Радиосети перспективных автоматизированных систем управления поездами

Введение

Последовательное развитие подвижного состава и железнодорожной инфраструктуры в условиях возросшей интенсивности перевозок железнодорожным транспортом обусловило необходимость коренного пересмотра применяемых в настоящее время способов управления движением поездов с учетом обеспечения необходимого уровня безопасности. В связи с этим за рубежом разработаны и приняты целевые программы, предусматривающие внедрение современных методов управления движением, использующих последние достижения в области микропроцессорной техники, средств навигации и радиосвязи.

В США такая программа получила наименование PTC. Она подразумевает реализацию интегрированной автоматизированной системы управления поездом, обеспечивающую автоматическое снижение скорости или его остановку, чтобы, если превышена допустимая скорость движения, исключить столкновение или несанкционированный вход в зону проведения путевых работ и взрезывание стрелки. К концу 2015 года система должна быть развернута на железнодорожных путях общей протяженностью около 96 тыс. км. При этом предполагается оснащение средствами создаваемой системы 22 тыс. локомотивов и 36 тыс. устройств железнодорожной автоматики и телемеханики (ЖАТ). Обеспечивающая функционирование системы радиосеть должна включать 4200 базовых станций (БС) и 55 700 радиомодемов для подвижного состава и ЖАТ [1].

Создание перспективной системы управления движением в Европе ведется в рамках программы CBTC, цель которой — автоматизировать технологические процессы в трех основных областях: безопасность, управление и контроль движения поезда. Система должна выполнять непрерывное автоматизированное управление поездом на основе сбора текущих данных о его местоположении и параметрах движения, а также постоянного информационного обмена между пунктом диспетчерского управления, поездами и ЖАТ. Программа предусматривает организацию движения поездов в автоматическом режиме без участия машиниста в процессе управления поездом на перегонах или на всем участке движения.

В обеих системах планируется использовать автоматизированный обмен данными между пунктом диспетчерского управления, поездами и устройствами ЖАТ по беспроводным каналам связи.

Беспроводная связь для перспективных автоматизированных систем управления движением поездов

Перспективные автоматизированные системы управления движением поездов широко применяют средства радиосвязи для обеспечения обмена данными по следующим направлениям:

• пункт диспетчерского управления — локомотив;
• депо — локомотив;
• локомотив — ЖАТ.

Каждое из этих направлений подразумевает свои условия функционирования канала связи и организации радиосети. При относительно небольших объемах передаваемой информации по каждому из направлений дальность действия и допустимые задержки в доставке данных при общем высоком требовании к надежности работы различны. В связи с этим по заказу Национального совета по безопасности на транспорте США (NTSB — National Transportation Safety Board) была проведена серия исследований с целью определить эффективность различных видов беспроводной связи, позволяющих удовлетворить требования, предъявляемые перспективными АСУ поездами. В ходе исследований рассматривались следующие виды радиосвязи:

• сотовая сеть связи (диапазон 900/1800 МГц);
• радиосеть Wi-Fi (диапазон СВЧ — сверх­высоких частот — 2,4 и 5 ГГц);
• спутниковые каналы связи (диапазон СВЧ 1,6 ГГц);
• технологическая радиосеть УКВ (диапазон УВЧ — ультравысоких частот — 150–220 МГц);
• технологическая радиосеть УКВ (диапазон ОВЧ — очень высоких частот, 380–490 МГц).

Сравнение производилось с учетом следующих основных технических требований:

• надежность связи в движении и во время стоянки;
• надежность доставки данных;
• дальность связи;
• задержка при получении данных;
• скорость обмена данными/пропускная способность.

Результаты исследования представлены в таблице 1 [2].

Таким образом, по заявленным критериям наиболее эффективным средством беспроводной связи для перспективных автоматизированных систем управления поездами следует считать технологическую радиосеть обмена данными, работающую в диапазоне ОВЧ. Решением Государственной комиссии по радиочастотам (ГКРЧ) при Министерстве информационных технологий и связи от 28 апреля 2009 г. № 09-03-01-1 «для применения на территории Российской Федерации гражданами Российской Федерации и российскими юридическими лицами РЭС подвижной и фиксированной служб гражданского назначения без оформления отдельных решений ГКРЧ» разрешено использование полос радиочастот 146–148 МГц, 149,9–162,7625 МГц и 163,2–168,5 МГц.

Специализированная радиотехническая платформа ITC 220i

Рис. 1. Внешний вид бортового радиомодема ITC 220

Радиотехническая платформа ITC 220 [3] создана в рамках программы PTC для использования на железных дорогах США. В настоящее время это самая современная платформа (ее разработка завершена в конце 2011 года) и фактически единственная, имеющая технические характеристики, полностью удовлетворяющие требованиям АСУ поездами. Она оптимизирована для железнодорожных приложений, связанных с управлением и обеспечением безопасности движения. Платформа состоит из:

• бортового радиомодема для подключения локомотивов;
• стационарного радиомодема для подключения устройств ЖАТ;
• базового радиомодема (базовой станции).

В составе оборудования применяется многоканальный приемопередатчик, созданный по технологии SDR (Software-defined radio — программно-определяемое радио1), который обеспечивает пакетный обмен данными в единой радиосети для всех подключенных к ней бортовых и стационарных устройств. Все оборудование предназначено для эксплуатации в условиях, характерных для железной дороги.

