基于初心號(hào)平臺(tái)智軌的網(wǎng)絡(luò)通信故障研究

摘 要：智軌列車的網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)是保證智軌列車正常運(yùn)行的關(guān)鍵系統(tǒng)，當(dāng)發(fā)生嚴(yán)重通信故障時(shí)，智軌列車會(huì)觸發(fā)安全制動(dòng)以保護(hù)司乘安全，如何快速診斷通信故障、恢復(fù)車輛運(yùn)營(yíng)是故障發(fā)生后亟待解決的問(wèn)題。文章針對(duì)初心號(hào)平臺(tái)智軌的網(wǎng)絡(luò)通信故障做了詳細(xì)的分析；總結(jié)了已有通信故障的數(shù)據(jù)表征，以及異常通信故障數(shù)據(jù)擁有的一般性表征，并給出了應(yīng)急策略和排查方法；最后對(duì)故障診斷未來(lái)的發(fā)展方向提出了展望。

關(guān)鍵詞：智軌列車；網(wǎng)絡(luò)通信；車輛控制；故障診斷；環(huán)網(wǎng)冗余

中圖分類號(hào)：TN915；TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2024）20-0001-04

Research on Network Communication Fault Based on the ART of Initial Center Platform

QI Kexin1，2， XIAO Lei1，2， SU Aijun1，2， LI Yiye1，2， LIU Zhen1，2

（1.Hunan CRRC Zhixing Technology Co.， Ltd.， Changsha 410006， China;

2.Hunan Multi-articulated Rubber Tire Transit Engineering Research Center， Changsha 410006， China）

Abstract： The network communication system of ART is the key system to ensure the normal operation of ART. When a serious communication fault occurs， the ART will trigger a safety brake to protect the safety of the driver and passengers. How to quickly diagnose the communication fault and restore the vehicle operation are urgent problems to be solved after the fault occurs. This paper makes a detailed analysis of the network communication fault of the ART of initial center platform. It summarizes the data representation of existing communication fault， explains the general representation of abnormal communication fault data， and provides the emergency strategies and troubleshooting methods. Finally， the future development direction of fault diagnosis is prospected.

Keywords： ART; network communication; vehicle control; fault diagnosis; ring redundancy

0 引 言

智能軌道快運(yùn)系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱“智軌”）是由中車智行科技有限公司獨(dú)創(chuàng)研發(fā)的新一代軌道交通制式運(yùn)輸系統(tǒng)，其結(jié)合了軌道交通與公共交通的優(yōu)勢(shì)，具有成本低、線路建設(shè)周期短、維護(hù)成本低、載客量大等特點(diǎn)，是目前城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展的新方向[1]。初心號(hào)平臺(tái)智軌是智軌第一代產(chǎn)品，其采用以太網(wǎng)作為整車通信骨干網(wǎng)絡(luò)[2]，再加上中央控制單元就構(gòu)成了智軌的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)作為智軌的“大腦”，負(fù)責(zé)通各個(gè)子系統(tǒng)并進(jìn)行相關(guān)決策控制，是保證列車正常運(yùn)行的關(guān)鍵系統(tǒng)。

當(dāng)發(fā)生網(wǎng)絡(luò)通信故障時(shí)，子系統(tǒng)會(huì)因無(wú)法接收到網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)發(fā)出的指令從而應(yīng)急停止運(yùn)行，且若涉及關(guān)鍵子系統(tǒng)還會(huì)造成整車癱瘓，導(dǎo)致列車的下線與清客。網(wǎng)絡(luò)通信故障產(chǎn)生的原因有很多，但并不是每種故障都能自檢并上報(bào)，因此如何快速診斷并排查網(wǎng)絡(luò)通信故障原因，恢復(fù)列車的運(yùn)營(yíng)成為至關(guān)重要的問(wèn)題。本文以智軌初心號(hào)為研究對(duì)象，著重介紹了初心號(hào)智軌列車的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渑c通信網(wǎng)絡(luò)組成；總結(jié)了智軌發(fā)生網(wǎng)絡(luò)通信異常時(shí)的故障表現(xiàn)，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)提出針對(duì)不同通信故障時(shí)的應(yīng)對(duì)策略；最后對(duì)智軌未來(lái)的故障診斷方向進(jìn)行展望。

