城市轨道交通列车通信网络系统故障分析

徐 磊 殷培强 李文正 尹龙龙

(中车青岛四方车辆研究所有限公司电子事业部，266031，青岛//第一作者，工程师)

在现代城市轨道交通列车运行控制过程中,列车通信网络发挥着不可替代的作用，不但负责信息传输，而且还要执行某些重要的控制逻辑，因此，列车通信网络通信质量的稳定性至关重要。本文结合现场普遍发生的列车通信网络故障，进行深入分析，找到问题发生的根源，进而提出整改建议。

1 列车通信网络系统的多功能车辆总线

目前，国内城市轨道交通列车多采用MVB(多功能车辆总线)作为列车线及车辆线的通信介质。MVB是IEC 61375标准中定义的一种总线形式，主要用于列车内各子系统设备的互联。由于国内城市轨道交通列车多采用固定编组方式，基本不存在重联运营的工况，因此MVB总线既用作列车总线，也用作车辆总线。

所有子系统的控制器均通过其自身的MVB-EMD(EMD为用于中距离传输的电介质)通信接口接入到MVB网络。其中，关键子系统如牵引控制系统、辅助电源控制系统、制动控制系统、信号系统、车门系统等均具有硬线接口，以便在网络控制系统故障时，进行紧急牵引操作。

列车总线和车辆总线采用A、B路冗余传输，以保证数据传输的可靠性。MVB总线的传输速率为1.5 Mbit/s, 可以传输过程数据、消息数据和监视数据。

在列车司机室控制台上安装有HMI(人机界面)。HMI通过MVB获取列车及设备信息，实时显示车辆参数、系统运行状态，并实时提示车辆故障信息。通过HMI可以进行时间、列车号、轮径等参数的设置。HMI还可以实时显示列车网络的通信状态，在显示屏的通信状态界面上，红色表示通信异常。

在列车司机室安装有RPT(中继器)。RPT是满足IEC 61375标准的0类设备，是冗余管理的MVB-EMD中继设备，其主要作用是进行信号的放大和中继传输。相对于以往常用的“串型”拓扑结构，目前所采用的“T型”拓扑结构能够在一定程度上隔离通信故障，提高网络通信质量。RPT前面板上会设置指示灯，用于表征通信状态及故障。

在现场实际使用过程中，一般通过HMI和RPT来指示和定位故障。

2 列车通信网络系统故障分析及解决方案

2.1 故障描述

造成列车通信网络故障的原因多种多样。从表面上来看，故障主要表现为整个网络通信不稳定、多个设备频繁离线，或者某一个设备离线。对于第一种故障情况，故障原因往往较为复杂，这里不做详述，本文将重点针对第二种故障情况进行研究和分析，结合现场实际发生的故障深入探究。

在某项目调试过程中，紧挨着RPT的设备D3频繁离线，硬件更换之后，故障仍然存在。通过排查MVB线路及连接器，没有发现明显异常，每段线路阻抗均为(1±10%)×120 Ω，符合IEC 61375标准要求。故障线路拓扑示意如图1所示，总线主BA和离线的从设备D3分别位于中继器RPT的两侧。

图1 故障线路拓扑示意图

借助专用差分信号采集探头，将示波器接入线路，通过协议分析仪配合端口触发进行波形抓取。发现设备D3的端口0x350在进入RPT之前回复从帧正常，但是经过RPT之后，从帧消失。为了排除RPT自身原因，更换RPT后再进行试验，故障依旧存在。

测试波形如图2所示。绿色波形为测试点在RPT左侧网段的波形，橙色波形为测试点在RPT右侧网段的波形，黑色圆圈(①)中的数据帧为主设备BA发送的进入RPT之前的0x350端口的主帧，黄色圆圈(②)中的数据帧为经过RPT处理之后的0x350端口的主帧，绿色圆圈(③)中的数据帧为从设备D3回复的0x350端口的从帧。正常情况下，在红色圆圈(④)位置，应该会出现经过RPT处理之后的0x350端口的从帧，而此时并没有出现。

图2 现场通信故障测试波形

从整个线路的通信状态来看，RPT对其他所有设备的端口数据转发均正常。将测试波形进行局部放大，如图3所示。从图3中波形可以看出，主从帧之间的线路空闲时间约为1.76 μs，线路出现了比较明显的干扰，噪声幅值超过600 mV，这明显超出标准规定(按照IEC 61375标准，EMD数据帧尾振铃幅值要在300 ns内衰减到100 mV以下)。

