朱廣超，趙紅衛(wèi)，李洋濤

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 機(jī)車(chē)車(chē)輛研究所，北京100081）

一種UIC列車(chē)通信網(wǎng)關(guān)的研制*

朱廣超，趙紅衛(wèi)，李洋濤

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 機(jī)車(chē)車(chē)輛研究所，北京100081）

符合UIC 556標(biāo)準(zhǔn)的UIC網(wǎng)關(guān)是實(shí)現(xiàn)列車(chē)間互聯(lián)、互通和互操作的關(guān)鍵核心設(shè)備，從分析UIC網(wǎng)關(guān)的作用出發(fā)，介紹了自主研制的UIC網(wǎng)關(guān)的硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，介紹了UIC網(wǎng)關(guān)中W T B通信控制器設(shè)計(jì)、T C N與UIC初運(yùn)行、T C N實(shí)時(shí)協(xié)議棧與消息路由、UIC映射服務(wù)器、過(guò)程數(shù)據(jù)編排等關(guān)鍵技術(shù)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方案。T C N和UIC一致性測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了自主研制UIC網(wǎng)關(guān)的功能和設(shè)計(jì)方案。

T C N網(wǎng)關(guān)；UIC網(wǎng)關(guān)；互聯(lián)互通和互操作

目前，國(guó)內(nèi)外運(yùn)營(yíng)的高速動(dòng)車(chē)組、重聯(lián)的大功率機(jī)車(chē)以及需要編組的城軌車(chē)輛多數(shù)采用國(guó)際列車(chē)網(wǎng)絡(luò)通信標(biāo)準(zhǔn)IE C 61375-1［1］規(guī)定的T C N網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)實(shí)現(xiàn)列車(chē)的網(wǎng)絡(luò)控制，即采用W T B+M V B兩級(jí)總線結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)列車(chē)的網(wǎng)絡(luò)控制：連接各節(jié)車(chē)輛的列車(chē)總線W T B和連接各個(gè)車(chē)輛內(nèi)部設(shè)備的多功能車(chē)輛總線M V B兩級(jí)總線，兩級(jí)總線間通過(guò)W T B/M V B列車(chē)通信網(wǎng)關(guān)即T C N網(wǎng)關(guān)進(jìn)行連接。T C N網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)列車(chē)級(jí)網(wǎng)絡(luò)W T B和車(chē)輛級(jí)網(wǎng)絡(luò)M V B之間的通信協(xié)議轉(zhuǎn)換，完成兩級(jí)總線間過(guò)程數(shù)據(jù)、消息數(shù)據(jù)以及監(jiān)視數(shù)據(jù)的交換，當(dāng)列車(chē)根據(jù)運(yùn)營(yíng)需求進(jìn)行編組或者解編時(shí)，通信網(wǎng)關(guān)能識(shí)別列車(chē)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓⒏鶕?jù)新的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲匦屡渲谜?chē)的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)列車(chē)間的互聯(lián)、互通、互操作。

由于T C N網(wǎng)關(guān)在IE C 61375標(biāo)準(zhǔn)僅規(guī)定了網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層以下應(yīng)遵循的技術(shù)規(guī)范，對(duì)于應(yīng)用層的交互信息如網(wǎng)關(guān)初運(yùn)行完成時(shí)交換的編組信息、車(chē)輛尋址算法和正常通信時(shí)的通信協(xié)議均沒(méi)有約定，這會(huì)造成不同廠商設(shè)計(jì)制造的列車(chē)之間無(wú)法實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)編組和互聯(lián)互通。為此，UIC組織提出了UIC 556標(biāo)準(zhǔn)［2］，它在應(yīng)用層按照實(shí)際運(yùn)營(yíng)需求對(duì)T C N網(wǎng)關(guān)進(jìn)行了多項(xiàng)約定以確保安裝有不同廠商網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品的列車(chē)之間可以直接進(jìn)行互聯(lián)互通，這些約定包括UIC初運(yùn)行、過(guò)程數(shù)據(jù)編組（P D M）、消息數(shù)據(jù)服務(wù)、UIC映射服務(wù)（UICM apping Server，U M S）等。UIC網(wǎng)關(guān)則是指符合UIC 556標(biāo)準(zhǔn)的T C N網(wǎng)關(guān)，它包含了全部T C N通信技術(shù)和UIC通信技術(shù)，是列車(chē)控制網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品中功能最為復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，同時(shí)也是實(shí)現(xiàn)動(dòng)車(chē)組之間互通、互聯(lián)和互操作的關(guān)鍵核心設(shè)備。

正是由于UIC網(wǎng)關(guān)在列車(chē)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)所處的關(guān)鍵作用，國(guó)內(nèi)外許多廠商和科研機(jī)構(gòu)對(duì)此展開(kāi)了重點(diǎn)研究，國(guó)外西門(mén)子、龐巴迪、E K E、U niControls、F A R Systems等知名公司都具有自己的UIC網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品，國(guó)內(nèi)大連理工大學(xué)、南車(chē)株洲電力機(jī)車(chē)研究所有限公司、北車(chē)大連電力牽引研發(fā)中心、北京交通大學(xué)、中國(guó)鐵道科學(xué)研究院（簡(jiǎn)稱(chēng)鐵科院）等單位開(kāi)展了UIC網(wǎng)關(guān)的研究，部分單位還開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品。但由于受?chē)?guó)外技術(shù)封鎖和條件限制，國(guó)內(nèi)對(duì)于UIC網(wǎng)關(guān)的研究還存在一定的局限性，研制的產(chǎn)品多處于試驗(yàn)室驗(yàn)證階段，目前還未見(jiàn)到經(jīng)充分考核驗(yàn)證的UIC網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品批量裝車(chē)應(yīng)用的報(bào)道。為此，鐵科院機(jī)車(chē)車(chē)輛研究所在已有研究工作的基礎(chǔ)上，開(kāi)展UIC網(wǎng)關(guān)的互聯(lián)互通及一致性測(cè)試技術(shù)的研究，研制出符合UIC 556標(biāo)準(zhǔn)的UIC網(wǎng)關(guān)。介紹自主研制的UIC網(wǎng)關(guān)的硬件結(jié)構(gòu)和軟件結(jié)構(gòu)，對(duì)實(shí)現(xiàn)該網(wǎng)關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析，并給出了相應(yīng)的實(shí)現(xiàn)方案和測(cè)試結(jié)果。

