地铁列车网络故障预警及快速故障诊断的应用与研究

        国内新型地铁列车通信系统基本采用MVB网络，运营维护过程中对MVB网络的诊断缺乏有效的检测手段，更无法抓取到有效的数据，大多采用更换设备和线缆的方式排除故障。深圳地铁1号线一期列车运行超过10年，MVB网络故障频发，存在同样的困扰。深圳地铁结合国内外各厂家网络诊断系统的应用研究，利用MVB网络故障诊断仪，分析波形，发现单个数字输入输出模块产生了噪声、杂波，成功锁定了故障点，解决了早期列车TCMS网络诊断功能不完善而导致的网络故障查找困难的问题。

关键词：列车网络 MVB 丢帧 快速故障定位

一、背景

随着轨道交通行业的发展，越来越多的列车的网络系统采用了列车通信网络（TCN - Train Communication Network）标准。作为TCN标准介质之一的多功能车辆总线（MVB - Multifunction Vehicle Bus）产品的市场获得长足的发展；截至2017年为止，国内所有新增城市轨道列车，无一例外使用MVB网络。TCN是铁路列车车辆之间和车辆内部可编程设备互联传送控制、检测与诊断信息的数据通信网络，我国是参与制定列车通信网络(TCN)标准的国家之一。引进国际列车网络标准IEC61375后国内进行十几年的消化与积累相关列车网络产品从早期的纯进口，到现在的完全自主已形成较为完善的产品应用体系。

然而，在现场故障排查及预警方面，国内的地铁运营公司迟迟未能形成突破，以往故障检修仅能通过替换设备，更换线缆的低效率排除方式，且在部分疑难故障上无法准确定位故障原因而导致反复复现，严重影响运营服务质量。

二、地铁列车网络故障预警及快速故障诊断的应用现状

车辆设备供应商网络接口的设计规范不完全一致，存在安全隐患。

不同TCN产品互联时，故障时有发生，但是鉴定手段单一，主要依赖于各个网络部件的供应商。

国内检测能力整体偏低，即便是设备厂家，由于缺乏底层数据依据很难快速定位故障原因，导致故障解决周期太长。

在列车调试过程中，由于设备兼容性、线缆磨损、接头松动等原因，网络通信的信号质量会持续逐步发生变化，进而引发新的故障。

一旦列车交付地铁运营使用，故障判断和处理将变得成本高昂。

列车网络整体调试没有形成一套完整的报告，调试结果的好坏也没有一套判断标准。

随着TCN行业的发展，专门用于快速故障检测与定位的测试工具显得逐渐重要起来。

三、列车网络故障预警及快速故障诊断方案

基于列车网络标准IEC61375相关参数要求，通过第三方检测工具，不依赖于网络或车辆厂家提供的简易结论分析工具，结合列车网络实际情况从网络物理层实时提取相关数据并对网络拓扑检查、网络端口配置表、帧头错误等十余项参数进行分析排查。其中以下六项功能内容实用性较高：

（一）帧错误

检测网络中是否存在帧头、帧尾错误。一般出现帧错误的原因有端口冲突、地址冲突、信号质量过差、车载设备网络接口设计不规范等原因

（二）过程数据测试

检测是否存在端口丢失、冲突、长度不符，端口周期是否与网络设计吻合，能够快速查看端口列表，查看端口数量、类型，能够快速查看各个端口的查询-应答情况，并对异常状况定位分析。

（三）帧间隔测试

测试主从帧之间的时间间隔。当间隔过小或过大时，可能导致网络设备无法识别从帧。网络设备的设计及中继器性能会影响这个测试结果。分析帧间隔情况，对超出设计要求的设备进行快速定位和分析，并定量分析中继器对帧间隔的影响。

（四）信号幅值

衡量远端网络的驱动能力，如果信号幅值过小可能造成通信异常。需要一种便捷的手段，快速衡量在网络中的不同位置的信号强度瓶颈，规避风险。

（五）信号上升沿时间

线缆老化、连接头松动、网络设计阻抗不匹配等原因都会导致信号边沿时间过长，进而引起各种不同的故障。

（六）干扰测试

列车通信网络中可能存在一些周期性或者非周期性的干扰，可能是车载设备内部产生的，也可能是从电网中引入的；上述部分测试项目（例如端口、帧头、CRC等）都可能由于干扰导致异常。通过测试，确认是否存在干扰信号；如果存在，需要能够分析其周期性，以方便定位干扰来源。

四、故障处理成功案例

深圳地铁1号线104车在运行过程中会出现TCC网络通信中断故障（如图1），随后立即恢复，没有任何的规律。经反复调查，都未能确定故障点。借助武汉力德TCNX2002B网络测试设备（图2），成功锁定了故障点—DX数字输入输出部件。

图1 深圳地铁1号线104车通信故障

图 2 列车网络诊断设备实物图

（一）故障现象

深圳地铁1号线104车在运行过程中会出现通信系统轮流报故障并显示掉线状态，没有明确的规律性。经反复调查，都未能确定故障点。

（二）处理主要经过

借助武汉力德TCNX2002B网络测试设备，逐步接入MVB网络。

1.按照现有网络拓扑结构，一级网络为WTB总线，二级网络为MVB中距离总线介质EMD类型，三级网络为MVB短距离总线介质ESD类型，详细协议标准请参考IEC61375，推荐先进行二级网络接入测试，接入位置拓扑及二级网络总览状态。如图3：

图 3 二级网络接入拓扑示意图

在2级网络中通过未响应数量排序，发现端口A00,AA0,A80,A70,A60,A20等有丢帧现象存在，该类型端口主要集中在A车AX及DX模块三级网络区域，如图4。

图 4 二级网络帧总览概况

2.在出现故障车辆的A车，将列车网络故障诊断仪按照图5所示的位置接入总线。

图 5 三级网络接入拓扑示意图

通过帧总览模式对总线上所有端口的数据进行采集，帧总览结果如图6：

图 6 三级网络帧总览情况

通过帧总览得知三级网络中通信质量较差，有较多端口存在帧响应异常，进一步通过波形模式了解具体波形质量如图7：

图 7 当前A车三级网络波形质量

前期通过其他车辆测试到的标准三级网络波形质量如图8：

图 8 正常三级网络波形质量

通过波形质量对比可知，网络中存在较为明显的噪声干扰，导致通信异常，该噪声来源于该三级网络中，后续通过短接排查的方式(如图9所示)，确认主要异常模块编号为4A22的DX模块,端口地址为A70H。

图 9 故障排查短接模式

三级网络不带任何子模块时波形质量如图10：

图10 BCT网关状态

仅将4A22接入网络时，波形如图11：

图 11 4A22模块故障现象

三级网络中去除4A22后波形质量，波形如图12：

图 12 104车A车三级网络恢复状态

（三）测试结果

A车三级网络中由于4A22编号的DX模块随机向外发噪声导致网络工作异常及设备掉线。更换4A22 DX模块后，此列车功能恢复正常。

总 结

早期地铁列车长期运营后，由于通信设备板卡老化、连接头松动、线缆表皮磨损等原因，造成列车通信网络信号质量逐步变差，影响列车运营服务质量。在列车TCMS系统网络诊断功能不完善的情况下，需要借助网络通信状态测试仪等设备，提升此类通信故障的处理时效性和准确性，从多个维度的指标和阈值来确定故障原因，及早更换状态较差的设备，提升列车的技术状态,充分保障列车运行安全。

作者：深圳地铁集团有限公司 谢述武、黄初平、谢玲玲