基于UIC556标准的动车组消息数据通信技术的实现

李常贤 杨晴 刘洋

基于UIC556标准的动车组消息数据通信技术的实现

李常贤 杨晴 刘洋

详细介绍了采用UIC556通信协议实现动车组之间消息数据的传输过程，指出在列车网络上发送的E报文(消息数据报文)的主要机制及过程，并在半实物仿真平台上进行模拟实现。

网络控制系统;UIC556;消息数据;实时协议

目前，国际、国内的高速动车组多数采用WTB+MVB二级总线结构实现网络控制，在网络控制过程中多数采用过程数据进行通信，对消息数据的研究和使用几乎没有。过程数据虽然可以即时地进行数据传输和交换，但是每次传输的信息较少，而且不能实施某些按需进行的指令。随着列车上设备控制和服务对象的增多，需要传输的信息和种类也在不断增长，在动车组间单纯采用过程数据进行数据传输已经不能满足要求。为了动车组更好的运营和维护，迫切需要采取消息数据通信技术，来进行车辆故障信息的传输和偶发性命令的实施等非即时性数据的传输，从而更好地提高对动车组的控制、监控和诊断水平。国际铁路联盟组织发布了一系列UIC标准，研究解决列车组间数据的传递技术，其中UIC556标准对消息数据的传送机制和报文内容进行了详细的规定。

1 UIC消息数据通信

由于UIC556标准中的规定较为分散和抽象，并且有些规定需要根据本国实际情况进行修改，为此深入研究UIC556标准，将消息数据的传输过程进行归纳和整合，并且针对我国的动车组情况对消息数据的传输过程进行修改，对消息数据的接口和消息数据结构进行设定，从而实现动车组中消息数据的传输。在仿真平台上采用半实物仿真设计，实现并验证动车组间消息数据的收发是否成功。

列车通信网络为2层体系，第1层是连接各车辆的绞线式列车总线，第2层是连接同一车辆内各设备的多功能车辆总线，如图1所示。

图1 列车通信网络结构

数据由起始设备作为源发出，经过车辆总线、列车总线和节点，传输至最终设备。其中，节点起网关的作用，设备之间的通信采用实时协议(RTP)，列车通信网支持过程、消息和监视3种类型的数据传送。

1.1 消息数据报文

消息数据(Message Data)是以包的形式按需传送的偶发性数据。消息也可用于发送短命令，如暂时需要关闭某一个门。消息数据的发送有赖于总线按需发送面向目标的数据报文的能力。消息数据在WTB总线上使用一一对应的E报文进行传输应答和请求数据，由于消息数据包含的信息量较大(最大可为1024位)，并且只有一种类型，所以每一个E报文的结构和格式都相同。E报文主要传输内容有门、照明、牵引、制动、整车、空调设备、诊断、旅客信息、电源、群组地址、UIC映射服务器和测试报文子功能。报文结构主要组成的具体内容如图2所示。

图2 E报文结构及内容

1.2 消息数据传输机理

UIC网关通过MVB总线接收消息数据，这些消息数据由具有数据通信能力的车载应用设备产生，通过MVB物理层、MVB链路层以及总线控制器传输至MVB通信存储器，并且在存储器中的消息队列中进行排队。当需要传输的消息数据，经过MVB链路消息数据接口和数据转换器所提供的传输路径后，由实时协议进行接收，并交由UMS消息数据映射服务模块及NMA网络管理模块进行处理。UIC映射服务器对应的功能模块，将处理之后的消息数据经WTB链路消息数据接口和数据转换器提供的传输路径进行传输，并存储至WTB存储器的消息队列中进行排队，之后发送到WTB总线上。WTB总线上与之对应的UIC网关收到该消息数据后，采用与上面描述相反的过程将消息数据发送到该网关下的MVB总线上，并且被相应的MVB设备接收进行指定的操作，如图3所示。

其中，消息数据在实时协议中的传输过程描述如下。消息数据经过UMS处理之后，通过应用层接口给信使Messenger发送呼叫消息。信使的会话层打开连接并且进行功能地址访问，检查消息数据发送者的存储位置，并对消息数据目的地址进行配对，之后发送消息至传送层。传送层把消息数据分成数据包序列进行整合，经过网络层接口发送至网络层，同时传送层执行消息传送协议，实现流量控制盒差错恢复，以避免消息数据包的丢失或重复。网络层将接收到的消息数据进行功能索引和站索引的查询，译出消息数据包的地址，并将数据包转发至链路层，通过链路层和转换器对消息数据包排列传输通道，将数据包存储在消息队列Message Queues中，其中网络层实现消息数据路由器的主要功能。

