城軌車輛全列設(shè)備網(wǎng)絡(luò)通信異常原因探究

唐亞峰，雒錄錄，趙煜杰

（中車成都機車車輛有限公司，四川成都 610051）

1 引言

列車控制與管理系統(tǒng)（TCMS）是一套分布式微機控制與監(jiān)視系統(tǒng)，集列車控制系統(tǒng)、故障檢測與診斷系統(tǒng)以及旅客服務(wù)控制系統(tǒng)于一體，以車載微機作為主要手段，通過多級列車網(wǎng)絡(luò)總線實現(xiàn)系統(tǒng)、列車之間的數(shù)據(jù)信息交互，最終達到對車載設(shè)備的集中監(jiān)視、控制以及管理的目的，實現(xiàn)列車控制的智能化、網(wǎng)絡(luò)化與信息化，保證列車的行車安全。本文以成都地鐵18 號線車輛調(diào)試階段出現(xiàn)的多列車試驗過程中各系統(tǒng)設(shè)備無規(guī)律通信異常問題為出發(fā)點，闡述列車網(wǎng)絡(luò)通信邏輯和觸發(fā)網(wǎng)絡(luò)通信頻繁異常的原因，并制定解決措施，提高列車控制與管理系統(tǒng)可靠性。

2 TCMS 網(wǎng)絡(luò)通信原理

2.1 網(wǎng)絡(luò)配置特征

列車通信網(wǎng)絡(luò)劃分為2 級：列車控制級和車輛控制級。2 級網(wǎng)絡(luò)具有以下相同特性：均采用電氣中距離（EMD）介質(zhì)的多功能車輛總線（MVB）傳輸；均采用通信線路雙通道冗余設(shè)計，當受信線受阻時可自動切換。每節(jié)車配置1 個中繼模塊（REP），用于實現(xiàn)列車級總線與車輛級總線數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)以及物理隔離。

列車控制單元（VCU）承擔車輛控制和總線管理的功能，頭/尾車各配置1 臺VCU，互為熱備冗余。車輛控制功能是通過接收總線或硬線收集的數(shù)據(jù)，利用VCU 內(nèi)程序?qū)崿F(xiàn)，正常情況下，2 臺VCU 中1 臺為主控，1 臺為從控熱備，即按人機接口顯示屏（HMI）上顯示的主、從進行區(qū)分。

總線管理功能是2 臺VCU 通過競爭機制自動選取1 個作為總線管理強主，負責MVB 總線的管理功能，另1 個VCU 自動處于弱主狀態(tài)，實時監(jiān)測強主狀態(tài)，在標準規(guī)定周期內(nèi)未收到強主發(fā)出的主幀信號，則自動轉(zhuǎn)為總線管理強主。在本項目中，總線管理主從設(shè)置為被動切換模式，綁定了車控控制主控和總線管理強主，上電時默認1 車車端VCU 為主。只有在1 車車端VCU丟失且8 車車端VCU 信號滿足條件時，8 車車端VCU才自動轉(zhuǎn)為強主。

由于所有數(shù)據(jù)均通過總線傳遞，無論那邊VCU 是否為強主，在實際車輛控制中均以司機鑰匙激活端的控制指令為準，其主權(quán)交換及所在位置不會對控制指令下發(fā)造成影響。

2.2 總線管理邏輯

根據(jù)IEC 61375-3-2-2012《電子鐵路設(shè)備.列車通信網(wǎng)絡(luò)（TCN）第3-2 部分：MVB（多功能列車總線）》中的相關(guān)規(guī)定，列車MVB 網(wǎng)絡(luò)中設(shè)置2 個總線管理（Master）設(shè)備，2 個設(shè)備在正常情況下互相監(jiān)聽，1 臺處于總線管理主（regular master）狀態(tài)，1 臺處于總線管理備用主（standby master）狀態(tài)。根據(jù)寫入設(shè)備內(nèi)的配置文件，2 臺總線管理設(shè)備可按照配置主動交替總線管理主權(quán)，或通過監(jiān)聽被動交替總線管理主權(quán)。在實際應(yīng)用中，2 種應(yīng)用方式均被許可，并無優(yōu)劣之分。

