城市軌道交通列車網絡系統拓撲結構研究

徐 磊 殷培強 李文正

(中車青島四方車輛研究所有限公司電子事業部，266011,青島//第一作者，工程師)

網絡化控制是現代城市軌道交通列車控制的發展方向。隨著串行總線技術的快速發展，城市軌道交通列車的大部分控制功能均可由網絡系統承擔，這對網絡系統的可靠性提出了更高的要求。網絡系統故障往往會導致列車降級運行甚至退出正常運營。

整個網絡系統主要由系統軟件、系統硬件及傳輸介質三部分組成，而網絡系統故障也出自這三部分。其中，系統軟件故障主要是控制邏輯漏洞，這些問題經過地面聯調、工廠調試、整車型式試驗基本被解決；對于系統硬件故障，目前各配套子系統廠家的硬件設計越來越成熟，在滿足整車對硬件產品MTBF(平均無故障時間)要求的前提下，硬件產品的故障率往往較低；對于傳輸介質，其故障影響因素多種多樣，且具有不確定性，因此這一類故障在列車運營中往往占大多數，也是用戶亟待解決的問題。本文將基于城市軌道交通項目經驗從拓撲設計、介質選型及連接器選型等方面進行闡述，并給出針對性建議。

1 列車網絡系統拓撲結構對比分析

基于目前城市軌道交通列車基本無重聯運營的需求，列車大多采用固定編組的方式，因此，城市軌道交通列車網絡系統一般按照《城軌車輛車載控制網絡數據傳送規范》中規定的“一級網絡”進行組建，列車級與車輛級傳輸介質均為MVB-EMD(多功能車輛總線-電氣中距離)。

圖1為一級網絡拓撲結構圖。其中，“T”型拓撲結構是在每節車安裝1臺中繼器，這種拓撲方式的優點是能夠在一定程度上隔離通信故障，提高網絡通信質量；其不足之處在于成本較高，多出的成本來自于中繼器硬件以及MVB電纜。

而“串”型拓撲結構僅在2節車或3節車中安裝1臺中繼器。在實際工程應用中，按照標準IEC 61375規定，需保證每個網段線路長度不得超過200 m。與“T”型拓撲結構相比，這種拓撲結構的優點在于結構簡單、成本較低，但對于網絡通信故障的隔離作用較弱。

中繼器是滿足標準IEC 61375的0類設備，主要用于MVB信號的放大和中繼傳輸。在工程應用中，中繼器還具有分割網段與隔離故障的作用，因此，越來越多的項目選擇“T”型拓撲結構。該結構中中繼器可以將多數通信故障隔離在發生故障的網段內，避免對整個網絡造成進一步的影響。鑒于城市軌道交通項目經驗，經常發生的一種故障為由于連接器松脫、板卡內部線路故障而導致的通信鏈路中斷，在這種情況下，“T”型拓撲結構較“串”型拓撲結構的優勢尤其明顯。

圖1 一級網絡拓撲結構圖

圖2～3為兩種網絡拓撲結構故障圖。圖2中，假定M2車線路發生故障，只要將M2車中繼器RPT斷電，則故障將不會影響到網絡其他網段，此時表現為M2車網絡設備離線；而圖3中，如果M2車線路發生故障，則整個網絡呈現為不穩定狀態，表現為多個設備頻繁離線和上線，導致整個網絡系統無法正常傳輸數據，此時如果切斷M2車中繼器RPT電源，Mc1和M2車網絡不穩定，而Mc2和M3車網絡較為穩定。由此可知，針對兩種網絡拓撲結構下該類型故障對整個網絡通信的影響，“串”型網絡拓撲結構要大于“T”型拓撲結構網絡，且當車輛編組數量越多時影響更甚。

圖2 “T”型網絡拓撲結構故障

2 列車網絡系統拓撲結構改進設計

2.1 改進方案設計

目前，我國城市軌道交通列車每年的運營里程為10萬km左右，隨著常年累月的振動，MVB連接器經常出現松脫的情況，據不完全統計，在各城市的地鐵運營過程中，這種故障占整個網絡系統故障的一半以上。以4輛編組B型地鐵列車為例，全列車共有近百個MVB連接器，在每天的列檢中對所有的MVB連接器進行全面檢查是不現實的。針對這種典型問題，一種新的拓撲型式(改進的“T”型網絡拓撲結構)出現在工程應用中，如圖4所示。

