城市軌道交通列車(chē)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)研究

2019-12-28 07:31殷培強(qiáng)李文正

城市軌道交通研究 2019年12期

徐磊殷培強(qiáng) 李文正

(中車(chē)青島四方車(chē)輛研究所有限公司電子事業(yè)部，266011,青島//第一作者，工程師)

網(wǎng)絡(luò)化控制是現(xiàn)代城市軌道交通列車(chē)控制的發(fā)展方向。隨著串行總線技術(shù)的快速發(fā)展，城市軌道交通列車(chē)的大部分控制功能均可由網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)承擔(dān)，這對(duì)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的可靠性提出了更高的要求。網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)故障往往會(huì)導(dǎo)致列車(chē)降級(jí)運(yùn)行甚至退出正常運(yùn)營(yíng)。

整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)主要由系統(tǒng)軟件、系統(tǒng)硬件及傳輸介質(zhì)三部分組成，而網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)故障也出自這三部分。其中，系統(tǒng)軟件故障主要是控制邏輯漏洞，這些問(wèn)題經(jīng)過(guò)地面聯(lián)調(diào)、工廠調(diào)試、整車(chē)型式試驗(yàn)基本被解決；對(duì)于系統(tǒng)硬件故障，目前各配套子系統(tǒng)廠家的硬件設(shè)計(jì)越來(lái)越成熟，在滿足整車(chē)對(duì)硬件產(chǎn)品MTBF(平均無(wú)故障時(shí)間)要求的前提下，硬件產(chǎn)品的故障率往往較低；對(duì)于傳輸介質(zhì)，其故障影響因素多種多樣，且具有不確定性，因此這一類(lèi)故障在列車(chē)運(yùn)營(yíng)中往往占大多數(shù)，也是用戶亟待解決的問(wèn)題。本文將基于城市軌道交通項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)從拓?fù)湓O(shè)計(jì)、介質(zhì)選型及連接器選型等方面進(jìn)行闡述，并給出針對(duì)性建議。

1 列車(chē)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)比分析

基于目前城市軌道交通列車(chē)基本無(wú)重聯(lián)運(yùn)營(yíng)的需求，列車(chē)大多采用固定編組的方式，因此，城市軌道交通列車(chē)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)一般按照《城軌車(chē)輛車(chē)載控制網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳送規(guī)范》中規(guī)定的“一級(jí)網(wǎng)絡(luò)”進(jìn)行組建，列車(chē)級(jí)與車(chē)輛級(jí)傳輸介質(zhì)均為MVB-EMD(多功能車(chē)輛總線-電氣中距離)。

圖1為一級(jí)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。其中，“T”型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是在每節(jié)車(chē)安裝1臺(tái)中繼器，這種拓?fù)浞绞降膬?yōu)點(diǎn)是能夠在一定程度上隔離通信故障，提高網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量；其不足之處在于成本較高，多出的成本來(lái)自于中繼器硬件以及MVB電纜。

而“串”型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)僅在2節(jié)車(chē)或3節(jié)車(chē)中安裝1臺(tái)中繼器。在實(shí)際工程應(yīng)用中，按照標(biāo)準(zhǔn)IEC 61375規(guī)定，需保證每個(gè)網(wǎng)段線路長(zhǎng)度不得超過(guò)200 m。與“T”型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相比，這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低，但對(duì)于網(wǎng)絡(luò)通信故障的隔離作用較弱。

中繼器是滿足標(biāo)準(zhǔn)IEC 61375的0類(lèi)設(shè)備，主要用于MVB信號(hào)的放大和中繼傳輸。在工程應(yīng)用中，中繼器還具有分割網(wǎng)段與隔離故障的作用，因此，越來(lái)越多的項(xiàng)目選擇“T”型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)中中繼器可以將多數(shù)通信故障隔離在發(fā)生故障的網(wǎng)段內(nèi)，避免對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)造成進(jìn)一步的影響。鑒于城市軌道交通項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)常發(fā)生的一種故障為由于連接器松脫、板卡內(nèi)部線路故障而導(dǎo)致的通信鏈路中斷，在這種情況下，“T”型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)較“串”型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)尤其明顯。