當配置文件被設(shè)置為主動交替狀態(tài)時，2 臺設(shè)備會按照配置文件內(nèi)規(guī)定的周期，傳遞主幀令牌。當配置文件被設(shè)置為被動交替狀態(tài)時，standby master 設(shè)備并不會主動傳遞主幀令牌，而是當standby master 設(shè)備無法監(jiān)聽到regular master 設(shè)備發(fā)出的主幀達到“備用設(shè)備”狀態(tài)超時（T_standby）時，自動轉(zhuǎn)為regular master 狀態(tài)，擔任總線管理主設(shè)備。

無論使用哪種配置，在regular master設(shè)備監(jiān)測到總線上存在主幀時，均會放開主幀令牌，重新啟用總線管理競爭機制，在該機制算法中，遵循的計算公式如下：對于一個已配置的總線管理器，T_standby=（T_alive×2×（1+rank_in_ba_list）；對于一個未配置的總線管理器，T_standby=（T_alive×2×（ba_adr+15）；對于一個禁用的總線管理器T_standby=無窮。其中，T_alive 為主幀之間的最大間隔時間；rank_in_ba_list 為此設(shè)備在總線管理器列表中的排列次序；ba_adr 為總線管理器設(shè)備地址。分配較低的設(shè)備地址給總線管理器將使其恢復(fù)速度更快。

根據(jù)以上機制，結(jié)合本項目中不主動傳遞主幀令牌的設(shè)置，在2 臺作為總線管理主的VCU 同時上線時，1 車車端VCU 由于具有更小的總線設(shè)備地址，會成為regular master 設(shè)備。而當1 車車端VCU 異常，8 車車端VCU 由standby master 切換為ragular master，反之亦然。除非regular master 設(shè)備監(jiān)測到主幀碰撞或辭職（如設(shè)備異常或掉電），否則不會放出主權(quán)。其主權(quán)轉(zhuǎn)移狀態(tài)，如圖1 所示。

3 故障描述

成都地鐵18 號線第02、05 列列車在試驗過程中，出現(xiàn)1 車車端VCU 斷電后，子系統(tǒng)設(shè)備重復(fù)批量掉線的問題。針對此現(xiàn)象，對調(diào)1 車、8 車車端MVB 板卡并重刷對應(yīng)VCU 程序后問題仍存在，經(jīng)檢查作業(yè)記錄可知，近期牽引系統(tǒng)進行了軟件升級，隨后進行VCU整車冗余控制時，發(fā)現(xiàn)當1 車車端VCU 作為總線管理主時，各設(shè)備通信正常，當將1 車車端VCU 斷電后，總線管理主切換至8 車車端VCU 時，各設(shè)備通信異常，車門、制動等系統(tǒng)偶發(fā)性的報通信丟失。

4 故障調(diào)查及分析

4.1 故障排查

4.1.1 硬件排查

為明確故障原因，首選對硬件設(shè)備進行逐一排查，經(jīng)對列車接線及接插件進行檢查、對設(shè)備件對調(diào)驗證后，初步排除接線及硬件導(dǎo)致故障發(fā)生的可能性。

4.1.2 對比排查

對所有列車進行排查對比，已更新牽引系統(tǒng)軟件的列車均存在不同程度的全列設(shè)備網(wǎng)絡(luò)通信異常，各設(shè)備無規(guī)律閃粉，未更新牽引系統(tǒng)軟件的列車未發(fā)現(xiàn)該現(xiàn)象。另外當斷開牽引系統(tǒng)控制器電源后或?qū)恳刂破鬈浖姹就嘶厣弦话姹竞?，故障消除。由此，將排查方向定位在牽引系統(tǒng)新版程序方面。

4.1.3 借助儀器排查

使用示波器、TCN分析儀等專業(yè)設(shè)備對列車所有設(shè)備系統(tǒng)的MVB 通信數(shù)據(jù)的波形、數(shù)據(jù)幀進行細致排查、對比、分析，發(fā)現(xiàn)新版牽引程序增加了在傳輸總線上發(fā)送消息數(shù)據(jù)的功能。進一步對通信波形進行采集分析，發(fā)現(xiàn)列車總線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)中存在消息數(shù)據(jù)，以及由于消息數(shù)據(jù)的存在而導(dǎo)致的偶發(fā)性通信異常的情況。同時，經(jīng)牽引系統(tǒng)技術(shù)人員確認，新版軟件相比之前的所有版本軟件除增加必要的控制程序外，還增加了用于數(shù)據(jù)存儲的消息數(shù)據(jù)功能，和現(xiàn)車實際測量數(shù)據(jù)情況一致。具體測試情況如下。

