基于轨道交通MVB总线的车载网络虚拟云连接系统

2023-01-16 10:07宾华佳江伟波左宇辰
通信电源技术 2022年18期
关键词:轮询端口总线

宾华佳,姚 仁,江伟波,左宇辰

(株洲中车时代电气股份有限公司,湖南 株洲 412001)

0 引 言

随着城市轨道交通的快速发展,城轨列车的需求也不断增长。网络控制系统作为城轨列车的指挥控制中心,不仅需要实时采集列车运营期间的各种操作指令、状态显示信号等,同时还要对采集的数据进行运算处理和故障诊断,给出操作列车各系统运行的控制指令,通过人机界面进行信息反馈,在车辆的安全运营中起着关键作用。为了提高系统运行的可靠性,在列车进行首列装车调试前通常需要执行地面联调,即在实验室或其他非装车环境中模拟列车实际装车系统之间的接口和功能测试。

1 通用地面联调方法

多功能车辆总线(Multifunction Vehicle Bus,MVB)作为车载通信网络(Train Communication Network,TCN)的重要组成部分,用于有互操作性和互换性要求的列车内各电子部件和控制系统之间的串行数据通信,借助MVB可以实现底层设备所有信号和数据的采集与输出[1]。根据传输距离的长短,可选择不同类型物理层介质的MVB总线。MVB总线传输介质类型及特性如表1所示。

表1 MVB总线传输介质类型及特性

依据IEC 61375标准,MVB通信的最长传输距离为2 000 m,因此在地面调试环节中各个子系统连接的距离不能超过2 000 m。在当前轨道交通的应用中,绝大多数均采用基于电气中距离(Electrical Medium Distance,EMD)介质的MVB通信,其最大传输距离为200 m。在不同地方的厂家要想实现基于MVB的地面联调,必须将设备集中安装在同一个空间。

在当前的实际应用中,基于MVB总线的远程调试方案(以下简称通用方案)拓扑如图1所示。

图1 基于MVB总线的远程接入拓扑

A地有1个完整的MVB拓扑,其所有的MVB子系统都在A地通过MVB总线连接起来,该拓扑里面要求具备MVB总线主。在A地配置1个路由,路由具备支持4G/5G等上网功能,A地设备具备以太网调试的功能,通过单点接入本地路由,此时在B地的PC端通过路由即可实现对A地某设备的监控和调试。需要注意的是,现有基于MVB通信的子系统已经达到20个以上,各个子系统设备大小不一,集中安装在特定的空间执行地面联调不仅增加了各方面的成本,同时也是对资源的一种浪费。

2 MVB主帧轮询机制

依据IEC 61375标准,MVB总线通信使用主帧轮询从帧应答的通信模式,通过周期性发送主从帧来建立通信数据链,即1个完整的MVB报文是由MVB主帧和从帧组成。MVB主帧由总线主发出,长度固定,由9位起始分界符、16位帧数据、8位校验序列以及停止位构成。16位帧数据由4位F_code和12位地址构成,其中F_code用于指定数据报文类型和所期望的从帧长度。MVB主帧具体格式如图2所示[2]。

图2 MVB主帧格式

MVB从帧由本次报文源端口对应的设备(以下简称源设备)发出,当源设备收到总线主发出的主帧后会立即响应,发出对应的从帧,从帧中包含本次报文的通信数据,从而完成1次MVB通信。MVB从帧长度不固定,由9位起始分界符、长度不定的帧数据和校验序列、停止位构成[3]。长度不定的帧数据有5种情况,包括16位、32位、64位帧数据加8位校验序列以及当帧数据为128位或256位时每隔64位后加8位校验序列。MVB从帧具体格式如图3所示[4]。