圖1 一級(jí)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

圖2～3為兩種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)故障圖。圖2中，假定M2車(chē)線路發(fā)生故障，只要將M2車(chē)中繼器RPT斷電，則故障將不會(huì)影響到網(wǎng)絡(luò)其他網(wǎng)段，此時(shí)表現(xiàn)為M2車(chē)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備離線；而圖3中，如果M2車(chē)線路發(fā)生故障，則整個(gè)網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)為不穩(wěn)定狀態(tài)，表現(xiàn)為多個(gè)設(shè)備頻繁離線和上線，導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)無(wú)法正常傳輸數(shù)據(jù)，此時(shí)如果切斷M2車(chē)中繼器RPT電源，Mc1和M2車(chē)網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定，而Mc2和M3車(chē)網(wǎng)絡(luò)較為穩(wěn)定。由此可知，針對(duì)兩種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下該類(lèi)型故障對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)通信的影響，“串”型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)要大于“T”型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，且當(dāng)車(chē)輛編組數(shù)量越多時(shí)影響更甚。

圖2 “T”型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)故障

2 列車(chē)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)

2.1 改進(jìn)方案設(shè)計(jì)

目前，我國(guó)城市軌道交通列車(chē)每年的運(yùn)營(yíng)里程為10萬(wàn)km左右，隨著常年累月的振動(dòng)，MVB連接器經(jīng)常出現(xiàn)松脫的情況，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，在各城市的地鐵運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，這種故障占整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)故障的一半以上。以4輛編組B型地鐵列車(chē)為例，全列車(chē)共有近百個(gè)MVB連接器，在每天的列檢中對(duì)所有的MVB連接器進(jìn)行全面檢查是不現(xiàn)實(shí)的。針對(duì)這種典型問(wèn)題，一種新的拓?fù)湫褪?改進(jìn)的“T”型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu))出現(xiàn)在工程應(yīng)用中，如圖4所示。

圖3 “串”型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)故障

圖4 改進(jìn)的“T”型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

與圖2所示的傳統(tǒng)“T”型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相比，這種改進(jìn)“T”型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)主要包括兩點(diǎn)：一是將物理介質(zhì)分開(kāi)，即A、B路分為兩根電纜；二是采用總線專(zhuān)用連接器InduCom9(見(jiàn)圖5)。這種方案的優(yōu)點(diǎn)較為明顯，一方面，電纜在連接器內(nèi)部實(shí)現(xiàn)短接，避免了由連接器松脫導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)通信故障；另一方面，A、B路電纜分為兩條獨(dú)立的物理介質(zhì)，降低了線路中斷導(dǎo)致通信故障的概率，如果其中一條物理介質(zhì)發(fā)生故障，只會(huì)影響其中一路的通信，另外一路仍可正常傳輸數(shù)據(jù)。

圖5 InduCom9連接器

2.2 改進(jìn)方案分析

改進(jìn)“T”型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有諸多優(yōu)點(diǎn)，但該方案也存在一定的弊端，簡(jiǎn)述如下：

2.2.1 電纜與端子匹配性及現(xiàn)場(chǎng)操作工藝要求高、二次操作難度大

與普通的D-SUB9連接器不同，這款連接器采用端子方式進(jìn)行連接，端子(見(jiàn)圖6)為方形孔。端子允許的電纜最大規(guī)格AWG20(美國(guó)線標(biāo)20號(hào)線)，對(duì)應(yīng)的截面積約為0.518 9 mm2、線徑約為0.813 mm；而MVB專(zhuān)用電纜是截面積為0.5 mm2的5類(lèi)絞合導(dǎo)體，其最大線徑為1.1 mm。這對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工人施工提出了較高的要求，稍有偏差就可能導(dǎo)致電纜無(wú)法完全插入端子，并對(duì)端子造成損傷(見(jiàn)圖7)，一旦出現(xiàn)電纜錯(cuò)插的情況，需將電纜退出，重新進(jìn)行施工，此時(shí)電纜將變成圖8所示狀態(tài)，則更加難以插入端子。

