深圳市地铁集团有限公司运营总部
摘要：城市地铁运输是我国中大型城市缓解交通压力的首选方案，而地铁属于地下运营，通讯网络控制对于地铁列车的安全运营起到关键作用。本文主要对网络系统的拓扑及冗余设计进行分析，供同行借鉴参考。
关键词：MVB；地铁；冗余；网络控制系统
前言
MVB在通讯速率及传输距离等方面具有一定的优势，在众多的总线当中，MVB是国内应用最多的一种。因此，本文也以标准的MVB网络，采取两级总线结构，接口为电气中距离EMD介质，屏蔽双绞线，在不不使用中继器的情况下最大传输距离为200m。下边就网络系统的拓扑及冗余设计进行探索。
一、网络拓扑设计
连接到多功能车辆总线MVB上的各个子系统控制单元包括：列车自动控制ATC、牵引控制单元DCU、制动控制单元BCU、辅助控制单元SIV、空调控制单元HVAC、门控单元EDCU、乘客信息系统PIS、烟火报警单元FAU等。本课题依托设计的地铁车辆为6辆固定编组，每辆车长度在20m左右，全列车长度大概120m，但由于子系统带MVB 口的控制单元位于车辆的不同位置，这些控制单元通过MVB网线连接起来，MVB线缆需要在车辆中来回布置，按照项目经验，一般情况下全列车MVB总线的长度应该在300m到500m之间，显然已经超过了 MVB EMD介质规定的最大200m的限制，因此我们通过使用中继器将网络控制系统划分为两级总线，如图1所示。其中四个中继器之间的总线定义为列车总线，每个中继器下面有一个车辆总线MVB网络。
图1 列车管理系统网络拓扑图
二、系统冗余设计与实现
中央控制单元CCU釆用冗余设计，基本原理是如果当前总线主发生故障，备用总线主就会获取总线管理功能，来保证MVB总线数据通信的可靠性。中央控制单元两台硬件完全一样，具备同样的功能，它们在工程实现上具备相同配置，包括相同的应用及过程数据源端口和宿端口配置。在MVB网络中每个总线管理器（总线主）都含有循环列表，此列表以令牌的传递来排序，以设备地址的上升次序来构成，其中Tel车的CCU设备地址定义为0x01，Tc2车的CCU设备地址定义为0x02。当两台CCU同时上电工作时，由于Tel车CCU具有更小的设备地址，位于总线管理器循环列表的第1位，所以Tel车CCU将首先作为该网络系统的总线主，对MVB总线进行管理，只有在Tel车CCU发送故障时，才进行主权转移，由Tc2车CCU转为总线主，对MVB总线进行管理。一般情况下，在常规主设备没有故障的情况下不进行主权转移。
图2描述了从多个总线管理器中选择一个作为常规主设备的状态转移流程，当在一个巡回周期常规主设备发生故障时将进行转移主权。一个总线管理器在正常操作时所需的信息应包含在总线配置数据结构中。拥有总线配置的总线管理器称为已配置的总线管理器（总线主）。此总线管理器应将其设备状态字的ACT位置1。一个未配置的总线管理器只执行事件巡回和设备扫描，并将其设备状态字的ACT位置0。当另外一个总线管理器的实现索引比主设备的大1或相同，主设备将认为这个总线管理器被“实现”。如果一个总线管理器在其实现索引被连续修改了 4次之后还没有成为主设备，则总线管理器将回复到“未配置”状态。
图2 主权转移状态图
设备初始化完成后进入"备用主设备”，在此状态下总线管理器并不行使总线主权力，但是如果“备用主设备”在T_standby时间内没有收到主顿，或收到当前“常规主设备”发送的移交主权请求，则该“备用主设备”进入“常规主设备”状态。
在"常规主设备”状态下，该设备行使总线主权力（执行周期查询、事件查询和设备扫描）。如果它检测到一个不是它自身发送的主巾贞，则总线管理器将认为出现主设备碰撞并返回到“备用主设备”状态。巡回结束或一个“辞职”命令之后，总线管理器将进入“寻找下一个”状态。
