基于軌道交通MVB總線的車載網絡虛擬云連接系統

賓華佳，姚 仁，江偉波，左宇辰

（株洲中車時代電氣股份有限公司，湖南 株洲 412001）

0 引 言

隨著城市軌道交通的快速發展，城軌列車的需求也不斷增長。網絡控制系統作為城軌列車的指揮控制中心，不僅需要實時采集列車運營期間的各種操作指令、狀態顯示信號等，同時還要對采集的數據進行運算處理和故障診斷，給出操作列車各系統運行的控制指令，通過人機界面進行信息反饋，在車輛的安全運營中起著關鍵作用。為了提高系統運行的可靠性，在列車進行首列裝車調試前通常需要執行地面聯調，即在實驗室或其他非裝車環境中模擬列車實際裝車系統之間的接口和功能測試。

1 通用地面聯調方法

多功能車輛總線（Multifunction Vehicle Bus，MVB）作為車載通信網絡（Train Communication Network，TCN）的重要組成部分，用于有互操作性和互換性要求的列車內各電子部件和控制系統之間的串行數據通信，借助MVB可以實現底層設備所有信號和數據的采集與輸出[1]。根據傳輸距離的長短，可選擇不同類型物理層介質的MVB總線。MVB總線傳輸介質類型及特性如表1所示。

表1 MVB總線傳輸介質類型及特性

依據IEC 61375標準，MVB通信的最長傳輸距離為2 000 m，因此在地面調試環節中各個子系統連接的距離不能超過2 000 m。在當前軌道交通的應用中，絕大多數均采用基于電氣中距離（Electrical Medium Distance，EMD）介質的MVB通信，其最大傳輸距離為200 m。在不同地方的廠家要想實現基于MVB的地面聯調，必須將設備集中安裝在同一個空間。

在當前的實際應用中，基于MVB總線的遠程調試方案（以下簡稱通用方案）拓撲如圖1所示。

圖1 基于MVB總線的遠程接入拓撲

A地有1個完整的MVB拓撲，其所有的MVB子系統都在A地通過MVB總線連接起來，該拓撲里面要求具備MVB總線主。在A地配置1個路由，路由具備支持4G/5G等上網功能，A地設備具備以太網調試的功能，通過單點接入本地路由，此時在B地的PC端通過路由即可實現對A地某設備的監控和調試。需要注意的是，現有基于MVB通信的子系統已經達到20個以上，各個子系統設備大小不一，集中安裝在特定的空間執行地面聯調不僅增加了各方面的成本，同時也是對資源的一種浪費。

2 MVB主幀輪詢機制

依據IEC 61375標準，MVB總線通信使用主幀輪詢從幀應答的通信模式，通過周期性發送主從幀來建立通信數據鏈，即1個完整的MVB報文是由MVB主幀和從幀組成。MVB主幀由總線主發出，長度固定，由9位起始分界符、16位幀數據、8位校驗序列以及停止位構成。16位幀數據由4位F_code和12位地址構成，其中F_code用于指定數據報文類型和所期望的從幀長度。MVB主幀具體格式如圖2所示[2]。

圖2 MVB主幀格式

MVB從幀由本次報文源端口對應的設備（以下簡稱源設備）發出，當源設備收到總線主發出的主幀后會立即響應，發出對應的從幀，從幀中包含本次報文的通信數據，從而完成1次MVB通信。MVB從幀長度不固定，由9位起始分界符、長度不定的幀數據和校驗序列、停止位構成[3]。長度不定的幀數據有5種情況，包括16位、32位、64位幀數據加8位校驗序列以及當幀數據為128位或256位時每隔64位后加8位校驗序列。MVB從幀具體格式如圖3所示[4]。

圖3 MVB從幀格式

MVB由總線管理器即總線主進行控制，總線主具有發起通信的功能，而其余從設備僅能配合總線主的工作，不可自發發起通信[5]。由于主幀是周期輪詢，依據IEC 61375標準，處于總線上通信正常的設備在檢測到總線主發送的主幀屬于本系統需要回復的主幀后必須回復一幀從幀，并且主幀與從幀之間的回復間隔需要在規定的事件內響應（微秒級），因此從幀也是對應主幀周期答復[6]。過程數據通信流程如圖4所示。

