南京地鐵二號(hào)線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)及故障分析

摘" 要：該文分析南京地鐵二號(hào)線列車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及其故障案例。通過探索地鐵車輛MVB（Multifunction Vehicle Bus）總線網(wǎng)絡(luò)故障發(fā)生的現(xiàn)象與故障排查方式，總結(jié)分析故障規(guī)律，并給出相應(yīng)的處理措施。

關(guān)鍵詞：地鐵車輛；網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)；MVB網(wǎng)絡(luò)；故障分析；處理措施

中圖分類號(hào)：U284" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2025）07-0137-04

南京地鐵二號(hào)線NJ02-1型車使用的網(wǎng)絡(luò)為法國(guó)阿爾斯通（ALSTOM）設(shè)計(jì)的列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)（Train Control and Management System，TCMS），該網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在列車上已經(jīng)使用了十多年，目前列車在使用過程中發(fā)生多起網(wǎng)絡(luò)異常的現(xiàn)象，主要表現(xiàn)為司機(jī)顯示單元（Driver Display Unit，DDU）上網(wǎng)絡(luò)設(shè)備圖標(biāo)跳顯問號(hào)、車輛控制單元（Main Processor Uni，MPU）內(nèi)記錄MVB網(wǎng)絡(luò)通道故障等現(xiàn)象。列車網(wǎng)絡(luò)故障隱蔽性較大、類型復(fù)雜，在日常維護(hù)中不易發(fā)現(xiàn)和處理，給行車安全帶來較大的隱患。本文結(jié)合南京地鐵ALSTOM網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的故障案例分析，總結(jié)一套有效的地鐵車輛網(wǎng)絡(luò)故障診斷排查方法和改進(jìn)措施。

1" TCMS網(wǎng)絡(luò)概述

列車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是一個(gè)采用模塊化設(shè)計(jì)，由列車控制管理系統(tǒng)與其他子系統(tǒng)構(gòu)成的列車綜合控制、監(jiān)督和診斷系統(tǒng)，使用符合IEC 61375標(biāo)準(zhǔn)的冗余MVB總線作為列車線以及車輛線，同時(shí)通過硬線輸入輸出信號(hào)實(shí)現(xiàn)列車的監(jiān)控和診斷。

如圖1所示，南京地鐵二號(hào)線TCMS由MVB總線及主要列車網(wǎng)絡(luò)設(shè)備構(gòu)成，TCMS與車輛網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間采用硬連線控制和網(wǎng)絡(luò)控制并行方式，其中主要鏈接設(shè)備MPU、DDU、RIOM（Remote Input/Output Module，遠(yuǎn)程輸入/輸出單元）、EVR（事件記錄儀）、網(wǎng)關(guān)閥、ACE（輔助控制單元）及PCE（牽引控制單元）之間采用MVB通信方式，MVB網(wǎng)絡(luò)貫穿整個(gè)列車控制系統(tǒng)，對(duì)全列車的通信設(shè)備進(jìn)行了數(shù)據(jù)傳輸和監(jiān)控。車輛控制單元MPU連接在MVB總線上，能夠監(jiān)視、控制整個(gè)列車的狀態(tài)，同時(shí)將診斷的信息發(fā)送到司機(jī)室顯示器DDU上，幫助司機(jī)進(jìn)行駕駛操作。一列車的2個(gè)車輛控制單元互為冗余，當(dāng)其中一個(gè)故障時(shí)，另外一個(gè)將自動(dòng)接替它的工作，實(shí)現(xiàn)無縫切換，保證列車的正常運(yùn)行。