图3 MVB从帧格式

MVB由总线管理器即总线主进行控制,总线主具有发起通信的功能,而其余从设备仅能配合总线主的工作,不可自发发起通信[5]。由于主帧是周期轮询,依据IEC 61375标准,处于总线上通信正常的设备在检测到总线主发送的主帧属于本系统需要回复的主帧后必须回复一帧从帧,并且主帧与从帧之间的回复间隔需要在规定的事件内响应(微秒级),因此从帧也是对应主帧周期答复[6]。过程数据通信流程如图4所示。

图4 过程数据通信流程

总线主按照预设的周期轮询表进行寻址,在周期轮询时发送定义好的主帧,此时所有在线的子系统对主帧进行译码,将其中的逻辑地址与设备地址进行比较,地址一致则为源设备的从设备,从而进行响应并发出从帧。此时所有宿端口的从设备接收从帧数据,即完成1次MVB数据传输。之后总线主发出下1个主帧不断循环,实现MVB总线的数据交互。如果检测到主帧而不回复从帧,则属于异常情况。

根据MVB总线的主从帧通信机制,任何1个最小的MVB总线网络中必须存在1个总线管理主设备,从设备不做要求。MVB总线端口是MVB通信帧的代名词,连接在总线的系统通过识别主帧中的MVB总线端口来判断是否为总线中需要本系统回复从帧的主帧,总线管理主发出的主帧是网络上其他设备之间开始通信的标志。

3 基于MVB总线的虚拟云连接系统

基于轨道交通MVB的车载网络虚拟云连接系统主要包括本地接口装置和云管理系统,模拟各个不同系统的多个本地接口装置通过云管理系统连接,组成一个虚拟的车辆连接系统,其拓扑如图5所示。

图5 虚拟云连接系统拓扑

以A、B、C这3个地方的系统为例进行说明,具体应用中可根据项目实际情况进行扩展。根据主从响应机制,A、B、C子系统虽然在虚拟接入系统中分属在各个地方,但是实际装车时都是短距离连接,因此3个子系统拓扑中必须存在1个设备作为总线管理主设备才能完整搭建实际的车载系统,以下阐述中将以A系统中的A1设备作为A、B、C子系统的总线管理主。

3.1 本地接口装置

本地接口装置是1类硬件接口装置,形式多样化、轻量、便携,主要包含基于MVB总线通信的RS485和EMD等接口、用于维护监控数据的以太网接口、支持宽带等有线通信接入的接口、支持4G/5G等弓网通信的接口以及电源接口(可自带储能电池)。

由于主从帧之间的回复间隔需要在规定的时间内响应(微秒级),通过该系统联网的设备分处世界各地,如果各个远程连接系统实现远程交互,势必无法实现主从之间的正常轮询。而根据MVB总线的主从帧通信机制,任何1个最小的MVB总线网络中必须存在1个总线管理主设备,因此分属各地的A、B、C系统中必须存在1个总线管理主才能实现主从间的正常轮询。为了方便说明,A1设备为总线大主,B系统本地接口装置B为子B系统总线小主、C系统本地接口装置C为子C系统总线小主,而A系统的本地接口装置A为A系统的总线小从(从设备)。总线大主所在系统的本地接口装置为总线从设备,其他系统的本地接口装置为总线小主设备,代替总线大主设备在本地组成的系统完成主从机制的通信。

所提出的虚拟连接系统中,由于各个本地系统均要求具备总线管理主,本地的MVB总线拓扑中均具备主帧,但是没有在远程其他系统的从帧响应,因此本地接口装置传输到云系统的数据为本地系统的从设备响应的从帧或接收的其他系统的总线从帧。

对于本地接口装置,其内部主要功能分为2大部分。管理1主要从总线上按照固定格式收发到云系统的数据和其他配置指令等,管理2主要是管理本地构建的总线拓扑。本地系统数据流收发过程如图6所示。

图6 本地系统数据流收发过程

管理1主要是将本地系统的从帧打包成以太网数据包传输到云管理系统,同时将从云系统获取的以太网数据解析成一包从帧传输给本地构建的总线拓扑。以太网数据包传输格式如图7所示。

