地铁车辆TCMS系统网络离线故障原因分析

摘要：文章介绍了西安地铁三号线列车监控系统基本原理和网络拓扑结构介绍，通过对设备离线故障判断机理分析，推断出子设备离线的原因无法正常接收生命信号，结合运营过程中发生的典型故障，阐述导致设备离线的原因及现场检查方法，并提出了几种网络通讯质量的检测方法。

关键词：列车监控系统；设备离线；典型故障；网络通讯质量；地铁车辆 文献标识码：A

中图分类号：U279 文章编号：1009-2374（2017）10-0131-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.10.065

列车监控系统（TCMS）具有对列车牵引系统、制动系统和列车各主要设备进行监视、控制及故障诊断的功能，实现这些功能的前提就是TCMS具有完整可靠的网络拓扑结构，通过MVB（多功能车辆总线）的传输实现数据的交互。西安地铁三号线电客车自试运行以来，发生了多起车辆设备离线故障，对正线行车工作造成了极大的影响。

1 列车监控系统介绍

1.1 列车监控系统原理

西安地铁3号线TCMS系统用于监视车载牵引系统、制动系统和列车内各主要设备的状态，实现车辆的管理、监视和诊断功能。列车总线和车辆总线均采用多功能车辆总线MVB进行数据传输，电气接口为电气中距离EMD介质，双通道冗余。TCMS系统主要包括中央控制单元CCU，实现了车辆的MVB总线管理与列车运行控制功能；中继器RPT将TCMS分为列车总线与车辆总线；RIOM用于实现TCMS与车辆硬线及与车载信号系统数据的交互；HMI用来显示车辆及子系统的状态及提供人机交互的接口。列车事件记录仪ERM实现对列车主要设备的运行状态和故障进行自动信息采集并记录，并可通过便携式测试单元PTU将数据读出和打印。

1.2 列车监控系统网络拓扑结构介绍

西安地铁3号线列车管理系统系统（TCMS）按照IEC61375标准规定的列车通信网络组建。TCMS系统使用了两级总线：其中4个中继器之间使用了列车总线，为MVB列车网络，EMD介质；每个中继器下面有一个车辆总线MVB网络，同样为EMD介质。全车使用了4个中继器RPT，其中Tc车与Mp车共用一个RPT，这样Tc车与Mp车的MVB设备在同一个总线网段上；M车上的所有MVB设备单独在一个总线网段上。主控单元CCU1/2分别位于Tc1/2车，两个CCU都是MVB总线主设备，运行中互为热备。列车总线和车辆总线均使用MVB EMD电缆，采用总线连接器作为MVB连接器，A/B路分别进行传输。

TCMS系统与车辆各设备间采用硬线连接或网络通信，其中多数电气控制设备与TCMS系统间采用硬线连接，连接接口为DI、DO、AX等，具有MVB接口的子系统，如HVAC、PIS、EDCU、VVVF等与TCMS之间直接通过MVB网络相连。出于车辆运行安全考虑，司控器的信号同时通过列车硬线分别传输到VVVF、BCU，这样在网络故障时，在降级模式下可以通过硬线控制车辆运行，将影响正常运行的故障降到最低。

2 离线故障判断机理

从TCMS系统离线故障的判断机理为通过相互连续应答机制进行判断。拿CCU与BCU来举例说明，系统上电后CCU给BCU持续不断地发送一个累加的生命信号值，从0累加到65535循环；同理，BCU也在持续不断地给CCU发送此信号。如果CCU在一段时间内未能收到来自BCU的该信号则判断BCU离线，BCU亦然。

CCU与其他总线设备的离线判断机制同理。目前CCU判断子设备离线的时间周期统一为3s。各子设备判断CCU离线的时间周期不尽相同，例如BCU判断CCU的离线标准为10个刷新周期，接口协议中所确定的刷新周期为64ms，故10个刷新周期為0.64s。即CCU如果连续3s没有收到来自BCU的生命信号则判断CCU离线并在TCMS屏幕上弹出“BCU离线”故障；BCU连续0.64s没有收到来自CCU的生命信号则报“MVB总线错误”故障。

3 离线故障成因

离线故障成因为宿设备在约定的刷新周期内不能收到源设备的生命信号导致。其成因如下：

3.1 设备本身故障

设备本身故障，导致无法发送和接收生命信号真实离线。

3.2 网络传输错误

此类故障可归类为物理层传输故障，如由于网络信号传输质量不良如信号中断、信号反射、噪音干扰、信号失真、信号衰减、线路串扰、阻抗不匹配等原因导致的数据不能正常发送。

3.3 各设备间未能按照接口协议正确发送生命信号

此类故障可归类为数据链路层故障，各设备未能按照既定的接口协议和约定发送符合正确编码格式的数据包，各设备不能对数据包正确解析，从而导致该故障。

4 典型离线故障举例

4.1 TCU离线故障

故障现象简述：8月20日15∶22报0309车在桃花潭站下行5车HB状态显示时有时无，15∶30在辛家庙下行6车TCMS报EDCU离线。

故障处理简述：对列车通讯总线进行校核，发现5车1门处MVB列车总线连接器插头接线虚接，导致列车部分子设备通讯中断。重新压接5车1门处MVB列车总线连接器插头接线后列车通讯状态正常。总线断点位于MVB第4网段。此次故障的成因非常明确，即MVB网络通讯总线物理断开导致，重新恢复连接故障消除。

