基于UIC556標準的動車組消息數據通信技術的實現

李常賢 楊晴 劉洋

基于UIC556標準的動車組消息數據通信技術的實現

李常賢 楊晴 劉洋

詳細介紹了采用UIC556通信協議實現動車組之間消息數據的傳輸過程，指出在列車網絡上發送的E報文(消息數據報文)的主要機制及過程，并在半實物仿真平臺上進行模擬實現。

網絡控制系統;UIC556;消息數據;實時協議

目前，國際、國內的高速動車組多數采用WTB+MVB二級總線結構實現網絡控制，在網絡控制過程中多數采用過程數據進行通信，對消息數據的研究和使用幾乎沒有。過程數據雖然可以即時地進行數據傳輸和交換，但是每次傳輸的信息較少，而且不能實施某些按需進行的指令。隨著列車上設備控制和服務對象的增多，需要傳輸的信息和種類也在不斷增長，在動車組間單純采用過程數據進行數據傳輸已經不能滿足要求。為了動車組更好的運營和維護，迫切需要采取消息數據通信技術，來進行車輛故障信息的傳輸和偶發性命令的實施等非即時性數據的傳輸，從而更好地提高對動車組的控制、監控和診斷水平。國際鐵路聯盟組織發布了一系列UIC標準，研究解決列車組間數據的傳遞技術，其中UIC556標準對消息數據的傳送機制和報文內容進行了詳細的規定。

1 UIC消息數據通信

由于UIC556標準中的規定較為分散和抽象，并且有些規定需要根據本國實際情況進行修改，為此深入研究UIC556標準，將消息數據的傳輸過程進行歸納和整合，并且針對我國的動車組情況對消息數據的傳輸過程進行修改，對消息數據的接口和消息數據結構進行設定，從而實現動車組中消息數據的傳輸。在仿真平臺上采用半實物仿真設計，實現并驗證動車組間消息數據的收發是否成功。

列車通信網絡為2層體系，第1層是連接各車輛的絞線式列車總線，第2層是連接同一車輛內各設備的多功能車輛總線，如圖1所示。

圖1 列車通信網絡結構

數據由起始設備作為源發出，經過車輛總線、列車總線和節點，傳輸至最終設備。其中，節點起網關的作用，設備之間的通信采用實時協議(RTP)，列車通信網支持過程、消息和監視3種類型的數據傳送。

1.1 消息數據報文

消息數據(Message Data)是以包的形式按需傳送的偶發性數據。消息也可用于發送短命令，如暫時需要關閉某一個門。消息數據的發送有賴于總線按需發送面向目標的數據報文的能力。消息數據在WTB總線上使用一一對應的E報文進行傳輸應答和請求數據，由于消息數據包含的信息量較大(最大可為1024位)，并且只有一種類型，所以每一個E報文的結構和格式都相同。E報文主要傳輸內容有門、照明、牽引、制動、整車、空調設備、診斷、旅客信息、電源、群組地址、UIC映射服務器和測試報文子功能。報文結構主要組成的具體內容如圖2所示。

圖2 E報文結構及內容

1.2 消息數據傳輸機理

UIC網關通過MVB總線接收消息數據，這些消息數據由具有數據通信能力的車載應用設備產生，通過MVB物理層、MVB鏈路層以及總線控制器傳輸至MVB通信存儲器，并且在存儲器中的消息隊列中進行排隊。當需要傳輸的消息數據，經過MVB鏈路消息數據接口和數據轉換器所提供的傳輸路徑后，由實時協議進行接收，并交由UMS消息數據映射服務模塊及NMA網絡管理模塊進行處理。UIC映射服務器對應的功能模塊，將處理之后的消息數據經WTB鏈路消息數據接口和數據轉換器提供的傳輸路徑進行傳輸，并存儲至WTB存儲器的消息隊列中進行排隊，之后發送到WTB總線上。WTB總線上與之對應的UIC網關收到該消息數據后，采用與上面描述相反的過程將消息數據發送到該網關下的MVB總線上，并且被相應的MVB設備接收進行指定的操作，如圖3所示。

其中，消息數據在實時協議中的傳輸過程描述如下。消息數據經過UMS處理之后，通過應用層接口給信使Messenger發送呼叫消息。信使的會話層打開連接并且進行功能地址訪問，檢查消息數據發送者的存儲位置，并對消息數據目的地址進行配對，之后發送消息至傳送層。傳送層把消息數據分成數據包序列進行整合，經過網絡層接口發送至網絡層，同時傳送層執行消息傳送協議，實現流量控制盒差錯恢復，以避免消息數據包的丟失或重復。網絡層將接收到的消息數據進行功能索引和站索引的查詢，譯出消息數據包的地址，并將數據包轉發至鏈路層，通過鏈路層和轉換器對消息數據包排列傳輸通道，將數據包存儲在消息隊列Message Queues中，其中網絡層實現消息數據路由器的主要功能。