圖3 “串”型網絡拓撲結構故障

圖4 改進的“T”型網絡拓撲結構圖

與圖2所示的傳統“T”型拓撲結構相比，這種改進“T”型拓撲結構的優點主要包括兩點：一是將物理介質分開，即A、B路分為兩根電纜；二是采用總線專用連接器InduCom9(見圖5)。這種方案的優點較為明顯，一方面，電纜在連接器內部實現短接，避免了由連接器松脫導致的網絡通信故障；另一方面，A、B路電纜分為兩條獨立的物理介質，降低了線路中斷導致通信故障的概率，如果其中一條物理介質發生故障，只會影響其中一路的通信，另外一路仍可正常傳輸數據。

圖5 InduCom9連接器

2.2 改進方案分析

改進“T”型拓撲結構有諸多優點，但該方案也存在一定的弊端，簡述如下：

2.2.1 電纜與端子匹配性及現場操作工藝要求高、二次操作難度大

與普通的D-SUB9連接器不同，這款連接器采用端子方式進行連接，端子(見圖6)為方形孔。端子允許的電纜最大規格AWG20(美國線標20號線)，對應的截面積約為0.518 9 mm2、線徑約為0.813 mm；而MVB專用電纜是截面積為0.5 mm2的5類絞合導體，其最大線徑為1.1 mm。這對現場工人施工提出了較高的要求，稍有偏差就可能導致電纜無法完全插入端子，并對端子造成損傷(見圖7)，一旦出現電纜錯插的情況，需將電纜退出，重新進行施工，此時電纜將變成圖8所示狀態，則更加難以插入端子。

圖6 連接器固定端子

2.2.2 傳輸路徑的不等長可能造成信號傳輸時滯

在以往拓撲結構中，A、B路電纜存在于同一條物理介質中，兩路信號的傳輸路徑不存在不等長的風險；在改進“T”型拓撲中，兩路信號的傳輸路徑分別位于兩條不同的物理介質中，在處理工藝及線纜長度方面無法做到完全一致。IEC 61375標準中對于冗余線路的信號傳輸時滯有明確的規定，要求發送時滯tskew不超過0.100 μs。根據電信號在金屬介質中的傳輸速度為166.7 m/μs，可計算出tskew對應的線路長度約為16.7 m。盡管兩條傳輸路徑的物理長度差值達到16.7 m的可能性很小，但信號傳輸時延還受到阻抗等諸多因素的影響。另外，0.100 μs只是標準中規定的門限值，小于該數值的信號傳輸時滯在某些極端工況下仍可能對線路冗余及信任線切換造成影響。

圖7 損壞的端子

圖8 散開的電纜

2.2.3 線路參數的測量難以實現

對于以往傳統的拓撲結構，在現場調試過程中可借助特殊電纜分析儀進行線路參數的全面測量，測量參數主要包括接線圖、阻抗、長度、傳播延遲、插入損耗、NEXT(近端串擾)、HDTDR(高精度時域反射)及HDTDX(高精度時域串擾)等，基于上述參數，可以快速定位故障點，以及對通信線路環境進行綜合檢測，從而為網絡通信穩定提供有力保障。

對于引入InduCom9連接器的改進“T”型拓撲而言，目前還沒有一款能夠測量線路參數的儀器和設備，原因就在于該連接器內部設計有阻容電路，(見圖9)。該款連接器是西門子公司設計開發的一款總線專用連接器，其中集成了120 Ω的總線終端電阻，該設計的初衷是可以讓不自帶終端電阻的非標設備上也可有終端電阻；另外，該連接器PCB(印刷電路板)上還集成了退耦電容，可防止電路通過電源形成的正反饋通路而引起寄生振蕩，該設計使得目前的電纜分析儀無法對MVB線路進行測試。

