鐵路車輛MVB通信網(wǎng)絡(luò)典型故障

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關(guān)鍵詞:mvb;通信;網(wǎng)絡(luò)故障

1MVB通信概述

多功能車輛總線(MVB)是列車通信網(wǎng)絡(luò)的一種，具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、可靠性高、冗余及容錯(cuò)性能好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于高鐵、城軌等領(lǐng)域中。它采用主從通信的方式，由一個(gè)總線控制器輪詢每個(gè)端口完成數(shù)據(jù)傳輸。通信介質(zhì)一般使用EMD(一種屏蔽雙絞線組成的電氣中距離介質(zhì))，在200m傳輸距離內(nèi)最大可支持掛載32個(gè)設(shè)備。信號(hào)產(chǎn)生速度為1．5Mbit/s，使用曼徹斯特編碼。MVB網(wǎng)絡(luò)可由一個(gè)或多個(gè)總線段構(gòu)成，總線段之間通過(guò)中繼器相互連接。為了提高可靠性，工程項(xiàng)目中采用雙線冗余結(jié)構(gòu)。

2MVB網(wǎng)絡(luò)工作原理

MVB通信數(shù)據(jù)報(bào)文分為過(guò)程數(shù)據(jù)報(bào)文、消息數(shù)據(jù)報(bào)文和監(jiān)視數(shù)據(jù)報(bào)文，工程中主要用到的是過(guò)程數(shù)據(jù)報(bào)文，用于車輛狀態(tài)信號(hào)和控制信號(hào)的實(shí)時(shí)傳輸。一個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)文包含1個(gè)主幀數(shù)據(jù)和1個(gè)從幀數(shù)據(jù)。每個(gè)過(guò)程數(shù)據(jù)報(bào)文都對(duì)應(yīng)一個(gè)端口地址的數(shù)據(jù)?？偩€管理器按照配置好的周期掃描表周期輪詢每個(gè)端口地址，發(fā)出與端口地址相應(yīng)的主幀數(shù)據(jù)。配置了相同端口地址的源端口會(huì)發(fā)出從幀作為響應(yīng)，從幀包含了預(yù)設(shè)的過(guò)程數(shù)據(jù)。配置了相同端口地址的宿設(shè)備會(huì)接受這個(gè)從幀數(shù)據(jù)，完成一個(gè)端口數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。在鏈路層，端口地址有12位編碼。主幀數(shù)據(jù)由16位組成，包含4位F_code和12位地址。從幀數(shù)據(jù)由1、2、4、8或16個(gè)16位的數(shù)據(jù)字組成，如圖1所示。

3故障原因分析

從MVB通信的原理可以看到，完成一個(gè)過(guò)程數(shù)據(jù)報(bào)文傳送，需要1個(gè)主幀和1個(gè)緊隨的從幀。主幀的發(fā)送是預(yù)設(shè)好的，總線管理器按照周期掃描表順序發(fā)送。在實(shí)際應(yīng)用中，遇到的主要通信故障是從幀丟失。從幀丟失的原因很多，如端口配置錯(cuò)誤、線路干擾、設(shè)備故障等。其中，設(shè)備故障可以由設(shè)備本身報(bào)出，或由車輛控制程序通過(guò)邏輯判斷報(bào)出，屬于比較容易判斷的故障類型。端口配置錯(cuò)誤和線路干擾造成的故障一般需要專業(yè)的MVB分析設(shè)備，通過(guò)查看總線數(shù)據(jù)進(jìn)行診斷。以下通過(guò)通信原理，分析端口配置錯(cuò)誤和線路干擾造成從幀丟失的原因。

3.1端口配置錯(cuò)誤

這里的端口配置錯(cuò)誤指的是源端口配置錯(cuò)誤，宿端口配置錯(cuò)誤不會(huì)對(duì)通信造成影響。端口配置錯(cuò)誤可能是端口地址缺失、端口大小不匹配或端口沖突。

3.1.1端口地址缺失端口地址缺失是指某個(gè)端口地址的源端口沒(méi)有配置。這種錯(cuò)誤在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試階段就會(huì)發(fā)現(xiàn)，是一種比較簡(jiǎn)單的故障現(xiàn)象。當(dāng)總線管理器輪詢到該端口時(shí)，總線上就會(huì)表現(xiàn)為只有主幀數(shù)據(jù)發(fā)出，無(wú)從幀數(shù)據(jù)響應(yīng)。通過(guò)MVB監(jiān)視設(shè)備查看，就會(huì)報(bào)從幀缺失等錯(cuò)誤。