1 智軌通信網(wǎng)絡(luò)概述

智軌的通信網(wǎng)絡(luò)由以太網(wǎng)、CAN總線和背板通信三者構(gòu)成，分別應(yīng)用于不同的通信場(chǎng)景。以太網(wǎng)是整車通信網(wǎng)絡(luò)中的核心網(wǎng)絡(luò)，不僅承擔(dān)著車廂間的通信功能，車上部分設(shè)備也采用以太網(wǎng)進(jìn)行通信。車輛以太網(wǎng)采用雙層分級(jí)式實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)，骨干網(wǎng)采用 ETB（Ethernet Train Backbone），車輛網(wǎng)絡(luò)采用ECN（Ethernet Consist Network），通信速率分別可達(dá)1 000 Mb/s與100 Mb/s[3-4]。智軌的以太網(wǎng)信息傳輸采用TRDP協(xié)議。CAN總線是一種高性能和高可靠性的串行通信協(xié)議，被廣泛應(yīng)用于車輛控制領(lǐng)域。智軌的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中采用CAN總線來(lái)進(jìn)行車廂內(nèi)部分設(shè)備的通信，并通過(guò)CAN網(wǎng)關(guān)接入整車以太網(wǎng)。而背板CPCI通信主要應(yīng)用于智軌主控機(jī)箱中內(nèi)部板卡間的通信，主要包括主控單元與CAN網(wǎng)關(guān)以及其他板卡間的通信。智軌的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D1所示[5]。

智軌骨干網(wǎng)建立起車廂與車廂之間的網(wǎng)絡(luò)連接，而為了防止單鏈路出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)故障導(dǎo)致整車癱瘓的情況，智軌骨干網(wǎng)采取環(huán)網(wǎng)冗余策略。當(dāng)環(huán)網(wǎng)某一節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障，環(huán)網(wǎng)冗余策略可以快速激活備用鏈路，從而保證車廂間的正常通信。智軌的環(huán)網(wǎng)冗余協(xié)議由中車株洲電力機(jī)車研究所自主研發(fā)，通過(guò)簡(jiǎn)化RSTP協(xié)議實(shí)現(xiàn)過(guò)程方式實(shí)現(xiàn)。快速生成樹(shù)協(xié)議（Rapid Spanning Tree Protocol， RSTP）是在生成樹(shù)協(xié)議（Spanning Tree Protocol， STP）的基礎(chǔ)上改進(jìn)而來(lái)，用于在局域網(wǎng)中消除數(shù)據(jù)鏈路層物理環(huán)路[6]。然而RSTP協(xié)議在鏈路故障發(fā)生時(shí)的收斂時(shí)間為秒級(jí)，還達(dá)不到工業(yè)以太網(wǎng)對(duì)于通信恢復(fù)速度的要求，因此需要通過(guò)簡(jiǎn)化RSTP協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)更快的收斂速度。

同時(shí)，列車上的關(guān)鍵系統(tǒng)都采取熱備冗余配置，如配置在列車端的主控單元，當(dāng)一端的系統(tǒng)失效時(shí)，另一端會(huì)立即采取接管，保證車輛的正常運(yùn)行。而智軌列車在設(shè)計(jì)之初為了更方便地追蹤故障產(chǎn)生原因，也分別配置了記錄模塊來(lái)記錄與復(fù)原車輛運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的關(guān)鍵數(shù)據(jù)?？刂茊卧O(jiān)測(cè)到故障發(fā)生時(shí)將故障數(shù)據(jù)通過(guò)以太網(wǎng)發(fā)送至記錄模塊進(jìn)行記錄，同時(shí)在屏幕上進(jìn)行顯示，以提示司機(jī)注意車輛狀態(tài)。

2 網(wǎng)絡(luò)通信故障的表征

為了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，各關(guān)鍵子系統(tǒng)均與控制單元建立生命信號(hào)傳輸模塊，當(dāng)中央控制單元接收子系統(tǒng)的生命信號(hào)數(shù)據(jù)不更新時(shí)，則判定與子系統(tǒng)的通信故障，并依據(jù)網(wǎng)絡(luò)通信故障的嚴(yán)重程度采取列車的保護(hù)措施，如在提示警戒、牽引封鎖甚至安全制動(dòng)。由子系統(tǒng)異?；蜍囕v網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量問(wèn)題產(chǎn)生的網(wǎng)絡(luò)通信故障比較容易定位，且可以由中央控制單元準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)，但由骨干網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量問(wèn)題產(chǎn)生的網(wǎng)絡(luò)通信故障沒(méi)有明確的故障表征，因此給問(wèn)題定位、故障排查帶來(lái)困難。

