無錫地鐵2號線車輛網絡冗余故障分析

何 東

（無錫地鐵運營有限公司，江蘇 無錫 214174）

0 引 言

列車網絡控制系統是列車的中樞，對列車運行、車輛監控、車輛安全、車輛設備運行以及各設備功能的實現具有重要意義[1]。無錫地鐵2號線網絡系統采用分布式總線網絡控制技術，分為列車控制級和車輛控制級。列車控制級總線和車輛控制級總線均采用冗余的電氣中距離（Electrical Middle Distance，EMD）介質多功能車輛總線（Multifunction Vehicle Bus，MVB），并采用雙線冗余機制，以避免車輛通信出現故障。但車輛現場實際運營仍舊高頻發生網絡癱瘓故障，因此本文針對此問題進行故障分析并提出解決方案。

1 列車網絡控制和診斷系統概述

列車網絡控制系統（Vehicle Control Moudle entity，VCMe）采用分布式MVB網絡通信和控制系統，主要具有軌道車輛通信傳輸、系統控制、故障定位、狀態信息顯示、應急故障提示以及事件記錄等功能[2]。VCMe由不同功能的分布式模塊組成，具有以下特點。一是采用模塊化設計，擁有Harting緊密式插頭，易于拆裝，分布安裝于列車不同位置，方便用戶維護檢修；二是數據傳輸通信采用雙線冗余機制，提高傳輸穩定性；三是人機界面采用可觸式方式，根據用戶需求顯示車輛信息，以滿足車輛駕駛人員對車輛的狀態把控；四是機械連接采用改進后的特殊設計，接觸良好，且具有高抗電磁性[3]。

2 網絡拓撲組成

VCMe系統由數字量輸入輸出模塊、模擬量輸入輸出模塊、事件記錄模塊、人機界面、中繼放大模塊以及列車級控制模塊等組成[4]。其拓撲結構如圖1所示。

圖1 車輛網絡控制系統拓撲結構

圖1中，ATC為列車自動控制，AXMe為模擬量輸入/輸出模塊，BCU為制動控制單元，DCU為牽引控制單元，DI為數字量輸入模塊，DTECS為分布式電子列車控制系統，DO為數字量輸入/輸出模塊，EDCU為車門控制單元，EMD為電氣中距離，EDRM為事件記錄儀，HVAC為供暖、通風和空調設備，HMI為人機接口單元，PIDS為旅客信息系統，PTU為便攜式維護工具，REP為中繼模塊，SIV為輔助控制單元，TCMS為列車控制及診斷系統[5]。

VCMe技術采取分布式結構，劃分為列車控制級與車輛控制級兩級。車輛及列車控制級總線均采用MVB車輛總線，總體應用成熟。考慮到信號長距離傳輸衰減問題，每節車廂設置中繼模塊（Repeater，REP），作為車輛級總線和列車級總線的連接部分，一方面具有本車數據采集及預處理功能，另一方面可實現將數據通過列車總線轉發到VCMe的轉發功能。車輛級總線上接掛不同系統數據通信傳輸單元，且采取并列式分布方案，單個數據通信傳輸單元故障不會引發網絡癱瘓。

3 線路數據傳輸原理說明

無錫地鐵2號線項目采取雙線路冗余方案，車輛控制單元VCMe可通過A線和B線兩條通信線與車輛設備進行信息交互。由于A、B兩路總線同步發送相同的數據，因此REP從A線和B線上接收到的數據也相同。此時REP對于兩線上的數據采取先到先得策略，對先接收到的數據進行幀頭數據校驗，校驗通過則進行轉發并忽略來自另外線路相同的數據，校驗失敗則轉發另外正常線路的數據[6]。

車輛運行時，VCMe作為車輛的控制單元和監控單元需要和車輛的各個設備進行通信，接收車輛的相關設備運行信息以控制車輛運行。VCMe將以輪詢的方式發送主幀報文給車輛的設備詢問是否有數據更新，如果設備有數據更新則反饋從幀報文給VCMe單元，VCMe單元接收到信息后繼續反饋給對應設備，表示可以發送數據，則設備將以廣播的形式向通信總線上發送其相關信息。如果設備無數據更新則VCMe單元將詢問總線上的下一個設備是否有數據需要更新[7]。