MVB是多功能車輛總線的簡(jiǎn)稱，屬于現(xiàn)場(chǎng)總線，也是工業(yè)控制的一種。MVB總線由主設(shè)備控制，只有主設(shè)備有權(quán)發(fā)送主幀，所有其他設(shè)備都是從設(shè)備，它們不可以自發(fā)地發(fā)送數(shù)據(jù)，MPU管理MVB總線，檢測(cè)MVB總線上所有子系統(tǒng)是否在線。南京地鐵二號(hào)線MVB通道采用AB雙通過通信功能，通信速率為1.5 Mbps，MVB總線的物理層主要采用EMD（中距離傳輸介質(zhì)），使用雙絞屏蔽線，最多可支持32個(gè)設(shè)備，102個(gè)端口的通信，最大總線信號(hào)傳輸長(zhǎng)度為200 m，通信線纜采用雙絞線屏蔽線纜，為了減少終端反射波的干擾，在設(shè)備DDU的CPU上設(shè)置終端電阻，阻值為120 Ω。南京地鐵MVB的物理層采用冗余鋪設(shè)，具有數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。總線上主要傳遞一類狀態(tài)變量，這種數(shù)據(jù)類型占用的字節(jié)很小，并且是周期性發(fā)送的，總的傳輸周期是固定的，傳輸周期的詳細(xì)資料由每個(gè)子系統(tǒng)各自的技術(shù)指標(biāo)確定。對(duì)于整個(gè)車輛網(wǎng)絡(luò)來說MVB數(shù)據(jù)信號(hào)是以廣播的類型發(fā)送，比如車門閉鎖的狀態(tài)、車速等等。假設(shè)這類信號(hào)有錯(cuò)，或者丟失了字節(jié)，那么將以下個(gè)周期的信號(hào)補(bǔ)充。

南京地鐵二號(hào)線MVB接口采用Sub-Db9雙通道的接線方式，如圖2所示，每個(gè)連接器上有AB 2個(gè)通道，兩連接器采用一進(jìn)一出的工作方式接到設(shè)備上，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備通過串接的方式連接在MVB網(wǎng)絡(luò)中。

2" 列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)故障判斷機(jī)理

網(wǎng)絡(luò)故障的判斷機(jī)理為主設(shè)備單元MPU向子設(shè)備發(fā)送輪詢信號(hào)，采用主從輪詢的方式進(jìn)行介質(zhì)訪問，在輪詢周期內(nèi)，各個(gè)子設(shè)備在收到主MPU發(fā)送的輪詢信號(hào)后，作出相應(yīng)的應(yīng)答并發(fā)送不同格式的相應(yīng)幀給主設(shè)備單元，通過相互連續(xù)應(yīng)答的方式進(jìn)行判斷，不同設(shè)備端口的輪詢周期和應(yīng)答周期各不相同。若在輪詢周期內(nèi)子設(shè)備未響應(yīng)，則主設(shè)備判斷子設(shè)備發(fā)生離線故障，牽引輔助以及制動(dòng)系統(tǒng)在輪詢周期內(nèi)未收到主幀信號(hào)則會(huì)報(bào)TCMS通信丟失故障。網(wǎng)絡(luò)故障判斷的標(biāo)準(zhǔn)就是判斷數(shù)據(jù)交換的相關(guān)信息是否符合規(guī)范性要求，包括網(wǎng)絡(luò)的端口號(hào)、周期、偏移量、信號(hào)名、數(shù)據(jù)含義及定標(biāo)等，或者網(wǎng)絡(luò)的比特率、幀的結(jié)構(gòu)及數(shù)據(jù)含義等是否符合規(guī)范性標(biāo)準(zhǔn)。

3" 網(wǎng)絡(luò)故障診斷案例及原因分析

南京地鐵二號(hào)線地鐵車輛發(fā)生網(wǎng)絡(luò)故障主要表現(xiàn)為MVB通信故障，設(shè)備不在線，DDU上設(shè)備顯問號(hào)或者設(shè)備會(huì)時(shí)不時(shí)地出現(xiàn)通信丟失現(xiàn)象。網(wǎng)絡(luò)傳輸之間由于MVB傳輸介質(zhì)原因，通常會(huì)出現(xiàn)信號(hào)傳輸衰減、信號(hào)傳輸中斷等情況，或者由于其他信號(hào)的干擾情況等原因?qū)е滦盘?hào)不能正常傳輸。

3.1" 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備故障案例分析

網(wǎng)絡(luò)設(shè)備自身故障，設(shè)備離線，設(shè)備自身不能發(fā)出或采集傳輸信號(hào)，導(dǎo)致信號(hào)傳輸中斷。使用TCN網(wǎng)絡(luò)測(cè)試儀檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)狀況會(huì)顯示故障設(shè)備誤碼率較高，如圖3所示，在TCN解碼過程中EVR1的誤碼率達(dá)到100%，MVB的2個(gè)通道都無法解碼，但不影響整個(gè)MVB網(wǎng)絡(luò)，因而可以判斷設(shè)備內(nèi)部MVB傳輸異常，設(shè)備的MVB外部插頭無異常。