3.1.2端口大小配置錯(cuò)誤MVB過(guò)程數(shù)據(jù)報(bào)文規(guī)定了16、32、64、128或256位幾種固定的大小。主幀會(huì)指定端口大小和端口地址作為請(qǐng)求的過(guò)程數(shù)據(jù)的標(biāo)識(shí)符。主幀發(fā)出后，如果源設(shè)備發(fā)現(xiàn)主幀的過(guò)程數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)符與自己配置的一致，即端口大小和端口地址都相同，則將過(guò)程數(shù)據(jù)作為從幀響應(yīng);如果發(fā)現(xiàn)端口大小不相同，則忽略這個(gè)主幀，不進(jìn)行響應(yīng)。所以，當(dāng)某個(gè)端口地址的源設(shè)備配置的端口地址大小與總線管理器不一致時(shí)，錯(cuò)誤現(xiàn)象和源端口地址缺失一樣，總線上會(huì)表現(xiàn)只有主幀數(shù)據(jù)，無(wú)從幀數(shù)據(jù)。通過(guò)MVB監(jiān)視設(shè)備查看，可能會(huì)報(bào)從幀缺失等錯(cuò)誤。

3.1.3端口沖突一個(gè)端口地址應(yīng)該只有1個(gè)源設(shè)備，宿設(shè)備數(shù)量不限。如果存在2個(gè)源設(shè)備，會(huì)有2個(gè)源設(shè)備同時(shí)響應(yīng)1個(gè)主幀，2個(gè)從幀可能會(huì)出現(xiàn)碰撞，造成通信錯(cuò)誤。根據(jù)MVB標(biāo)準(zhǔn)定義，在物理層上，解碼器能辨認(rèn)的有效幀應(yīng)包含:1個(gè)起始分界符，其后為由“0”或“1”編碼組成的幀數(shù)據(jù);接著為1個(gè)終止分界符。從總線管理器監(jiān)控，如果2個(gè)源設(shè)備與宿設(shè)備的距離接近，2個(gè)從幀在總線上發(fā)生碰撞，導(dǎo)致數(shù)據(jù)的幀頭或幀尾發(fā)生畸變，解碼器會(huì)檢測(cè)到碰撞。而在鏈路層會(huì)表現(xiàn)為無(wú)法收到數(shù)據(jù)，報(bào)出從幀丟失的故障。如圖2所示。如果2個(gè)源端口與宿設(shè)備距離相差遠(yuǎn)，以至于2個(gè)從幀不會(huì)發(fā)生碰撞，解碼器將第一個(gè)幀作為有效從幀，如果所接收的這個(gè)有效幀并不是設(shè)計(jì)預(yù)定的，可能會(huì)導(dǎo)致應(yīng)用接收到錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，造成車輛功能受限。如圖3所示。診斷端口沖突故障可以通過(guò)設(shè)備隔離法確定引起故障的設(shè)備。如果預(yù)定了某個(gè)源端口的設(shè)備被隔離后，仍能收到該端口的響應(yīng)，可判定是其他設(shè)備引發(fā)了端口沖突。然后再逐個(gè)隔離剩余設(shè)備，如果響應(yīng)消失，可以判斷是該設(shè)備引起的端口沖突。

3.2線路干擾

線路干擾大多是因?yàn)檫B接器接地線或屏蔽線接觸不良導(dǎo)致的，也有可能是線路電阻不匹配導(dǎo)致的。線路干擾會(huì)導(dǎo)致傳輸信號(hào)發(fā)生畸變。如果信號(hào)畸變嚴(yán)重，會(huì)使物理層檢測(cè)不到有效幀，或者鏈路層數(shù)據(jù)校驗(yàn)失敗，導(dǎo)致數(shù)據(jù)幀丟失。相對(duì)干擾源位置，在總線上不同位置檢測(cè)的故障現(xiàn)象也不盡相同。如果在總線管理器和干擾源之間檢測(cè)，會(huì)看到主幀發(fā)出，而從幀丟失。如果在干擾源和源設(shè)備之間檢測(cè)，會(huì)看到?jīng)]有主幀發(fā)出，從而也沒(méi)有從幀響應(yīng)，如圖4所示。診斷線路干擾故障點(diǎn)，可以采用逐點(diǎn)探測(cè)法，從總線管理器開始，朝從幀丟失的設(shè)備方向，逐個(gè)節(jié)點(diǎn)監(jiān)視總線數(shù)據(jù)。當(dāng)監(jiān)視到主幀丟失，或主幀信號(hào)畸變，可以判斷干擾源在探測(cè)點(diǎn)之前。再通過(guò)檢查線路、連接器等確定具體故障原因。