4 線路數據傳輸冗余故障分析

目前，當無錫地鐵2號線項目中A、B兩條通信總線中某根線或下掛設備發生斷線故障時，人機接口單元（Human Machine Interface，HMI）屏幕反饋網絡總線整體通信失效，網絡系統癱瘓，設備無狀態信息反饋，車輛無法運行，需要進行緊急牽引，使車輛回到車庫進行檢修。線路數據原理如圖2所示。

基于線路數據傳輸原理，假設目前6車的VCMe做為車輛的MVB網絡總線主控制器，1車的數字量輸入輸出模塊（Digital Output，DO）和數字量輸入模塊(Digital Input，DI)之間的通信A總線斷開，車輛VCMe發送的主幀方向和設備反饋的從幀方向如圖2所示，A線由于存在斷線，其尾端牽引控制單元（Traction Control Unit，TCU）上終端電阻失效，因此出現阻抗不匹配、設備發出的幀數據異常以及部分數據失效等情況，但由于設備通過A線反饋的從幀報文早于B線，REP仍舊信任A線上傳輸的幀數據，將B線上傳輸的幀數據舍棄[8]。數據經過REP傳輸到達6車主VCMe、旅客信息系統（Passenger Information System，PIS）等設備，由于幀數據存在異常，接收數據的設備會將該幀數據丟棄[9]；在VCMe丟失若干數據包后，程序判定設備生命信號不更新，從而判定整車網絡系統癱瘓，整車控制失效，車輛無法正常運營，影響車輛行車安全。

圖2 線路數據原理

5 故障解決

針對上述情況，本文提出在REP程序增加幀數計數算法，讓REP通過統計總幀數來優化總線選擇機制。當總線上的設備與車輛VCMe通過REP進行通信時，REP對接收到的錯誤數據幀進行計數；當出現上文描述的通信總線A或B斷開的故障時，REP通過A總線接收到的錯誤數據幀數量與B總線不同，此時REP選擇錯誤數量幀少的通道，舍棄故障通道，以此實現車輛網絡通信總線冗余，避免冗余故障的目的[10]。目前，該方案已在現場進行試驗，模擬總線斷開，顯示器沒有上報通信故障。

雖然該方案規避了斷線誤報通信故障的現象，但是仍存在以下弊端。一是若存在車輛運行過程中出現電磁干擾源，兩路波形都干擾時，經校驗REP判定兩組數據校驗都不通過，則無法正常轉發，導致車輛通信失效；二是修改REP的通道選擇機制后，如果一條通信總線斷開，另一條通信總線受到干擾，那么有可能會導致錯幀數增加，這樣就會和實際的錯幀情況揉合在一起，也不利于后續的故障定位排查，更無法判斷是哪一列車的斷線所導致錯幀。

幀數計算算法邏輯示意如圖3所示，設t3時刻B總線發生斷線故障，則此條件下ERP對總線信息的判斷邏輯為：（1）0～t1，A線和B線沒有錯幀，REP隨機轉發其中一路數據；（2）t1～t2，A線存在錯幀且繼續增加，t2時刻，REP統計到A線上的錯幀數穩定在一定數值C，從t1時刻開始，REP轉發B線數據；t3～t4時刻開始，由于B線路存在錯幀，且持續上升，但是由于A線的錯幀總數高于B總線，即使A線正常，REP仍然轉發異常線路B線的數據，導致t3～t4時刻的數據為錯誤數據，校驗失敗后需要系統重新發送，因此當系統出現實時需求高的數據時，可能發生系統響應慢的問題。可以看出，幀數計算算法方案仍有一定的局限性，需要進一步優化。

圖3 幀數計算算法邏輯

6 結 論

本文分析了無錫地鐵2號線項目偶發的網絡系統總線冗余失效與網絡癱瘓故障，闡述了該項目網絡系統的方案，說明了網絡系統的通信傳輸原理，分析了故障現象發生的原因，得出故障現象為REP總線選擇機制影響的結論，并提出了增加統計錯誤數據幀的數量進行REP總線選擇機制的解決方案，該方案經驗證能夠規避列車網絡通信故障，降低運行風險。雖然優化的方案能夠在一定程度上解決上報的網絡通信故障，但該選擇數據轉發的機制可能導致實際故障被屏蔽，難以判斷是否有斷線故障，仍有缺陷，日后需要進一步優化。