李申龍，孔 元，鄭雪洋

（1 中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司 機車車輛研究所，北京100081；2 北京縱橫機電科技有限公司，北京100094）

多功能車輛總線（Multifunction Vehcle Bus）是IEC 61375的列車通信網(wǎng)絡(luò)標準中定義的一種用于連接同一車輛或者同一編組中的總線設(shè)備的現(xiàn)場總線技術(shù)。MVB設(shè)備是指軌道交通列車上使用MVB通信協(xié)議進行數(shù)據(jù)通信的設(shè)備［1］。目前，“和諧號”、“復(fù)興號”等高速動車組在全國范圍內(nèi)廣泛通行，基于MVB網(wǎng)絡(luò)通信的車載設(shè)備亦已研制完成并裝車使用，我國高速鐵路在理論和實踐方面取得了巨大進展。

MVB是一種總線型拓撲，用于傳輸車輛控制數(shù)據(jù)、狀態(tài)數(shù)據(jù)和故障診斷數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)信息的傳輸是建立在MVB網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)良好的前提下，而當MVB網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)通訊異常時，如端口碰撞、從幀超時、線路問題導(dǎo)致信號質(zhì)量差等故障，列車無法進行正常通信和故障診斷。現(xiàn)有解決此類故障的方法為，技術(shù)人員通過查看MVB分析儀上的信息，如產(chǎn)生碰撞的端口、錯誤的設(shè)備地址等信息來定位故障，該方法雖然有效，但十分耗時，且人的主觀因素會影響故障定位的準確性。因此需要一種能快速定位MVB網(wǎng)絡(luò)故障的策略和方法。

文中以MVB協(xié)議分析儀硬件為基礎(chǔ)，結(jié)合高速動車組MVB網(wǎng)絡(luò)拓撲和通訊協(xié)議，同時對大量MVB通訊故障數(shù)據(jù)進行了匯總和總結(jié)，設(shè)計開發(fā)了一套基于C++語言的故障診斷軟件。軟件實現(xiàn)了MVB數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)過濾、數(shù)據(jù)統(tǒng)計、過程數(shù)據(jù)實時顯示以及MVB通訊故障診斷等功能，不僅能夠縮短故障診斷時間，還能提升故障診斷的準確率。高速動車組MVB通訊故障診斷軟件運行在PC上，系統(tǒng)工作框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)工作框圖

1 軟件整體設(shè)計方案

MVB協(xié)議分析儀可實時獲取總線上的數(shù)據(jù)，并通過TCP協(xié)議將MVB數(shù)據(jù)發(fā)送至故障診斷軟件。故障診斷軟件與MVB分析儀建立連接后，將數(shù)據(jù)接收到本地，同時對數(shù)據(jù)進行處理，可以實時統(tǒng)計MVB數(shù)據(jù)、實時顯示過程數(shù)據(jù)，也可以結(jié)合列車拓撲，對MVB通訊故障進行診斷，給出診斷結(jié)果。MVB通訊故障診斷軟件功能框圖如圖2所示。

圖2 MVB通訊故障診斷軟件框圖

2 軟件基礎(chǔ)功能設(shè)計

2.1 數(shù)據(jù)捕獲功能

數(shù)據(jù)捕獲模塊是故障診斷軟件與MVB分析儀的橋梁，是診斷軟件最基本的功能。數(shù)據(jù)捕獲模塊將MVB分析儀發(fā)出的TCP數(shù)據(jù)包，解析為MVB數(shù)據(jù)，并按照時間順序排列顯示，解析內(nèi)容包括端口地址、數(shù)據(jù)長度、時間戳、中斷類型以及數(shù)據(jù)內(nèi)容。捕獲后的數(shù)據(jù)如圖3所示。

一個完整的MVB數(shù)據(jù)幀包括：主幀起始分界符、主幀數(shù)據(jù)、主幀CRC校驗、主幀終止符、從幀起始分界符、從幀數(shù)據(jù)、從幀CRC校驗和從幀終止符。圖3中每一行表示一份MVB數(shù)據(jù)，其中“F碼”列與“地址”列為主幀數(shù)據(jù)內(nèi)容，“數(shù)據(jù)”列為從幀數(shù)據(jù)內(nèi)容，“錯誤”列和“中斷”列為數(shù)據(jù)幀診斷結(jié)果，“相對時間”列表示前后兩個數(shù)據(jù)幀的時間間隔。

圖3 捕獲后的數(shù)據(jù)

2.2 數(shù)據(jù)過濾功能

MVB總線上的端口個數(shù)多、數(shù)據(jù)內(nèi)容量大，需要一種能夠快速篩選出MVB端口，以便定位故障，因此本軟件設(shè)計了數(shù)據(jù)過濾模塊。

數(shù)據(jù)過濾模塊可以針對端口的F碼、端口地址、錯誤類型、中斷類型、從幀數(shù)據(jù)內(nèi)容等參數(shù)進行過濾，其數(shù)據(jù)過濾參數(shù)說明見表1。過濾模塊界面及過濾內(nèi)容具體含義如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)過濾界面

