地鐵列車(chē)網(wǎng)絡(luò )故障預警及快速故障診斷的應用與研究

        國內新型地鐵列車(chē)通信系統基本采用MVB網(wǎng)絡(luò )，運營(yíng)維護過(guò)程中對MVB網(wǎng)絡(luò )的診斷缺乏有效的檢測手段，更無(wú)法抓取到有效的數據，大多采用更換設備和線(xiàn)纜的方式排除故障。深圳地鐵1號線(xiàn)一期列車(chē)運行超過(guò)10年，MVB網(wǎng)絡(luò )故障頻發(fā)，存在同樣的困擾。深圳地鐵結合國內外各廠(chǎng)家網(wǎng)絡(luò )診斷系統的應用研究，利用MVB網(wǎng)絡(luò )故障診斷儀，分析波形，發(fā)現單個(gè)數字輸入輸出模塊產(chǎn)生了噪聲、雜波，成功鎖定了故障點(diǎn)，解決了早期列車(chē)TCMS網(wǎng)絡(luò )診斷功能不完善而導致的網(wǎng)絡(luò )故障查找困難的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：列車(chē)網(wǎng)絡(luò ) MVB 丟幀 快速故障定位

一、背景

隨著(zhù)軌道交通行業(yè)的發(fā)展，越來(lái)越多的列車(chē)的網(wǎng)絡(luò )系統采用了列車(chē)通信網(wǎng)絡(luò )（TCN - Train Communication Network）標準。作為T(mén)CN標準介質(zhì)之一的多功能車(chē)輛總線(xiàn)（MVB - Multifunction Vehicle Bus）產(chǎn)品的市場(chǎng)獲得長(cháng)足的發(fā)展；截至2017年為止，國內所有新增城市軌道列車(chē)，無(wú)一例外使用MVB網(wǎng)絡(luò )。TCN是鐵路列車(chē)車(chē)輛之間和車(chē)輛內部可編程設備互聯(lián)傳送控制、檢測與診斷信息的數據通信網(wǎng)絡(luò )，我國是參與制定列車(chē)通信網(wǎng)絡(luò )(TCN)標準的國家之一。引進(jìn)國際列車(chē)網(wǎng)絡(luò )標準IEC61375后國內進(jìn)行十幾年的消化與積累相關(guān)列車(chē)網(wǎng)絡(luò )產(chǎn)品從早期的純進(jìn)口，到現在的完全自主已形成較為完善的產(chǎn)品應用體系。

然而，在現場(chǎng)故障排查及預警方面，國內的地鐵運營(yíng)公司遲遲未能形成突破，以往故障檢修僅能通過(guò)替換設備，更換線(xiàn)纜的低效率排除方式，且在部分疑難故障上無(wú)法準確定位故障原因而導致反復復現，嚴重影響運營(yíng)服務(wù)質(zhì)量。

二、地鐵列車(chē)網(wǎng)絡(luò )故障預警及快速故障診斷的應用現狀

車(chē)輛設備供應商網(wǎng)絡(luò )接口的設計規范不完全一致，存在安全隱患。

不同TCN產(chǎn)品互聯(lián)時(shí)，故障時(shí)有發(fā)生，但是鑒定手段單一，主要依賴(lài)于各個(gè)網(wǎng)絡(luò )部件的供應商。

國內檢測能力整體偏低，即便是設備廠(chǎng)家，由于缺乏底層數據依據很難快速定位故障原因，導致故障解決周期太長(cháng)。

在列車(chē)調試過(guò)程中，由于設備兼容性、線(xiàn)纜磨損、接頭松動(dòng)等原因，網(wǎng)絡(luò )通信的信號質(zhì)量會(huì )持續逐步發(fā)生變化，進(jìn)而引發(fā)新的故障。