圖3 消息數據傳輸過程

圖4 消息數據在UMS中的傳輸過程

UIC映射服務器(UMS)中，消息數據E報文的傳輸過程如圖4所示。從應用層接口(AMI)接收過來的呼叫消息，首先傳遞給UIC映射服務器中的UIC代理者(UAGT)模塊，然后UAGT根據不同的應用服務功能，通過(＜mod＞_request)請求UMS中對應的功能模塊進行相應的處理。＜mod＞可以代表UWTM，UTBC，UNGS和UIMCS。首先，服務提供模塊分配一個緩存區給相應數據結構的call_message，消息轉換器將字節流數據類型的call_message轉換成相應數據結構的call_message。其次，服務提供模塊里的消息轉換者發送(xxx_local_request)到服務提供模塊，服務提供模塊分配一個緩存區給相應數據結構的reply_message和執行相應E報文功能。

2 半實物仿真平臺建設

2.1 平臺描述

本實驗平臺以2列重聯編組的動車為研究對象，拓撲結構如圖5所示。2列列車之間通過列車總線WTB連接，通過UIC網關實現動車之間的消息數據傳輸。在每列列車內，采用MVB總線作為車輛級總線，連接各車載應用設備。列車級總線與車輛級總線之間通過網關(UIC-GW)進行消息數據傳輸。

UIC網關(UIC-GW)符合UIC556標準，用于控制MVB總線與WTB總線之間信息的傳輸，主要包括:過程數據的傳輸、消息數據的路由、UIC556映射服務器、TCN和UIC初運行、MVB總線管理器。

子功能設備模擬單元具有符合IEC61375標準的MVB接口，用于模擬動車上各個控制單元，如門控制單元、牽引控制單元、制動控制單元、診斷控制單元等。并通過MVB總線與UIC網關進行消息數據E報文的傳輸。

2.2 網關配置

UIC網關的配置是由CSS軟件完成的。CSS主要用于車輛數據配置，包括靜態屬性、UIC標識碼、通信存儲器端口、站地址及功能地址、UMS等。在配置完成后，CSS生成網關內所有節點狀態的監視數據NSDB，通過UIC Train Diagnostic Station與PC機串口相連，軟件傳輸至網關中。在配置站地址及功能地址過程中，由于消息數據是成對出現的，所以在模塊中需要設置成對的功能地址及相應的傳輸路徑，并將功能地址均設為可使用(Read only設置為NO)。

圖5 硬件平臺結構拓撲

網關配置的過程，即是對消息數據傳輸的端口及路徑通過軟件進行編程設計，將設計的數據轉化為NSDB文件模式通過軟件UDS下載至實物網關中，將實物網關按照程序進行配置。

2.3 軟件仿真設計

本設計方案使用Unicap軟件進行軟件編程，實現消息數據的傳輸。編程設計call和reply程序，在網關內配對的功能號與程序內call模塊和reply模塊功能號對應，并且在拓撲的TCN功能表中將設置好的功能號進行添加。

2.4 結果驗證

在Unicap內運行該程序，reply模塊接收到call模塊請求傳輸的數據，同樣call模塊也能接收到reply模塊返回的數據。證明在該半實物仿真平臺下設置的消息數據的傳輸是可以實現的。

3 結束語

根據UIC556標準對消息數據傳輸的要求，從消息數據的結構內容、傳輸機理等幾個方面進行了較為深入的研究，并且通過模擬仿真平臺對消息數據傳輸過程的模擬，實現了基于UIC556標準下消息數據的傳輸，對我國高速列車的研發水平及自主創新能力實現國際接軌具有積極意義。

［1］IEC61375-1．Electric railways equipment－trainbuspart1: TrainCommunication Network［S］．1999．

［2］UIC556．Information transmission in the train［S］．2004．Apptendix 3．1．

［3］肖家博，黎福海．基于TCN的車輛控制單元(VCU)的研究與設計［J］，機車電傳動，2010，(1):30－32．

［4］管婷，王玉松.TCN網關消息路由的研究與設計［J］.鐵道機車車輛，2011，(1):37－40.

This article introduces the process ofmessage data transmission among EMUs via UIC556 protocol．Themain mechanisms and processes of transmitting E-telegram over train network are explained and verified on a semi-physical simulation system．

Network control system;UIC556;Message data;Real-time protocol

李常賢:大連交通大學動車運用與維護學院副教授116028大連

楊晴:大連交通大學電氣信息學院研究生在讀116028大連

劉洋:大連交通大學機械工程學院博士生在讀116028大連

鐵道部科技研究開發計劃項目(2012J005-H)

2013-12-24

(責任編輯:諸紅)