以智軌初心號(hào)為對(duì)象，本文進(jìn)行多次實(shí)車實(shí)驗(yàn)以探究骨干網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量對(duì)于整車運(yùn)行的影響，總結(jié)了骨干網(wǎng)通信質(zhì)量問(wèn)題的故障表征如下。

2.1 安全制動(dòng)以及斷高壓保護(hù)

骨干網(wǎng)的通信質(zhì)量問(wèn)題會(huì)導(dǎo)致不明原因的安全制動(dòng)觸發(fā)，嚴(yán)重時(shí)可進(jìn)一步導(dǎo)致車輛整車的高壓斷開(kāi)。對(duì)于智軌列車而言，安全制動(dòng)以及斷高壓保護(hù)屬于最高級(jí)別的保護(hù)措施，一般情形下中央控制單元會(huì)嚴(yán)格監(jiān)測(cè)車輛狀態(tài)，并在車輛觸發(fā)保護(hù)措施時(shí)將具體原因保存至記錄模塊并通過(guò)顯示屏提示司機(jī)。

在骨干網(wǎng)通信故障的實(shí)驗(yàn)案例中，中央控制單元沒(méi)有監(jiān)測(cè)到異常情況。如圖2所示，在某次實(shí)驗(yàn)中，車輛先后觸發(fā)了安全制動(dòng)、斷高壓保護(hù)，但記錄到的故障并沒(méi)有指向性，從而給故障排查帶來(lái)困難。

而正常情況下觸發(fā)保護(hù)措施時(shí)，記錄模塊應(yīng)記錄到觸發(fā)保護(hù)措施的來(lái)源、具體異常等信息。如圖3所示，記錄模塊準(zhǔn)確記錄到此次安全制動(dòng)由網(wǎng)絡(luò)觸發(fā)，因此技術(shù)人員可以快速查詢故障時(shí)刻網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的信號(hào)與數(shù)據(jù)，從而鎖定故障點(diǎn)。

2.2 子系統(tǒng)的生命信號(hào)異常

智軌電車上各子系統(tǒng)與中央控制單元的通信質(zhì)量可以直觀從生命信號(hào)記錄上進(jìn)行體現(xiàn)，當(dāng)骨干網(wǎng)發(fā)生通信質(zhì)量問(wèn)題時(shí)，會(huì)影響整車各個(gè)子系統(tǒng)的生命信號(hào)記錄，包括跳變不連續(xù)、跳變遲滯，甚至通信中斷等現(xiàn)象。圖4為實(shí)驗(yàn)中從記錄模塊提取的異常生命信號(hào)，表現(xiàn)有明顯的震蕩、清零現(xiàn)象。

2.3 記錄模塊的記錄數(shù)據(jù)缺失

前文說(shuō)到，智軌電車在骨干網(wǎng)兩端分別配置了記錄模塊，可以同時(shí)對(duì)整車的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄。骨干網(wǎng)的通信問(wèn)題可能導(dǎo)致本端的事件記錄模塊無(wú)法記錄到另一端的信號(hào)數(shù)據(jù)，因此造成兩端事件記錄模塊在記錄同一信號(hào)時(shí)出現(xiàn)差異。如圖5所示，在故障發(fā)生時(shí)刻，記錄模塊2對(duì)比記錄模塊1，其丟失了從06：53：48—06：53：52的全部數(shù)據(jù)。

2.4 交換機(jī)異常

骨干網(wǎng)線纜的質(zhì)量問(wèn)題會(huì)導(dǎo)致交換機(jī)記錄到對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生錯(cuò)包，除此之外，在一些實(shí)驗(yàn)案例中，通過(guò)查看交換機(jī)日志還可以看到大量的link up/down記錄，但時(shí)間上與整車發(fā)生故障的時(shí)間不能完全對(duì)應(yīng)。圖6為智軌一端的交換機(jī)日志，其中PortX8為環(huán)網(wǎng)端口。

