摘 要：智軌列車的網絡通信系統(tǒng)是保證智軌列車正常運行的關鍵系統(tǒng)，當發(fā)生嚴重通信故障時，智軌列車會觸發(fā)安全制動以保護司乘安全，如何快速診斷通信故障、恢復車輛運營是故障發(fā)生后亟待解決的問題。文章針對初心號平臺智軌的網絡通信故障做了詳細的分析；總結了已有通信故障的數據表征，以及異常通信故障數據擁有的一般性表征，并給出了應急策略和排查方法；最后對故障診斷未來的發(fā)展方向提出了展望。

關鍵詞：智軌列車；網絡通信；車輛控制；故障診斷；環(huán)網冗余

中圖分類號：TN915；TP273 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2024）20-0001-04

Research on Network Communication Fault Based on the ART of Initial Center Platform

QI Kexin1，2， XIAO Lei1，2， SU Aijun1，2， LI Yiye1，2， LIU Zhen1，2

（1.Hunan CRRC Zhixing Technology Co.， Ltd.， Changsha 410006， China;

2.Hunan Multi-articulated Rubber Tire Transit Engineering Research Center， Changsha 410006， China）

Abstract： The network communication system of ART is the key system to ensure the normal operation of ART. When a serious communication fault occurs， the ART will trigger a safety brake to protect the safety of the driver and passengers. How to quickly diagnose the communication fault and restore the vehicle operation are urgent problems to be solved after the fault occurs. This paper makes a detailed analysis of the network communication fault of the ART of initial center platform. It summarizes the data representation of existing communication fault， explains the general representation of abnormal communication fault data， and provides the emergency strategies and troubleshooting methods. Finally， the future development direction of fault diagnosis is prospected.

Keywords： ART; network communication; vehicle control; fault diagnosis; ring redundancy

0 引 言

智能軌道快運系統(tǒng)（簡稱“智軌”）是由中車智行科技有限公司獨創(chuàng)研發(fā)的新一代軌道交通制式運輸系統(tǒng)，其結合了軌道交通與公共交通的優(yōu)勢，具有成本低、線路建設周期短、維護成本低、載客量大等特點，是目前城市軌道交通網絡擴展的新方向[1]。初心號平臺智軌是智軌第一代產品，其采用以太網作為整車通信骨干網絡[2]，再加上中央控制單元就構成了智軌的網絡控制系統(tǒng)。網絡控制系統(tǒng)作為智軌的“大腦”，負責通各個子系統(tǒng)并進行相關決策控制，是保證列車正常運行的關鍵系統(tǒng)。

當發(fā)生網絡通信故障時，子系統(tǒng)會因無法接收到網絡控制系統(tǒng)發(fā)出的指令從而應急停止運行，且若涉及關鍵子系統(tǒng)還會造成整車癱瘓，導致列車的下線與清客。網絡通信故障產生的原因有很多，但并不是每種故障都能自檢并上報，因此如何快速診斷并排查網絡通信故障原因，恢復列車的運營成為至關重要的問題。本文以智軌初心號為研究對象，著重介紹了初心號智軌列車的網絡拓撲與通信網絡組成；總結了智軌發(fā)生網絡通信異常時的故障表現，并結合實驗提出針對不同通信故障時的應對策略；最后對智軌未來的故障診斷方向進行展望。

1 智軌通信網絡概述

智軌的通信網絡由以太網、CAN總線和背板通信三者構成，分別應用于不同的通信場景。以太網是整車通信網絡中的核心網絡，不僅承擔著車廂間的通信功能，車上部分設備也采用以太網進行通信。車輛以太網采用雙層分級式實時網絡，骨干網采用 ETB（Ethernet Train Backbone），車輛網絡采用ECN（Ethernet Consist Network），通信速率分別可達1 000 Mb/s與100 Mb/s[3-4]。智軌的以太網信息傳輸采用TRDP協(xié)議。CAN總線是一種高性能和高可靠性的串行通信協(xié)議，被廣泛應用于車輛控制領域。智軌的網絡系統(tǒng)中采用CAN總線來進行車廂內部分設備的通信，并通過CAN網關接入整車以太網。而背板CPCI通信主要應用于智軌主控機箱中內部板卡間的通信，主要包括主控單元與CAN網關以及其他板卡間的通信。智軌的網絡拓撲如圖1所示[5]。

智軌骨干網建立起車廂與車廂之間的網絡連接，而為了防止單鏈路出現網絡故障導致整車癱瘓的情況，智軌骨干網采取環(huán)網冗余策略。當環(huán)網某一節(jié)點出現故障，環(huán)網冗余策略可以快速激活備用鏈路，從而保證車廂間的正常通信。智軌的環(huán)網冗余協(xié)議由中車株洲電力機車研究所自主研發(fā)，通過簡化RSTP協(xié)議實現過程方式實現。快速生成樹協(xié)議（Rapid Spanning Tree Protocol， RSTP）是在生成樹協(xié)議（Spanning Tree Protocol， STP）的基礎上改進而來，用于在局域網中消除數據鏈路層物理環(huán)路[6]。然而RSTP協(xié)議在鏈路故障發(fā)生時的收斂時間為秒級，還達不到工業(yè)以太網對于通信恢復速度的要求，因此需要通過簡化RSTP協(xié)議來實現更快的收斂速度。