4典型案例

成都地鐵某工程車項(xiàng)目在廠內(nèi)調(diào)試功能都正常，但是在正線試運(yùn)時(shí)出現(xiàn)IO模塊DXM31通信故障、自動(dòng)降弓等問(wèn)題。經(jīng)檢查確定設(shè)備、線纜、插頭都正常后，懷疑IO模塊DXM31模塊的通信受到其他設(shè)備干擾。經(jīng)與現(xiàn)場(chǎng)人員了解，問(wèn)題是在信號(hào)系統(tǒng)投入工作之后出現(xiàn)的，之前在廠內(nèi)試驗(yàn)時(shí)都是在信號(hào)系統(tǒng)未投入的狀態(tài)下進(jìn)行的。而信號(hào)系統(tǒng)與車輛網(wǎng)絡(luò)只是在設(shè)計(jì)階段作了預(yù)留的通信線路接口，并沒(méi)有實(shí)際參與網(wǎng)絡(luò)通信，所以，最終懷疑是信號(hào)系統(tǒng)連接到網(wǎng)絡(luò)之后，由于與DXM31模塊端口地址沖突，導(dǎo)致DXM31模塊通信受擾。總線管理器VCM模塊、信號(hào)系統(tǒng)通信模塊ATP、IO模塊DXM31在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲械奈恢萌鐖D5所示。DXM31的端口地址為0x311。首先將DXM31設(shè)備從網(wǎng)絡(luò)中隔離，從總線上讀取0x311端口地址的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)仍有數(shù)據(jù)響應(yīng)。判斷是由于除DXM31設(shè)備外的其他設(shè)備也配置了0x311的源端口;然后將ATP設(shè)備從網(wǎng)絡(luò)中隔離，再次讀取0x311端口，此時(shí)總線上無(wú)數(shù)據(jù)響應(yīng)。最終得出結(jié)論是:由于ATP設(shè)備與DXM31模塊的0x311端口地址沖突導(dǎo)致0x311端口數(shù)據(jù)受擾，從而導(dǎo)致車輛出現(xiàn)功能故障。在將ATP設(shè)備從網(wǎng)絡(luò)隔離后，車輛又恢復(fù)了正常。

5結(jié)語(yǔ)

MVB通信故障是車輛運(yùn)營(yíng)中經(jīng)常會(huì)遇到的問(wèn)題，無(wú)論問(wèn)題大小都會(huì)引起客戶的重視，經(jīng)常會(huì)要求限時(shí)快速查到故障原因。而查找網(wǎng)絡(luò)故障經(jīng)常耗時(shí)耗力，需要豐富的經(jīng)驗(yàn)和較強(qiáng)的專業(yè)技術(shù)能力。運(yùn)用機(jī)器學(xué)習(xí)診斷網(wǎng)絡(luò)故障是一個(gè)值得期待的技術(shù)手段:即在MVB標(biāo)準(zhǔn)中定義了MVB網(wǎng)絡(luò)管理的接口，通過(guò)總線管理器可以充當(dāng)MVB網(wǎng)絡(luò)管理的功能，采集每個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷、網(wǎng)絡(luò)故障等網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)數(shù)據(jù)，通過(guò)大數(shù)據(jù)分析來(lái)預(yù)測(cè)和快速診斷網(wǎng)絡(luò)可能出現(xiàn)的故障。

參考文獻(xiàn):

［1］IEC61375－3－1鐵路電子設(shè)備－列車通信網(wǎng)絡(luò)－第3－1部分:多功能車輛總線［S］．2012．

作者：張二偉 彭思維 單位：中車株洲電力機(jī)車有限公司產(chǎn)品研發(fā)中心