1　網(wǎng)關(guān)的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

研制的UIC網(wǎng)關(guān)采用了標(biāo)準(zhǔn)的6 U板卡結(jié)構(gòu)，可以方便集成在中央控制單元的機(jī)箱中。網(wǎng)關(guān)的硬件結(jié)構(gòu)由圖1所示，主要由3部分構(gòu)成：上層嵌入式CP U模塊、W T B通信模塊和M V B通信模塊，3個(gè)子系統(tǒng)模塊之間通過(guò)地址、數(shù)據(jù)總線和控制總線等C P U的外部并行擴(kuò)展總線互聯(lián)，模塊功能分工明確，有利于功能擴(kuò)展。

上層嵌入式C P U是整個(gè)網(wǎng)關(guān)的主處理器，運(yùn)行實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、T C N協(xié)議棧軟件、UIC 協(xié)議棧軟件以及各種網(wǎng)關(guān)應(yīng)用服務(wù)程序。整個(gè)嵌入式C P U系統(tǒng)采用Atmel公司A R M 9芯片A T91S A M 9263作為系統(tǒng)的主處理器，運(yùn)行頻率為200 M H z，擴(kuò)展有服務(wù)串口、以太網(wǎng)口、U SB、看門(mén)狗等通用的接口；同時(shí)，對(duì)外擴(kuò)展并行總線，以實(shí)現(xiàn)與W T B通信模塊和M V B通信模塊的數(shù)據(jù)交換和控制。為提高系統(tǒng)實(shí)時(shí)性和可靠性，操作系統(tǒng)采用Q N X嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。

圖1　網(wǎng)關(guān)的硬件結(jié)構(gòu)圖

M V B通信模塊采用了自主研發(fā)的具有二類(lèi)通信功能的M V B通信網(wǎng)卡，主要完成M V B總線的過(guò)程數(shù)據(jù)、消息數(shù)據(jù)和監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)通信功能，并通過(guò)通用的PC104總線接口與上層C P U交換數(shù)據(jù)。M V B網(wǎng)卡包括總線的鏈路層和物理層電路，其核心的M V B協(xié)議控制器采用專(zhuān)用的FP G A編程實(shí)現(xiàn)，用于實(shí)現(xiàn)曼徹斯特編譯碼、幀時(shí)序控制、數(shù)據(jù)幀報(bào)文分析、M V B交換內(nèi)存訪問(wèn)控制等功能，對(duì)于過(guò)程數(shù)據(jù)通信，最大可完成4 096個(gè)邏輯端口的尋址和通訊，并具有宿端口超時(shí)監(jiān)控、數(shù)據(jù)強(qiáng)制等功能。M V B物理層驅(qū)動(dòng)電路完成M V B數(shù)據(jù)收發(fā)驅(qū)動(dòng)，并支持雙線冗余。

圖2　W TB模塊的功能結(jié)構(gòu)圖

W T B通信模塊主要完成W T B的過(guò)程數(shù)據(jù)、消息數(shù)據(jù)和監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)通信功能，包括實(shí)現(xiàn)W T B總線的鏈路層和物理層（W T B線路驅(qū)動(dòng)單元），W T B模塊的主要結(jié)構(gòu)如圖2所示。模塊的核心是W T B通信協(xié)議控制器即W T B C，其功能主要在FP G A芯片上實(shí)現(xiàn)，采用了Xilinx公司的Spartan 3 A系列的X C3S400 A芯片實(shí)現(xiàn)W T B的通信控制器，并通過(guò)通用的P C104總線接口與上層C P U交換數(shù)據(jù)。W T B通信協(xié)議控制器負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)W T B通訊控制器的各項(xiàng)功能，包括曼徹斯特編碼、譯碼功能、H D L C協(xié)議實(shí)現(xiàn)、主輔通道切換功能、信號(hào)品質(zhì)監(jiān)視功能、冗余線路切換功能等。W T B線路驅(qū)動(dòng)單元負(fù)責(zé)W T B數(shù)據(jù)收發(fā)驅(qū)動(dòng)，支持雙線冗余。