表1 數(shù)據(jù)過濾參數(shù)說明

使用數(shù)據(jù)過濾功能時，每一行表示一條過濾規(guī)則，一條過濾規(guī)則可以填寫多列過濾條件，一行中的多個過濾條件為邏輯“與”的關(guān)系。一次過濾，最多可以同時設(shè)置15行過濾規(guī)則，不同行過濾規(guī)則之間為邏輯“或”的關(guān)系。

數(shù)據(jù)過濾模塊可以快速定位故障端口，便于現(xiàn)場排查故障。同時在分析MVB報文時，也可以過濾從幀數(shù)據(jù)內(nèi)容，更直觀的查看MVB端口在一段時間內(nèi)的狀態(tài)或數(shù)值變化。下面以1128端口為例，對數(shù)據(jù)過濾模塊做簡要說明：

將過濾條件設(shè)為“端口地址：1128”，過濾后的結(jié)果如圖5所示。過濾后的結(jié)果為所有MVB端口為1128的數(shù)據(jù)幀。其中“F碼”列為“3”表示1128端口為過程數(shù)據(jù)端口，從幀數(shù)據(jù)長度為16字節(jié)；“錯誤”列為“000000”表示數(shù)據(jù)幀正常無錯誤；“中斷”列“SFC”表示總線上檢測到1128端口的有效從幀（Slave Frame Checked）；“相對時間”列表示總線上1128數(shù)據(jù)幀的幀間隔，可以看出1128端口的主幀輪詢周期為64 ms；“數(shù)據(jù)”列為1128端口的從幀數(shù)據(jù)內(nèi)容，通過數(shù)據(jù)過濾模塊可以方便的查看1128端口從幀數(shù)據(jù)，按照協(xié)議規(guī)定，1128端口第二個字節(jié)表示生命信號，過濾后的數(shù)據(jù)可以清楚的看出設(shè)備生命信號在變化，若生命信號不變化，則可認為設(shè)備出現(xiàn)了故障。

圖5 1128端口數(shù)據(jù)

2.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計功能

數(shù)據(jù)統(tǒng)計模塊可以實時統(tǒng)計MVB分析儀捕獲的總線數(shù)據(jù)，并對MVB總線整體通信質(zhì)量進行評價。數(shù)據(jù)統(tǒng)計功能界面如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)統(tǒng)計功能界面

其中“報文”數(shù)據(jù)框按照MVB數(shù)據(jù)幀的類型分別進行統(tǒng)計，分為“過程數(shù)據(jù)”列（F碼0-4），“消息數(shù)據(jù)”列（F碼12），“設(shè)備狀態(tài)”列（F碼15），“事件輪詢”列（F碼8、9、13、14）以及“未知類型”列（F碼5、6、7、10、11）。對于各項統(tǒng)計，“正?！毙斜硎局鲙瑥膸ㄐ耪＃弧盁o應(yīng)答”表示在規(guī)定時間內(nèi)從幀無應(yīng)答；“錯誤”列表示其他類型的MVB數(shù)據(jù)幀。“計數(shù)”框統(tǒng)計了分析儀收到的數(shù)據(jù)幀總數(shù)及異常數(shù)據(jù)幀數(shù)，并給出了異常比例?！翱値瑪?shù)”為總線上主幀與從幀之和，“異常數(shù)”為總線上的各種錯誤幀總數(shù)。

通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計模塊，可以初步判斷網(wǎng)絡(luò)整體狀態(tài)。

2.4 過程數(shù)據(jù)實時顯示功能

過程數(shù)據(jù)是一種周期性數(shù)據(jù)，采用邏輯地址，以固定時間間隔、源尋址廣播的方式發(fā)送，用于傳輸列車的控制信息。此類數(shù)據(jù)特點是數(shù)據(jù)完整性高、采用周期性傳輸、延時低、抖動?。?］。

過程數(shù)據(jù)實時顯示模塊可以實時顯示從MVB總線上捕獲的所有過程數(shù)據(jù)，并按照端口地址羅列統(tǒng)計結(jié)果。過程數(shù)據(jù)實時顯示界面如圖7所示。

圖7 過程數(shù)據(jù)實時顯示界面

該模塊對MVB過程數(shù)據(jù)相應(yīng)的F碼、端口地址、主幀總數(shù)、從幀總數(shù)、錯誤總數(shù)、特征周期、最小周期、最大周期及從幀數(shù)據(jù)等內(nèi)容予以統(tǒng)計和顯示。通過“錯誤總數(shù)”列可以識別出問題MVB端口，再結(jié)合通訊協(xié)議可以快速定位故障設(shè)備。通過特征周期、最小周期、最大周期3個參數(shù)可以評價過程數(shù)據(jù)端口的通訊周期是否穩(wěn)定，以及是否符合通訊協(xié)議中的要求。