主控單元與各子系統(tǒng)的生命信號(hào)記錄異常以及兩端記錄模塊的數(shù)據(jù)不一致指示了骨干網(wǎng)通信的不暢，而環(huán)網(wǎng)端口的LINK變化同樣指向了環(huán)網(wǎng)的不穩(wěn)定。盡管在實(shí)驗(yàn)中，骨干網(wǎng)通信故障的發(fā)生事件與環(huán)網(wǎng)端口LINK變化時(shí)間并不能對(duì)應(yīng)上，但頻繁的link up/down記錄仍然可以說(shuō)明環(huán)網(wǎng)端口的不穩(wěn)定性，其與整車骨干網(wǎng)的通信質(zhì)量有著密不可分的聯(lián)系。

3 網(wǎng)絡(luò)通信故障的應(yīng)急策略

骨干網(wǎng)的不穩(wěn)定導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸受到干擾，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致車輛安全制動(dòng)，影響項(xiàng)目的調(diào)度計(jì)劃和線路運(yùn)營(yíng)。但故障的排查與解決需要時(shí)間，從保障車輛上線率的角度出發(fā)，本文提供兩種臨時(shí)解決方案。

3.1 修改TRDP協(xié)議配置文件

前文說(shuō)到，智軌列車中以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸采用TRDP協(xié)議，當(dāng)通信受到短暫的干擾時(shí)，如牽引、高壓、制動(dòng)等關(guān)鍵子系統(tǒng)收到的數(shù)據(jù)會(huì)全部清零，導(dǎo)致其無(wú)法響應(yīng)車輛的正常動(dòng)作而觸發(fā)安全制動(dòng)。從這個(gè)角度出發(fā)，通過(guò)修改TRDP協(xié)議配置文件，圖7中將validity-behavior配置為“1”，則各子系統(tǒng)在整車發(fā)生通信干擾時(shí)，將收到的TRDP報(bào)文將短暫維持在上一個(gè)正常狀態(tài)，從而保證車輛的正常運(yùn)行。但這種方式只能應(yīng)對(duì)短暫（幾個(gè)周期）的通信中斷，環(huán)網(wǎng)仍有小概率因產(chǎn)生長(zhǎng)時(shí)間（幾秒）通信中斷導(dǎo)致安全制動(dòng)。且由于TRDPCFG配置為保持后，實(shí)際發(fā)生通信中斷時(shí)并不會(huì)在列車運(yùn)行狀態(tài)上產(chǎn)生表現(xiàn)，不利于技術(shù)人員排查故障，因此修改TRDP配置文件只能適用于排查異常通信故障時(shí)上線車輛的臨時(shí)手段，仍需要及時(shí)排查故障的根本原因。

3.2 斷開(kāi)環(huán)網(wǎng)連接

端口反復(fù)的link up/down現(xiàn)象也被稱為端口震蕩，環(huán)網(wǎng)冗余協(xié)議表明，當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障無(wú)法通信，交換機(jī)立即啟用備用鏈路，將原本的阻塞端口置為轉(zhuǎn)發(fā)端口，從而保證網(wǎng)絡(luò)的通暢[7-8]。但從故障現(xiàn)象來(lái)看，節(jié)點(diǎn)發(fā)生震蕩時(shí)，環(huán)網(wǎng)無(wú)法及時(shí)響應(yīng)并建立通路，反而受到震蕩端口反復(fù)斷開(kāi)連接的影響。因此，通過(guò)物理隔離網(wǎng)絡(luò)中發(fā)生端口震蕩的節(jié)點(diǎn)，只保留無(wú)故障的單鏈通路，可以直接隔離可能產(chǎn)生干擾的節(jié)點(diǎn)，最大限度地保證骨干網(wǎng)的穩(wěn)定性。但同樣地，斷開(kāi)故障段線纜連接僅適用于排查骨干網(wǎng)通信問(wèn)題時(shí)上線車輛的臨時(shí)手段，單鏈通路對(duì)于車輛的正常運(yùn)營(yíng)仍有較大風(fēng)險(xiǎn)，需要及時(shí)排查并恢復(fù)正常的環(huán)網(wǎng)。