W T B C實(shí)現(xiàn)W T B網(wǎng)絡(luò)協(xié)議數(shù)據(jù)鏈路層的功能，如幀同步、尋址、訪問(wèn)控制和差錯(cuò)控制等。W T B C的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要包含編碼器、譯碼器、通道冗余控制、報(bào)文分析單元、收發(fā)緩沖區(qū)以及C P U接口邏輯等。編碼器將要發(fā)送的數(shù)據(jù)根據(jù)W T B協(xié)議規(guī)定的幀格式進(jìn)行發(fā)送，給傳輸?shù)臄?shù)據(jù)添加起始分界符，C R C校驗(yàn)碼和結(jié)束分界符，并在必要的時(shí)候完成H D L C的插零操作，信號(hào)串行發(fā)送；譯碼器從線路上傳輸?shù)拇行盘?hào)解析出起始分界符后，將傳輸?shù)臄?shù)據(jù)存入接收緩沖區(qū)，并進(jìn)行C R C校驗(yàn)，給出校驗(yàn)結(jié)果；通道冗余控制實(shí)現(xiàn)線路A和線路B的線路狀態(tài)監(jiān)控，完成雙線路的冗余切換控制；報(bào)文分析單元按照W T B數(shù)據(jù)幀間距的規(guī)定對(duì)傳輸過(guò)程中收發(fā)數(shù)據(jù)幀的時(shí)序及狀態(tài)進(jìn)行控制。發(fā)送緩沖區(qū)和接收緩沖區(qū)實(shí)現(xiàn)W T B C和上層CP U之間的數(shù)據(jù)交換，其中C P U將要發(fā)送的數(shù)據(jù)寫(xiě)入發(fā)送緩沖區(qū)，由W T B C發(fā)送到總線上，同時(shí)W T B C將從總線上解碼出的數(shù)據(jù)存入接收緩沖區(qū)，供上層C P U讀取使用。C P U接口邏輯實(shí)現(xiàn)C P U對(duì)W T B C的接口訪問(wèn)邏輯，包括總線讀寫(xiě)控制和中斷控制。

圖3　W TBC的內(nèi)部功能圖

2　網(wǎng)關(guān)的軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

由于UIC網(wǎng)關(guān)的功能復(fù)雜，導(dǎo)致其軟件系統(tǒng)內(nèi)功能模塊眾多，功能模塊之間的關(guān)聯(lián)也十分復(fù)雜。按照軟件模塊化的設(shè)計(jì)思想，對(duì)UIC網(wǎng)關(guān)的功能模塊進(jìn)行了劃分，其主要的功能模塊及關(guān)系如圖4所示。

圖4　UIC網(wǎng)關(guān)軟件功能結(jié)構(gòu)圖

網(wǎng)關(guān)的整個(gè)軟件系統(tǒng)按照層次可以分為3大部分：底層驅(qū)動(dòng)及服務(wù)軟件、T C N協(xié)議棧軟件和UIC協(xié)議棧軟件。軟件最底層的是底層驅(qū)動(dòng)及服務(wù)軟件，主要包括基于Q N X的底層板級(jí)支持包BSP、網(wǎng)關(guān)調(diào)試和服務(wù)接口以及網(wǎng)關(guān)控制接口等底層驅(qū)動(dòng)模塊和服務(wù)接口模塊。在Q N X實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的調(diào)度下，UIC網(wǎng)關(guān)運(yùn)行T C N協(xié)議棧和UIC協(xié)議棧應(yīng)用軟件，T C N協(xié)議棧軟件位于UIC協(xié)議棧軟件之下，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)T C N層面的M V B和W T B網(wǎng)絡(luò)通訊。T C N協(xié)議棧軟件由W T B鏈路層接口模塊、M V B鏈路層接口模塊、R T P實(shí)時(shí)協(xié)議（含消息路由）、T C N網(wǎng)絡(luò)管理T N M組成，UIC協(xié)議棧軟件由節(jié)點(diǎn)工作狀態(tài)監(jiān)視模塊、節(jié)點(diǎn)命名及解析模塊、UIC映射服務(wù)模塊、P D M過(guò)程數(shù)據(jù)編排模塊和列車(chē)配置管理模塊等組成。

2.1M V B和W T B鏈路層接口模塊

M V B鏈路層接口模塊為上層模塊提供M V B過(guò)程數(shù)據(jù)、消息數(shù)據(jù)和監(jiān)視數(shù)據(jù)通訊的服務(wù)接口，其中過(guò)程數(shù)據(jù)鏈路層接口可以實(shí)現(xiàn)過(guò)程數(shù)據(jù)端口的配置和端口數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)操作，消息數(shù)據(jù)的鏈路層接口可以在鏈路層通過(guò)源設(shè)備地址和目的設(shè)備地址實(shí)現(xiàn)消息數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送，監(jiān)視數(shù)據(jù)的鏈路層接口可以實(shí)現(xiàn)M V B設(shè)備狀態(tài)查詢(xún)和事件仲裁和總線主權(quán)轉(zhuǎn)移等功能。通過(guò)這些上層服務(wù)接口，T C N協(xié)議棧和UIC協(xié)議棧模塊以及其他服務(wù)模塊可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口函數(shù)對(duì)其進(jìn)行調(diào)用。

W T B鏈路層接口模塊為上層模塊提供W T B過(guò)程數(shù)據(jù)、消息數(shù)據(jù)和監(jiān)視數(shù)據(jù)通訊的服務(wù)接口，上層可通過(guò)LPI過(guò)程數(shù)據(jù)接口、L M I消息數(shù)據(jù)接口和LSI監(jiān)視數(shù)據(jù)接口進(jìn)行訪問(wèn)。其中L PI過(guò)程數(shù)據(jù)接口可以實(shí)現(xiàn)發(fā)送本節(jié)點(diǎn)的W T B過(guò)程數(shù)據(jù)幀，接收其他節(jié)點(diǎn)的W T B過(guò)程數(shù)據(jù)幀；L M I消息數(shù)據(jù)接口可以按W T B協(xié)議要求為上層提供消息數(shù)據(jù)服務(wù)，即發(fā)送本節(jié)點(diǎn)送出的消息數(shù)據(jù)，接收來(lái)自其他節(jié)點(diǎn)的消息數(shù)據(jù)。LSI監(jiān)視數(shù)據(jù)接口主要為W T B的初運(yùn)行功能提供服務(wù)接口，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)請(qǐng)求/響應(yīng)、存在請(qǐng)求/響應(yīng)、狀態(tài)請(qǐng)求/響應(yīng)、命名請(qǐng)求/響應(yīng)、中間節(jié)點(diǎn)設(shè)定請(qǐng)求/響應(yīng)、末端節(jié)點(diǎn)設(shè)定請(qǐng)求/響應(yīng)等8種報(bào)文服務(wù)，供上層利用這些監(jiān)視數(shù)據(jù)報(bào)文實(shí)現(xiàn)W T B節(jié)點(diǎn)的初運(yùn)行過(guò)程，完成網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)配置。

