南京地鐵二號線網(wǎng)絡控制系統(tǒng)及故障分析

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

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

中圖分類號：U284" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2025）07-0137-04

南京地鐵二號線NJ02-1型車使用的網(wǎng)絡為法國阿爾斯通（ALSTOM）設計的列車網(wǎng)絡控制系統(tǒng)（Train Control and Management System，TCMS），該網(wǎng)絡系統(tǒng)在列車上已經使用了十多年，目前列車在使用過程中發(fā)生多起網(wǎng)絡異常的現(xiàn)象，主要表現(xiàn)為司機顯示單元（Driver Display Unit，DDU）上網(wǎng)絡設備圖標跳顯問號、車輛控制單元（Main Processor Uni，MPU）內記錄MVB網(wǎng)絡通道故障等現(xiàn)象。列車網(wǎng)絡故障隱蔽性較大、類型復雜，在日常維護中不易發(fā)現(xiàn)和處理，給行車安全帶來較大的隱患。本文結合南京地鐵ALSTOM網(wǎng)絡結構系統(tǒng)的故障案例分析，總結一套有效的地鐵車輛網(wǎng)絡故障診斷排查方法和改進措施。

1" TCMS網(wǎng)絡概述

列車網(wǎng)絡系統(tǒng)是一個采用模塊化設計，由列車控制管理系統(tǒng)與其他子系統(tǒng)構成的列車綜合控制、監(jiān)督和診斷系統(tǒng)，使用符合IEC 61375標準的冗余MVB總線作為列車線以及車輛線，同時通過硬線輸入輸出信號實現(xiàn)列車的監(jiān)控和診斷。

如圖1所示，南京地鐵二號線TCMS由MVB總線及主要列車網(wǎng)絡設備構成，TCMS與車輛網(wǎng)絡設備之間采用硬連線控制和網(wǎng)絡控制并行方式，其中主要鏈接設備MPU、DDU、RIOM（Remote Input/Output Module，遠程輸入/輸出單元）、EVR（事件記錄儀）、網(wǎng)關閥、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)絡貫穿整個列車控制系統(tǒng)，對全列車的通信設備進行了數(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、控制整個列車的狀態(tài)，同時將診斷的信息發(fā)送到司機室顯示器DDU上，幫助司機進行駕駛操作。一列車的2個車輛控制單元互為冗余，當其中一個故障時，另外一個將自動接替它的工作，實現(xiàn)無縫切換，保證列車的正常運行。

MVB是多功能車輛總線的簡稱，屬于現(xiàn)場總線，也是工業(yè)控制的一種。MVB總線由主設備控制，只有主設備有權發(fā)送主幀，所有其他設備都是從設備，它們不可以自發(fā)地發(fā)送數(shù)據(jù)，MPU管理MVB總線，檢測MVB總線上所有子系統(tǒng)是否在線。南京地鐵二號線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），使用雙絞屏蔽線，最多可支持32個設備，102個端口的通信，最大總線信號傳輸長度為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，在設備DDU的CPU上設置終端電阻，阻值為120 Ω。南京地鐵MVB的物理層采用冗余鋪設，具有數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定、抗干擾能力強等優(yōu)點?？偩€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，傳輸周期的詳細資料由每個子系統(tǒng)各自的技術指標確定。對于整個車輛網(wǎng)絡來說MVB數(shù)據(jù)信號是以廣播的類型發(fā)送，比如車門閉鎖的狀態(tài)、車速等等。假設這類信號有錯，或者丟失了字節(jié)，那么將以下個周期的信號補充。

南京地鐵二號線MVB接口采用Sub-Db9雙通道的接線方式，如圖2所示，每個連接器上有AB 2個通道，兩連接器采用一進一出的工作方式接到設備上，網(wǎng)絡設備通過串接的方式連接在MVB網(wǎng)絡中。