同時，列車上的關鍵系統(tǒng)都采取熱備冗余配置，如配置在列車端的主控單元，當一端的系統(tǒng)失效時，另一端會立即采取接管，保證車輛的正常運行。而智軌列車在設計之初為了更方便地追蹤故障產生原因，也分別配置了記錄模塊來記錄與復原車輛運行時產生的關鍵數據。控制單元監(jiān)測到故障發(fā)生時將故障數據通過以太網發(fā)送至記錄模塊進行記錄，同時在屏幕上進行顯示，以提示司機注意車輛狀態(tài)。

2 網絡通信故障的表征

為了監(jiān)測系統(tǒng)的運行狀態(tài)，各關鍵子系統(tǒng)均與控制單元建立生命信號傳輸模塊，當中央控制單元接收子系統(tǒng)的生命信號數據不更新時，則判定與子系統(tǒng)的通信故障，并依據網絡通信故障的嚴重程度采取列車的保護措施，如在提示警戒、牽引封鎖甚至安全制動。由子系統(tǒng)異?；蜍囕v網絡質量問題產生的網絡通信故障比較容易定位，且可以由中央控制單元準確監(jiān)測，但由骨干網絡質量問題產生的網絡通信故障沒有明確的故障表征，因此給問題定位、故障排查帶來困難。

以智軌初心號為對象，本文進行多次實車實驗以探究骨干網絡通信質量對于整車運行的影響，總結了骨干網通信質量問題的故障表征如下。

2.1 安全制動以及斷高壓保護

骨干網的通信質量問題會導致不明原因的安全制動觸發(fā)，嚴重時可進一步導致車輛整車的高壓斷開。對于智軌列車而言，安全制動以及斷高壓保護屬于最高級別的保護措施，一般情形下中央控制單元會嚴格監(jiān)測車輛狀態(tài)，并在車輛觸發(fā)保護措施時將具體原因保存至記錄模塊并通過顯示屏提示司機。

在骨干網通信故障的實驗案例中，中央控制單元沒有監(jiān)測到異常情況。如圖2所示，在某次實驗中，車輛先后觸發(fā)了安全制動、斷高壓保護，但記錄到的故障并沒有指向性，從而給故障排查帶來困難。

而正常情況下觸發(fā)保護措施時，記錄模塊應記錄到觸發(fā)保護措施的來源、具體異常等信息。如圖3所示，記錄模塊準確記錄到此次安全制動由網絡觸發(fā)，因此技術人員可以快速查詢故障時刻網絡相關的信號與數據，從而鎖定故障點。

2.2 子系統(tǒng)的生命信號異常

智軌電車上各子系統(tǒng)與中央控制單元的通信質量可以直觀從生命信號記錄上進行體現，當骨干網發(fā)生通信質量問題時，會影響整車各個子系統(tǒng)的生命信號記錄，包括跳變不連續(xù)、跳變遲滯，甚至通信中斷等現象。圖4為實驗中從記錄模塊提取的異常生命信號，表現有明顯的震蕩、清零現象。

2.3 記錄模塊的記錄數據缺失

前文說到，智軌電車在骨干網兩端分別配置了記錄模塊，可以同時對整車的運行數據進行記錄。骨干網的通信問題可能導致本端的事件記錄模塊無法記錄到另一端的信號數據，因此造成兩端事件記錄模塊在記錄同一信號時出現差異。如圖5所示，在故障發(fā)生時刻，記錄模塊2對比記錄模塊1，其丟失了從06：53：48—06：53：52的全部數據。

2.4 交換機異常

骨干網線纜的質量問題會導致交換機記錄到對應節(jié)點產生錯包，除此之外，在一些實驗案例中，通過查看交換機日志還可以看到大量的link up/down記錄，但時間上與整車發(fā)生故障的時間不能完全對應。圖6為智軌一端的交換機日志，其中PortX8為環(huán)網端口。

主控單元與各子系統(tǒng)的生命信號記錄異常以及兩端記錄模塊的數據不一致指示了骨干網通信的不暢，而環(huán)網端口的LINK變化同樣指向了環(huán)網的不穩(wěn)定。盡管在實驗中，骨干網通信故障的發(fā)生事件與環(huán)網端口LINK變化時間并不能對應上，但頻繁的link up/down記錄仍然可以說明環(huán)網端口的不穩(wěn)定性，其與整車骨干網的通信質量有著密不可分的聯系。

3 網絡通信故障的應急策略

骨干網的不穩(wěn)定導致數據傳輸受到干擾，嚴重時會導致車輛安全制動，影響項目的調度計劃和線路運營。但故障的排查與解決需要時間，從保障車輛上線率的角度出發(fā)，本文提供兩種臨時解決方案。

