城市轨道交通列车网络系统拓扑结构研究

2019-12-28殷培强李文正

城市轨道交通研究 2019年12期

徐磊殷培强李文正

(中车青岛四方车辆研究所有限公司电子事业部，266011,青岛//第一作者，工程师)

网络化控制是现代城市轨道交通列车控制的发展方向。随着串行总线技术的快速发展，城市轨道交通列车的大部分控制功能均可由网络系统承担，这对网络系统的可靠性提出了更高的要求。网络系统故障往往会导致列车降级运行甚至退出正常运营。

整个网络系统主要由系统软件、系统硬件及传输介质三部分组成，而网络系统故障也出自这三部分。其中，系统软件故障主要是控制逻辑漏洞，这些问题经过地面联调、工厂调试、整车型式试验基本被解决；对于系统硬件故障，目前各配套子系统厂家的硬件设计越来越成熟，在满足整车对硬件产品MTBF(平均无故障时间)要求的前提下，硬件产品的故障率往往较低；对于传输介质，其故障影响因素多种多样，且具有不确定性，因此这一类故障在列车运营中往往占大多数，也是用户亟待解决的问题。本文将基于城市轨道交通项目经验从拓扑设计、介质选型及连接器选型等方面进行阐述，并给出针对性建议。

1 列车网络系统拓扑结构对比分析

基于目前城市轨道交通列车基本无重联运营的需求，列车大多采用固定编组的方式，因此，城市轨道交通列车网络系统一般按照《城轨车辆车载控制网络数据传送规范》中规定的“一级网络”进行组建，列车级与车辆级传输介质均为MVB-EMD(多功能车辆总线-电气中距离)。

图1为一级网络拓扑结构图。其中，“T”型拓扑结构是在每节车安装1台中继器，这种拓扑方式的优点是能够在一定程度上隔离通信故障，提高网络通信质量；其不足之处在于成本较高，多出的成本来自于中继器硬件以及MVB电缆。

而“串”型拓扑结构仅在2节车或3节车中安装1台中继器。在实际工程应用中，按照标准IEC 61375规定，需保证每个网段线路长度不得超过200 m。与“T”型拓扑结构相比，这种拓扑结构的优点在于结构简单、成本较低，但对于网络通信故障的隔离作用较弱。

中继器是满足标准IEC 61375的0类设备，主要用于MVB信号的放大和中继传输。在工程应用中，中继器还具有分割网段与隔离故障的作用，因此，越来越多的项目选择“T”型拓扑结构。该结构中中继器可以将多数通信故障隔离在发生故障的网段内，避免对整个网络造成进一步的影响。鉴于城市轨道交通项目经验，经常发生的一种故障为由于连接器松脱、板卡内部线路故障而导致的通信链路中断，在这种情况下，“T”型拓扑结构较“串”型拓扑结构的优势尤其明显。

图1 一级网络拓扑结构图

图2～3为两种网络拓扑结构故障图。图2中，假定M2车线路发生故障，只要将M2车中继器RPT断电，则故障将不会影响到网络其他网段，此时表现为M2车网络设备离线；而图3中，如果M2车线路发生故障，则整个网络呈现为不稳定状态，表现为多个设备频繁离线和上线，导致整个网络系统无法正常传输数据，此时如果切断M2车中继器RPT电源，Mc1和M2车网络不稳定，而Mc2和M3车网络较为稳定。由此可知，针对两种网络拓扑结构下该类型故障对整个网络通信的影响，“串”型网络拓扑结构要大于“T”型拓扑结构网络，且当车辆编组数量越多时影响更甚。

图2 “T”型网络拓扑结构故障

2 列车网络系统拓扑结构改进设计

2.1 改进方案设计

目前，我国城市轨道交通列车每年的运营里程为10万km左右，随着常年累月的振动，MVB连接器经常出现松脱的情况，据不完全统计，在各城市的地铁运营过程中，这种故障占整个网络系统故障的一半以上。以4辆编组B型地铁列车为例，全列车共有近百个MVB连接器，在每天的列检中对所有的MVB连接器进行全面检查是不现实的。针对这种典型问题，一种新的拓扑型式(改进的“T”型网络拓扑结构)出现在工程应用中，如图4所示。

