广州地铁6号线车载设备通信连接中断故障分析

方案，为运营维保部门对此类故障的解决提供指导依据。

关键词：地铁;信号系统;车载设备;通信连接中断

中图分类号： U284.48

0 引言

广州地铁6号线采用基于通信的列车自动控制系统（CBTC）卡斯柯URBALIS 888信号系统，卡斯柯信号系统的自动列车控制（ATC）系统可分为车载设备及轨旁设备2部分。ATC系统中，车载设备由车载控制器（CC）、车载显示屏（DMI）、数据通信系统（DCS）、车载交换机（SWC-U）及车载中继器（SWC-R）组成，各设备间通过车载以太网进行通信。2017年—2018年，6号线信号系统车载设备通信连接中断故障时有发生，故障发生时可能触发列车紧急制动，对正线列车运行及乘客舒适度产生较大影响[1]。因此文章基于卡斯柯信号系统车载设备的网络通信传输原理，展开中断故障的模拟测试分析，解决6号线车载信号系统通信中断故障问题，为今后此类故障的处理提供指导和借鉴。

1 卡斯柯信号系统车载设备数据传输原理

1.1 车载以太网拓扑结构

卡斯柯信号系统中，CC是车载ATC的核心部分，其主要由车载处理器（CORE）、安全输入输出模块（VIOM）、DCS调制解调器（Modem）和数据记录单元（DLU）组成。车载以太网实现了单端CC与本端DMI、Modem、交换机及中继器之间的通信传输，还实现了单端车头的CORE与两端车头的VIOM的双向通信传输，其网络拓扑结构如图1所示。

其中，车载交换机负责实现车载以太网中2个互为冗余的红蓝网（Network A&B）的网络初始化、启动和通信功能[2];车载中继器负责放大、传输来自两端车头的以太网信号[3];DLU负责为事件提供数据记录的存储功能。同时，广州地铁6号线配置了卡斯柯的在线监测系统（MSS），可以实现对ATC设备的实时监测及历史报警查询功能[4]。

1.2 车载处理器通信传输原理

CORE中包括核心处理器（CMP），CMP负责提供非安全应用功能的核心处理器（ATO软件）及安全应用功能的核心处理器 （ATP软件）。车载ATO、ATP数据均通过红蓝网（Network A&B）进行传输，单端CORE的通信传输原理如图2所示。

1.3 安全输入输出模块通信传输原理

VIOM由安全输入输出板（VIO）、电源和处理器单元（PPU）及网关板（GTW）组成，其结构及通信传输原理如图3所示。

其中GTW负责VIO与车载以太网及车辆列车控制和管理系统（TCMS）的接口管理[5];PPU为每个VIO软件提供内部信道电源及核心处理器;VIO板块包括了6种功能不同的安全输入输出板块。VIO板块与PPU及GTWA&B之间通过车载以太网进行通信传输。

1.4 车载数据通信传输过程分析

将ATC数据通信传输原理图简化为图4。其中，VIOM内部由PPU与VIO板块共同组成了3取2结构的冗余VIO通道，其通信传输原理如图5所示。

由此分析，单端VIO板块通过GTW和PPU接收来自本端CC及另一端CC的CMP数据信息，并将采集的数据通过PPU和GTW传输给两端的CMP。即ATC数据的输出过程为：单端CMP输出数据→本端GTWA&B→两端PPU→两端VIO输出板块;ATC数据输入的过程为：单端VIO输出板块采集输入数据→本端PPU→本端GTWA&B→两端CMP。

在上述数据通信传输过程中，若本端CC的GTWA&B通过Network A&B与另一端ATP的通信超时，则本端VIOM认为与另一端ATP通信连接超时，发生单端GTW与ATP连接中断故障。正常情况下，一端的CC与VIOM通信中断故障不会影响ATC系统的正常运行，但如果此时另一端CC同时发生其他重要设备故障，则进行导向安全侧处理，输出紧急制动;又或者两端CC的GTWA&B通过Network A&B与两端ATP的通信同时中断，则会发生两端GTW与ATP连接同時中断故障，两端的VIOM同时认为此时与两端的ATP断开通信连接，则进行导向安全侧的处理，输出紧急制动。

2 故障现象及故障数据分析

车载信号系统发生两端GTWA&B与ATP连接同时中断故障导致列车紧急制动时，两端CC的ATP、ATO软件功能均正常，数据记录故障前后无异常变化;中断故障发生前两端CMP均未输出过紧急制动命令，则表明紧急制动不是来源于ATP或ATO软件，如图6所示。

此类通信中断故障发生后，设备瞬间可以恢复正常;若列车产生了紧急制动，紧急制动可以立即缓解，列车继续正常运行。查询故障时刻MSS中无设备的相关报警信息提示及故障记录。

在故障列车回库后，在CC的PPU数据记录中，可以看到有GTW与相应ATP通信中断故障的报警信息记录，如：“GTW_MANAGEMENT_ATP1_IN_ERROR”（GTWA&B与ATP1通信连接中断报警）或“GTW_MANAGEMENT_ATP2_IN_ERROR”（GTWA&B与ATP2通信连接中断报警），如同时发生GTWA&B与两端ATP的通信连接中断故障，则两端CC均记录有相应中断时刻的故障报警信息，如图7、图8所示。