3.1 修改TRDP協(xié)議配置文件

前文說到，智軌列車中以太網的數據傳輸采用TRDP協(xié)議，當通信受到短暫的干擾時，如牽引、高壓、制動等關鍵子系統(tǒng)收到的數據會全部清零，導致其無法響應車輛的正常動作而觸發(fā)安全制動。從這個角度出發(fā)，通過修改TRDP協(xié)議配置文件，圖7中將validity-behavior配置為“1”，則各子系統(tǒng)在整車發(fā)生通信干擾時，將收到的TRDP報文將短暫維持在上一個正常狀態(tài)，從而保證車輛的正常運行。但這種方式只能應對短暫（幾個周期）的通信中斷，環(huán)網仍有小概率因產生長時間（幾秒）通信中斷導致安全制動。且由于TRDPCFG配置為保持后，實際發(fā)生通信中斷時并不會在列車運行狀態(tài)上產生表現，不利于技術人員排查故障，因此修改TRDP配置文件只能適用于排查異常通信故障時上線車輛的臨時手段，仍需要及時排查故障的根本原因。

3.2 斷開環(huán)網連接

端口反復的link up/down現象也被稱為端口震蕩，環(huán)網冗余協(xié)議表明，當一個節(jié)點發(fā)生故障無法通信，交換機立即啟用備用鏈路，將原本的阻塞端口置為轉發(fā)端口，從而保證網絡的通暢[7-8]。但從故障現象來看，節(jié)點發(fā)生震蕩時，環(huán)網無法及時響應并建立通路，反而受到震蕩端口反復斷開連接的影響。因此，通過物理隔離網絡中發(fā)生端口震蕩的節(jié)點，只保留無故障的單鏈通路，可以直接隔離可能產生干擾的節(jié)點，最大限度地保證骨干網的穩(wěn)定性。但同樣地，斷開故障段線纜連接僅適用于排查骨干網通信問題時上線車輛的臨時手段，單鏈通路對于車輛的正常運營仍有較大風險，需要及時排查并恢復正常的環(huán)網。

4 網絡通信故障的排查策略

環(huán)網產生端口震蕩的原因有很多，最常見的包括環(huán)網協(xié)議報文丟棄、網絡流量擁塞、物理鏈路異常等，因此我們也可以從以上幾個方面去進行故障點的排查與解決。

環(huán)網協(xié)議報文丟棄會造成環(huán)網協(xié)議報文轉發(fā)失敗，反復超時震蕩，其一般是由錯誤的交換機配置或者環(huán)網協(xié)議配置導致的，這種情況可以通過對交換機配置或者底層軟件進行更新、交換等操作進行排除。網絡流量擁塞會導致網絡中關鍵報文無法處理與轉發(fā)，從而造成的各種各樣的網絡通信故障[9]。這種情況可以通過觀察故障時刻的網絡帶寬或者抓取報文進行排除。物理鏈路異常指連接交換機、子系統(tǒng)、主控模塊的物理層如線纜、接口等發(fā)生異常[10]，通常包括屏蔽異常、線芯阻值異常、線芯短路斷路等。

以智軌的通信故障為例，智軌的骨干網由兩端的交換板卡、中間車廂的交換機、連接線纜以及跨接器組成，如圖8所示。對于網絡故障的排查應從設備和鏈路兩方面進行。

具體排查思路如下：

1）鎖定故障節(jié)點。根據實驗數據，一般可以從端口震蕩現象判斷出故障節(jié)點。

2）檢查交換機設備、底層軟件、配置文件。鎖定故障節(jié)點后，檢查故障節(jié)點所在的交換機，包括硬件、底層軟件、配置文件等是否正常，必要時可以通過與其他正常交換機進行交換，觀察故障是否轉移。

3）抓取報文，觀察是否有大量非數據報文轉發(fā)；觀察網絡帶寬。智軌的骨干網采用千兆網，正常情況下網絡帶寬是遠遠夠用的，但不排除異常情況下某子系統(tǒng)軟件發(fā)送大量無用報文，從而造成網絡的擁塞。

4）排查線纜及連接器問題。物理層的排查可以通過線纜測試儀來輔助判斷其是否異常，如圖9所示。沒有線纜測試儀也可以采用萬用表對線纜的常用標準值進行測量，如屏蔽接地情況、屏蔽阻值、線芯阻值等。

5 結 論

智軌電車搭載實時以太網技術實現整車通信，控制性能和穩(wěn)定性優(yōu)良，目前已在智軌各個項目上安全運營20萬千米以上里程。對于智軌電車而言，故障診斷一直是重要研究部分，目前，智軌的中央控制單元可以自主識別及診斷近千種簡單的整車故障，并進行提示預警。然而對于一些復雜成因的故障，仍然需要技術人員對數據進行詳盡的分析與測試，這個過程占用過多時間會嚴重影響線路的運營與調度計劃。因此如何實現智能診斷故障、快速恢復車輛狀態(tài)是后續(xù)可以研究的方向。

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作者簡介：齊可心（1997—），男，漢族，湖南株洲人，助理工程師，碩士研究生，研究方向：車輛控制。