2.2R T P實(shí)時(shí)協(xié)議棧和消息路由

R T P實(shí)時(shí)協(xié)議棧和消息路由是T C N協(xié)議棧的核心組成部分，按照T C N標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定完成網(wǎng)絡(luò)O SI分層中從網(wǎng)絡(luò)層到應(yīng)用層的各層應(yīng)用及接口。它主要提供兩種服務(wù)：變量服務(wù)和消息服務(wù)。

變量服務(wù)主要針對(duì)確定傳輸時(shí)延的過(guò)程數(shù)據(jù)通信，在R T P中比較簡(jiǎn)單，主要實(shí)現(xiàn)與下層鏈路層的L PI接口和上層應(yīng)用層的變量應(yīng)用A VI接口。

消息服務(wù)負(fù)責(zé)完成消息數(shù)據(jù)的通信，包括從W T B到M V B或從M V B到W T B的消息路由服務(wù)。對(duì)于消息服務(wù)，R T P協(xié)議通過(guò)下層的鏈路層接口L M I和上層應(yīng)用層接口A M I實(shí)現(xiàn)與外部的接口，內(nèi)部主要的功能實(shí)現(xiàn)是網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、會(huì)話層，而表示層功能比較簡(jiǎn)單。網(wǎng)絡(luò)層主要通過(guò)站目錄、功能目錄、組地址目錄和節(jié)點(diǎn)目錄等網(wǎng)絡(luò)地址信息完成數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)遞，具體為對(duì)流入包，根據(jù)數(shù)據(jù)包中網(wǎng)絡(luò)層指定的目的地址傳送到本站的傳輸層；對(duì)流出包，根據(jù)上層傳輸層指定的目的地址，生成鏈路層包頭，傳送給相應(yīng)的鏈路層；對(duì)于路由包，則根據(jù)數(shù)據(jù)中的目的地址，從一個(gè)鏈路層轉(zhuǎn)發(fā)到另一個(gè)鏈路層。傳輸層負(fù)責(zé)完成從生產(chǎn)者到消費(fèi)者之間的一個(gè)完整的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)消息傳輸過(guò)程，完成大數(shù)據(jù)包的分解與組合、數(shù)據(jù)包流控、數(shù)據(jù)包丟失重傳等傳輸控制功能，通過(guò)采用滑動(dòng)窗口的流程控制算法和連接請(qǐng)求包、連接確認(rèn)包、數(shù)據(jù)包等7種傳輸協(xié)議包確保消息數(shù)據(jù)能以正確的次序可靠地傳輸給消費(fèi)者。會(huì)話層主要是為上層應(yīng)用提供一對(duì)消息服務(wù)：1個(gè)C A L L消息和1個(gè)R E P L Y消息，把應(yīng)用層發(fā)送方的消息封裝為會(huì)話層的C A L L消息，把應(yīng)答方的回復(fù)消息封裝為R E PL Y消息，并通過(guò)調(diào)用傳輸層的接口實(shí)現(xiàn)這些消息服務(wù)。

2.3UIC映射服務(wù)器模塊的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

UIC映射服務(wù)器（UICM apping Server，簡(jiǎn)稱(chēng)U M S）負(fù)責(zé)執(zhí)行UIC初運(yùn)行，基于UIC初運(yùn)行結(jié)果生成N A DI（節(jié)點(diǎn)地址和屬性索引）數(shù)據(jù)庫(kù)，控制W T B的網(wǎng)絡(luò)通信，同時(shí)還提供網(wǎng)關(guān)服務(wù)功能，即允許本地或遠(yuǎn)程用戶控制通信、獲取狀態(tài)信息、拓?fù)湫畔⒁约疤峁┢渌喾N服務(wù)。UIC映射服務(wù)器的目的是從上層用戶應(yīng)用的角度對(duì)T C N協(xié)議棧進(jìn)行擴(kuò)充和完善，實(shí)現(xiàn)能滿足在UIC 556中規(guī)定的UIC車(chē)輛尋址和組功能尋址方案，以滿足UIC規(guī)定的互聯(lián)互通應(yīng)用需求。UIC映射服務(wù)器包含以下模塊：