該類型故障主要為設(shè)備自身故障導(dǎo)致，單個(gè)子設(shè)備系統(tǒng)不能正常工作，但不會(huì)影響整個(gè)MVB網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)墓δ埽琈PU在檢測(cè)設(shè)備時(shí)根據(jù)子設(shè)備故障等級(jí)情況反饋給DDU上。

3.2" MVB通道斷點(diǎn)故障案例分析

二號(hào)線013014車在使用網(wǎng)絡(luò)測(cè)試儀檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)時(shí)發(fā)現(xiàn)ACE2設(shè)備的MVB網(wǎng)絡(luò)B通道誤碼率較高，信號(hào)傳輸存在嚴(yán)重的丟幀現(xiàn)象，ACE2的MVB網(wǎng)絡(luò)B通道的誤碼率達(dá)到99.85%，B通道的主幀及從幀都呈現(xiàn)不規(guī)律的表現(xiàn)形式。分別以MPU1、MPU2為主設(shè)備，在R1（RIOM1）上加裝終端電阻，分別檢測(cè)R1兩側(cè)MVB網(wǎng)絡(luò)通信的狀況。以A1車為主MPU，測(cè)試點(diǎn)為A2車的R2處，在A2車的R1車加裝終端電阻網(wǎng)絡(luò)測(cè)試主MPU1到R1_A2終端之間無異常。以A2車為主MPU，測(cè)試點(diǎn)為A2車的R1處，在A2車的R2車加裝終端電阻網(wǎng)絡(luò)測(cè)試R1_A2設(shè)備不在線。測(cè)試判斷DDU2到R1_A2之間的B通道MVB網(wǎng)絡(luò)存在較高的誤碼率，可能存在斷點(diǎn)的情況，其中經(jīng)過的設(shè)備級(jí)如圖4所示分布。

通過波形分析，如圖5所示，以MPU2為主時(shí)采集額MVB主幀數(shù)據(jù)存在差異，正常MPU發(fā)出的主幀幅值在-2 ～+2 V之間，而數(shù)據(jù)采集中的B通道數(shù)據(jù)主幀最高幅值達(dá)到3 V左右。

懷疑主設(shè)備發(fā)出的主幀幅值存在異常，在更換MPU2設(shè)備后監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)仍未發(fā)生改變，判斷在B通道設(shè)備傳輸線上存在斷點(diǎn)的情況，后檢查CPU終端時(shí)發(fā)現(xiàn)終端內(nèi)有終端電阻接線松脫情況。

本次MVB網(wǎng)絡(luò)故障主要是由于B通道網(wǎng)絡(luò)終端接線松動(dòng)，造成MPU發(fā)射的主幀信號(hào)反射產(chǎn)生畸變，導(dǎo)致各個(gè)設(shè)備收到的主幀信號(hào)無法解碼或解碼錯(cuò)誤。MVB通道發(fā)生故障，若單通道存在斷點(diǎn)的情況，因MVB存在冗余功能不會(huì)影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的工作狀態(tài)，若MVB雙通道都發(fā)生斷點(diǎn)的情況，則會(huì)發(fā)生MVB網(wǎng)絡(luò)癱瘓故障。

3.3" 從幀缺失故障案例分析

MVB網(wǎng)絡(luò)在信息傳輸過程中存在信號(hào)衰減的情況，當(dāng)信號(hào)傳輸幅值低于解碼條件幅值要求時(shí)，主幀就無法解碼。其中二號(hào)線ALSTOM設(shè)備解碼幅值較小的設(shè)備為ACE，從幀解碼幅值為4 V左右，當(dāng)主幀由原來的2 V衰減到1 V左右時(shí)，主設(shè)備從遠(yuǎn)端發(fā)送信號(hào)時(shí)，本端ACE因從幀缺失導(dǎo)致無法解碼。若從幀缺失較多則主要表現(xiàn)為DDU上ACE會(huì)跳顯問號(hào)。

