Использование радиомодемов УКВ-диапазона на железнодорожном транспорте

Общие сведения

В настоящее время выделенные непосредственно для нужд ОАО «РЖД» частотные ресурсы, предназначенные для построения систем управления движением и обеспечения безопасности, распределяются примерно следующим образом:

• 2 МГц — резервирующий радиоканал систем управления соединенных и тяжеловесных поездов;
• 160 МГц — радиоканалы систем управления соединенных и тяжеловесных поездов, станционных систем передачи данных на малодеятельных участках, резервирующий канал при использовании в системах управления радиосетей общего пользования;
• 460 МГц — системы управления маневровыми локомотивами на станциях;
• 900/1800 МГц — поездная радиосвязь и интервальное регулирование движения поездов на скоростных и высокоскоростных участках;
• 1800, 2400 МГц — станционные высокоскоростные сети передачи данных для информационно-управляющих систем, организации видеонаблюдения.

Диапазон УКВ (160 и 460 МГц) задействуется в интересах обеспечения повседневного функционирования практически всех железнодорожных служб. Обмен цифровой информацией в этом диапазоне в интересах решения задач сбора данных и дистанционного управления в составе технологических радиосетей или по выделенным каналам связи, обслуживающим функционирование автоматизированных информационно-управляющих систем различного назначения, производится с помощью радиомодемов. В ОАО «РЖД», на промышленном железнодорожном транспорте Российской Федерации и за рубежом за последние несколько десятков лет с задействованием радиомодемов хорошо отработаны следующие функциональные задачи:

• мониторинг состояния тормозной системы железнодорожного состава и контроль отрыва вагона;
• управление объектами электроснабжения железнодорожного транспорта;
• мониторинг окружающей среды и обеспечение безопасности;
• обеспечение функционирования средств ЖАТ;
• дистанционное управление маневровыми работами на станциях;
• интервальное регулирование движения и диспетчерское управление на станциях и перегонах.

Такие широкие области применения радиомодемов на железнодорожном транспорте определены техническими возможностями и особенностями используемой при их создании технологии, к которым относятся:

• надежность среды передачи (линия передачи не подвергается механическим повреждениям и разрушающему влиянию окружающей среды, а ее качество контролируется соответствующими государственными органами);
• существенно бóльшая по сравнению с более высокими частотными диапазонами дальность передачи данных и, соответственно, более простая инфраструктура создаваемой с помощью радиомодемов технологической радиосети при приемлемых скоростях обмена данными;
• возможность формирования радиосети повышенной надежности и живучести;
• обширная оперативная зона с возможностью ее расширения за счет ретрансляции сигнала (отдельные реально развернутые на территории Российской Федерации радиосети сбора данных и управления имеют сплошную зону покрытия вдоль распределенного объекта шириной несколько десятков и общей протяженностью несколько тысяч километров);
• применение детерминированных протоколов обмена данными, поддерживающих работу в близком к реальному масштабе времени и обеспечивающих гарантированную доставку данных в установленные регламентом работы радиосети сроки;
• относительно небольшое время доступа к каналу передачи данных, обеспечивающее незначительные и приемлемые для большинства использующих радиосеть автоматизированных систем управления задержки в доставке данных;
• высокая безопасность данных, циркулирующих в технологической радиосети (применяемые технологии обеспечивают защиту от подавления, перехвата или несанкционированного доступа к работе в составе технологической радиосети);
• относительно низкая стоимость эксплуатации;
• независимость от «чужой» инфраструктуры связи и возможность развивать ее, исходя из реальных требований (радиосеть принадлежит собственно пользователю, параметры ее работы и оперативная зона могут изменяться им самостоятельно);
• совместимость с разнородным оборудованием сбора и обработки данных по широко применяемым и детально отработанным интерфейсам;
• простота перемещения и оперативность развертывания в новом районе;
• возможность надежной эксплуатации в жестких условиях практически во всех климатических зонах, включая Арктическую, что приобретает все большее значение в связи с активизацией в последние годы хозяйственной деятельности в арктических районах.

Радиомодем Ritron DTXM

Радиомодем Ritron DTXM представляет собой портативное «прозрачное» устройство реального времени, использующее внешний протокол обмена данными. Данные передаются в радиоканал в той последовательности, в которой были приняты радиомодемом от контроллера, терминала или компьютера по интерфейсу RS-232 без искажений и дополнительной обработки.

Малые массогабаритные характеристики позволяют использовать радиомодем в «носимых» приложениях, например в составе пульта дистанционного управления маневрированием на железнодорожных станциях или устройствах контроля отрыва вагона, монтируемых во время составления поездов.