（1）UIC代理者

UIC代理者（UIC A gent，U A G T）主要負(fù)責(zé)對(duì)外部消息報(bào)文的處理，將所收到的消息報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)到U M S內(nèi)部的其他部分處理。當(dāng)下層協(xié)議棧發(fā)送請(qǐng)求服務(wù)報(bào)文到U M S時(shí)，U A G T開(kāi)始識(shí)別包含在消息里的命令，調(diào)用U M S內(nèi)部其他功能模塊來(lái)執(zhí)行來(lái)自外部的命令，并把處理結(jié)果生成應(yīng)答消息返回給外部。UIC代理者作為通用的U M S應(yīng)答者為所有交換的UIC報(bào)文服務(wù)，這些報(bào)文都是發(fā)往或是來(lái)自UIC網(wǎng)關(guān)映射服務(wù)器函數(shù)，以便處理任何UIC映射服務(wù)器對(duì)象。UIC代理者通過(guò)調(diào)用T C N協(xié)議棧的R T P消息報(bào)文服務(wù)接口來(lái)實(shí)現(xiàn)報(bào)文消息交換。UIC代理者可以看成是一個(gè)報(bào)文調(diào)度員，它類(lèi)似于網(wǎng)絡(luò)管理代理者對(duì)于輸入的Call＿M(jìn) essages報(bào)文進(jìn)行解碼，訪問(wèn)相關(guān)的對(duì)象實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的服務(wù)，并使用Reply＿M(jìn) essages將服務(wù)結(jié)果返回給服務(wù)請(qǐng)求者。

（2）N A DI和群組服務(wù)器功能模塊

N A DI（N ode A ddress&Attribute Directory）和群組服務(wù)器（N A DI and Group Server，U N G S）作為U M S的一個(gè)內(nèi)部數(shù)據(jù)庫(kù)，存放著關(guān)于列車(chē)的所有信息，如地址、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、組成情況以及單個(gè)車(chē)輛的屬性信息等，并且還提供對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的一些操作方法和接口。初運(yùn)行結(jié)束后所生成的數(shù)據(jù)都由U N G S寫(xiě)入N A DI中，當(dāng)用戶想對(duì)N A DI查詢(xún)的時(shí)候，可由U N G S提供的函數(shù)接口進(jìn)行調(diào)用查詢(xún)。U N G S還包含一個(gè)組服務(wù)器，存放著列車(chē)的組信息。某些功能相同的車(chē)輛可編成一個(gè)組，用戶在操作可直接對(duì)組操作，而無(wú)需重復(fù)對(duì)單個(gè)車(chē)輛進(jìn)行操作，極大提高效率。

N A DI是所有列車(chē)描述數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫(kù)，因而它包含列車(chē)拓?fù)湫畔?，列?chē)中單個(gè)車(chē)輛信息和車(chē)輛的組成員信息。N A DI可以由UIC的N A DI與組服務(wù)器提供的函數(shù)訪問(wèn)，因而N A DI是完全用面向?qū)ο蟮姆椒ǚ庋b，且數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)自身對(duì)用戶是隱蔽的。每發(fā)生一次新的初運(yùn)行，U T B C產(chǎn)生一個(gè)N A DI的新版本，該版本可以由上層應(yīng)用確認(rèn)，也可以不由上層確認(rèn)，此新版本存儲(chǔ)在N A DI數(shù)據(jù)庫(kù)中，可以采用一致且無(wú)阻塞的方式并行地讀取和改寫(xiě)數(shù)據(jù)庫(kù)。

（3）W T B列車(chē)總線管理者功能模塊

W T B列車(chē)總線管理者（UICW T BM anager，U W T M）負(fù)責(zé)W T B鏈路層的配置、啟動(dòng)和控制。U W T M模塊所提供的服務(wù)主要與W T B鏈路層控制相關(guān)，因此，需要通過(guò)鏈路層監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)接口B M I跟蹤W T B的狀態(tài)。同時(shí)，為了正確地啟動(dòng)W T B，U W T M需要從節(jié)點(diǎn)工作狀態(tài)監(jiān)視模塊取得配置數(shù)據(jù)，并完全自主地完成W T B的控制。U A G T利用U W T M提供的調(diào)用接口，完成如改變W T B主模式、初運(yùn)行控制、頭車(chē)請(qǐng)求、讀取U W T M狀態(tài)等用戶發(fā)起的E報(bào)文服務(wù)，同時(shí)為方便控制，U W T M還提供過(guò)程數(shù)據(jù)變量接口，使用戶可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和讀取狀態(tài)等功能。

（4）UIC列車(chē)總線配置器功能模塊

UIC列車(chē)總線配置器（UIC Train Bus Configurator，U T B C）U T B C主要負(fù)責(zé)UIC列車(chē)初運(yùn)行，發(fā)送和收集車(chē)輛描述符，向節(jié)點(diǎn)和車(chē)輛分配正確的UIC地址。主要提供以下兩個(gè)功能：

①T C N初運(yùn)行結(jié)束之后，U T B C計(jì)算新的N A DI且直接存儲(chǔ)到N A DI數(shù)據(jù)庫(kù)中，此算法在一個(gè)函數(shù)中實(shí)現(xiàn)，每次分配一個(gè)新的拓?fù)鋾r(shí)，U W T M就調(diào)用此函數(shù)以計(jì)算新的N A DI；

②UIC代理者將接收到的列車(chē)配置校正信息傳送給U T B C，U T B C利用這些信息對(duì)N A DI數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行修正更新。如司乘人員通過(guò)顯示屏輸入校正信息后，UIC代理者調(diào)用U T B C提供的接口函數(shù)將這些信息傳送給U T B C供其使用。

初運(yùn)行數(shù)據(jù)處理和校正信息處理是兩個(gè)完全不同的任務(wù)，具有不同的函數(shù)，且處理不同數(shù)據(jù)，因此不需要特殊的同步。