图3 消息数据传输过程

图4 消息数据在UMS中的传输过程

UIC映射服务器(UMS)中，消息数据E报文的传输过程如图4所示。从应用层接口(AMI)接收过来的呼叫消息，首先传递给UIC映射服务器中的UIC代理者(UAGT)模块，然后UAGT根据不同的应用服务功能，通过(＜mod＞_request)请求UMS中对应的功能模块进行相应的处理。＜mod＞可以代表UWTM，UTBC，UNGS和UIMCS。首先，服务提供模块分配一个缓存区给相应数据结构的call_message，消息转换器将字节流数据类型的call_message转换成相应数据结构的call_message。其次，服务提供模块里的消息转换者发送(xxx_local_request)到服务提供模块，服务提供模块分配一个缓存区给相应数据结构的reply_message和执行相应E报文功能。

2 半实物仿真平台建设

2.1 平台描述

本实验平台以2列重联编组的动车为研究对象，拓扑结构如图5所示。2列列车之间通过列车总线WTB连接，通过UIC网关实现动车之间的消息数据传输。在每列列车内，采用MVB总线作为车辆级总线，连接各车载应用设备。列车级总线与车辆级总线之间通过网关(UIC-GW)进行消息数据传输。

UIC网关(UIC-GW)符合UIC556标准，用于控制MVB总线与WTB总线之间信息的传输，主要包括:过程数据的传输、消息数据的路由、UIC556映射服务器、TCN和UIC初运行、MVB总线管理器。

子功能设备模拟单元具有符合IEC61375标准的MVB接口，用于模拟动车上各个控制单元，如门控制单元、牵引控制单元、制动控制单元、诊断控制单元等。并通过MVB总线与UIC网关进行消息数据E报文的传输。

2.2 网关配置

UIC网关的配置是由CSS软件完成的。CSS主要用于车辆数据配置，包括静态属性、UIC标识码、通信存储器端口、站地址及功能地址、UMS等。在配置完成后，CSS生成网关内所有节点状态的监视数据NSDB，通过UIC Train Diagnostic Station与PC机串口相连，软件传输至网关中。在配置站地址及功能地址过程中，由于消息数据是成对出现的，所以在模块中需要设置成对的功能地址及相应的传输路径，并将功能地址均设为可使用(Read only设置为NO)。

图5 硬件平台结构拓扑

网关配置的过程，即是对消息数据传输的端口及路径通过软件进行编程设计，将设计的数据转化为NSDB文件模式通过软件UDS下载至实物网关中，将实物网关按照程序进行配置。

2.3 软件仿真设计

本设计方案使用Unicap软件进行软件编程，实现消息数据的传输。编程设计call和reply程序，在网关内配对的功能号与程序内call模块和reply模块功能号对应，并且在拓扑的TCN功能表中将设置好的功能号进行添加。

2.4 结果验证

在Unicap内运行该程序，reply模块接收到call模块请求传输的数据，同样call模块也能接收到reply模块返回的数据。证明在该半实物仿真平台下设置的消息数据的传输是可以实现的。

3 结束语

根据UIC556标准对消息数据传输的要求，从消息数据的结构内容、传输机理等几个方面进行了较为深入的研究，并且通过模拟仿真平台对消息数据传输过程的模拟，实现了基于UIC556标准下消息数据的传输，对我国高速列车的研发水平及自主创新能力实现国际接轨具有积极意义。

［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的车辆控制单元(VCU)的研究与设计［J］，机车电传动，2010，(1):30－32．

［4］管婷，王玉松.TCN网关消息路由的研究与设计［J］.铁道机车车辆，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

李常贤:大连交通大学动车运用与维护学院副教授116028大连

杨晴:大连交通大学电气信息学院研究生在读116028大连

刘洋:大连交通大学机械工程学院博士生在读116028大连

铁道部科技研究开发计划项目(2012J005-H)

2013-12-24

(责任编辑:诸红)