二號(hào)線029030車在檢車過程中發(fā)生029段端ACE1有跳顯示問號(hào)情況，下載MPU及輔助都無故障記錄。使用網(wǎng)絡(luò)測(cè)試儀測(cè)試ACE1在MVB信號(hào)傳輸過程中存在數(shù)據(jù)無法解碼的情況，如圖6所示。

通過監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，當(dāng)以029端為主的MPU發(fā)出信號(hào)時(shí)，由于MPU1到ACE1的距離較短，信號(hào)傳輸衰減較低，因而不影響設(shè)備的信號(hào)解碼。當(dāng)以030端為主的MPU發(fā)出信號(hào)時(shí)，由于MPU2到ACE1的距離較遠(yuǎn)，MVB在長(zhǎng)距離傳輸過程中存在較大的衰減，其次由于設(shè)備使用年限較長(zhǎng)，設(shè)備在主幀解碼過程中也存在部分誤差，從而導(dǎo)致設(shè)備在解碼過程中存在無法解碼從幀缺失的情況。

3.4" 網(wǎng)絡(luò)故障原因分析

造成網(wǎng)絡(luò)信號(hào)傳輸故障原因種類比較多，其中主要會(huì)造成故障的情況包括MVB傳輸線纜較長(zhǎng)，從而導(dǎo)致信號(hào)傳輸衰減出現(xiàn)丟幀丟包的現(xiàn)象。單個(gè)設(shè)備內(nèi)部MVB接口傳輸不良，設(shè)備可以檢測(cè)，但信號(hào)往后設(shè)備傳輸時(shí)會(huì)產(chǎn)生丟幀丟包的現(xiàn)象。MVB線纜抗干擾衰弱，某一段線纜在信號(hào)傳輸中有明顯的信號(hào)衰減現(xiàn)象。MVB設(shè)備連接器接線不規(guī)范，如未采用雙絞線的接線方式，或者連接器處的屏蔽效果做得差，或者連接器中的短路電阻的引線未清除干凈造成短路現(xiàn)象，或者部分連接器的引線距離太近存在導(dǎo)通風(fēng)險(xiǎn)，都會(huì)影響到信號(hào)的正常有效傳輸。

4" 列車網(wǎng)絡(luò)故障排查手段

通過上述案例可看出目前列車發(fā)生網(wǎng)絡(luò)故障的原因較多，常規(guī)手段不易解決此類問題，目前解決問題的主要方式還是通過列車網(wǎng)絡(luò)故障診斷系統(tǒng)進(jìn)行故障診斷，其中可以使用的網(wǎng)絡(luò)診斷設(shè)備包括網(wǎng)絡(luò)測(cè)試儀、示波器、MVB信號(hào)分析儀和信號(hào)發(fā)生器等設(shè)備。如圖7所示，在MVB總線中接入網(wǎng)絡(luò)測(cè)試儀，網(wǎng)絡(luò)測(cè)試儀與PC通過網(wǎng)線連接，與PC上的應(yīng)用軟件通信——接收配置、設(shè)定工作模式以及上傳數(shù)據(jù)。

列車網(wǎng)絡(luò)故障診斷系統(tǒng)，能夠在線實(shí)時(shí)分析通信狀況，全面解決從底層的信號(hào)質(zhì)量監(jiān)測(cè)到上層協(xié)議分析的難題。網(wǎng)絡(luò)測(cè)試儀主要包含在線通信線纜的監(jiān)視裝置及TCMS網(wǎng)絡(luò)故障預(yù)警及分析設(shè)備，分別從物理層及協(xié)議層監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)工作狀態(tài)，達(dá)到預(yù)警及故障診斷的效果。

通過TCMS網(wǎng)絡(luò)故障預(yù)警及分析設(shè)備分析MVB網(wǎng)絡(luò)情況，能夠在線實(shí)時(shí)分析信號(hào)的波形特征、鏈路層的幀序列和應(yīng)用層的數(shù)據(jù)，并捕獲網(wǎng)絡(luò)異常。結(jié)合在線通信線纜的監(jiān)視裝置使用可實(shí)時(shí)監(jiān)視線纜的連接狀態(tài)、判斷連接器松動(dòng)、開路、斷路，并指示線纜未連接點(diǎn)的位置，形成網(wǎng)絡(luò)故障及預(yù)警的整體解決方案。