图3 现场通信故障测试波形局部放大图

2.2 故障原因分析

为了判断是否是因为线路干扰严重导致RPT无法正常转发0x350端口的从帧，笔者在实验室环境下进行了对比测试，测试波形如图4所示。由图4波形可见，几乎不存在噪声。在实验室环境下，RPT确实能够正常对0x350端口从帧进行转发。在列车通信网络系统中，造成线路噪声的原因多种多样，比如整车电磁环境、MVB连接器压接工艺处理、线路中各设备通信板卡的MVB一致性参数等。在如此复杂的环境下，任何一个环节没有处理好或者几种情况发生了耦合，都有可能出现上述的线路噪声。而如果想要彻底滤除线路噪声，从笔者的项目经验来看，在工程应用中几乎不可能实现。至于如何降低MVB通信线路噪声，在此不做详述。

图4 试验室模拟测试波形

通过前文描述可以发现，问题的关键点在于主从帧之间这段时间，一个与之相关的参数是源设备延时(t_source)，该参数是表征源设备性能的重要参数。简单来说，该参数是指某个源设备从收到主帧到响应从帧之间这段时间延时，理论上来说，响应时间越短说明该设备性能处理速度越快。IEC 61375-3-1—2012中的6.2.3节对该参数进行了详细描述，并且详细说明了从帧响应的t_source时间需介于2.0 μs和6.0 μs之间，推荐值为4 μs。但是仔细研究之后发现，标准对于这段时间的起止点并没有太明确的定义。从对从帧响应时间的要求可以看出，该时间起点为主帧校验序列之后，终点为从帧起始分解符之前，包含3部分，分别是主帧终止位时间(T_ED)、线路空闲时间(T_LI)以及从帧起始位时间(T_SB)。其中，t_source=T_ED+T_LI+T_SB。

标准中关于终止位的描述详见IEC 61375-3-1-2012中的5.1.6章节和标准中该章节的图32所示，T_ED约为2 BT(按照IEC 61375标准定义，2 BT≈667 ns)，即1.33 μs。

标准中关于从帧起始位的描述详见IEC 61375-3-1-2012中的5.1.5章节和标准中该章节的图31所示，T_SB约为1 BT(按照IEC 61375标准定义，1 BT=667 ns)，即0.667 μs。

将T_ED、T_SB数值带入上述t_source计算公式可得出T_LI的范围约为0到4 μs之间，即0

从标准定义可以看出，t_source只是针对能够响应从帧的源设备的要求，但是RPT并不在此范围内。标准中关于RPT的性能要求描述详见IEC 61375-3-1-2012中的5.3.1章节。其中，与本文所描述问题相关的标准中的第一条，从字面上理解为，RPT能够识别数据帧的初始方向并能保持稳定时间T_ST=2.0 μs，即RPT在从A侧向B侧转发数据帧结束后的2.0 μs时间内将无法转发B侧发来的数据帧。这正是本文中描述的列车通信故障所处的工况：主设备BA与从设备D3分别位于RPT的A、B两侧，中继器从A侧接受了主帧转发到B侧，然后又将B侧发来的从帧转发到A侧。

笔者认为，该参数的定义初衷受当时硬件性能的限制，随着硬件性能参数的提升，该时间也在缩短。本文中提到的RPT的该时间参数为1.5 μs，因此在试验室环境测试时工作正常。

经过上述分析，发现IEC 61375标准中存在矛盾之处，如果T_LI小于T_ST(如果RPT与源设备距离较近，可忽略线路延时)，将导致RPT在某些特定工况下无法正常转发数据帧，而T_LI由t_source决定。通过简单计算可得知，t_source应大于4 μs，那么其取值范围将变为4 μs

再回到本文描述的这种列车网络通信故障，由图3可以看出，线路噪声在主帧结束后约0.7 μs后才降低到了200 mv以下，因此，对于RPT来说T_LI时间只剩下不到1 μs，远小于T_ST时间。至此，本文所描述的这种特定工况下的列车网络通信故障的原因已经找到。

2.3 解决方案

前文的分析中，详细描述了这种列车网络通信故障产生的原因，既有线路通信质量的原因，又有源设备与RPT配合的原因。根据笔者的项目经验，给出针对这种故障的解决方案。

(1)优化整车电磁环境，减少对MVB通信线路的干扰。

(2)规范MVB连接器制作工艺，特别注意电缆屏蔽处理。

(3)在前期的MVB一致性测试中，增加对于t_source试验项点，了解网络中所有控制器通信板卡的t_source参数，尽量将该参数修改至4 μs

(4)提高RPT接收器的不灵敏度。根据笔者的项目经验，提高到350 mV以上能够滤除多数干扰。

3 结语

城市轨道交通列车通信网络系统是一个复杂的集成系统，影响该系统工作的因素很多，可能发生的故障也多种多样。本文介绍了现场调试过程中遇到的一种典型故障，分析了故障原因，提出了相应的解决方案。在现场的故障处理过程中，应充分利用协议分析仪和示波器等仪器设备，深入分析故障的根本原因，只有这样才能最终解决问题。

另外，IEC 61375标准已经颁布多年，各厂家生产出了各类通信板卡，在城市轨道交通及高铁列车中广泛应用，然而，在实际工程应用过程中，仍然存在参数匹配问题，需要继续深入研究。