（1）消息數(shù)據(jù)的存在。通過TCN 分析儀發(fā)現(xiàn)，在列車狀態(tài)正常或異常時，斷開某個牽引系統(tǒng)空開，模擬牽引系統(tǒng)故障時，現(xiàn)車會出現(xiàn)大量的消息數(shù)據(jù)，消息數(shù)據(jù)顯示界面如圖2 所示，圖中標紅列為采用TCN 分析儀獲取的主幀（F_CODE），其中F_CODE=C 代表有消息數(shù)據(jù)收發(fā)。

圖2 總線存在消息數(shù)據(jù)（F_CODE=C）

（2）偶發(fā)數(shù)據(jù)傳輸異常。通過TCN 分析儀對正常時刻、故障時刻的列車總線和車輛總線進行波形采集發(fā)現(xiàn)，列車狀態(tài)正常時，當存在單個牽引系統(tǒng)出現(xiàn)消息數(shù)據(jù)傳輸請求時，此時消息數(shù)據(jù)的收發(fā)均正常，且不影響整車數(shù)據(jù)的通信，總線中主幀、從幀的收發(fā)均能按照既定的周期掃描表進行輪詢，未發(fā)現(xiàn)異常現(xiàn)象，輪詢周期掃描表正常狀態(tài)顯示界面如圖3 所示，消息數(shù)據(jù)收發(fā)正常狀態(tài)顯示界面如圖4 所示。

圖4 消息數(shù)據(jù)收發(fā)正常

列車狀態(tài)異常時，即當有2 個或2 個以上牽引系統(tǒng)出現(xiàn)消息數(shù)據(jù)傳輸請求時，發(fā)現(xiàn)由于消息數(shù)據(jù)的啟用，列車總線會出現(xiàn)數(shù)據(jù)幀的碰撞以及偶發(fā)性短周期的寂靜，寂靜持續(xù)時間大約5 ms，從而導(dǎo)致部分通信數(shù)據(jù)的丟失，但由于丟失頻率較低，暫不影響現(xiàn)車的控制，現(xiàn)車波形如圖5、圖6 所示。

圖5 多消息數(shù)據(jù)引發(fā)的碰撞

圖6 總線偶發(fā)的寂靜

4.2 故障分析

在故障排查過程中，發(fā)現(xiàn)并確定出現(xiàn)故障狀態(tài)為整車完成啟動后，斷開1 車車端VCU 電源，8 車車端VCU 由standby master 切換為regular master。通過HMI網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，子系統(tǒng)出現(xiàn)批量的瞬時掉線、上線狀態(tài)，即子系統(tǒng)各設(shè)備成片閃粉，進一步觀察相關(guān)子系統(tǒng)心跳，發(fā)現(xiàn)掉線子系統(tǒng)并非所有MVB 通信端口丟失。由此可基本判定掉線的子系統(tǒng)設(shè)備并未處于非正常狀態(tài)，而是總線中存在干擾或有其他設(shè)備在總線上發(fā)送主幀。由于此時按照VCU 中的MVB 配置文件，8 車車端VCU 不會收到1 車車端VCU 發(fā)來的主幀，所以不會改變自己的MVB 總線管理主狀態(tài)。將1 車車端VCU 上電啟動后，通過HMI 網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)監(jiān)測，子系統(tǒng)成片閃粉狀態(tài)消失，8 車車端VCU 狀態(tài)由regular master 轉(zhuǎn)變成standby master。根據(jù)標準中規(guī)定的主權(quán)狀態(tài)邏輯和本項目配置文件，在沒有設(shè)備異常的情況下，只有主幀碰撞時，regular master 才會放開主權(quán)，重新啟動主權(quán)競爭。

故障狀態(tài)下，通過斷開子系統(tǒng)設(shè)備進行篩查，發(fā)現(xiàn)僅當斷開全列車牽引設(shè)備電源后，總線通信異常狀態(tài)消除。