5" 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)改進(jìn)措施

5.1" 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

ALSTOM網(wǎng)絡(luò)設(shè)備采用串接的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，單個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的故障都可能影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的正常工作，該設(shè)計(jì)方式比較老舊。設(shè)備采用并聯(lián)的方式接在MVB網(wǎng)絡(luò)中，可有效地減少設(shè)備自身故障導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)癱瘓情況。并聯(lián)結(jié)構(gòu)MVB連接器主要區(qū)別在于MVB連接器的接線方式不同，采用Sub-Db9單通道的接線方式，如圖8所示的MVB連接器采用單通道的方式，兩連接器采用兩通道進(jìn)出，設(shè)備并聯(lián)在MVB網(wǎng)絡(luò)中。此種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)下即使設(shè)備發(fā)生MVB網(wǎng)絡(luò)故障也不會(huì)影響整個(gè)列車網(wǎng)絡(luò)的通信。

5.2" 加裝中繼器

由于MVB在信號(hào)傳輸過程中存在信號(hào)衰減，信號(hào)傳輸衰減導(dǎo)致無法解碼，目前有效的方法是在網(wǎng)絡(luò)回路中加裝中繼器放大信號(hào)。中繼器與MVB網(wǎng)絡(luò)通過物理連接，對(duì)MVB總線上傳輸?shù)男盘?hào)進(jìn)行過濾放大，數(shù)據(jù)傳輸保持與原數(shù)據(jù)相同，且延長(zhǎng)信號(hào)傳輸?shù)木嚯x。鑒于二號(hào)線MVB網(wǎng)絡(luò)，通過加裝信號(hào)放大器可以穩(wěn)定主幀信號(hào)傳輸幅值不變，穩(wěn)定在2 V，從而便于設(shè)備的正常解碼。

5.3" 提高M(jìn)VB網(wǎng)絡(luò)抗干擾能力

由于地鐵車輛設(shè)計(jì)及運(yùn)營(yíng)環(huán)境復(fù)雜，列車網(wǎng)絡(luò)在工作過程中存在一定的電磁干擾，為了防止電磁對(duì)列車網(wǎng)絡(luò)通信的干擾，在設(shè)計(jì)過程中就已經(jīng)使用高質(zhì)量的屏蔽材料以及抗干擾性能強(qiáng)的電子元件。在列車長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)營(yíng)，設(shè)備及線纜老化的情況下存在設(shè)備及線纜抗干擾能力下降的情況，解決此類問題的有效辦法是在列車架大修過程中對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行電磁兼容性測(cè)試，評(píng)估設(shè)備的抗干擾能力，及時(shí)更換抗干擾能力弱的設(shè)備網(wǎng)絡(luò)接口。

5.4" 定期測(cè)試網(wǎng)絡(luò)通信功能

為了提高M(jìn)VB網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性，需定期對(duì)列車網(wǎng)絡(luò)通信功能進(jìn)行測(cè)試，評(píng)估當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，在故障發(fā)生前及時(shí)檢測(cè)并預(yù)警可能發(fā)生的故障。

6" 結(jié)束語

TCMS網(wǎng)絡(luò)故障對(duì)列車正常運(yùn)營(yíng)影響較大，南京地鐵二號(hào)線列車網(wǎng)絡(luò)由于使用年限較長(zhǎng)，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)缺陷，存在較大的安全行車風(fēng)險(xiǎn)，鑒于此類情況對(duì)列車網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化改善。通過上文對(duì)南京地鐵二號(hào)線網(wǎng)絡(luò)故障的分析和改進(jìn)，可有效地提高故障處置能力，確保列車的正常運(yùn)營(yíng)。

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Abstract： This paper analyzes the train network system of Nanjing Metro Line 2 and its fault cases， explores the phenomena and troubleshooting methods of subway Multifunction Vehicle Bus（MVB） bus network faults， summarizes and analyzes the fault rules， and provides corresponding treatment measures.

作者簡(jiǎn)介：徐培龍（1988-），男，工程師。研究方向?yàn)榈罔F車輛維護(hù)管理。