图3 “串”型网络拓扑结构故障

图4 改进的“T”型网络拓扑结构图

与图2所示的传统“T”型拓扑结构相比，这种改进“T”型拓扑结构的优点主要包括两点：一是将物理介质分开，即A、B路分为两根电缆；二是采用总线专用连接器InduCom9(见图5)。这种方案的优点较为明显，一方面，电缆在连接器内部实现短接，避免了由连接器松脱导致的网络通信故障；另一方面，A、B路电缆分为两条独立的物理介质，降低了线路中断导致通信故障的概率，如果其中一条物理介质发生故障，只会影响其中一路的通信，另外一路仍可正常传输数据。

图5 InduCom9连接器

2.2 改进方案分析

改进“T”型拓扑结构有诸多优点，但该方案也存在一定的弊端，简述如下：

2.2.1 电缆与端子匹配性及现场操作工艺要求高、二次操作难度大

与普通的D-SUB9连接器不同，这款连接器采用端子方式进行连接，端子(见图6)为方形孔。端子允许的电缆最大规格AWG20(美国线标20号线)，对应的截面积约为0.518 9 mm2、线径约为0.813 mm；而MVB专用电缆是截面积为0.5 mm2的5类绞合导体，其最大线径为1.1 mm。这对现场工人施工提出了较高的要求，稍有偏差就可能导致电缆无法完全插入端子，并对端子造成损伤(见图7)，一旦出现电缆错插的情况，需将电缆退出，重新进行施工，此时电缆将变成图8所示状态，则更加难以插入端子。

图6 连接器固定端子

2.2.2 传输路径的不等长可能造成信号传输时滞

在以往拓扑结构中，A、B路电缆存在于同一条物理介质中，两路信号的传输路径不存在不等长的风险；在改进“T”型拓扑中，两路信号的传输路径分别位于两条不同的物理介质中，在处理工艺及线缆长度方面无法做到完全一致。IEC 61375标准中对于冗余线路的信号传输时滞有明确的规定，要求发送时滞tskew不超过0.100 μs。根据电信号在金属介质中的传输速度为166.7 m/μs，可计算出tskew对应的线路长度约为16.7 m。尽管两条传输路径的物理长度差值达到16.7 m的可能性很小，但信号传输时延还受到阻抗等诸多因素的影响。另外，0.100 μs只是标准中规定的门限值，小于该数值的信号传输时滞在某些极端工况下仍可能对线路冗余及信任线切换造成影响。

图7 损坏的端子

图8 散开的电缆

2.2.3 线路参数的测量难以实现

对于以往传统的拓扑结构，在现场调试过程中可借助特殊电缆分析仪进行线路参数的全面测量，测量参数主要包括接线图、阻抗、长度、传播延迟、插入损耗、NEXT(近端串扰)、HDTDR(高精度时域反射)及HDTDX(高精度时域串扰)等，基于上述参数，可以快速定位故障点，以及对通信线路环境进行综合检测，从而为网络通信稳定提供有力保障。

对于引入InduCom9连接器的改进“T”型拓扑而言，目前还没有一款能够测量线路参数的仪器和设备，原因就在于该连接器内部设计有阻容电路，(见图9)。该款连接器是西门子公司设计开发的一款总线专用连接器，其中集成了120 Ω的总线终端电阻，该设计的初衷是可以让不自带终端电阻的非标设备上也可有终端电阻；另外，该连接器PCB(印刷电路板)上还集成了退耦电容，可防止电路通过电源形成的正反馈通路而引起寄生振荡，该设计使得目前的电缆分析仪无法对MVB线路进行测试。