圖6 連接器固定端子

2.2.2 傳輸路徑的不等長(zhǎng)可能造成信號(hào)傳輸時(shí)滯

在以往拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，A、B路電纜存在于同一條物理介質(zhì)中，兩路信號(hào)的傳輸路徑不存在不等長(zhǎng)的風(fēng)險(xiǎn)；在改進(jìn)“T”型拓?fù)渲?，兩路信?hào)的傳輸路徑分別位于兩條不同的物理介質(zhì)中，在處理工藝及線纜長(zhǎng)度方面無(wú)法做到完全一致。IEC 61375標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于冗余線路的信號(hào)傳輸時(shí)滯有明確的規(guī)定，要求發(fā)送時(shí)滯tskew不超過(guò)0.100 μs。根據(jù)電信號(hào)在金屬介質(zhì)中的傳輸速度為166.7 m/μs，可計(jì)算出tskew對(duì)應(yīng)的線路長(zhǎng)度約為16.7 m。盡管兩條傳輸路徑的物理長(zhǎng)度差值達(dá)到16.7 m的可能性很小，但信號(hào)傳輸時(shí)延還受到阻抗等諸多因素的影響。另外，0.100 μs只是標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的門(mén)限值，小于該數(shù)值的信號(hào)傳輸時(shí)滯在某些極端工況下仍可能對(duì)線路冗余及信任線切換造成影響。

圖7 損壞的端子

圖8 散開(kāi)的電纜

2.2.3 線路參數(shù)的測(cè)量難以實(shí)現(xiàn)

對(duì)于以往傳統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試過(guò)程中可借助特殊電纜分析儀進(jìn)行線路參數(shù)的全面測(cè)量，測(cè)量參數(shù)主要包括接線圖、阻抗、長(zhǎng)度、傳播延遲、插入損耗、NEXT(近端串?dāng)_)、HDTDR(高精度時(shí)域反射)及HDTDX(高精度時(shí)域串?dāng)_)等，基于上述參數(shù)，可以快速定位故障點(diǎn)，以及對(duì)通信線路環(huán)境進(jìn)行綜合檢測(cè)，從而為網(wǎng)絡(luò)通信穩(wěn)定提供有力保障。

對(duì)于引入InduCom9連接器的改進(jìn)“T”型拓?fù)涠?，目前還沒(méi)有一款能夠測(cè)量線路參數(shù)的儀器和設(shè)備，原因就在于該連接器內(nèi)部設(shè)計(jì)有阻容電路，(見(jiàn)圖9)。該款連接器是西門(mén)子公司設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的一款總線專(zhuān)用連接器，其中集成了120 Ω的總線終端電阻，該設(shè)計(jì)的初衷是可以讓不自帶終端電阻的非標(biāo)設(shè)備上也可有終端電阻；另外，該連接器PCB(印刷電路板)上還集成了退耦電容，可防止電路通過(guò)電源形成的正反饋通路而引起寄生振蕩，該設(shè)計(jì)使得目前的電纜分析儀無(wú)法對(duì)MVB線路進(jìn)行測(cè)試。

圖9 InduCom9連接器內(nèi)部電路

圖10 阻抗匹配性測(cè)試波形圖

除此之外，InduCom9連接器對(duì)線路特性的影響不可忽視。首先，與傳統(tǒng)的D-SUB9連接器相比，InduCom9連接器自帶一塊PCB，而其中的線路長(zhǎng)度約為4 cm，這就增加了殘段的長(zhǎng)度，線路中的殘段與傳輸線段及連接器之間的阻抗不匹配，或者由于負(fù)載過(guò)于集中引起的干擾和反射可能造成過(guò)零點(diǎn)時(shí)的抖動(dòng)。IEC 61375規(guī)定，從引出點(diǎn)到收發(fā)器之間的殘段長(zhǎng)度不得超過(guò)10 cm，這就要求從設(shè)備側(cè)連接器到通信板卡收發(fā)器之間的長(zhǎng)度必須控制在6 cm以內(nèi)；其次，該連接器PCB上自帶的退耦電容可能會(huì)對(duì)線路的阻容參數(shù)造成影響。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，傳輸線的每一末端采用一個(gè)等效阻抗為120.0(1±10%)Ω的端接器進(jìn)行短接，以匹配線路阻抗，總線中每接入一個(gè)設(shè)備都會(huì)對(duì)線路阻抗產(chǎn)生細(xì)微的影響，多個(gè)設(shè)備產(chǎn)生的影響進(jìn)行疊加后將會(huì)導(dǎo)致明顯的后果，兩種阻抗的匹配性足以影響信號(hào)的質(zhì)量。實(shí)驗(yàn)室阻抗匹配性測(cè)試波形如圖10所示。由圖10可知，阻抗的匹配性對(duì)信號(hào)波形的影響非常明顯，而這種差異在工程現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下有可能被放大到足以影響信號(hào)的正常解析。