一旦列車(chē)交付地鐵運營(yíng)使用，故障判斷和處理將變得成本高昂。

列車(chē)網(wǎng)絡(luò )整體調試沒(méi)有形成一套完整的報告，調試結果的好壞也沒(méi)有一套判斷標準。

隨著(zhù)TCN行業(yè)的發(fā)展，專(zhuān)門(mén)用于快速故障檢測與定位的測試工具顯得逐漸重要起來(lái)。

三、列車(chē)網(wǎng)絡(luò )故障預警及快速故障診斷方案

基于列車(chē)網(wǎng)絡(luò )標準IEC61375相關(guān)參數要求，通過(guò)第三方檢測工具，不依賴(lài)于網(wǎng)絡(luò )或車(chē)輛廠(chǎng)家提供的簡(jiǎn)易結論分析工具，結合列車(chē)網(wǎng)絡(luò )實(shí)際情況從網(wǎng)絡(luò )物理層實(shí)時(shí)提取相關(guān)數據并對網(wǎng)絡(luò )拓撲檢查、網(wǎng)絡(luò )端口配置表、幀頭錯誤等十余項參數進(jìn)行分析排查。其中以下六項功能內容實(shí)用性較高：

（一）幀錯誤

檢測網(wǎng)絡(luò )中是否存在幀頭、幀尾錯誤。一般出現幀錯誤的原因有端口沖突、地址沖突、信號質(zhì)量過(guò)差、車(chē)載設備網(wǎng)絡(luò )接口設計不規范等原因

（二）過(guò)程數據測試

檢測是否存在端口丟失、沖突、長(cháng)度不符，端口周期是否與網(wǎng)絡(luò )設計吻合，能夠快速查看端口列表，查看端口數量、類(lèi)型，能夠快速查看各個(gè)端口的查詢(xún)-應答情況，并對異常狀況定位分析。

（三）幀間隔測試

測試主從幀之間的時(shí)間間隔。當間隔過(guò)小或過(guò)大時(shí)，可能導致網(wǎng)絡(luò )設備無(wú)法識別從幀。網(wǎng)絡(luò )設備的設計及中繼器性能會(huì )影響這個(gè)測試結果。分析幀間隔情況，對超出設計要求的設備進(jìn)行快速定位和分析，并定量分析中繼器對幀間隔的影響。

（四）信號幅值

衡量遠端網(wǎng)絡(luò )的驅動(dòng)能力，如果信號幅值過(guò)小可能造成通信異常。需要一種便捷的手段，快速衡量在網(wǎng)絡(luò )中的不同位置的信號強度瓶頸，規避風(fēng)險。

（五）信號上升沿時(shí)間

線(xiàn)纜老化、連接頭松動(dòng)、網(wǎng)絡(luò )設計阻抗不匹配等原因都會(huì )導致信號邊沿時(shí)間過(guò)長(cháng)，進(jìn)而引起各種不同的故障。

（六）干擾測試

列車(chē)通信網(wǎng)絡(luò )中可能存在一些周期性或者非周期性的干擾，可能是車(chē)載設備內部產(chǎn)生的，也可能是從電網(wǎng)中引入的；上述部分測試項目（例如端口、幀頭、CRC等）都可能由于干擾導致異常。通過(guò)測試，確認是否存在干擾信號；如果存在，需要能夠分析其周期性，以方便定位干擾來(lái)源。

四、故障處理成功案例

深圳地鐵1號線(xiàn)104車(chē)在運行過(guò)程中會(huì )出現TCC網(wǎng)絡(luò )通信中斷故障（如圖1），隨后立即恢復，沒(méi)有任何的規律。經(jīng)反復調查，都未能確定故障點(diǎn)。借助武漢力德TCNX2002B網(wǎng)絡(luò )測試設備（圖2），成功鎖定了故障點(diǎn)—DX數字輸入輸出部件。

圖1 深圳地鐵1號線(xiàn)104車(chē)通信故障

圖 2 列車(chē)網(wǎng)絡(luò )診斷設備實(shí)物圖

（一）故障現象

深圳地鐵1號線(xiàn)104車(chē)在運行過(guò)程中會(huì )出現通信系統輪流報故障并顯示掉線(xiàn)狀態(tài)，沒(méi)有明確的規律性。經(jīng)反復調查，都未能確定故障點(diǎn)。

（二）處理主要經(jīng)過(guò)