2" 列車網(wǎng)絡控制系統(tǒng)故障判斷機理

網(wǎng)絡故障的判斷機理為主設備單元MPU向子設備發(fā)送輪詢信號，采用主從輪詢的方式進行介質訪問，在輪詢周期內，各個子設備在收到主MPU發(fā)送的輪詢信號后，作出相應的應答并發(fā)送不同格式的相應幀給主設備單元，通過相互連續(xù)應答的方式進行判斷，不同設備端口的輪詢周期和應答周期各不相同。若在輪詢周期內子設備未響應，則主設備判斷子設備發(fā)生離線故障，牽引輔助以及制動系統(tǒng)在輪詢周期內未收到主幀信號則會報TCMS通信丟失故障。網(wǎng)絡故障判斷的標準就是判斷數(shù)據(jù)交換的相關信息是否符合規(guī)范性要求，包括網(wǎng)絡的端口號、周期、偏移量、信號名、數(shù)據(jù)含義及定標等，或者網(wǎng)絡的比特率、幀的結構及數(shù)據(jù)含義等是否符合規(guī)范性標準。

3" 網(wǎng)絡故障診斷案例及原因分析

南京地鐵二號線地鐵車輛發(fā)生網(wǎng)絡故障主要表現(xiàn)為MVB通信故障，設備不在線，DDU上設備顯問號或者設備會時不時地出現(xiàn)通信丟失現(xiàn)象。網(wǎng)絡傳輸之間由于MVB傳輸介質原因，通常會出現(xiàn)信號傳輸衰減、信號傳輸中斷等情況，或者由于其他信號的干擾情況等原因導致信號不能正常傳輸。

3.1" 網(wǎng)絡設備故障案例分析

網(wǎng)絡設備自身故障，設備離線，設備自身不能發(fā)出或采集傳輸信號，導致信號傳輸中斷。使用TCN網(wǎng)絡測試儀檢測網(wǎng)絡狀況會顯示故障設備誤碼率較高，如圖3所示，在TCN解碼過程中EVR1的誤碼率達到100%，MVB的2個通道都無法解碼，但不影響整個MVB網(wǎng)絡，因而可以判斷設備內部MVB傳輸異常，設備的MVB外部插頭無異常。

該類型故障主要為設備自身故障導致，單個子設備系統(tǒng)不能正常工作，但不會影響整個MVB網(wǎng)絡傳輸?shù)墓δ?，MPU在檢測設備時根據(jù)子設備故障等級情況反饋給DDU上。

3.2" MVB通道斷點故障案例分析

二號線013014車在使用網(wǎng)絡測試儀檢測網(wǎng)絡時發(fā)現(xiàn)ACE2設備的MVB網(wǎng)絡B通道誤碼率較高，信號傳輸存在嚴重的丟幀現(xiàn)象，ACE2的MVB網(wǎng)絡B通道的誤碼率達到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為主設備，在R1（RIOM1）上加裝終端電阻，分別檢測R1兩側MVB網(wǎng)絡通信的狀況。以A1車為主MPU，測試點為A2車的R2處，在A2車的R1車加裝終端電阻網(wǎng)絡測試主MPU1到R1_A2終端之間無異常。以A2車為主MPU，測試點為A2車的R1處，在A2車的R2車加裝終端電阻網(wǎng)絡測試R1_A2設備不在線。測試判斷DDU2到R1_A2之間的B通道MVB網(wǎng)絡存在較高的誤碼率，可能存在斷點的情況，其中經過的設備級如圖4所示分布。

通過波形分析，如圖5所示，以MPU2為主時采集額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)主幀最高幅值達到3 V左右。

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

本次MVB網(wǎng)絡故障主要是由于B通道網(wǎng)絡終端接線松動，造成MPU發(fā)射的主幀信號反射產生畸變，導致各個設備收到的主幀信號無法解碼或解碼錯誤。MVB通道發(fā)生故障，若單通道存在斷點的情況，因MVB存在冗余功能不會影響整個網(wǎng)絡的工作狀態(tài)，若MVB雙通道都發(fā)生斷點的情況，則會發(fā)生MVB網(wǎng)絡癱瘓故障。

3.3" 從幀缺失故障案例分析

MVB網(wǎng)絡在信息傳輸過程中存在信號衰減的情況，當信號傳輸幅值低于解碼條件幅值要求時，主幀就無法解碼。其中二號線ALSTOM設備解碼幅值較小的設備為ACE，從幀解碼幅值為4 V左右，當主幀由原來的2 V衰減到1 V左右時，主設備從遠端發(fā)送信號時，本端ACE因從幀缺失導致無法解碼。若從幀缺失較多則主要表現(xiàn)為DDU上ACE會跳顯問號。