Рис. 1. Радиомодем Ritron DTXM

Особенностью данного модема является поддержка голосовой связи, что успешно применяется в пультах дистанционного управления, где передача управляющих команд и голосовых сообщений контролируется одним оператором, что позволяет избежать взаимных помех при попытках одновременной передачи данных и речи. Внешний вид радиомодема показан на рис. 1. Технические характеристики представлены в таблице 1.

Радиомодем Ritron DTXM имеет встроенную функцию автономной программной настройки и диагностики.

Радиомодем Guardian

Радиомодем Guardian представляет собой «прозрачное» устройство реального времени нового поколения класса SDR (Software defined radio), не требующее сложной настройки и использующее внешний протокол обмена данными, которые передаются в радиоканал в той последовательности, в которой были приняты радиомодемом от контроллера, терминала или компьютера по последовательным интерфейсам RS-232/422/485 без искажений и дополнительной обработки.

Радиомодем полностью совместим с широко используемым на объектах ОАО «РЖД», в частности, в составе комплексного локомотивного устройства безопасности (КЛУБ), радиомодемом T-96SR, снятым с производства в 2010 г. Он позволяет строить современные радиосети сбора данных и удаленного управления и поддерживает работу практически всех основных промышленных протоколов, включая ModBus, ModBus-RTU и AB DF1.

Рис. 2. Внешний вид радиомодема Guardian

Встроенная функция удаленной диагностики позволяет в реальном масштабе времени контролировать состояние устройства (наличие питания, температуру, напряжение, мощность сигнала, наличие соединение с антенно-фидерными устройствами). Радиомодем поддерживает работу в режиме DOX (Data-Activated Transmit), не требующем использования сигналов управления потоком RTS/CTS: передача инициализируется поступлением данных на порт радиомодема, а также управление сигналами RTS/CTS, когда скорость передачи данных от терминального устройства превышает скорость обмена данными в радиоканале. Он имеет два последовательных порта: для передачи данных и настройки. Внешний вид радиомодема Guardian показан на рис. 2. Основные технические характеристики представлены в таблице 2.

Радиомодем имеет встроенную функцию программной настройки и диагностики, которая позволяет организовать удаленный мониторинг его технического состояния в оперативном режиме.

Guardian имеет следующие отличия от заменяемых радиомодемов T-96SR:

• более широкий диапазон настройки выходной мощности;
• 100%-ный цикл работы на всех моделях;
• программируемый шаг сетки радиочастот 25 и 12,5 кГц;
• поддержка портов RS-232/422/485;
• диагностика технического состояния в оперативном и автономном режимах;
• более широкий диапазон входящего напряжения питания;
• поддержка работы в режиме RTS/CTS и DOX;
• поддержка работы в симплексном, полудуплексном и дуплексном режимах (дуплексный радиомодем имеет дополнительный антенный порт и предусматривает использование внешнего дуплексера, либо работу на две антенны);
• возможность использования в качестве ретранслятора;
• наличие оборудования на диапазон 215–240 МГц.

Таким образом, Guardian может использоваться в составе ранее развернутых радиосетей совместно с уже эксплуатируемым оборудованием и позволяет расширить технические возможности этих радиосетей без отказа от применения уже работающего оборудования.

Радиотехническая платформа Viper-SC

Радиотехническая платформа включает в себя набор радиомодемов, предназначенных для создания технологических радиосетей обмена данными УКВ-диапазона практически любого масштаба. В состав платформы входят базовая станция/ретранслятор и радиомодем, которые используют IP-протокол и могут настраиваться для работы в качестве маршрутизатора или моста. Базовая станция выпускается в обычном и отказоустойчивом исполнении с дублированием всех компонентов.

Скорость обмена данными в радиосети может настраиваться автоматически в зависимости от условий приема. Для надежной работы используется улучшенная версия протокола многостанционного доступа с технологией исключения столкновений пакетов FAMA (Floor Acquisition Multiple Access ). С целью повышения пропускной способности в устройствах применяется алгоритм уплотнения данных, обеспечивающий эффективное сжатие (максимальная пропорция 1:10). Удобство настройка радиомодема обеспечивается за счет использования встроенного интуитивно понятного веб-интерфейса.

Рис. 3. Внешний вид базовой станции Viper-SC

Радиомодем может быть настроен для работы в качестве моста или маршрутизатора по протоколу Ethernet IEEE 802.3 (поддерживаются IP-протоколы ICMP, IGMP, TCP, UDP, IPSec, SNTP) в качестве DHCP-клиента или сервера. Обеспечивается IP-фрагментация (IP-fragmentation), трансляция сетевых адресов (Network Address Translation, NAT), динамическая маршрутизация RIPv2, использование протокола определения адресов (Address Resolution Protocol, ARP). Внешний вид базовой станции Viper-SC представлен на рис. 3. Основные технические характеристики — в таблице 3.