4 網(wǎng)絡(luò)通信故障的排查策略

環(huán)網(wǎng)產(chǎn)生端口震蕩的原因有很多，最常見(jiàn)的包括環(huán)網(wǎng)協(xié)議報(bào)文丟棄、網(wǎng)絡(luò)流量擁塞、物理鏈路異常等，因此我們也可以從以上幾個(gè)方面去進(jìn)行故障點(diǎn)的排查與解決。

環(huán)網(wǎng)協(xié)議報(bào)文丟棄會(huì)造成環(huán)網(wǎng)協(xié)議報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)失敗，反復(fù)超時(shí)震蕩，其一般是由錯(cuò)誤的交換機(jī)配置或者環(huán)網(wǎng)協(xié)議配置導(dǎo)致的，這種情況可以通過(guò)對(duì)交換機(jī)配置或者底層軟件進(jìn)行更新、交換等操作進(jìn)行排除。網(wǎng)絡(luò)流量擁塞會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)中關(guān)鍵報(bào)文無(wú)法處理與轉(zhuǎn)發(fā)，從而造成的各種各樣的網(wǎng)絡(luò)通信故障[9]。這種情況可以通過(guò)觀察故障時(shí)刻的網(wǎng)絡(luò)帶寬或者抓取報(bào)文進(jìn)行排除。物理鏈路異常指連接交換機(jī)、子系統(tǒng)、主控模塊的物理層如線纜、接口等發(fā)生異常[10]，通常包括屏蔽異常、線芯阻值異常、線芯短路斷路等。

以智軌的通信故障為例，智軌的骨干網(wǎng)由兩端的交換板卡、中間車廂的交換機(jī)、連接線纜以及跨接器組成，如圖8所示。對(duì)于網(wǎng)絡(luò)故障的排查應(yīng)從設(shè)備和鏈路兩方面進(jìn)行。

具體排查思路如下：

1）鎖定故障節(jié)點(diǎn)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，一般可以從端口震蕩現(xiàn)象判斷出故障節(jié)點(diǎn)。

2）檢查交換機(jī)設(shè)備、底層軟件、配置文件。鎖定故障節(jié)點(diǎn)后，檢查故障節(jié)點(diǎn)所在的交換機(jī)，包括硬件、底層軟件、配置文件等是否正常，必要時(shí)可以通過(guò)與其他正常交換機(jī)進(jìn)行交換，觀察故障是否轉(zhuǎn)移。

3）抓取報(bào)文，觀察是否有大量非數(shù)據(jù)報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)；觀察網(wǎng)絡(luò)帶寬。智軌的骨干網(wǎng)采用千兆網(wǎng)，正常情況下網(wǎng)絡(luò)帶寬是遠(yuǎn)遠(yuǎn)夠用的，但不排除異常情況下某子系統(tǒng)軟件發(fā)送大量無(wú)用報(bào)文，從而造成網(wǎng)絡(luò)的擁塞。

4）排查線纜及連接器問(wèn)題。物理層的排查可以通過(guò)線纜測(cè)試儀來(lái)輔助判斷其是否異常，如圖9所示。沒(méi)有線纜測(cè)試儀也可以采用萬(wàn)用表對(duì)線纜的常用標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行測(cè)量，如屏蔽接地情況、屏蔽阻值、線芯阻值等。

5 結(jié) 論

智軌電車搭載實(shí)時(shí)以太網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)整車通信，控制性能和穩(wěn)定性優(yōu)良，目前已在智軌各個(gè)項(xiàng)目上安全運(yùn)營(yíng)20萬(wàn)千米以上里程。對(duì)于智軌電車而言，故障診斷一直是重要研究部分，目前，智軌的中央控制單元可以自主識(shí)別及診斷近千種簡(jiǎn)單的整車故障，并進(jìn)行提示預(yù)警。然而對(duì)于一些復(fù)雜成因的故障，仍然需要技術(shù)人員對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行詳盡的分析與測(cè)試，這個(gè)過(guò)程占用過(guò)多時(shí)間會(huì)嚴(yán)重影響線路的運(yùn)營(yíng)與調(diào)度計(jì)劃。因此如何實(shí)現(xiàn)智能診斷故障、快速恢復(fù)車輛狀態(tài)是后續(xù)可以研究的方向。

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作者簡(jiǎn)介：齊可心（1997—），男，漢族，湖南株洲人，助理工程師，碩士研究生，研究方向：車輛控制。