的列車通信網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)中定義的一種用于連接同一車輛或者同一編組中的總線設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)。MVB設(shè)備是指軌道交通列車上使用MVB通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的設(shè)備［1］。目前，“和諧號(hào)”、“復(fù)興號(hào)”等高速動(dòng)車組在全國(guó)范圍內(nèi)廣泛通行，基于MVB網(wǎng)絡(luò)通信的車載設(shè)備亦已研制完成并裝車使用，我國(guó)高速鐵路在理論和實(shí)踐方面取得了巨大進(jìn)展。

MVB是一種總線型拓?fù)?，用于傳輸車輛控制數(shù)據(jù)、狀態(tài)數(shù)據(jù)和故障診斷數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)信息的傳輸是建立在MVB網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)良好的前提下，而當(dāng)MVB網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)通訊異常時(shí)，如端口碰撞、從幀超時(shí)、線路問(wèn)題導(dǎo)致信號(hào)質(zhì)量差等故障，列車無(wú)法進(jìn)行正常通信和故障診斷。現(xiàn)有解決此類故障的方法為，技術(shù)人員通過(guò)查看MVB分析儀上的信息，如產(chǎn)生碰撞的端口、錯(cuò)誤的設(shè)備地址等信息來(lái)定位故障，該方法雖然有效，但十分耗時(shí)，且人的主觀因素會(huì)影響故障定位的準(zhǔn)確性。因此需要一種能快速定位MVB網(wǎng)絡(luò)故障的策略和方法。

文中以MVB協(xié)議分析儀硬件為基礎(chǔ)，結(jié)合高速動(dòng)車組MVB網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜屯ㄓ崊f(xié)議，同時(shí)對(duì)大量MVB通訊故障數(shù)據(jù)進(jìn)行了匯總和總結(jié)，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一套基于C++語(yǔ)言的故障診斷軟件。軟件實(shí)現(xiàn)了MVB數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)過(guò)濾、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、過(guò)程數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示以及MVB通訊故障診斷等功能，不僅能夠縮短故障診斷時(shí)間，還能提升故障診斷的準(zhǔn)確率。高速動(dòng)車組MVB通訊故障診斷軟件運(yùn)行在PC上，系統(tǒng)工作框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)工作框圖

1 軟件整體設(shè)計(jì)方案

MVB協(xié)議分析儀可實(shí)時(shí)獲取總線上的數(shù)據(jù)，并通過(guò)TCP協(xié)議將MVB數(shù)據(jù)發(fā)送至故障診斷軟件。故障診斷軟件與MVB分析儀建立連接后，將數(shù)據(jù)接收到本地，同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可以實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)MVB數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)顯示過(guò)程數(shù)據(jù)，也可以結(jié)合列車拓?fù)?，?duì)MVB通訊故障進(jìn)行診斷，給出診斷結(jié)果。MVB通訊故障診斷軟件功能框圖如圖2所示。

圖2 MVB通訊故障診斷軟件框圖

2 軟件基礎(chǔ)功能設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)捕獲功能

數(shù)據(jù)捕獲模塊是故障診斷軟件與MVB分析儀的橋梁，是診斷軟件最基本的功能。數(shù)據(jù)捕獲模塊將MVB分析儀發(fā)出的TCP數(shù)據(jù)包，解析為MVB數(shù)據(jù)，并按照時(shí)間順序排列顯示，解析內(nèi)容包括端口地址、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、時(shí)間戳、中斷類型以及數(shù)據(jù)內(nèi)容。捕獲后的數(shù)據(jù)如圖3所示。

一個(gè)完整的MVB數(shù)據(jù)幀包括：主幀起始分界符、主幀數(shù)據(jù)、主幀CRC校驗(yàn)、主幀終止符、從幀起始分界符、從幀數(shù)據(jù)、從幀CRC校驗(yàn)和從幀終止符。圖3中每一行表示一份MVB數(shù)據(jù)，其中“F碼”列與“地址”列為主幀數(shù)據(jù)內(nèi)容，“數(shù)據(jù)”列為從幀數(shù)據(jù)內(nèi)容，“錯(cuò)誤”列和“中斷”列為數(shù)據(jù)幀診斷結(jié)果，“相對(duì)時(shí)間”列表示前后兩個(gè)數(shù)據(jù)幀的時(shí)間間隔。