Базовая станция Viper-SC имеет вариант исполнения с повышенной надежностью и живучестью, в котором все составляющие ее компоненты резервируются. Применяемая схема управления предусматривает автоматический переход на резервные компоненты в случае выхода из строя основных, обеспечивая тем самым непрерывность работы в аварийных ситуациях.

Рис. 4. Внешний вид радиомодема Viper-SC

Внешний вид радиомодема Viper-SC представлен на рис. 4, основные технические характеристики — в таблице 4.

Встроенная функция программной настройки и диагностики позволяет организовать удаленный мониторинг технического состояния радиомодема в оперативном режиме.

Радиомодем Viper-SC имеет встроенную функцию автоматического перехода в работу на одной из 32-х резервных частот в случае потери связи на основной частоте, что позволяет строить радиосети с самонастраивающейся инфраструктурой и радиосети типа MESH. Данная функция получила применение в радиосетях обмена данными между подвижным составом и устройствами ЖАТ. В таких радиосетях при приближении поезда, например к светофору, последний автоматически связывается с поездной системой управления и транслирует на борт информацию о своем состоянии. В результате локомотивная бригада получает информацию заблаговременно и задолго до того, как сможет принять ее визуально.

Выпускается модель радиомодема Viper-SC, использующая принцип разнесенного приема на две антенны. Применение этой модели позволяет существенно повысить надежность работы в подвижных приложениях и дальность уверенного приема сигнала в стационарных радиосетях.

Специализированная радиотехническая платформа ITC 200

В отличие от всех вышеперечисленных устройств, разрабатывавшихся с учетом широкого перечня требований для различных приложений, радиотехническая платформа ITC 200 изначально проектировалась для использования только на ж/д. В настоящее время она является самой современной (разработка завершена в конце 2011 г.) и фактически единственной платформой с такими техническим характеристиками.

Платформа разработана и оптимизирована для железнодорожных приложений, связанных с управлением и обеспечением безопасности движения по программе PTC (Positive Train Control). Она применяется в системах предотвращения столкновений поездов, сходов в результате превышения ограничений скорости движения, контроля правильности положения стрелочного перевода и входа в зону выполнения ремонтных работ.

В состав платформы входят:

• бортовой радиомодем;
• стационарный радиомодем для подключения устройств ЖАТ;
• базовый радиомодем (базовая станция).

В составе оборудования применяется многоканальный приемопередатчик стандарта SDR, обеспечивающий пакетный обмен данными в составе единой радиосети для всех подключенных к ней бортовых и стационарных устройств. Все оборудование предназначено для эксплуатации в условиях, характерных для железнодорожной дороги.

Бортовой радиомодем обеспечивает обмен данными локомотивной бригады и бортовой автоматики с поездным диспетчером и системой управления движением, а также прием данных от устройств железнодорожной автоматики через базовую станцию.

Рис. 5. Внешний вид бортового радиомодема ITC 200

Внешний вид бортового радиомодема ITC 200 представлен на рис. 5. Основные технические характеристики — в таблице 5.

Стационарный радиомодем ITC 220 обеспечивает обмен данными железнодорожной автоматики и системой управления движением, а также передачу данных от устройств железнодорожной автоматики на борт локомотива через базовую станцию.

Рис. 6. Внешний вид стационарного радиомодема ITC 200

Внешний вид стационарного радиомодема ITC 200 представлен на рис. 6, основные технические характеристики — в таблице 6.

Радиомодем базовой станции ITC 220 обеспечивает обмен данными между поездным диспетчером и локомотивной бригадой, а также межу устройствами управления, бортовой и железнодорожной автоматики. Подключается к пункту управления по выделенным каналам проводной или беспроводной связи на скоростях от 56 кбит/с до 1 Мбит/с.

Рис. 7. Внешний вид радиомодема базовой станции ITC 200

Внешний вид радиомодема базовой станции ITC 200 представлен на рис. 7, основные технические характеристики — в таблице 7.

***

Таким образом, в настоящее время для решения широкого круга задач, связанных с управлением движением и инфраструктурой на железных дорогах в Российской Федерации и за рубежом широко применяются технологические радиосети обмена данными, построенные на радиомодемах УКВ-диапазона. Имеющееся на рынке оборудование позволяет создавать современные радиосети различного назначения и масштаба, включая радиосети повышенной надежности и живучести, полностью удовлетворяющие потребностям железных дорог. Рассмотренная в статье технология, отработанная на железных дорогах мира в течение более тридцати лет, не утратила своей актуальности и представляется перспективной при внедрении цифровой связи и автоматизированных информационно-управляющих систем различного назначения.