铁路车辆MVB通信网络典型故障

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关键词:mvb;通信;网络故障

1MVB通信概述

多功能车辆总线(MVB)是列车通信网络的一种，具有实时性强、可靠性高、冗余及容错性能好等优点，广泛应用于高铁、城轨等领域中。它采用主从通信的方式，由一个总线控制器轮询每个端口完成数据传输。通信介质一般使用EMD(一种屏蔽双绞线组成的电气中距离介质)，在200m传输距离内最大可支持挂载32个设备。信号产生速度为1．5Mbit/s，使用曼彻斯特编码。MVB网络可由一个或多个总线段构成，总线段之间通过中继器相互连接。为了提高可靠性，工程项目中采用双线冗余结构。

2MVB网络工作原理

MVB通信数据报文分为过程数据报文、消息数据报文和监视数据报文，工程中主要用到的是过程数据报文，用于车辆状态信号和控制信号的实时传输。一个数据报文包含1个主帧数据和1个从帧数据。每个过程数据报文都对应一个端口地址的数据。总线管理器按照配置好的周期扫描表周期轮询每个端口地址，发出与端口地址相应的主帧数据。配置了相同端口地址的源端口会发出从帧作为响应，从帧包含了预设的过程数据。配置了相同端口地址的宿设备会接受这个从帧数据，完成一个端口数据的发送和接收。在链路层，端口地址有12位编码。主帧数据由16位组成，包含4位F_code和12位地址。从帧数据由1、2、4、8或16个16位的数据字组成，如图1所示。

3故障原因分析

从MVB通信的原理可以看到，完成一个过程数据报文传送，需要1个主帧和1个紧随的从帧。主帧的发送是预设好的，总线管理器按照周期扫描表顺序发送。在实际应用中，遇到的主要通信故障是从帧丢失。从帧丢失的原因很多，如端口配置错误、线路干扰、设备故障等。其中，设备故障可以由设备本身报出，或由车辆控制程序通过逻辑判断报出，属于比较容易判断的故障类型。端口配置错误和线路干扰造成的故障一般需要专业的MVB分析设备，通过查看总线数据进行诊断。以下通过通信原理，分析端口配置错误和线路干扰造成从帧丢失的原因。

3.1端口配置错误

这里的端口配置错误指的是源端口配置错误，宿端口配置错误不会对通信造成影响。端口配置错误可能是端口地址缺失、端口大小不匹配或端口冲突。

3.1.1端口地址缺失端口地址缺失是指某个端口地址的源端口没有配置。这种错误在实验室测试阶段就会发现，是一种比较简单的故障现象。当总线管理器轮询到该端口时，总线上就会表现为只有主帧数据发出，无从帧数据响应。通过MVB监视设备查看，就会报从帧缺失等错误。

3.1.2端口大小配置错误MVB过程数据报文规定了16、32、64、128或256位几种固定的大小。主帧会指定端口大小和端口地址作为请求的过程数据的标识符。主帧发出后，如果源设备发现主帧的过程数据标识符与自己配置的一致，即端口大小和端口地址都相同，则将过程数据作为从帧响应;如果发现端口大小不相同，则忽略这个主帧，不进行响应。所以，当某个端口地址的源设备配置的端口地址大小与总线管理器不一致时，错误现象和源端口地址缺失一样，总线上会表现只有主帧数据，无从帧数据。通过MVB监视设备查看，可能会报从帧缺失等错误。

3.1.3端口冲突一个端口地址应该只有1个源设备，宿设备数量不限。如果存在2个源设备，会有2个源设备同时响应1个主帧，2个从帧可能会出现碰撞，造成通信错误。根据MVB标准定义，在物理层上，解码器能辨认的有效帧应包含:1个起始分界符，其后为由“0”或“1”编码组成的帧数据;接着为1个终止分界符。从总线管理器监控，如果2个源设备与宿设备的距离接近，2个从帧在总线上发生碰撞，导致数据的帧头或帧尾发生畸变，解码器会检测到碰撞。而在链路层会表现为无法收到数据，报出从帧丢失的故障。如图2所示。如果2个源端口与宿设备距离相差远，以至于2个从帧不会发生碰撞，解码器将第一个帧作为有效从帧，如果所接收的这个有效帧并不是设计预定的，可能会导致应用接收到错误数据，造成车辆功能受限。如图3所示。诊断端口冲突故障可以通过设备隔离法确定引起故障的设备。如果预定了某个源端口的设备被隔离后，仍能收到该端口的响应，可判定是其他设备引发了端口冲突。然后再逐个隔离剩余设备，如果响应消失，可以判断是该设备引起的端口冲突。

3.2线路干扰

线路干扰大多是因为连接器接地线或屏蔽线接触不良导致的，也有可能是线路电阻不匹配导致的。线路干扰会导致传输信号发生畸变。如果信号畸变严重，会使物理层检测不到有效帧，或者链路层数据校验失败，导致数据帧丢失。相对干扰源位置，在总线上不同位置检测的故障现象也不尽相同。如果在总线管理器和干扰源之间检测，会看到主帧发出，而从帧丢失。如果在干扰源和源设备之间检测，会看到没有主帧发出，从而也没有从帧响应，如图4所示。诊断线路干扰故障点，可以采用逐点探测法，从总线管理器开始，朝从帧丢失的设备方向，逐个节点监视总线数据。当监视到主帧丢失，或主帧信号畸变，可以判断干扰源在探测点之前。再通过检查线路、连接器等确定具体故障原因。

4典型案例

成都地铁某工程车项目在厂内调试功能都正常，但是在正线试运时出现IO模块DXM31通信故障、自动降弓等问题。经检查确定设备、线缆、插头都正常后，怀疑IO模块DXM31模块的通信受到其他设备干扰。经与现场人员了解，问题是在信号系统投入工作之后出现的，之前在厂内试验时都是在信号系统未投入的状态下进行的。而信号系统与车辆网络只是在设计阶段作了预留的通信线路接口，并没有实际参与网络通信，所以，最终怀疑是信号系统连接到网络之后，由于与DXM31模块端口地址冲突，导致DXM31模块通信受扰。总线管理器VCM模块、信号系统通信模块ATP、IO模块DXM31在网络拓扑中的位置如图5所示。DXM31的端口地址为0x311。首先将DXM31设备从网络中隔离，从总线上读取0x311端口地址的数据，发现仍有数据响应。判断是由于除DXM31设备外的其他设备也配置了0x311的源端口;然后将ATP设备从网络中隔离，再次读取0x311端口，此时总线上无数据响应。最终得出结论是:由于ATP设备与DXM31模块的0x311端口地址冲突导致0x311端口数据受扰，从而导致车辆出现功能故障。在将ATP设备从网络隔离后，车辆又恢复了正常。

5结语

MVB通信故障是车辆运营中经常会遇到的问题，无论问题大小都会引起客户的重视，经常会要求限时快速查到故障原因。而查找网络故障经常耗时耗力，需要丰富的经验和较强的专业技术能力。运用机器学习诊断网络故障是一个值得期待的技术手段:即在MVB标准中定义了MVB网络管理的接口，通过总线管理器可以充当MVB网络管理的功能，采集每个网络设备的网络负荷、网络故障等网络状态数据，通过大数据分析来预测和快速诊断网络可能出现的故障。

参考文献:

［1］IEC61375－3－1铁路电子设备－列车通信网络－第3－1部分:多功能车辆总线［S］．2012．

作者：张二伟 彭思维 单位：中车株洲电力机车有限公司产品研发中心