李常賢 楊晴 劉洋

基于UIC556標準的動車組消息數(shù)據(jù)通信技術(shù)的實現(xiàn)

李常賢 楊晴 劉洋

詳細介紹了采用UIC556通信協(xié)議實現(xiàn)動車組之間消息數(shù)據(jù)的傳輸過程，指出在列車網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送的E報文(消息數(shù)據(jù)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(xiàn)。

網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng);UIC556;消息數(shù)據(jù);實時協(xié)議

目前，國際、國內(nèi)的高速動車組多數(shù)采用WTB+MVB二級總線結(jié)構(gòu)實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)控制，在網(wǎng)絡(luò)控制過程中多數(shù)采用過程數(shù)據(jù)進行通信，對消息數(shù)據(jù)的研究和使用幾乎沒有。過程數(shù)據(jù)雖然可以即時地進行數(shù)據(jù)傳輸和交換，但是每次傳輸?shù)男畔⑤^少，而且不能實施某些按需進行的指令。隨著列車上設(shè)備控制和服務(wù)對象的增多，需要傳輸?shù)男畔⒑头N類也在不斷增長，在動車組間單純采用過程數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)傳輸已經(jīng)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(shù)據(jù)通信技術(shù)，來進行車輛故障信息的傳輸和偶發(fā)性命令的實施等非即時性數(shù)據(jù)的傳輸，從而更好地提高對動車組的控制、監(jiān)控和診斷水平。國際鐵路聯(lián)盟組織發(fā)布了一系列UIC標準，研究解決列車組間數(shù)據(jù)的傳遞技術(shù)，其中UIC556標準對消息數(shù)據(jù)的傳送機制和報文內(nèi)容進行了詳細的規(guī)定。

1 UIC消息數(shù)據(jù)通信

由于UIC556標準中的規(guī)定較為分散和抽象，并且有些規(guī)定需要根據(jù)本國實際情況進行修改，為此深入研究UIC556標準，將消息數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)的傳輸過程進行修改，對消息數(shù)據(jù)的接口和消息數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進行設(shè)定，從而實現(xiàn)動車組中消息數(shù)據(jù)的傳輸。在仿真平臺上采用半實物仿真設(shè)計，實現(xiàn)并驗證動車組間消息數(shù)據(jù)的收發(fā)是否成功。

列車通信網(wǎng)絡(luò)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(nèi)各設(shè)備的多功能車輛總線，如圖1所示。

圖1 列車通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)由起始設(shè)備作為源發(fā)出，經(jīng)過車輛總線、列車總線和節(jié)點，傳輸至最終設(shè)備。其中，節(jié)點起網(wǎng)關(guān)的作用，設(shè)備之間的通信采用實時協(xié)議(RTP)，列車通信網(wǎng)支持過程、消息和監(jiān)視3種類型的數(shù)據(jù)傳送。

1.1 消息數(shù)據(jù)報文

消息數(shù)據(jù)(Message Data)是以包的形式按需傳送的偶發(fā)性數(shù)據(jù)。消息也可用于發(fā)送短命令，如暫時需要關(guān)閉某一個門。消息數(shù)據(jù)的發(fā)送有賴于總線按需發(fā)送面向目標的數(shù)據(jù)報文的能力。消息數(shù)據(jù)在WTB總線上使用一一對應(yīng)的E報文進行傳輸應(yīng)答和請求數(shù)據(jù)，由于消息數(shù)據(jù)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(jié)構(gòu)和格式都相同。E報文主要傳輸內(nèi)容有門、照明、牽引、制動、整車、空調(diào)設(shè)備、診斷、旅客信息、電源、群組地址、UIC映射服務(wù)器和測試報文子功能。報文結(jié)構(gòu)主要組成的具體內(nèi)容如圖2所示。

圖2 E報文結(jié)構(gòu)及內(nèi)容

1.2 消息數(shù)據(jù)傳輸機理

UIC網(wǎng)關(guān)通過MVB總線接收消息數(shù)據(jù)，這些消息數(shù)據(jù)由具有數(shù)據(jù)通信能力的車載應(yīng)用設(shè)備產(chǎn)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?shù)南?shù)據(jù)，經(jīng)過MVB鏈路消息數(shù)據(jù)接口和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器所提供的傳輸路徑后，由實時協(xié)議進行接收，并交由UMS消息數(shù)據(jù)映射服務(wù)模塊及NMA網(wǎng)絡(luò)管理模塊進行處理。UIC映射服務(wù)器對應(yīng)的功能模塊，將處理之后的消息數(shù)據(jù)經(jīng)WTB鏈路消息數(shù)據(jù)接口和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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(fā)送到WTB總線上。WTB總線上與之對應(yīng)的UIC網(wǎng)關(guān)收到該消息數(shù)據(jù)后，采用與上面描述相反的過程將消息數(shù)據(jù)發(fā)送到該網(wǎng)關(guān)下的MVB總線上，并且被相應(yīng)的MVB設(shè)備接收進行指定的操作，如圖3所示。