3 MVB通訊故障診斷功能

為了方便現(xiàn)場故障定位和調(diào)試，本軟件通過上述MVB數(shù)據(jù)捕獲功能，匯總了大量故障數(shù)據(jù)，并結(jié)合列車網(wǎng)絡(luò)拓撲、列車MVB接線圖及列車通訊協(xié)議，整理并總結(jié)出了一套快速定位MVB通訊故障的方法。高速動車組的簡易MVB網(wǎng)絡(luò)拓撲如圖8所示，其中綠色線為MVB總線。

圖8 高速動車組簡易MVB拓撲

軟件在進行故障診斷前，需先設(shè)置MVB網(wǎng)絡(luò)拓撲和配置MVB通信協(xié)議。MVB網(wǎng)絡(luò)拓撲包括MVB設(shè)備、中繼器、總線管理器，以及他們之間的連接關(guān)系；MVB通信協(xié)議包括設(shè)備的設(shè)備地址、過程數(shù)據(jù)端口地址、過程數(shù)據(jù)端口長度、生命信號字節(jié)偏移等信息。軟件可根據(jù)已配置的列車拓撲和MVB通訊協(xié)議，在列車發(fā)生MVB通訊故障時，快速定位出以下幾種故障：

3.1 總線管理器故障

MVB網(wǎng)絡(luò)是一種總線式網(wǎng)絡(luò)，為了保證總線上各設(shè)備之間網(wǎng)絡(luò)通信的可靠性和實時性，需要由MVB總線的主設(shè)備即總線管理器（Bus Adminis?trator，簡稱BA）調(diào)度各設(shè)備之間的通信［3］，MVB總線的任何活動都是由總線管理器發(fā)起的，總線管理器先發(fā)送一個主幀，然后被主幀尋址的MVB設(shè)備就響應(yīng)一個從幀，主幀加從幀組成一條完整的MVB報文。當軟件接收不到任何總線上的主幀數(shù)據(jù)時，即認為發(fā)生總線管理器故障。

3.2 過程數(shù)據(jù)輪詢周期異常

為了保證列車控制數(shù)據(jù)通信的實時性和確定性，同時保證充分利用帶寬，總線管理器會按照端口的特征周期去輪詢過程數(shù)據(jù)。

軟件會統(tǒng)計過程數(shù)據(jù)端口的特征周期、最小周期、最大周期3個時間參數(shù)，特征周期為接收到的過程數(shù)據(jù)端口時間間隔的平均值。對某特定過程數(shù)據(jù)端口，當最小周期小于特征周期的一半或最大周期大于特征周期的一倍時，軟件會報出此端口輪詢周期異常。

3.3 MVB設(shè)備通訊故障

設(shè)備通訊故障為MVB通訊中最常見的故障，發(fā)生此類故障的原因很多，但其表現(xiàn)形式均為過程數(shù)據(jù)報文從幀內(nèi)容異常，如設(shè)備故障導(dǎo)致不回復(fù)從幀、MVB端口碰撞導(dǎo)致從幀錯誤、線路質(zhì)量差導(dǎo)致從幀丟失等。發(fā)生設(shè)備通訊故障時，過程數(shù)據(jù)端口在總線上的不同表現(xiàn)形式如圖9所示。當軟件檢測到過程數(shù)據(jù)端口發(fā)生異常時，結(jié)合配置的MVB協(xié)議，能夠快速定位故障設(shè)備。

圖9 350端口從幀狀態(tài)

3.4 中繼器通訊故障

中繼器為MVB通信中的0類設(shè)備，用于實現(xiàn)信號的再生和放大。由于中繼器僅用于MVB信號的轉(zhuǎn)發(fā)，其本身并不具備數(shù)據(jù)通信能力，因此當列車中繼器設(shè)備發(fā)生故障時，很難直接定位故障原因。軟件可以結(jié)合MVB拓撲和總線狀態(tài)，間接定位中繼器故障。

以圖1拓撲為例，當檢測到3車中繼器下所有設(shè)備（制動控制單元、輔助控制單元、受電弓控制器、門控器、空調(diào)）均報出通信異常時，則認為3車中繼器發(fā)生故障。

4 總結(jié)與展望

當現(xiàn)場發(fā)生MVB通訊故障時，MVB通訊故障診斷軟件可以幫助維護人員快速定位故障設(shè)備，縮短了故障診斷時間，同時還提升了故障診斷的準確率。實際使用過程中，軟件對文中提到的幾種故障定位準確。但MVB通訊故障產(chǎn)生的原因復(fù)雜，表現(xiàn)形式多種多樣，如當某故障設(shè)備影響其他設(shè)備正常通訊，或多個設(shè)備同時發(fā)生MVB通訊故障時，軟件對這些故障診斷的準確率會下降，對此類故障數(shù)據(jù)的收集和故障特征信息的提取是后續(xù)研究的重點。