现场人员检查故障端CC相关板块间的硬线连接没有松动，连接线缆屏蔽层状态良好，可以排除该故障原因不是由于通信干扰造成。同时，现场还检查了线缆插接头、接线背板等物理线缆连接部分，没有发现退针、虚接及接线处电阻过大等情况[6]。为明确故障原因，现场根据数据传输过程，通过对硬件线路人为中断进行测试[7]，进一步排除、分析并确认通信连接中断故障的根本原因。

3 故障模拟测试

根据数据通信传输过程，对硬件线路的关键节点进行人为中断测试，通过对比测试情况的报警信息与故障报警内容，分析通信连接中断故障可能存在的故障点[8]。测试中，分别针对CMP→交换机、PPU→VIO输出板块、GTW→交换机、交换机→中继器、单端单交换机与GTW及CMP同时中断等5种通信连接中断故障情况进行了测试，测试情况如下。

3.1 测试CMP→交换机通信中断

（1）测试断开单端2头单交换机与CMP的网线连接。由于系统双交换机配置，通信传输有冗余功能，此时不影响数据交换，无中断报警信息。

（2）继续断开单端2头另一交换机与CMP的网线连接，即断开单端2头双交换机与CMP的网线连接。此时数据在本端VIOM中通信传输正常，则2头无报警信息，但与1头的数据通信由于双交换机与2头CMP的硬线连接断开而中断，则1头CC的PPU中产生GTW与2头ATP通信中断的报警信息。

测试完成后恢复设备，模拟测试情况如表1所示。

3.2 测试PPU→VIO板块通信中断

（1）测试断开单端2头单个PPU。由于2头有VIO通道3取2安全冗余功能[9]，则2头记录VIO由3通道变为2通道有效的报警信息。

（2）断开单端2头2个PPU。由于2头此时有2个VIO通道故障，不满足3取2安全冗余功能，则2头记录CMP输出VIO通道故障报警。

（3）继续断开单端2头3个PPU。由于3个VIO通道均故障，则只有上一次2个VIO通道故障报警信息记录，无新的报警信息产生。

测试过程中由于1头设备无故障，则1头无报警信息，测试完成后恢复设备，模拟测试情况如表2所示。

3.3 测试GTW→交换机通信中断

（1）测试断开单端2头GTWA板卡与交换机A的网线连接。由于系统双交换机冗余配置，此时不影响数据传输交换，则无相关报警信息记录，测试完成后恢复设备连接。

（2）测试断开单端2头GTWA、B板卡与交换机A、B的网线连接。此时1头数据传输交换正常，无相关报警信息，而2头VIO与两端的车载UNIVIC网络的接口断开，则2头PPU记录GTW与两端CMP通信中断报警信息，测试完成后恢复设备连接。

（3）测试断开1头GTWA板卡、2头GTWB板卡与相应交换机的网线连接。由于GTWA和B之间有冗余功能，则两端VIO均能与两端的CMP进行通信，无相关报警信息，测试完成后恢复设备连接。

（4）测试断开1头GTWA板卡、2头GTWA板卡与交换机A的网线连接。由于GTWA与B之间有冗余功能，则两端VIO均能与两端的CMP进行通信，无相关报警信息，测试完成后恢复设备连接。

模拟测试情况如表3所示。

3.4 测试交换机→中继器通信中断

（1）测试断开单中继器与两端交换机的网线连接。此时因车载以太网Network A&B双网冗余功能[10]，不影响两端车载数据的传输交换，则无相关报警信息。

（2）继续断开另一中继器与两端交换机的网线连接。此时本端的VIO板块只能与本端的CMP进行通信，则PPU产生GTW与另一端CMP通信中断报警信息。

测试完成后恢复设备，模拟测试情况如表4所示。

3.5 测试GTW与CMP同时通信中断

（1）测试断开单端1头交换机A与CMP及GTWA板块的网线连接。此时由于1头设置有冗余交换机B，则不影响数据传输交换，无相关报警信息，测试完成后恢复设备。

（2）测试断开1头交换机A与CMP板块的网线连接及2头交换机A与GTWA的网线连接。此时由于1头CMP与交换机B数据传输功能正常，2头交换机B与GTWB板块通信正常，则不影响数据传输交换，无相关报警信息，测试完成后恢复设备。

模拟测试情况如表5所示。

3.6 测试结论

通过硬件线路中断测试及车载子系统可靠性分析，系统同时发生两端GTWA&B与当端交换机A、B硬线连接中断故障的可能性极低，则GTW与ATP通信连接中断故障排除了系统硬件、线缆故障的可能性[11]。同时，由于车载以太网是一个实时的冗余IP以太骨干网[12]，采用IEEE802.3（10 M～100 M）通信协议标准[13]，其内部数据通信传输错误也会导致通信连接中断故障[14]。则现场人员通过咨询ALSTOM外方专家，从而进一步确认故障原因为系统内部软件通信问题，后续通过升级6号线基线STR架构软件版本，优化CC内部的通信质量[15]，解决VIOM与CMP通信连接中断故障问题。

4 结束语

文章针对广州地铁6号线车载设备通信连接中断故障进行数据分析及故障模拟测试，通过升级系统软件解决VIOM与CMP通信连接中断故障问题，降低了该故障对正线列车运行及乘客舒适度的影响，为今后此类系统通信中断故障的处理提供指导和借鉴。

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收稿日期 2018-12-11

责任编辑 胡姬