图9 InduCom9连接器内部电路

图10 阻抗匹配性测试波形图

除此之外，InduCom9连接器对线路特性的影响不可忽视。首先，与传统的D-SUB9连接器相比，InduCom9连接器自带一块PCB，而其中的线路长度约为4 cm，这就增加了残段的长度，线路中的残段与传输线段及连接器之间的阻抗不匹配，或者由于负载过于集中引起的干扰和反射可能造成过零点时的抖动。IEC 61375规定，从引出点到收发器之间的残段长度不得超过10 cm，这就要求从设备侧连接器到通信板卡收发器之间的长度必须控制在6 cm以内；其次，该连接器PCB上自带的退耦电容可能会对线路的阻容参数造成影响。标准规定，传输线的每一末端采用一个等效阻抗为120.0(1±10%)Ω的端接器进行短接，以匹配线路阻抗，总线中每接入一个设备都会对线路阻抗产生细微的影响，多个设备产生的影响进行叠加后将会导致明显的后果，两种阻抗的匹配性足以影响信号的质量。实验室阻抗匹配性测试波形如图10所示。由图10可知，阻抗的匹配性对信号波形的影响非常明显，而这种差异在工程现场环境下有可能被放大到足以影响信号的正常解析。

2.2.4 与IEC 61375不兼容导致的其他通信问题

由西门子公司发明并率先使用的InduCom9连接器虽然解决了由连接器松脱导致的网络通信故障，然而这种连接形式却是IEC 61375中未定义的一种方式，这也因此引发了一些新的问题，对接入网络系统的包括中继器在内的所有通信设备的处理策略及处理速度亦提出了新的要求。

这种全新的的拓扑结构引入了几种典型的通信问题，具体分析如下：

1)在整个网络通信稳定的情况下,某个设备A、B路中某一路出现通信异常。该故障工况被作为一个试验项点列入网络系统的型式试验大纲中，地铁用户要求网络系统在这种工况下具备冗余处理能力。如图11所示,假定将M2车的HVAC设备的A路连接器拔掉，则在总线的A路中将不会出现该设备的从帧。对于总线主设备VCU而言，其信任线有可能是A路，此时，从VCU侧来看，通信中丢失的EDCU的端口从帧可能仅占整个通信数据量的1%左右。在这种情况下，由于不满足IEC61375标准中规定的“切换”条件，总线主设备将判定A路通信正常，总线主设备不会将信任线切换为B路，则HVAC将会离线，这样改进拓扑的冗余机制将失去作用。

图11 阻抗匹配性测试(一)

2)在整个网络通信稳定的情况下，某个设备A、B路中某一路出现通信异常。该故障工况虽然不是规定的试验项，但却是一种现场极有可能发生的故障工况。如图12所示，假定M2车的HVAC设备的A路连接器断开，同时Mc1车的ERM(数据记录仪)的B路连接器断开，而这两个设备中其中一个同周期的过程数据端口P1、P2在B、A路周期调度表中处于同一个基本周期，如果这时总线主设备的信任线为A路，那么B、A路发出P1端口的主帧之后，无法在A路中收到P1端口的从帧。按照IEC 61375的规定，达到42.7 μs的应答延时后，B、A路将发送下一个端口P2的主帧，此时，在B路上将会出现P2端口的主帧和P1端口的从帧的碰撞，这就会进一步导致BCU无法收到P2端口的主帧，进而造成ERM离线。

图12 阻抗匹配性测试(二)

产生上述两种问题的原因在于线路故障未满足IEC 61375中规定的冗余线路A、B路的切换机制触发条件。这可能是由于伴随着这种新型连接器而出现的新型拓扑结构超出了标准的规定范围。实际上，要解决上述两种通信故障，在现有的技术水平下是可以实现的，以目前通信接口卡的处理速度，完全可以实现A、B路的实时切换，即信任具有合法有效帧的线路数据，这些问题在具体的项目中已经解决并经过项目现场验证。