其中，消息數(shù)據(jù)在實時協(xié)議中的傳輸過程描述如下。消息數(shù)據(jù)經(jīng)過UMS處理之后，通過應(yīng)用層接口給信使Messenger發(fā)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(shù)據(jù)發(fā)送者的存儲位置，并對消息數(shù)據(jù)目的地址進行配對，之后發(fā)送消息至傳送層。傳送層把消息數(shù)據(jù)分成數(shù)據(jù)包序列進行整合，經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)層接口發(fā)送至網(wǎng)絡(luò)層，同時傳送層執(zhí)行消息傳送協(xié)議，實現(xiàn)流量控制盒差錯恢復(fù)，以避免消息數(shù)據(jù)包的丟失或重復(fù)。網(wǎng)絡(luò)層將接收到的消息數(shù)據(jù)進行功能索引和站索引的查詢，譯出消息數(shù)據(jù)包的地址，并將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)至鏈路層，通過鏈路層和轉(zhuǎn)換器對消息數(shù)據(jù)包排列傳輸通道，將數(shù)據(jù)包存儲在消息隊列Message Queues中，其中網(wǎng)絡(luò)層實現(xiàn)消息數(shù)據(jù)路由器的主要功能。

圖3 消息數(shù)據(jù)傳輸過程

圖4 消息數(shù)據(jù)在UMS中的傳輸過程

UIC映射服務(wù)器(UMS)中，消息數(shù)據(jù)E報文的傳輸過程如圖4所示。從應(yīng)用層接口(AMI)接收過來的呼叫消息，首先傳遞給UIC映射服務(wù)器中的UIC代理者(UAGT)模塊，然后UAGT根據(jù)不同的應(yīng)用服務(wù)功能，通過(＜mod＞_request)請求UMS中對應(yīng)的功能模塊進行相應(yīng)的處理。＜mod＞可以代表UWTM，UTBC，UNGS和UIMCS。首先，服務(wù)提供模塊分配一個緩存區(qū)給相應(yīng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的call_message，消息轉(zhuǎn)換器將字節(jié)流數(shù)據(jù)類型的call_message轉(zhuǎn)換成相應(yīng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的call_message。其次，服務(wù)提供模塊里的消息轉(zhuǎn)換者發(fā)送(xxx_local_request)到服務(wù)提供模塊，服務(wù)提供模塊分配一個緩存區(qū)給相應(yīng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的reply_message和執(zhí)行相應(yīng)E報文功能。

2 半實物仿真平臺建設(shè)

2.1 平臺描述

本實驗平臺以2列重聯(lián)編組的動車為研究對象，拓撲結(jié)構(gòu)如圖5所示。2列列車之間通過列車總線WTB連接，通過UIC網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)動車之間的消息數(shù)據(jù)傳輸。在每列列車內(nèi)，采用MVB總線作為車輛級總線，連接各車載應(yīng)用設(shè)備。列車級總線與車輛級總線之間通過網(wǎng)關(guān)(UIC-GW)進行消息數(shù)據(jù)傳輸。

UIC網(wǎng)關(guān)(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(shù)據(jù)的傳輸、消息數(shù)據(jù)的路由、UIC556映射服務(wù)器、TCN和UIC初運行、MVB總線管理器。

子功能設(shè)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(wǎng)關(guān)進行消息數(shù)據(jù)E報文的傳輸。

2.2 網(wǎng)關(guān)配置

UIC網(wǎng)關(guān)的配置是由CSS軟件完成的。CSS主要用于車輛數(shù)據(jù)配置，包括靜態(tài)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(wǎng)關(guān)內(nèi)所有節(jié)點狀態(tài)的監(jiān)視數(shù)據(jù)NSDB，通過UIC Train Diagnostic Station與PC機串口相連，軟件傳輸至網(wǎng)關(guān)中。在配置站地址及功能地址過程中，由于消息數(shù)據(jù)是成對出現(xiàn)的，所以在模塊中需要設(shè)置成對的功能地址及相應(yīng)的傳輸路徑，并將功能地址均設(shè)為可使用(Read only設(shè)置為NO)。

圖5 硬件平臺結(jié)構(gòu)拓撲

網(wǎng)關(guān)配置的過程，即是對消息數(shù)據(jù)傳輸?shù)亩丝诩奥窂酵ㄟ^軟件進行編程設(shè)計，將設(shè)計的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為NSDB文件模式通過軟件UDS下載至實物網(wǎng)關(guān)中，將實物網(wǎng)關(guān)按照程序進行配置。

2.3 軟件仿真設(shè)計

本設(shè)計方案使用Unicap軟件進行軟件編程，實現(xiàn)消息數(shù)據(jù)的傳輸。編程設(shè)計call和reply程序，在網(wǎng)關(guān)內(nèi)配對的功能號與程序內(nèi)call模塊和reply模塊功能號對應(yīng)，并且在拓撲的TCN功能表中將設(shè)置好的功能號進行添加。

2.4 結(jié)果驗證

在Unicap內(nèi)運行該程序，reply模塊接收到call模塊請求傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，同樣call模塊也能接收到reply模塊返回的數(shù)據(jù)。證明在該半實物仿真平臺下設(shè)置的消息數(shù)據(jù)的傳輸是可以實現(xiàn)的。

3 結(jié)束語

根據(jù)UIC556標準對消息數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊螅瑥南?shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)內(nèi)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(shù)據(jù)傳輸過程的模擬，實現(xiàn)了基于UIC556標準下消息數(shù)據(jù)的傳輸，對我國高速列車的研發(fā)水平及自主創(chuàng)新能力實現(xiàn)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(shè)計［J］，機車電傳動，2010，(1):30－32．

［4］管婷，王玉松.TCN網(wǎng)關(guān)消息路由的研究與設(shè)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(xué)動車運用與維護學(xué)院副教授116028大連

楊晴:大連交通大學(xué)電氣信息學(xué)院研究生在讀116028大連

劉洋:大連交通大學(xué)機械工程學(xué)院博士生在讀116028大連

鐵道部科技研究開發(fā)計劃項目(2012J005-H)

2013-12-24

(責(zé)任編輯:諸紅)