MVB總線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)常見故障的分析和研究

尹龍龍

摘 要：車輛的控制功能經(jīng)歷了由硬線控制為主到網(wǎng)絡(luò)控制為主的階段，整車的設(shè)計原則逐步變?yōu)椤熬W(wǎng)絡(luò)優(yōu)先，硬線備份”，所以網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在車輛中的設(shè)計地位愈加突出，為了更好地做好車輛的維護，運營人員需具備網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)常見故障的分析能力和解決能力，本文以多功能車輛總線（Multifunction Vehicle Bus，以下簡稱MVB）網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)為例，結(jié)合日常車輛的運營維護，對常見故障進行分析、總結(jié)和研究，希望對車輛運營能夠提供建設(shè)性指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：硬線控制;網(wǎng)絡(luò)控制;常見故障;多功能車輛總線;指導(dǎo)

為了更好地保證列車安全運營，同時做好車輛的維護和檢修，需要針對性地對網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)常見故障進行分析、總結(jié)和研究。

1車輛設(shè)計原則

城軌地鐵列車通信網(wǎng)絡(luò)是用于城軌地鐵列車這一特殊環(huán)境中的工業(yè)控制計算機局域網(wǎng)絡(luò)，它是一個綜合監(jiān)控系統(tǒng)，可以實現(xiàn)對地鐵列車的牽引傳動、制動、輔助供電、車門、空調(diào)、車載廣播等子系統(tǒng)的綜合控制、狀態(tài)監(jiān)視以及故障診斷。

早期的城軌地鐵列車，由于其大多采用硬線進行列車控制及信息傳輸，但是隨著隨著工業(yè)控制技術(shù)的迅速發(fā)展，以及列車控制方式的改變，城軌地鐵列車越來越多的依靠列車網(wǎng)絡(luò)進行列車控制、監(jiān)視以及診斷信息的傳輸，整車的設(shè)計原則逐步變?yōu)椤熬W(wǎng)絡(luò)優(yōu)先，硬線備份”，所采用的列車網(wǎng)絡(luò)通信方式主要有MVB總線等其它制式。

2網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)搭建

列車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)按照IEC61375標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的列車通信網(wǎng)絡(luò)組建，整體劃分為兩級：列車級和車輛級。列車級總線采用EMD通信介質(zhì)的MVB，車輛總線中各子系統(tǒng)采用MVB接口;如果子系統(tǒng)不支持MVB接口，可采用RS485轉(zhuǎn)MVB網(wǎng)關(guān)，通過網(wǎng)關(guān)接入MVB總線。

MVB總線采用A路和B路冗余方式傳輸，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕瑐鬏斔俾蕿?.5Mbit/s[1]。MVB總線可以傳輸過程數(shù)據(jù)、消息數(shù)據(jù)和監(jiān)視數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)為所有子系統(tǒng)設(shè)備留有標(biāo)準(zhǔn)的通信接口，并具有成熟可靠的接口通訊規(guī)范，所有具有MVB通訊接口的子系統(tǒng)都能可靠接入。與列車運行及安全有關(guān)的控制除由列車通信網(wǎng)絡(luò)進行控制外，還設(shè)有硬件電路作為備份。對于不能通過列車通信網(wǎng)絡(luò)直接接口的外圍設(shè)備，可以通過遠(yuǎn)程數(shù)字/模擬輸入以及協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)與列車通信網(wǎng)絡(luò)相連接。

連接到總線上各個子系統(tǒng)的控制單元主要包括：信號系統(tǒng)控制單元、牽引控制單元、制動控制單元、輔助控制單元、空調(diào)控制單元、車門控制單元、列車乘客信息系統(tǒng)控制單元等。整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)包括車載硬件、操作系統(tǒng)、控制軟件、診斷軟件、監(jiān)視軟件和維護工具等。

3 MVB總線介紹

3.1連接器接線

按照標(biāo)準(zhǔn)要求，MVB連接器中的引腳接線規(guī)則如下圖一所示，Pin1： A.data_p（正）;Pin2： A.data_n（負(fù)）;Pin4： B.data_p（正）;Pin5： B.data_n（負(fù)）。