由此，牽引系統(tǒng)設(shè)備發(fā)出了主幀，引起子系統(tǒng)設(shè)備應(yīng)答混亂，表現(xiàn)現(xiàn)象為批量掉線/上線（閃粉），牽引系統(tǒng)設(shè)備正常工作時主幀（消息數(shù)據(jù)）傳輸較少，而故障時刻傳輸更為頻繁。

5 故障結(jié)論及整改

5.1 故障原因

網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)判斷系統(tǒng)通信故障的邏輯為：本系統(tǒng)任意一個端口中的生命信號（一般為協(xié)議的第一個字）停止跳動時間超過8 個端口的通信周期時，則判斷該系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)通信異常。因此，故障狀態(tài)下，由于偶發(fā)的總線寂靜，導(dǎo)致某端口的生命信號停止跳動時間一旦超過本端口傳輸周期的8 次以上的時長時，現(xiàn)車就會在顯示器上顯示本系統(tǒng)通信異常。

新版牽引系統(tǒng)程序增加了消息數(shù)據(jù)功能，當牽引系統(tǒng)發(fā)生故障時，牽引系統(tǒng)與牽引系統(tǒng)記錄單元（CCU-D）之間會傳遞消息數(shù)據(jù)，用于對故障發(fā)生時環(huán)境變量的記錄，從測試結(jié)果來看，短時沖突的消息數(shù)據(jù)會導(dǎo)致總線出現(xiàn)主幀偶發(fā)缺失的工況，從而影響過程數(shù)據(jù)的傳輸。

設(shè)計初期根據(jù)要求牽引系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)完成了過程數(shù)據(jù)的接口測試，但消息數(shù)據(jù)一直未做接口測試，同時由于IEC 61375-3-2-2012 中規(guī)定的消息數(shù)據(jù)傳輸、調(diào)度方式存在多種形式，因此雙方的匹配需要根據(jù)地面接口測試的實際情況進行適配。

5.2 結(jié)論

根據(jù)以上的故障排查及分析，通過對現(xiàn)車的測試、對比、分析，造成本次故障的主要原因是由于牽引系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在消息數(shù)據(jù)處理方式上不匹配，導(dǎo)致總線處于偶發(fā)的寂靜狀態(tài)，即某個系統(tǒng)端口的數(shù)據(jù)無法正常的收發(fā)，影響到總線數(shù)據(jù)的正常傳輸，整車表現(xiàn)出某些系統(tǒng)偶發(fā)的通信異常狀態(tài)，HMI 屏通信界面閃粉。

5.3 整改

牽引系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)完成相應(yīng)消息數(shù)據(jù)的接口測試工作，并針對雙方消息數(shù)據(jù)的處理機制做進一步的確認，修改牽引系統(tǒng)或網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的配置文件解決消息數(shù)據(jù)調(diào)度的問題。本項目通過優(yōu)化VCU 中MVB 配置文件并更新MVB 板卡固件的方式，配合牽引系統(tǒng)消息數(shù)據(jù)的發(fā)送，消除總線通信異常的現(xiàn)象，從而解決車輛HMI屏通信界面設(shè)備閃粉故障。

6 結(jié)語

列車控制與管理系統(tǒng)（TCMS）集列車控制系統(tǒng)、故障檢測與診斷系統(tǒng)以及旅客服務(wù)控制系統(tǒng)于一體，負責對列車牽引、制動、轉(zhuǎn)向架、輔助電氣、車門、空調(diào)等系統(tǒng)的控制、監(jiān)視和診斷。同時在列車自動駕駛中一方面及時向行車控制中心（OCC）報告工作狀態(tài)，另一方面接收控制中心下達的控制命令。健康的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)對于列車的安全、可靠運行至關(guān)重要，部分車輛相關(guān)設(shè)備的軟、硬件變更直接影響車輛網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的可靠與否，變更過程及結(jié)果的卡控直接決定變更后網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的可靠性，因此變更中的溝通及試驗驗證尤為重要，運營中的車輛直接面對乘客，更加需要專業(yè)人員的層層把關(guān)，提高產(chǎn)品可靠性。