2.2.4 與IEC 61375不兼容導(dǎo)致的其他通信問(wèn)題

由西門(mén)子公司發(fā)明并率先使用的InduCom9連接器雖然解決了由連接器松脫導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)通信故障，然而這種連接形式卻是IEC 61375中未定義的一種方式，這也因此引發(fā)了一些新的問(wèn)題，對(duì)接入網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的包括中繼器在內(nèi)的所有通信設(shè)備的處理策略及處理速度亦提出了新的要求。

這種全新的的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)引入了幾種典型的通信問(wèn)題，具體分析如下：

1)在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)通信穩(wěn)定的情況下,某個(gè)設(shè)備A、B路中某一路出現(xiàn)通信異常。該故障工況被作為一個(gè)試驗(yàn)項(xiàng)點(diǎn)列入網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的型式試驗(yàn)大綱中，地鐵用戶要求網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在這種工況下具備冗余處理能力。如圖11所示,假定將M2車(chē)的HVAC設(shè)備的A路連接器拔掉，則在總線的A路中將不會(huì)出現(xiàn)該設(shè)備的從幀。對(duì)于總線主設(shè)備VCU而言，其信任線有可能是A路，此時(shí)，從VCU側(cè)來(lái)看，通信中丟失的EDCU的端口從幀可能僅占整個(gè)通信數(shù)據(jù)量的1%左右。在這種情況下，由于不滿足IEC61375標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的“切換”條件，總線主設(shè)備將判定A路通信正常，總線主設(shè)備不會(huì)將信任線切換為B路，則HVAC將會(huì)離線，這樣改進(jìn)拓?fù)涞娜哂鄼C(jī)制將失去作用。

圖11 阻抗匹配性測(cè)試(一)

2)在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)通信穩(wěn)定的情況下，某個(gè)設(shè)備A、B路中某一路出現(xiàn)通信異常。該故障工況雖然不是規(guī)定的試驗(yàn)項(xiàng)，但卻是一種現(xiàn)場(chǎng)極有可能發(fā)生的故障工況。如圖12所示，假定M2車(chē)的HVAC設(shè)備的A路連接器斷開(kāi)，同時(shí)Mc1車(chē)的ERM(數(shù)據(jù)記錄儀)的B路連接器斷開(kāi)，而這兩個(gè)設(shè)備中其中一個(gè)同周期的過(guò)程數(shù)據(jù)端口P1、P2在B、A路周期調(diào)度表中處于同一個(gè)基本周期，如果這時(shí)總線主設(shè)備的信任線為A路，那么B、A路發(fā)出P1端口的主幀之后，無(wú)法在A路中收到P1端口的從幀。按照IEC 61375的規(guī)定，達(dá)到42.7 μs的應(yīng)答延時(shí)后，B、A路將發(fā)送下一個(gè)端口P2的主幀，此時(shí)，在B路上將會(huì)出現(xiàn)P2端口的主幀和P1端口的從幀的碰撞，這就會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致BCU無(wú)法收到P2端口的主幀，進(jìn)而造成ERM離線。

圖12 阻抗匹配性測(cè)試(二)

產(chǎn)生上述兩種問(wèn)題的原因在于線路故障未滿足IEC 61375中規(guī)定的冗余線路A、B路的切換機(jī)制觸發(fā)條件。這可能是由于伴隨著這種新型連接器而出現(xiàn)的新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)超出了標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定范圍。實(shí)際上，要解決上述兩種通信故障，在現(xiàn)有的技術(shù)水平下是可以實(shí)現(xiàn)的，以目前通信接口卡的處理速度，完全可以實(shí)現(xiàn)A、B路的實(shí)時(shí)切換，即信任具有合法有效幀的線路數(shù)據(jù)，這些問(wèn)題在具體的項(xiàng)目中已經(jīng)解決并經(jīng)過(guò)項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證。

3 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)多年的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，基于MVB總線的城市軌道交通列車(chē)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)技術(shù)日趨成熟，業(yè)內(nèi)各廠家在解決現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題的過(guò)程中積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)出了切實(shí)有效的解決方案。然而對(duì)于新方案中的新問(wèn)題，尤其是超出標(biāo)準(zhǔn)范圍的部分，應(yīng)當(dāng)經(jīng)過(guò)充分的地面試驗(yàn)后再投入現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。