圖9 InduCom9連接器內部電路

圖10 阻抗匹配性測試波形圖

除此之外，InduCom9連接器對線路特性的影響不可忽視。首先，與傳統的D-SUB9連接器相比，InduCom9連接器自帶一塊PCB，而其中的線路長度約為4 cm，這就增加了殘段的長度，線路中的殘段與傳輸線段及連接器之間的阻抗不匹配，或者由于負載過于集中引起的干擾和反射可能造成過零點時的抖動。IEC 61375規定，從引出點到收發器之間的殘段長度不得超過10 cm，這就要求從設備側連接器到通信板卡收發器之間的長度必須控制在6 cm以內；其次，該連接器PCB上自帶的退耦電容可能會對線路的阻容參數造成影響。標準規定，傳輸線的每一末端采用一個等效阻抗為120.0(1±10%)Ω的端接器進行短接，以匹配線路阻抗，總線中每接入一個設備都會對線路阻抗產生細微的影響，多個設備產生的影響進行疊加后將會導致明顯的后果，兩種阻抗的匹配性足以影響信號的質量。實驗室阻抗匹配性測試波形如圖10所示。由圖10可知，阻抗的匹配性對信號波形的影響非常明顯，而這種差異在工程現場環境下有可能被放大到足以影響信號的正常解析。

2.2.4 與IEC 61375不兼容導致的其他通信問題

由西門子公司發明并率先使用的InduCom9連接器雖然解決了由連接器松脫導致的網絡通信故障，然而這種連接形式卻是IEC 61375中未定義的一種方式，這也因此引發了一些新的問題，對接入網絡系統的包括中繼器在內的所有通信設備的處理策略及處理速度亦提出了新的要求。

這種全新的的拓撲結構引入了幾種典型的通信問題，具體分析如下：

1)在整個網絡通信穩定的情況下,某個設備A、B路中某一路出現通信異常。該故障工況被作為一個試驗項點列入網絡系統的型式試驗大綱中，地鐵用戶要求網絡系統在這種工況下具備冗余處理能力。如圖11所示,假定將M2車的HVAC設備的A路連接器拔掉，則在總線的A路中將不會出現該設備的從幀。對于總線主設備VCU而言，其信任線有可能是A路，此時，從VCU側來看，通信中丟失的EDCU的端口從幀可能僅占整個通信數據量的1%左右。在這種情況下，由于不滿足IEC61375標準中規定的“切換”條件，總線主設備將判定A路通信正常，總線主設備不會將信任線切換為B路，則HVAC將會離線，這樣改進拓撲的冗余機制將失去作用。

圖11 阻抗匹配性測試(一)

2)在整個網絡通信穩定的情況下，某個設備A、B路中某一路出現通信異常。該故障工況雖然不是規定的試驗項，但卻是一種現場極有可能發生的故障工況。如圖12所示，假定M2車的HVAC設備的A路連接器斷開，同時Mc1車的ERM(數據記錄儀)的B路連接器斷開，而這兩個設備中其中一個同周期的過程數據端口P1、P2在B、A路周期調度表中處于同一個基本周期，如果這時總線主設備的信任線為A路，那么B、A路發出P1端口的主幀之后，無法在A路中收到P1端口的從幀。按照IEC 61375的規定，達到42.7 μs的應答延時后，B、A路將發送下一個端口P2的主幀，此時，在B路上將會出現P2端口的主幀和P1端口的從幀的碰撞，這就會進一步導致BCU無法收到P2端口的主幀，進而造成ERM離線。

圖12 阻抗匹配性測試(二)

產生上述兩種問題的原因在于線路故障未滿足IEC 61375中規定的冗余線路A、B路的切換機制觸發條件。這可能是由于伴隨著這種新型連接器而出現的新型拓撲結構超出了標準的規定范圍。實際上，要解決上述兩種通信故障，在現有的技術水平下是可以實現的，以目前通信接口卡的處理速度，完全可以實現A、B路的實時切換，即信任具有合法有效幀的線路數據，這些問題在具體的項目中已經解決并經過項目現場驗證。

3 結語

經過多年的現場應用，基于MVB總線的城市軌道交通列車網絡系統技術日趨成熟，業內各廠家在解決現場問題的過程中積累了豐富的經驗，設計出了切實有效的解決方案。然而對于新方案中的新問題，尤其是超出標準范圍的部分，應當經過充分的地面試驗后再投入現場應用。

提高板卡的性能固然可以解決通信問題，但是應特別注意，板卡性能的提升往往會掩蓋線路的問題。另外，所有接入網絡系統的通信設備，以及連接器對于線路阻抗的影響及這種影響對于信號完整性的影響都有待于深入研究。