圖4 過程數據通信流程

總線主按照預設的周期輪詢表進行尋址，在周期輪詢時發送定義好的主幀，此時所有在線的子系統對主幀進行譯碼，將其中的邏輯地址與設備地址進行比較，地址一致則為源設備的從設備，從而進行響應并發出從幀。此時所有宿端口的從設備接收從幀數據，即完成1次MVB數據傳輸。之后總線主發出下1個主幀不斷循環，實現MVB總線的數據交互。如果檢測到主幀而不回復從幀，則屬于異常情況。

根據MVB總線的主從幀通信機制，任何1個最小的MVB總線網絡中必須存在1個總線管理主設備，從設備不做要求。MVB總線端口是MVB通信幀的代名詞，連接在總線的系統通過識別主幀中的MVB總線端口來判斷是否為總線中需要本系統回復從幀的主幀，總線管理主發出的主幀是網絡上其他設備之間開始通信的標志。

3 基于MVB總線的虛擬云連接系統

基于軌道交通MVB的車載網絡虛擬云連接系統主要包括本地接口裝置和云管理系統，模擬各個不同系統的多個本地接口裝置通過云管理系統連接，組成一個虛擬的車輛連接系統，其拓撲如圖5所示。

圖5 虛擬云連接系統拓撲

以A、B、C這3個地方的系統為例進行說明，具體應用中可根據項目實際情況進行擴展。根據主從響應機制，A、B、C子系統雖然在虛擬接入系統中分屬在各個地方，但是實際裝車時都是短距離連接，因此3個子系統拓撲中必須存在1個設備作為總線管理主設備才能完整搭建實際的車載系統，以下闡述中將以A系統中的A1設備作為A、B、C子系統的總線管理主。

3.1 本地接口裝置

本地接口裝置是1類硬件接口裝置，形式多樣化、輕量、便攜，主要包含基于MVB總線通信的RS485和EMD等接口、用于維護監控數據的以太網接口、支持寬帶等有線通信接入的接口、支持4G/5G等弓網通信的接口以及電源接口（可自帶儲能電池）。

由于主從幀之間的回復間隔需要在規定的時間內響應（微秒級），通過該系統聯網的設備分處世界各地，如果各個遠程連接系統實現遠程交互，勢必無法實現主從之間的正常輪詢。而根據MVB總線的主從幀通信機制，任何1個最小的MVB總線網絡中必須存在1個總線管理主設備，因此分屬各地的A、B、C系統中必須存在1個總線管理主才能實現主從間的正常輪詢。為了方便說明，A1設備為總線大主，B系統本地接口裝置B為子B系統總線小主、C系統本地接口裝置C為子C系統總線小主，而A系統的本地接口裝置A為A系統的總線小從（從設備）。總線大主所在系統的本地接口裝置為總線從設備，其他系統的本地接口裝置為總線小主設備，代替總線大主設備在本地組成的系統完成主從機制的通信。

所提出的虛擬連接系統中，由于各個本地系統均要求具備總線管理主，本地的MVB總線拓撲中均具備主幀，但是沒有在遠程其他系統的從幀響應，因此本地接口裝置傳輸到云系統的數據為本地系統的從設備響應的從幀或接收的其他系統的總線從幀。

對于本地接口裝置，其內部主要功能分為2大部分。管理1主要從總線上按照固定格式收發到云系統的數據和其他配置指令等，管理2主要是管理本地構建的總線拓撲。本地系統數據流收發過程如圖6所示。

圖6 本地系統數據流收發過程

管理1主要是將本地系統的從幀打包成以太網數據包傳輸到云管理系統，同時將從云系統獲取的以太網數據解析成一包從幀傳輸給本地構建的總線拓撲。以太網數據包傳輸格式如圖7所示。