图7 以太网数据包传输格式

当本地接口装置为总线小主时,通过本地构建的总线拓扑实现对本地设备总线管理的主从轮询机制,并将本系统设备的从帧传递给管理1,由管理1将从帧数据打包传输到云系统。此外,将从管理1中获取的从帧数据结合本拓扑中存在的主帧投放到本地的拓扑中,从而促使本地其他设备可以从本地的拓扑中获取到远程接入设备的数据。当本地接口装置为总线小从(从设备)时,管理2将本系统设备的从帧传递给管理1,由管理1将从帧数据打包传输到云系统。管理2从管理1获取从帧数据,当检测到总线在存在该从帧的主帧时,将该从帧投放到总线上响应主帧。

由于主帧具有周期性,因此从帧也必须为周期性响应,管理2需要设定数据模拟发送机制,在T时间内如果没有从管理1获取某端口从帧,那么将上一时刻获取的数据作为T时间内对本地拓扑中主帧周期响应的从帧。如果超过T时间未收到管理1的数据更新,则认为该端口的从帧异常,本地总线拓扑中仍然发送该端口的主帧,但是不投放从帧,本地的其他系统收不到远程系统该端口的数据。

MVB总线的主从轮询机制是基于MVB总线端口地址实现,因此本地接口装置需要配置对应的端口列表。对于本地系统的端口必须要提前配置,该列表可支持手动配置,也可远程通过云系统下装。对于其他远程系统的端口,可通过从管理1获取数据中的端口进行自动识别,并支持自动加入到列表中,该列表可下载至管理2中。此外,该虚拟云连接系统同时支持权限接入的设置,支持数据的统计、分类等其他扩展功能。

3.2 云管理系统

云管理系统主要实现的功能包括以下5个方面。一是实现对各个本地系统的权限接入、检验等;二是对接入系统的数据之间的交互进行管理;三是在可视化界面展示系统的统计数据:四是具备数据模拟功能:五是支持防火墙、事件审计日志等。

4 基于MVB总线的虚拟云连接系统状态监测

基于MVB总线的虚拟云连接系统可采集位于不同地方的子系统的通信数据,对这些网络状态数据进行特征提取,选取与网络通信健康状态相关性最大的特征量进行表征即可监测位于MVB总线上所有系统的运行状态,便于工作人员尽早发现故障。状态监测流程如图8所示。

图8 状态监测流程

《轨道交通电子设备 列车通信网络(TCN)第3-1部分:多功能车辆总线(MVB)》(GB/T 28029.9—2020)对总线物理波形进行了规范化要求,可提取的时域特征包括正稳态电压值、负稳态电压值、超调量等。频域分析可按照频率变化观察信号特征,通常结合时域和频域特征可以更全面地反映信号中的故障信息。将时域数据经过傅里叶变换即可提取其中的频域特征,包括峭度、偏度等。在列车通信网络中,误码率、丢包数、吞吐量等特征值经常作为重要衡量指标来描述总线数据的传输性能,为系统的健康评估体系提供依据。

对通信数据进行特征提取后形成较为全面的特征参数集,但过多的特征会造成特征冗余、维度灾难、模型过度拟合等问题,因此需要对特征数据进行选择,剔除与网络健康状态相关性较小的特征参数,从而降低特征参数维数,减轻状态监测系统的负担。

地面联调云连接系统可实时记录各子系统的状态特征参数,从而判断系统故障及健康状态。同时也可将各系统的状态参数输出到显示器上进行显示,便于工作人员更加直观地发现和解决故障,提高地面联调效率。

5 结 论

基于轨道交通MVB的车载网络虚拟云连接系统通过本地接口装置和云管理系统将处于不同空间位置的子系统联接起来,组成一个虚拟的车辆连接系统。通过本地接口装置实现了本地接入设备的管理,具备智能接入、数据统计、数据筛选以及本地接口自动模拟MVB总线主等功能。通过云连接系统采集MVB总线上各系统的实时状态数据,从而监测网络的健康状态,及时诊断网络故障并进行维护。

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