在“寻找下一个”状态下，总线管理器在它的总线管理器列表上获取被提议的主设备的地址并查询它的设备状态。总线管理器先给自身发送一个主权转移请求，然后再将此请求发送到有效的总线管理器，并进入到“临时主设备”状态。否则总线管理器将返回到“常规主设备”状态，并在下一巡回中尝试总线管理器列表中的下一个总线管理器。在"临时主设备”状态下，总线管理器期待从下一个总线管理器返回的主权转移响应。当它接收到一个（接受或拒绝）响应或超时时，总线管理器进入到“备用主设备”状态。如果从其他总线管理器上返回的响应是“拒绝”，则总线管理器报告有错误产生。
三、线路冗余原理与设计
MVB线路的冗余原理假定设备在Line_A和Line—B上同步发送相同的数据，而设备只从其中的一条传输线接收数据，这条传输线称做信任线（Trusted—Line），同时设备监视另外一条线，称做监视线（ObservedJLine）。每个设备通过其在物理层上产生的信号或链路层的请求来选择它的Trusted—Line和Observed—Line，而与其他设备无关。
WTB是一种串行数据通讯总线，也是一种典型的总线仲裁型网络，其主要作为列车总线用于经常连挂与解编的各种重联车辆，如重联机车、重联动车组以及偶尔解编的多单元地铁车辆。WTB的显著特点是具有初运行功能，列车在连挂或解编过程中改变编组后，WTB能够在没有人为参与的情况下自动地对车辆重新进行编址，形成新的列车拓扑结构。WTB数据链路层使用了高级数据链路控制HDLC，数据交换采用报文传送方式，支持介质冗佘管理和设备冗余管理，具有过程数据和消息数据能力。WTB过程数据基本周期为25ms，每个顿最大传输128个字节数据。过程数据通过广播方式将数据发送到总线上，一个节点发送的数据其他所有节点都可以接收到。对于数据量较大，而实时性要求低的数据允许釆用消息数据传输。WTB传输介质采用双绞屏蔽线，支持的通讯电缆最长860m，允许的节点最多为32个。
图3 标准MVB EMD设备连接示意图
IEC61375-1标准规定MVB EMD设备具有一进一出两个MVB接口，MVB的线路A与线路B使用一颗四芯线缆，标准的MVB线缆与连接器的接法如图3.9所示，多个MVB设备按照图3采用手拉手的方式连接。这种接法的优点是线缆A与线路B互为冗余，A路或B路中任何一路中断后对另一路没有影响，从而不会影响整个MVB网络的通讯，但是缺点是一旦某个连接器松动，手拉手的连接方式将被破坏，MVB线缆将在该连接器处断裂为两段，从而导致线路A与线路B全部中断，必然造成MVB网络通讯中断，进而对车辆的运行产牛.影响。在该课题中我们采用如图4所示的新型MVB接线法，即MVB的一个连接器只走线路A，另一个连接器只走线路B，这样线路A与线路B同样起到冗余的作用，当有一个连接器松动时对一路MVB线路没有任何影响，因此也不会对整个MVB网络造成影响。新型接法在连接器内部将线路一进一出进行了短接，所以即使同一设备上的两个连接器全部从设备断开，仅会导致该设备离线，而不会造成MVB线路屮断，因此这种新型的MVB接线法对于系统更加可靠。
图4 新型MVB接线法
四、结束语
在该网络控制系统的设计过程中，我们充分考虑了主控冗余、线路冗余、关键信号冗余、硬线信号冗余等多种冗余设计方案，确保了整个系统稳定性与可靠性，从而实现了该地铁车辆以网络控制为主、硬线控制为辅的设计目标。
论文作者:林文涛
论文发表刊物:《基层建设》2016年6期
论文发表时间:2016/7/7
标签：总线论文; 主设备论文; 管理器论文; 冗余论文; 设备论文; 线路论文; 网络论文; 《基层建设》2016年6期论文;