（5）UIC智能多播服務(wù)器功能模塊

UIC智能多播服務(wù)器（UIC Intelligent M ulticast Server，UI M CS）可以使一個(gè)消息同時(shí)發(fā)送到多個(gè)節(jié)點(diǎn)和車(chē)輛群組中，完成類(lèi)似廣播的功能。T C N網(wǎng)關(guān)一般采用單播機(jī)制發(fā)送消息報(bào)文，而UIC網(wǎng)關(guān)中消息的收發(fā)服務(wù)非常頻繁，單播機(jī)制則會(huì)嚴(yán)重影響消息服務(wù)的效率，為此，UI M CS模塊通過(guò)采取一定技術(shù)手段和機(jī)制，在不修改T C N網(wǎng)關(guān)底層的情況下，通過(guò)智能多播服務(wù)將單播機(jī)制轉(zhuǎn)換成多播機(jī)制，可以很大地提升UIC網(wǎng)關(guān)的消息服務(wù)效率。UI M CS采用T C N單播協(xié)議可以將報(bào)文以多播方式發(fā)送給連接到W T B總線的所有網(wǎng)關(guān)。

2.4過(guò)程數(shù)據(jù)編排P D M模塊的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

過(guò)程數(shù)據(jù)編排功能（Process DataM arshalling，P D M）是UIC網(wǎng)關(guān)協(xié)議中的一個(gè)重要組成部分，它負(fù)責(zé)W T B和M V B兩個(gè)總線間的過(guò)程數(shù)據(jù)傳輸，即負(fù)責(zé)整個(gè)列車(chē)通信網(wǎng)絡(luò)中代表著列車(chē)運(yùn)行時(shí)狀態(tài)信息、控制信息以及診斷信息的傳輸。過(guò)程數(shù)據(jù)編排將一個(gè)通信存儲(chǔ)器的過(guò)程變量編排復(fù)制到另一個(gè)通信存儲(chǔ)器，P D M規(guī)定了兩種編排方式：輸出編排和輸入編排。輸出編排是將M V B總線通信存儲(chǔ)器的變量復(fù)制到W T B通信存儲(chǔ)器的源端口；輸入編排將W T B通信存儲(chǔ)器的變量復(fù)制到靜態(tài)配置的M V B總線的通信存儲(chǔ)器，形成M V B的源端口。編排時(shí)，既可以將一個(gè)變量直接從一個(gè)通信存儲(chǔ)器拷貝到另一個(gè)通信存儲(chǔ)器，也可以將1個(gè)多變量進(jìn)行某種函數(shù)映射后將結(jié)果拷貝到另一個(gè)通信存儲(chǔ)器。同時(shí)，根據(jù)當(dāng)前網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)，P D M可以提供多種編排模式，如主控車(chē)編排模式、從控車(chē)編排模式以及車(chē)輛編排模式等。對(duì)于P D M提供控制接口函數(shù)pd m＿control供UIC映射服務(wù)器U M S調(diào)用，UIC的U W T M可以通過(guò)調(diào)用該接口啟動(dòng)和停止P D M以及選擇編排的模式。

按照P D M的功能需求，P D M模塊可以分為以下子模塊：鏈路層過(guò)程數(shù)據(jù)接口模塊、應(yīng)用層過(guò)程變量接口模塊、P D M主程序和配置數(shù)據(jù)庫(kù)模塊。其中鏈路層過(guò)程數(shù)據(jù)接口模塊是由IE C 61375-1標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的總線提供給上層協(xié)議的過(guò)程數(shù)據(jù)服務(wù)。它主要提供端口初始化、包含和移去端口的全部數(shù)據(jù)集以及與傳送整個(gè)數(shù)據(jù)集相關(guān)的在鏈路層上的同步原語(yǔ)。應(yīng)用層過(guò)程變量接口模塊定義提供給應(yīng)用層用戶的變量傳送服務(wù)，該部分只訪問(wèn)通信存儲(chǔ)器的端口而不參與總線通信，同時(shí)提供對(duì)單個(gè)變量的服務(wù)，而且可以保證發(fā)布者將變量寫(xiě)入端口，將在限定的時(shí)間內(nèi)使相同的變量寫(xiě)入預(yù)訂者相應(yīng)的端口；P D M主程序是過(guò)程數(shù)據(jù)編組模塊的核心部分，它做為一個(gè)運(yùn)行在嵌入式智能設(shè)備UIC網(wǎng)關(guān)上的一個(gè)任務(wù)式應(yīng)用程序，負(fù)責(zé)著對(duì)從W T B總線上到來(lái)的數(shù)據(jù)以及從M V B總線上到來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行過(guò)濾、處理、拷貝等一系列工作，它將由定時(shí)觸發(fā)或者是事件消息觸發(fā)；配置數(shù)據(jù)庫(kù)模塊描述了過(guò)程變量的來(lái)源和去向以及網(wǎng)關(guān)的端口，即整個(gè)過(guò)程數(shù)據(jù)編排的映射關(guān)系，P D M主程序利用該配置數(shù)據(jù)庫(kù)完成過(guò)程數(shù)據(jù)的編排，該配置數(shù)據(jù)庫(kù)的內(nèi)容主要包含以下幾個(gè)部分：網(wǎng)關(guān)中M V B源端口配置、網(wǎng)關(guān)中M V B宿端口配置、網(wǎng)關(guān)中W T B源端口配置、網(wǎng)關(guān)中W T B宿端口配置、L V R變量端口配置、LIO變量端口配置、ExportList配置、Im portList配置、映射路徑配置、數(shù)據(jù)處理功能配置、變量缺省值配置以及變量極限值配置。

2.5節(jié)點(diǎn)工作狀態(tài)監(jiān)視模塊

節(jié)點(diǎn)工作狀態(tài)監(jiān)視模塊負(fù)責(zé)處理UIC映射服務(wù)器所需的所有配置數(shù)據(jù)，完成網(wǎng)關(guān)的初始化、參數(shù)配置、狀態(tài)監(jiān)視以及控制工作，包括通過(guò)訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)配置數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行初始化配置，配置信息包括消息路由配置、P D M編排配置、U M S配置、W T B端口配置、M V B設(shè)備地址列表、M V B端口配置等，這些信息相應(yīng)地保存在網(wǎng)關(guān)的N SDB數(shù)據(jù)庫(kù)。