圖3 捕獲后的數(shù)據(jù)

2.2 數(shù)據(jù)過(guò)濾功能

MVB總線上的端口個(gè)數(shù)多、數(shù)據(jù)內(nèi)容量大，需要一種能夠快速篩選出MVB端口，以便定位故障，因此本軟件設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)過(guò)濾模塊。

數(shù)據(jù)過(guò)濾模塊可以針對(duì)端口的F碼、端口地址、錯(cuò)誤類型、中斷類型、從幀數(shù)據(jù)內(nèi)容等參數(shù)進(jìn)行過(guò)濾，其數(shù)據(jù)過(guò)濾參數(shù)說(shuō)明見(jiàn)表1。過(guò)濾模塊界面及過(guò)濾內(nèi)容具體含義如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)過(guò)濾界面

表1 數(shù)據(jù)過(guò)濾參數(shù)說(shuō)明

使用數(shù)據(jù)過(guò)濾功能時(shí)，每一行表示一條過(guò)濾規(guī)則，一條過(guò)濾規(guī)則可以填寫(xiě)多列過(guò)濾條件，一行中的多個(gè)過(guò)濾條件為邏輯“與”的關(guān)系。一次過(guò)濾，最多可以同時(shí)設(shè)置15行過(guò)濾規(guī)則，不同行過(guò)濾規(guī)則之間為邏輯“或”的關(guān)系。

數(shù)據(jù)過(guò)濾模塊可以快速定位故障端口，便于現(xiàn)場(chǎng)排查故障。同時(shí)在分析MVB報(bào)文時(shí)，也可以過(guò)濾從幀數(shù)據(jù)內(nèi)容，更直觀的查看MVB端口在一段時(shí)間內(nèi)的狀態(tài)或數(shù)值變化。下面以1128端口為例，對(duì)數(shù)據(jù)過(guò)濾模塊做簡(jiǎn)要說(shuō)明：

將過(guò)濾條件設(shè)為“端口地址：1128”，過(guò)濾后的結(jié)果如圖5所示。過(guò)濾后的結(jié)果為所有MVB端口為1128的數(shù)據(jù)幀。其中“F碼”列為“3”表示1128端口為過(guò)程數(shù)據(jù)端口，從幀數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為16字節(jié)；“錯(cuò)誤”列為“000000”表示數(shù)據(jù)幀正常無(wú)錯(cuò)誤；“中斷”列“SFC”表示總線上檢測(cè)到1128端口的有效從幀（Slave Frame Checked）；“相對(duì)時(shí)間”列表示總線上1128數(shù)據(jù)幀的幀間隔，可以看出1128端口的主幀輪詢周期為64 ms；“數(shù)據(jù)”列為1128端口的從幀數(shù)據(jù)內(nèi)容，通過(guò)數(shù)據(jù)過(guò)濾模塊可以方便的查看1128端口從幀數(shù)據(jù)，按照協(xié)議規(guī)定，1128端口第二個(gè)字節(jié)表示生命信號(hào)，過(guò)濾后的數(shù)據(jù)可以清楚的看出設(shè)備生命信號(hào)在變化，若生命信號(hào)不變化，則可認(rèn)為設(shè)備出現(xiàn)了故障。

圖5 1128端口數(shù)據(jù)

2.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)功能

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)模塊可以實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)MVB分析儀捕獲的總線數(shù)據(jù)，并對(duì)MVB總線整體通信質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)功能界面如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)功能界面