4.2 “MVB总线错误”故障

故障现象简述：8月27日0305车北池头上行出站车辆屏显示6车“MVB总线错误”。

故障处理简述：“MVB总线错误”故障成因为BCU连续10个刷新周期未检测到CCU的生命信号，BCU会报出此故障。查看BCU数据记录，BCU认为来自CCU的生命信号有中断的情况；查看CCU的数据记录，由CCU发送至BCU和来自BCU的生命信号均正常。

先采用排除法将6车网关阀与1车网关阀进行对调。故障并未转移，初步排除网关阀本身的故障。而后对列车MVB总线上各个插头和接线进行排查，检查各线缆接线情况并进行紧固后，查看总线刷新时间及总线冗余情况均恢复到正常状态，故障消除，由此分析问题还是由于总线通讯质量差导致的。

4.3 ROM离线

前期0321车在库内多次发生4、5、6车ROM离线故障，对全车的相关ROM及RPT等网络硬件设备均进行了更换，故障并未消除。对全车MVB总线上所有的总线连接器、各接插件的接线情况进行逐一检查，发现总线连接器存在电缆扭曲、挤压现象，致使电缆局部阻抗变化，影响整个传输线路的阻抗不连续，从而使信号衰减，造成ROM离线问题。

5 离线故障成因分析及当前排查故障的手段

前述三例故障除0309车有非常明确的故障点，成因为网络传输错误中的传输中断导致，其余两例均排除了这种可能。当前排查网络通讯故障的手段比较单一，仅仅只能依靠万用表对网络总线的通断和阻抗匹配阻值是否正确进行测量，仅能判断网络配线是否中断，对于诸如信号反射、噪音干扰、信号失真、信号衰减、线路串扰等情况无对应的测试方法和技术手段，仅靠万用表无法对网络传输的性能进行定性定量的分析。针对此情况与国内几家主机厂及网络设备制造商均有过交流和探讨，总结大致通过以下五种方法进行网络通讯质量的检测：

5.1 FLUKE DTX1800型测试仪

该型号测试仪为FLUKE公司针对以太网网络通讯质量测试开发的一套测试设备，并不是原生针对MVB网络线缆质量而进行测试的设备，后续FLUKE公司对该测试设备的软件进行升级加入了MVB网络测试的相关子项，如串扰、阻抗是否连续等，但并未原生提供针对MVB网络适用的DB9型适配器。对采用总线连接器型式的MVB总线线缆测试支持不佳，测试标准严苛，误判率较高，故该仪器不能对整个MVB网络布线进行定性的测试，通常作为排查故障的辅助手段。

5.2 示波器

通过对网络MVB总线的波形进行检测，查看波形是否达到预期的要求，通过波形本身来判断通讯质量的优劣。目前现场针对该测试缺乏技术支持。

5.3 MVB信号发生器

在网络一端通过不断发送按照协议编码好的数据，另外一端进行接收，通过发送和接收到的数据对比来验证丢包率有多高。

5.4 反射仪

反射现象为当线路中存在阻抗不匹配时，从源端口发送的信号就会返回源端口，从而造成信号传输不良。反射仪用来找寻MVB总线中存在的反射点。

5.5 MVB协议分析仪

MVB協议分析仪用来对MVB网络传输的数据包进行捕获、截取，对数据流进行解析。每个项目的接口定义、端口配置不尽相同，故需要对MVB分析仪进行二次开发，加入适合测试项目的测试规则，才能对总线传输数据对应进行解析。

通过上述一种或几种测试手段的综合使用可以有效地对网络物理层和数据链路层存在的问题进行分析，找到问题的成因而后进行对应的整改。

6 结语

TCMS系统由于网络信号传输质量不良导致的数据不能正常发送，造成设备离线问题会导致安全相关信号传输丢失等问题，影响列车的正常运行。西安地铁三号项目首次使用大连电机牵引研究所提供的列车控制及监控系统，通过对典型设备离线问题的梳理整改，提高了现场对问题的判断和故障排查能力，通过对监控软件的不断更新，完善了TCMS系统的监控设计，确保列车运营安全可靠。

参考文献

[1] 西安市地下铁道有限责任公司.西安地铁三号线车辆合同文件[S].2014.

[2] 刘琦，赵磊.国产化列车控制及监控系统的监控设计改进[J].城市轨道交通研究，2013，（10）.

[3] 王磊，何正友.高速列车通信网络技术特点及其应用[J].城市轨道交通研究，2008，（2）.

作者简介：侯向阳（1986-），男，甘肃渭源人，西安市地下铁道有限责任公司运营分公司助理工程师，研究方向：城市轨道交通车辆维修。

（责任编辑：王 波）