3　UIC網(wǎng)關(guān)的功能測(cè)試與驗(yàn)證

圖5　自主研制的UIC通信網(wǎng)關(guān)板卡

我們自主研制的UIC通信網(wǎng)關(guān)如圖5所示，圖6為研制的UIC網(wǎng)關(guān)集成在標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車(chē)組的中央控制單元機(jī)箱中（最左側(cè)板卡）。研制的網(wǎng)關(guān)集成在中央控制單元的機(jī)箱中，進(jìn)行了一系列的功能測(cè)試，并通過(guò)了高低溫、振動(dòng)、電磁兼容等相關(guān)的型式試驗(yàn)，已經(jīng)具備了裝車(chē)應(yīng)用的條件。

圖6　集成有UIC網(wǎng)關(guān)的中央控制單元

為了驗(yàn)證研制UIC網(wǎng)關(guān)的功能，我們按照T C N和UIC的一致性測(cè)試要求，搭建了測(cè)試平臺(tái)對(duì)自主研制的網(wǎng)關(guān)分別進(jìn)行了網(wǎng)關(guān)的T C N功能一致性測(cè)試和UIC功能的一致性測(cè)試。

3.1網(wǎng)關(guān)的T C N功能一致性測(cè)試

T C N網(wǎng)關(guān)的一致性測(cè)試主要包括靜態(tài)特性、物理層測(cè)試和數(shù)據(jù)鏈路層行為的一致性測(cè)試，主要依據(jù)IE C 61375-2標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的測(cè)試方法和評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。

靜態(tài)特性一致性測(cè)試主要是檢查協(xié)議實(shí)現(xiàn)一致性聲明表即PICS表，對(duì)聲明的值進(jìn)行一致性檢查，檢查網(wǎng)關(guān)的能力是否與標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的靜態(tài)一致性要求一致。研制網(wǎng)關(guān)的接口和性能指標(biāo)嚴(yán)格遵循了標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，符合靜態(tài)一致性的各項(xiàng)要求。

物理層的一致性測(cè)試是為了驗(yàn)證T C N網(wǎng)關(guān)的物理層是否滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的性能指標(biāo)，檢驗(yàn)網(wǎng)關(guān)的基本通信能力。主要的測(cè)試項(xiàng)目有：特性阻抗、設(shè)備插入損耗、總線開(kāi)關(guān)的接觸電阻、發(fā)送器的性能、接收器的性能等測(cè)試項(xiàng)目，其中重點(diǎn)是設(shè)備插入損耗和發(fā)送器及接收器的性能測(cè)試。研制的網(wǎng)關(guān)嚴(yán)格按照測(cè)試方法和評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，在搭建的一致性測(cè)試平臺(tái)上逐項(xiàng)進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果全部符合標(biāo)準(zhǔn)的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，成功通過(guò)了所有項(xiàng)目的測(cè)試。圖7是發(fā)送器在輕載情況下的測(cè)試波形，圖8是發(fā)送器在重載情況下的測(cè)試波形。

數(shù)據(jù)鏈路層行為一致性測(cè)試的目的是為了檢驗(yàn)T C N網(wǎng)關(guān)能否正確地進(jìn)行T C N初運(yùn)行和W T B通訊，并檢驗(yàn)T C N網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議接口是否符合IE C 61375-1標(biāo)準(zhǔn)以及網(wǎng)關(guān)基本的互聯(lián)、互通性能。主要的測(cè)試項(xiàng)目有：改變節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度、改變節(jié)點(diǎn)描述符、改變初運(yùn)行數(shù)據(jù)、初運(yùn)行禁止、休眠控制、快速插入、慢速插入、兩個(gè)編組重聯(lián)、主設(shè)備故障、線路冗余、過(guò)程數(shù)據(jù)通信、特征周期測(cè)量、初運(yùn)行時(shí)間測(cè)量、基本周期測(cè)量等測(cè)試項(xiàng)目。為了完成這些測(cè)試，利用研制的網(wǎng)關(guān)和采購(gòu)國(guó)外成熟的網(wǎng)關(guān)集成搭建了如圖9所示的測(cè)試平臺(tái)，并采用第3方的W T B網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分析儀記錄測(cè)試過(guò)程中的數(shù)據(jù)幀，通過(guò)分析數(shù)據(jù)幀和檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)中各網(wǎng)關(guān)的狀態(tài)來(lái)檢驗(yàn)測(cè)試結(jié)果。利用該測(cè)試平臺(tái)逐項(xiàng)完成了所有數(shù)據(jù)鏈路層行為的一致性測(cè)試，測(cè)試結(jié)果均滿足測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的要求。

圖7　輕載情況下方向1線路A的發(fā)送器信號(hào)

圖8　重載情況下方向1線路A的發(fā)送器信號(hào)

圖9　網(wǎng)關(guān)鏈路層行為的一致性測(cè)試平臺(tái)