借助武漢力德TCNX2002B網(wǎng)絡(luò )測試設備，逐步接入MVB網(wǎng)絡(luò )。

1.按照現有網(wǎng)絡(luò )拓撲結構，一級網(wǎng)絡(luò )為WTB總線(xiàn)，二級網(wǎng)絡(luò )為MVB中距離總線(xiàn)介質(zhì)EMD類(lèi)型，三級網(wǎng)絡(luò )為MVB短距離總線(xiàn)介質(zhì)ESD類(lèi)型，詳細協(xié)議標準請參考IEC61375，推薦先進(jìn)行二級網(wǎng)絡(luò )接入測試，接入位置拓撲及二級網(wǎng)絡(luò )總覽狀態(tài)。如圖3：

圖 3 二級網(wǎng)絡(luò )接入拓撲示意圖

在2級網(wǎng)絡(luò )中通過(guò)未響應數量排序，發(fā)現端口A(yíng)00,AA0,A80,A70,A60,A20等有丟幀現象存在，該類(lèi)型端口主要集中在A(yíng)車(chē)AX及DX模塊三級網(wǎng)絡(luò )區域，如圖4。

圖 4 二級網(wǎng)絡(luò )幀總覽概況

2.在出現故障車(chē)輛的A車(chē)，將列車(chē)網(wǎng)絡(luò )故障診斷儀按照圖5所示的位置接入總線(xiàn)。

圖 5 三級網(wǎng)絡(luò )接入拓撲示意圖

通過(guò)幀總覽模式對總線(xiàn)上所有端口的數據進(jìn)行采集，幀總覽結果如圖6：

圖 6 三級網(wǎng)絡(luò )幀總覽情況

通過(guò)幀總覽得知三級網(wǎng)絡(luò )中通信質(zhì)量較差，有較多端口存在幀響應異常，進(jìn)一步通過(guò)波形模式了解具體波形質(zhì)量如圖7：

圖 7 當前A車(chē)三級網(wǎng)絡(luò )波形質(zhì)量

前期通過(guò)其他車(chē)輛測試到的標準三級網(wǎng)絡(luò )波形質(zhì)量如圖8：

圖 8 正常三級網(wǎng)絡(luò )波形質(zhì)量

通過(guò)波形質(zhì)量對比可知，網(wǎng)絡(luò )中存在較為明顯的噪聲干擾，導致通信異常，該噪聲來(lái)源于該三級網(wǎng)絡(luò )中，后續通過(guò)短接排查的方式(如圖9所示)，確認主要異常模塊編號為4A22的DX模塊,端口地址為A70H。

圖 9 故障排查短接模式

三級網(wǎng)絡(luò )不帶任何子模塊時(shí)波形質(zhì)量如圖10：

圖10 BCT網(wǎng)關(guān)狀態(tài)

僅將4A22接入網(wǎng)絡(luò )時(shí)，波形如圖11：

圖 11 4A22模塊故障現象

三級網(wǎng)絡(luò )中去除4A22后波形質(zhì)量，波形如圖12：

圖 12 104車(chē)A車(chē)三級網(wǎng)絡(luò )恢復狀態(tài)

（三）測試結果

A車(chē)三級網(wǎng)絡(luò )中由于4A22編號的DX模塊隨機向外發(fā)噪聲導致網(wǎng)絡(luò )工作異常及設備掉線(xiàn)。更換4A22 DX模塊后，此列車(chē)功能恢復正常。

總 結

早期地鐵列車(chē)長(cháng)期運營(yíng)后，由于通信設備板卡老化、連接頭松動(dòng)、線(xiàn)纜表皮磨損等原因，造成列車(chē)通信網(wǎng)絡(luò )信號質(zhì)量逐步變差，影響列車(chē)運營(yíng)服務(wù)質(zhì)量。在列車(chē)TCMS系統網(wǎng)絡(luò )診斷功能不完善的情況下，需要借助網(wǎng)絡(luò )通信狀態(tài)測試儀等設備，提升此類(lèi)通信故障的處理時(shí)效性和準確性，從多個(gè)維度的指標和閾值來(lái)確定故障原因，及早更換狀態(tài)較差的設備，提升列車(chē)的技術(shù)狀態(tài),充分保障列車(chē)運行安全。

作者：深圳地鐵集團有限公司 謝述武、黃初平、謝玲玲