圖7 以太網數據包傳輸格式

當本地接口裝置為總線小主時，通過本地構建的總線拓撲實現對本地設備總線管理的主從輪詢機制，并將本系統設備的從幀傳遞給管理1，由管理1將從幀數據打包傳輸到云系統。此外，將從管理1中獲取的從幀數據結合本拓撲中存在的主幀投放到本地的拓撲中，從而促使本地其他設備可以從本地的拓撲中獲取到遠程接入設備的數據。當本地接口裝置為總線小從（從設備）時，管理2將本系統設備的從幀傳遞給管理1，由管理1將從幀數據打包傳輸到云系統。管理2從管理1獲取從幀數據，當檢測到總線在存在該從幀的主幀時，將該從幀投放到總線上響應主幀。

由于主幀具有周期性，因此從幀也必須為周期性響應，管理2需要設定數據模擬發送機制，在T時間內如果沒有從管理1獲取某端口從幀，那么將上一時刻獲取的數據作為T時間內對本地拓撲中主幀周期響應的從幀。如果超過T時間未收到管理1的數據更新，則認為該端口的從幀異常，本地總線拓撲中仍然發送該端口的主幀，但是不投放從幀，本地的其他系統收不到遠程系統該端口的數據。

MVB總線的主從輪詢機制是基于MVB總線端口地址實現，因此本地接口裝置需要配置對應的端口列表。對于本地系統的端口必須要提前配置，該列表可支持手動配置，也可遠程通過云系統下裝。對于其他遠程系統的端口，可通過從管理1獲取數據中的端口進行自動識別，并支持自動加入到列表中，該列表可下載至管理2中。此外，該虛擬云連接系統同時支持權限接入的設置，支持數據的統計、分類等其他擴展功能。

3.2 云管理系統

云管理系統主要實現的功能包括以下5個方面。一是實現對各個本地系統的權限接入、檢驗等；二是對接入系統的數據之間的交互進行管理；三是在可視化界面展示系統的統計數據：四是具備數據模擬功能：五是支持防火墻、事件審計日志等。

4 基于MVB總線的虛擬云連接系統狀態監測

基于MVB總線的虛擬云連接系統可采集位于不同地方的子系統的通信數據，對這些網絡狀態數據進行特征提取，選取與網絡通信健康狀態相關性最大的特征量進行表征即可監測位于MVB總線上所有系統的運行狀態，便于工作人員盡早發現故障。狀態監測流程如圖8所示。

圖8 狀態監測流程

《軌道交通電子設備 列車通信網絡（TCN）第3-1部分：多功能車輛總線（MVB）》（GB/T 28029.9—2020）對總線物理波形進行了規范化要求，可提取的時域特征包括正穩態電壓值、負穩態電壓值、超調量等。頻域分析可按照頻率變化觀察信號特征，通常結合時域和頻域特征可以更全面地反映信號中的故障信息。將時域數據經過傅里葉變換即可提取其中的頻域特征，包括峭度、偏度等。在列車通信網絡中，誤碼率、丟包數、吞吐量等特征值經常作為重要衡量指標來描述總線數據的傳輸性能，為系統的健康評估體系提供依據。

對通信數據進行特征提取后形成較為全面的特征參數集，但過多的特征會造成特征冗余、維度災難、模型過度擬合等問題，因此需要對特征數據進行選擇，剔除與網絡健康狀態相關性較小的特征參數，從而降低特征參數維數，減輕狀態監測系統的負擔。

地面聯調云連接系統可實時記錄各子系統的狀態特征參數，從而判斷系統故障及健康狀態。同時也可將各系統的狀態參數輸出到顯示器上進行顯示，便于工作人員更加直觀地發現和解決故障，提高地面聯調效率。

5 結 論

基于軌道交通MVB的車載網絡虛擬云連接系統通過本地接口裝置和云管理系統將處于不同空間位置的子系統聯接起來，組成一個虛擬的車輛連接系統。通過本地接口裝置實現了本地接入設備的管理，具備智能接入、數據統計、數據篩選以及本地接口自動模擬MVB總線主等功能。通過云連接系統采集MVB總線上各系統的實時狀態數據，從而監測網絡的健康狀態，及時診斷網絡故障并進行維護。