广州地铁6号线车载设备通信连接中断故障分析

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摘 要：针对广州地铁6号线信号系统车载设备的通信连接中断故障，分析卡斯柯URBALIS 888信号系统车载设备的通信传输过程。通过连接中断故障的模拟测试，对相关测试数据进行分析，从而确定设备通信连接中断故障的原因并由此得到该故障的故障范围及解决方案，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

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