3.2設(shè)備接線

設(shè)備接線如下圖圖二所示，黃色部分代表MVB線纜，每根電纜中只需要4芯屏蔽線，即對應(yīng)MVB連接器中的Pin1、Pin2、Pin4和Pin5。如下圖圖二所示，6個設(shè)備只用到了5根線，因為6個設(shè)備是通過這5根線串接，而不是環(huán)網(wǎng)連接，所以在每個網(wǎng)段中會出現(xiàn)兩個終端設(shè)備，終端設(shè)備必須接上終端連接器。終端連接器如下圖圖三所示，圖中的Zt表示MVB設(shè)備內(nèi)部終端電阻，標(biāo)準(zhǔn)的MVB設(shè)備都自帶120歐姆電阻，其中A路和B路分別各帶一個，通常MVB終端是指一種特殊的MVB連接器，連接器內(nèi)部只需要把對應(yīng)的管腳短接即可，短接的方法為Pin1短接Pin6，Pin2短接Pin7，Pin4短接Pin8，Pin5短接Pin9。

3.3通訊建立

當(dāng)接線確認(rèn)沒問題后，需要進一步進行整車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通訊的建立。MVB設(shè)備通常分為以下兩種：第一種，帶有總線調(diào)度管理功能（Bus Administrator，以下簡稱BA[2]），如4類（及以上）設(shè)備;第二種，不具備BA功能，如0類、1類、2類、3類設(shè)備。整車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中有且只能有一個設(shè)備具有BA功能，例如網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的中央控制單元，其余子系統(tǒng)（如牽引系統(tǒng)、制動系統(tǒng)等）均不能具有BA功能。MVB通訊數(shù)據(jù)類型包括過程數(shù)據(jù)、消息數(shù)據(jù)和監(jiān)視數(shù)據(jù)，用于列車控制的90%以上都是過程數(shù)據(jù)，過程數(shù)據(jù)通訊以端口號為邏輯地址進行尋址，過程數(shù)據(jù)端口大小采用Fcode[3]來表示，F(xiàn)code對應(yīng)的端口大小如下表表1所示。

MVB過程數(shù)據(jù)通訊至少需要兩個設(shè)備，一個設(shè)備是具有過程數(shù)據(jù)通訊能力且含有BA功能，命名為設(shè)備B;另一個設(shè)備是具有過程數(shù)據(jù)通訊能力但不含有BA功能，命名為設(shè)備A。如果網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中沒有具有BA功能的設(shè)備，通訊是無法建立的，而且總線中有且只有1個設(shè)備可以具有BA功能。

BA負(fù)責(zé)每一次數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌l(fā)起，BA發(fā)出對應(yīng)的主幀，對應(yīng)的其他匹配的設(shè)備（包括BA設(shè)備本身）回應(yīng)對應(yīng)從幀，不是匹配的設(shè)備不會發(fā)出從幀，總線上其他任意設(shè)備可以對這個數(shù)據(jù)進行監(jiān)聽。

下述以設(shè)備A和設(shè)備B為例介紹MVB過程數(shù)據(jù)通訊過程，如上圖圖四所示：

（1）BA設(shè)備（B設(shè)備）發(fā)出端口1的主幀，對應(yīng)的源設(shè)備A（此端口配置為SOURCE 源的設(shè)備）接收到主幀后，回復(fù)從幀1;

（2）BA設(shè)備（B設(shè)備）發(fā)出端口2的主幀，對應(yīng)的源設(shè)備B（此端口配置為SOURCE 源的設(shè)備）接收到主幀后，回復(fù)從幀2。

理解上述兩個設(shè)備的通訊原理后，對于多個設(shè)備進行MVB通訊的原理，參考如下圖圖五所示：總線管理器發(fā)送對應(yīng)的主幀，源設(shè)備響應(yīng)并回復(fù)對應(yīng)的從幀，同時所有的接收設(shè)備接收從幀數(shù)據(jù)。