其中“報(bào)文”數(shù)據(jù)框按照MVB數(shù)據(jù)幀的類型分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，分為“過(guò)程數(shù)據(jù)”列（F碼0-4），“消息數(shù)據(jù)”列（F碼12），“設(shè)備狀態(tài)”列（F碼15），“事件輪詢”列（F碼8、9、13、14）以及“未知類型”列（F碼5、6、7、10、11）。對(duì)于各項(xiàng)統(tǒng)計(jì)，“正?！毙斜硎局鲙瑥膸ㄐ耪?；“無(wú)應(yīng)答”表示在規(guī)定時(shí)間內(nèi)從幀無(wú)應(yīng)答；“錯(cuò)誤”列表示其他類型的MVB數(shù)據(jù)幀?！坝?jì)數(shù)”框統(tǒng)計(jì)了分析儀收到的數(shù)據(jù)幀總數(shù)及異常數(shù)據(jù)幀數(shù)，并給出了異常比例。“總幀數(shù)”為總線上主幀與從幀之和，“異常數(shù)”為總線上的各種錯(cuò)誤幀總數(shù)。

通過(guò)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)模塊，可以初步判斷網(wǎng)絡(luò)整體狀態(tài)。

2.4 過(guò)程數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示功能

過(guò)程數(shù)據(jù)是一種周期性數(shù)據(jù)，采用邏輯地址，以固定時(shí)間間隔、源尋址廣播的方式發(fā)送，用于傳輸列車的控制信息。此類數(shù)據(jù)特點(diǎn)是數(shù)據(jù)完整性高、采用周期性傳輸、延時(shí)低、抖動(dòng)?。?］。

過(guò)程數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示模塊可以實(shí)時(shí)顯示從MVB總線上捕獲的所有過(guò)程數(shù)據(jù)，并按照端口地址羅列統(tǒng)計(jì)結(jié)果。過(guò)程數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示界面如圖7所示。

圖7 過(guò)程數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示界面

該模塊對(duì)MVB過(guò)程數(shù)據(jù)相應(yīng)的F碼、端口地址、主幀總數(shù)、從幀總數(shù)、錯(cuò)誤總數(shù)、特征周期、最小周期、最大周期及從幀數(shù)據(jù)等內(nèi)容予以統(tǒng)計(jì)和顯示。通過(guò)“錯(cuò)誤總數(shù)”列可以識(shí)別出問(wèn)題MVB端口，再結(jié)合通訊協(xié)議可以快速定位故障設(shè)備。通過(guò)特征周期、最小周期、最大周期3個(gè)參數(shù)可以評(píng)價(jià)過(guò)程數(shù)據(jù)端口的通訊周期是否穩(wěn)定，以及是否符合通訊協(xié)議中的要求。

3 MVB通訊故障診斷功能

為了方便現(xiàn)場(chǎng)故障定位和調(diào)試，本軟件通過(guò)上述MVB數(shù)據(jù)捕獲功能，匯總了大量故障數(shù)據(jù)，并結(jié)合列車網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹⒘熊嘙VB接線圖及列車通訊協(xié)議，整理并總結(jié)出了一套快速定位MVB通訊故障的方法。高速動(dòng)車組的簡(jiǎn)易MVB網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D8所示，其中綠色線為MVB總線。

圖8 高速動(dòng)車組簡(jiǎn)易MVB拓?fù)?/p>

軟件在進(jìn)行故障診斷前，需先設(shè)置MVB網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜团渲肕VB通信協(xié)議。MVB網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒∕VB設(shè)備、中繼器、總線管理器，以及他們之間的連接關(guān)系；MVB通信協(xié)議包括設(shè)備的設(shè)備地址、過(guò)程數(shù)據(jù)端口地址、過(guò)程數(shù)據(jù)端口長(zhǎng)度、生命信號(hào)字節(jié)偏移等信息。軟件可根據(jù)已配置的列車拓?fù)浜蚆VB通訊協(xié)議，在列車發(fā)生MVB通訊故障時(shí)，快速定位出以下幾種故障：