3.2網(wǎng)關(guān)的UIC功能一致性測(cè)試

網(wǎng)關(guān)的UIC功能一致性測(cè)試主要依據(jù)UIC 556-2009標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的一致性測(cè)試方法和評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，測(cè)試內(nèi)容包括確認(rèn)配置下測(cè)試、非確認(rèn)配置下測(cè)試、UIC冗余測(cè)試、性能測(cè)試、主控車(chē)功能測(cè)試、禁止初運(yùn)行功能測(cè)試、組功能測(cè)試、E報(bào)文故障處理測(cè)試以及休眠功能測(cè)試等9大項(xiàng)內(nèi)容，根據(jù)測(cè)試項(xiàng)目不同，需要搭建3種列車(chē)配置結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)試。為了完成這些測(cè)試，按測(cè)試要求分別搭建了3種不同列車(chē)配置的測(cè)試平臺(tái)，利用W T B網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分析儀進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄和功能驗(yàn)證，逐項(xiàng)完成了所有項(xiàng)目的UIC一致性測(cè)試，測(cè)試結(jié)果均滿足測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的要求。

此外，為了進(jìn)一步驗(yàn)證網(wǎng)關(guān)的互聯(lián)、互通性能，還與國(guó)外成熟網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品如西門(mén)子公司的網(wǎng)關(guān)、E K E公司的網(wǎng)關(guān)進(jìn)行了互聯(lián)互通測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明，研制的網(wǎng)關(guān)能與這些國(guó)外成熟產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，能成功完成T C N與UIC初運(yùn)行，并實(shí)現(xiàn)R報(bào)文和E報(bào)文的正常通信。

4　結(jié)束語(yǔ)

T C N網(wǎng)關(guān)是列車(chē)控制網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品中功能最為復(fù)雜的關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，而在此之上擴(kuò)充了互通、互聯(lián)和互操作功能的UIC網(wǎng)關(guān)則更為復(fù)雜和關(guān)鍵，其在列車(chē)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中的重要性和研究?jī)r(jià)值更是不言而喻的，因此開(kāi)發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的UIC網(wǎng)關(guān)對(duì)于打破國(guó)外的技術(shù)壟斷，真正掌握列車(chē)互聯(lián)互通和互操作的核心技術(shù)都具有重要的意義。本文基于嵌入式設(shè)計(jì)技術(shù)和E D A可編程技術(shù)，采用A R M系統(tǒng)和FP G A設(shè)計(jì)技術(shù)獨(dú)立自主設(shè)計(jì)完成了列車(chē)通信網(wǎng)關(guān)的硬件系統(tǒng)，并基于實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)Q N X開(kāi)發(fā)了通信網(wǎng)關(guān)的軟件系統(tǒng)，重點(diǎn)研究并實(shí)現(xiàn)了W T B通信控制器設(shè)計(jì)、T C N與UIC初運(yùn)行、T C N實(shí)時(shí)協(xié)議棧與消息路由、UIC映射服務(wù)器、過(guò)程數(shù)據(jù)編排等功能。開(kāi)發(fā)的UIC網(wǎng)關(guān)通過(guò)了T C N和UIC的一致性測(cè)試以及相關(guān)的型式試驗(yàn)，具備了裝車(chē)考核的條件，下一步將在動(dòng)車(chē)組上安裝考核。

［1］ nternational Standard.IE C61375-1，Part 1：Train Co mm unicationNetwork［S］.Geneva：2ndEdition，04，2007.

［2］ UIC 556 Leaflet：Information Transmission in the train，3rd edition［S］.International U nion Of Railways，5th E-dition，08，2009.

［3］ 李 莎，申 萍，王立德.W T B初運(yùn)行的研究［J］.機(jī)車(chē)電傳動(dòng)，2009，（4）：32-35.

［4］ 蔣國(guó)濤.基于FP G A的W T B總線控制器設(shè)計(jì)［J］.鐵道機(jī)車(chē)車(chē)輛，2011，31（2）：88-91.

［5］ 欒 帥.基于FP G A列車(chē)通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的研究［D］.北京交通大學(xué)，2011.

［6］ 張 闖，陳為雄，黃根生.W T B協(xié)議棧的軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)［J］.鐵道機(jī)車(chē)車(chē)輛，2009，29（5）：18-21.

［7］ 鄔 健.UIC 556網(wǎng)關(guān)的映射服務(wù)器子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.大連理工大學(xué)，2007.

［8］ 管 婷，王玉松，宋紅霞.T C N網(wǎng)關(guān)消息路由的研究與設(shè)計(jì)［J］.鐵道機(jī)車(chē)車(chē)輛，2011，31（1）：37-40.

［9］ 李常賢，謝步明.T C N通信技術(shù)的自主研發(fā)［J］.機(jī)車(chē)電傳動(dòng)，2006，（2）：10-13.

Develop ment of an UIC Gateway for Train Com m unication

Z H U Guangchao，Z H A O H ong ωei，LI Yangtao
（Loco m otive&Car Research Institute，China Academ y of Railway Sciences，Beijing 100081，China）

The UIC gateway w hich is co m pliant to UIC 556 Leaflet standard is a core device to realize the interconnection，interco m m unication and interoperability between trains.The im portant function of UIC gateway is analyzed at first，and the structure and scheme of the hard ware and software is proposed.The Im plementation of so me key technology involved in the gateway such as W T B Controller design，T C N and UIC Inauguration，Real Time Protocols stacks and M essage Router，UIC M apping Server，Process Data M arshalling etc.，is also introduced.The design scheme and functions of UIC gateway developed by ourselves is validated by the T C N&UIC conformance testing.

T C N gateway；UIC gateway；interconnection interco m m unication and interoperability

T P393.04

A

10.3969/j.issn.1008-7842.2015.05.04

1008-7842（2015）05-0015-07

*中國(guó)鐵道科學(xué)研究院科學(xué)基金（2013 YJ011）

朱廣超（1971—）男，副研究員（2015-03-31）