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

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

3.4" 網(wǎng)絡故障原因分析

造成網(wǎng)絡信號傳輸故障原因種類比較多，其中主要會造成故障的情況包括MVB傳輸線纜較長，從而導致信號傳輸衰減出現(xiàn)丟幀丟包的現(xiàn)象。單個設備內部MVB接口傳輸不良，設備可以檢測，但信號往后設備傳輸時會產生丟幀丟包的現(xiàn)象。MVB線纜抗干擾衰弱，某一段線纜在信號傳輸中有明顯的信號衰減現(xiàn)象。MVB設備連接器接線不規(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通風險，都會影響到信號的正常有效傳輸。

4" 列車網(wǎng)絡故障排查手段

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)絡故障診斷系統(tǒng)進行故障診斷，其中可以使用的網(wǎng)絡診斷設備包括網(wǎng)絡測試儀、示波器、MVB信號分析儀和信號發(fā)生器等設備。如圖7所示，在MVB總線中接入網(wǎng)絡測試儀，網(wǎng)絡測試儀與PC通過網(wǎng)線連接，與PC上的應用軟件通信——接收配置、設定工作模式以及上傳數(shù)據(jù)。

列車網(wǎng)絡故障診斷系統(tǒng)，能夠在線實時分析通信狀況，全面解決從底層的信號質量監(jiān)測到上層協(xié)議分析的難題。網(wǎng)絡測試儀主要包含在線通信線纜的監(jiān)視裝置及TCMS網(wǎng)絡故障預警及分析設備，分別從物理層及協(xié)議層監(jiān)控網(wǎng)絡工作狀態(tài)，達到預警及故障診斷的效果。

通過TCMS網(wǎng)絡故障預警及分析設備分析MVB網(wǎng)絡情況，能夠在線實時分析信號的波形特征、鏈路層的幀序列和應用層的數(shù)據(jù)，并捕獲網(wǎng)絡異常。結合在線通信線纜的監(jiān)視裝置使用可實時監(jiān)視線纜的連接狀態(tài)、判斷連接器松動、開路、斷路，并指示線纜未連接點的位置，形成網(wǎng)絡故障及預警的整體解決方案。

5" 網(wǎng)絡系統(tǒng)改進措施

5.1" 網(wǎng)絡結構的優(yōu)化

ALSTOM網(wǎng)絡設備采用串接的拓撲結構，單個網(wǎng)絡設備的故障都可能影響整個網(wǎng)絡的正常工作，該設計方式比較老舊。設備采用并聯(lián)的方式接在MVB網(wǎng)絡中，可有效地減少設備自身故障導致的網(wǎng)絡癱瘓情況。并聯(lián)結構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出，設備并聯(lián)在MVB網(wǎng)絡中。此種網(wǎng)絡結構下即使設備發(fā)生MVB網(wǎng)絡故障也不會影響整個列車網(wǎng)絡的通信。

5.2" 加裝中繼器

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

5.3" 提高MVB網(wǎng)絡抗干擾能力

由于地鐵車輛設計及運營環(huán)境復雜，列車網(wǎng)絡在工作過程中存在一定的電磁干擾，為了防止電磁對列車網(wǎng)絡通信的干擾，在設計過程中就已經使用高質量的屏蔽材料以及抗干擾性能強的電子元件。在列車長時間運營，設備及線纜老化的情況下存在設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網(wǎng)絡設備進行電磁兼容性測試，評估設備的抗干擾能力，及時更換抗干擾能力弱的設備網(wǎng)絡接口。

5.4" 定期測試網(wǎng)絡通信功能

為了提高MVB網(wǎng)絡的穩(wěn)定性，需定期對列車網(wǎng)絡通信功能進行測試，評估當前的網(wǎng)絡狀態(tài)，在故障發(fā)生前及時檢測并預警可能發(fā)生的故障。

6" 結束語

TCMS網(wǎng)絡故障對列車正常運營影響較大，南京地鐵二號線列車網(wǎng)絡由于使用年限較長，設計結構缺陷，存在較大的安全行車風險，鑒于此類情況對列車網(wǎng)絡進行相應的優(yōu)化改善。通過上文對南京地鐵二號線網(wǎng)絡故障的分析和改進，可有效地提高故障處置能力，確保列車的正常運營。

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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.

作者簡介：徐培龍（1988-），男，工程師。研究方向為地鐵車輛維護管理。