3.1 總線管理器故障

MVB網(wǎng)絡(luò)是一種總線式網(wǎng)絡(luò)，為了保證總線上各設(shè)備之間網(wǎng)絡(luò)通信的可靠性和實(shí)時(shí)性，需要由MVB總線的主設(shè)備即總線管理器（Bus Adminis?trator，簡(jiǎn)稱BA）調(diào)度各設(shè)備之間的通信［3］，MVB總線的任何活動(dòng)都是由總線管理器發(fā)起的，總線管理器先發(fā)送一個(gè)主幀，然后被主幀尋址的MVB設(shè)備就響應(yīng)一個(gè)從幀，主幀加從幀組成一條完整的MVB報(bào)文。當(dāng)軟件接收不到任何總線上的主幀數(shù)據(jù)時(shí)，即認(rèn)為發(fā)生總線管理器故障。

3.2 過(guò)程數(shù)據(jù)輪詢周期異常

為了保證列車控制數(shù)據(jù)通信的實(shí)時(shí)性和確定性，同時(shí)保證充分利用帶寬，總線管理器會(huì)按照端口的特征周期去輪詢過(guò)程數(shù)據(jù)。

軟件會(huì)統(tǒng)計(jì)過(guò)程數(shù)據(jù)端口的特征周期、最小周期、最大周期3個(gè)時(shí)間參數(shù)，特征周期為接收到的過(guò)程數(shù)據(jù)端口時(shí)間間隔的平均值。對(duì)某特定過(guò)程數(shù)據(jù)端口，當(dāng)最小周期小于特征周期的一半或最大周期大于特征周期的一倍時(shí)，軟件會(huì)報(bào)出此端口輪詢周期異常。

3.3 MVB設(shè)備通訊故障

設(shè)備通訊故障為MVB通訊中最常見(jiàn)的故障，發(fā)生此類故障的原因很多，但其表現(xiàn)形式均為過(guò)程數(shù)據(jù)報(bào)文從幀內(nèi)容異常，如設(shè)備故障導(dǎo)致不回復(fù)從幀、MVB端口碰撞導(dǎo)致從幀錯(cuò)誤、線路質(zhì)量差導(dǎo)致從幀丟失等。發(fā)生設(shè)備通訊故障時(shí)，過(guò)程數(shù)據(jù)端口在總線上的不同表現(xiàn)形式如圖9所示。當(dāng)軟件檢測(cè)到過(guò)程數(shù)據(jù)端口發(fā)生異常時(shí)，結(jié)合配置的MVB協(xié)議，能夠快速定位故障設(shè)備。

圖9 350端口從幀狀態(tài)

3.4 中繼器通訊故障

中繼器為MVB通信中的0類設(shè)備，用于實(shí)現(xiàn)信號(hào)的再生和放大。由于中繼器僅用于MVB信號(hào)的轉(zhuǎn)發(fā)，其本身并不具備數(shù)據(jù)通信能力，因此當(dāng)列車中繼器設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，很難直接定位故障原因。軟件可以結(jié)合MVB拓?fù)浜涂偩€狀態(tài)，間接定位中繼器故障。

以圖1拓?fù)錇槔?，?dāng)檢測(cè)到3車中繼器下所有設(shè)備（制動(dòng)控制單元、輔助控制單元、受電弓控制器、門(mén)控器、空調(diào)）均報(bào)出通信異常時(shí)，則認(rèn)為3車中繼器發(fā)生故障。

4 總結(jié)與展望

當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生MVB通訊故障時(shí)，MVB通訊故障診斷軟件可以幫助維護(hù)人員快速定位故障設(shè)備，縮短了故障診斷時(shí)間，同時(shí)還提升了故障診斷的準(zhǔn)確率。實(shí)際使用過(guò)程中，軟件對(duì)文中提到的幾種故障定位準(zhǔn)確。但MVB通訊故障產(chǎn)生的原因復(fù)雜，表現(xiàn)形式多種多樣，如當(dāng)某故障設(shè)備影響其他設(shè)備正常通訊，或多個(gè)設(shè)備同時(shí)發(fā)生MVB通訊故障時(shí)，軟件對(duì)這些故障診斷的準(zhǔn)確率會(huì)下降，對(duì)此類故障數(shù)據(jù)的收集和故障特征信息的提取是后續(xù)研究的重點(diǎn)。