4常見故障分析

根據(jù)上述章節(jié)的介紹，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的常見故障可以分為兩類：第一類故障，故障點定位在MVB連接器或者MVB接線上，我們簡稱為物理層故障，可通過線纜分析儀輔助查找故障點;第二類故障，故障點定位在MVB通訊數(shù)據(jù)上，我們簡稱為邏輯層故障，可通過協(xié)議分析儀輔助查找故障點。兩類故障并沒有強調(diào)各自解決問題的獨立性，往往在查找故障時，需要同時結(jié)合處理兩類故障的方法來解決問題。下面我們簡單根據(jù)實際運營維護中的經(jīng)驗，進行簡要闡述和分析。

4.1物理層故障

MVB線纜為屏蔽線，屬特殊線纜，一般分為四芯雙絞屏蔽線和兩芯屏蔽線。正常通過線纜分析儀測試一段MVB線，測試結(jié)果如下圖圖六所示，紅黑代表A路，橙黃代表B路，S代表屏蔽層。

當(dāng)異常時，會出現(xiàn)線纜中間有斷點，如下圖圖七所示，A路中存在斷點。

同樣，還會出現(xiàn)接線交叉的情況，如下圖圖八和圖九所示，圖八中A路內(nèi)部線序交叉，圖九中A路和B路線序出現(xiàn)交叉。

另外，還有一些故障屏蔽層處理不好，有毛刺，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)不穩(wěn)定，如下圖圖十所示，無法測出屏蔽。

4.2邏輯層故障

按照上述章節(jié)描述，當(dāng)具有BA功能的設(shè)備發(fā)出主幀時，被調(diào)度的設(shè)備需要回復(fù)從幀，但是在實際運營過程中，有些設(shè)備會出現(xiàn)離線，通過協(xié)議分析儀進行總線數(shù)據(jù)的抓取，基本確認(rèn)是設(shè)備未回復(fù)從幀或者回復(fù)從幀的波形不符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，例如穩(wěn)態(tài)幅值不在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的±1.5V～±5.5V之間。

設(shè)備未回復(fù)從幀的情況，如下圖圖十一所示，藍色代表A路，紅色代表B路，主幀已經(jīng)發(fā)出調(diào)度，但是下圖中只有B路回復(fù)從幀，而A路未回復(fù)，所以會出現(xiàn)當(dāng)A路作為信任線時，部分設(shè)備因為長時間未回復(fù)從幀而網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)判斷該設(shè)備離線。

另一種情況如下圖圖十二所示，設(shè)備雖然回復(fù)從幀，但是對比正常的A路從幀波形，B路從幀波形已經(jīng)出現(xiàn)嚴(yán)重畸變，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)無法解析，從而判斷該設(shè)備離線。

另外，其它邏輯層故障還包括比如主幀畸變，導(dǎo)致從設(shè)備無法解析，無法回復(fù)從幀數(shù)據(jù)，從而判定設(shè)備離線;還有比如主幀和從幀碰撞重疊，導(dǎo)致無法解析，進而判定設(shè)備離線等。

5總結(jié)

上述僅簡單列舉出列車運營和維護檢修過程中常見的MVB總線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)故障，通常在實際查找故障時需要同時結(jié)合處理物理層故障和邏輯層故障兩類故障的方法來解決問題，如果通過線纜分析儀進行全列車校線和連接器接線確認(rèn)后，無法具體定位故障點，可以通過協(xié)議分析儀逐網(wǎng)段進行總線數(shù)據(jù)的抓取，進而定位故障點。

參考文獻：

[1] IEC 61375. Train Communication Network [國際標(biāo)準(zhǔn)].

[2] 倪文波.王雪梅.高速列車網(wǎng)絡(luò)與控制技術(shù)[M].成都：西南交通大學(xué)出版社，2008

[3] 陽憲惠.現(xiàn)場總線技術(shù)及其應(yīng)用（第2版）[M].北京：清華大學(xué)出版社，2008