Бортовой радиомодем обеспечивает обмен данными локомотивной бригады и бортовой автоматики с пунктом диспетчерского управления и депо, а также прием данных от устройств железнодорожной автоматики и телемеханики напрямую или через БС.

Внешний вид бортового радиомодема ITC 220 представлен на рис. 1. Основные технические характеристики бортового радиомодема ITC 220 приведены в таблице 2.

Стационарный радиомодем ITC 220 обеспечивает обмен данными устройств железнодорожной автоматики и телемеханики с системой управления движением, а также передачу информации от устройств ЖАТ на борт локомотива напрямую или через базовую станцию.

Внешний вид стационарного радиомодема ITC 220 представлен на рис. 2. Основные технические характеристики стационарного радиомодема ITC 220 приведены в таблице 2.

Рис. 2. Внешний вид стационарного радиомодема ITC 220

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

Внешний вид радиомодема базовой станции ITC 220 представлен на рис. 3. Основные технические характеристики радиомодема базовой станции ITC 220 показаны в таблице 2.

Рис. 3. Внешний вид радиомодема базовой станции ITC 220

Обмен данными в радиосети, построенной с использованием радиотехнической платформы ITC 220, производится с помощью специализированного протокола ITCnet (Interoperable Train Control network).

Построение технологической радиосети обмена данными для перспективных автоматизированных систем управления поездами

Технологическая радиосеть обмена данными на базе радиотехнической платформы ITC 220 обеспечивает обмен данными между всеми подключенными к ней пользователями, в том числе:

• локальная вычислительная сеть (ЛВС) пункта диспетчерского управления;
• ЛВС депо;
• терминал локомотивной бригады;
• устройства ЖАТ.

Данные от устройств ЖАТ могут передаваться на борт локомотива как напрямую, так и через базовую станцию, в зависимости от удаления и условий приема сигнала. Радиус действия каждой базовой станции составляет 30–45 км (антенны базовых станций подвешиваются на высоте 32 м), номинальная дальность прямой связи между локомотивом и устройством ЖАТ — 5 км.

Упрощенная схема радиосети представлена на рис. 4.

Рис. 4. Упрощенная схема технологической радиосети обмена данными для перспективной автоматизированной системы управления поездами на базе радиотехнической платформы ITC 220

Схема поддерживает необходимый уровень надежности за счет полного взаимного перекрытия зон электромагнитной доступности соседних базовых станций, применения многоканальных базовых станций с резервированием комплектов радиотехнического оборудования, реализации функции автоматического выбора рабочей частоты с удовлетворительными параметрами сигнала и автоматического распределения нагрузки между соседними базовыми станциями. Радиотехническая аппаратура использует помехоустойчивое кодирование и специализированный протокол обмена данными, обеспечивающий гарантированную доставку сообщений с заданной задержкой.

В настоящее время автоматизированная система управления поездами на базе радиотехнической платформы ITC 220 частично введена в промышленную эксплуатацию на участке трансконтинентальной железной дороги «БНСФ Рэйлвей» (США) [4]. «БНСФ Рэйлвей» (англ. BNSF Railway) — вторая по величине после «Юнион Пасифик» трансконтинентальная железная дорога Северной Америки. Образована в декабре 1996 года под названием «Берлингтон Нозерн и Санта-Фе» в результате слияния железных дорог «Берлингтон Нозерн» и «Атчисон, Топика и Санта-Фе». В 2005 году переименована в «БНСФ Рэйлвей», по первым буквам прежнего названия. БНСФ имеет железнодорожную сеть общей протяженностью 52,3 тыс. км, проходящую по территории 28 штатов центра и Западного побережья США и частично заходящую в Канаду. В настоящее время компания располагает парком в 7000 локомотивов.

Некоторые результаты разработок перспективной автоматизированной системы управления поездами метро в Российской Федерации

Разработка перспективных автоматизированных систем управления поездами ведется и отечественными предприятиями. В частности, специалистами ОАО «НИИ Приборостроения им В. В. Тихомирова» (г. Жуковский) в составе действующей кооперации на базе системы управления, технической диагностики и безопасности движения поездов метро «Витязь» осуществляется разработка перспективной автоматизированной системы управления поездами метро. Создаваемая АСУ должна обеспечивать решение следующих функциональных задач:

• управление движением поезда в автоматическом режиме с выполнением графика движения — роль машиниста в этом режиме либо полностью отсутствует, либо ограничивается управлением дверями и отправлением поезда от станции;
• обеспечение безопасности движения поездов путем постоянного контроля скорости поезда и ее автоматического снижения при превышении допустимого предела;
• непрерывное определение местоположения поезда на линии и в депо;
• сбор данных о функционировании инфраструктуры, подвижного состава и работе персонала, включая сведения о текущем состоянии, режимах функционирования и параметрах движения, отклонениях в графиках и сбоях в работе, и их передача по каналам связи в пункт диспетчерского управления;
• оперативный анализ полученных данных в пункте диспетчерского управления и подготовка вариантов решений и рекомендаций по управлению движением поездов в повсе­дневной обстановке и аварийных ситуациях;
• передача управляющих сигналов из пункта диспетчерского управления в адрес поездных и стационарных систем управления по каналам связи и контроль их исполнения;
• оповещение пассажиров, а также трансляция по радиосети сигналов тревоги в аварийных ситуациях;
• накопление полученных данных для проведения статистического анализа и подготовки рекомендаций по оптимизации организации движения и графиков движения с учетом реальных параметров инфраструктуры, подвижного состава и пассажиропотоков.

В отличие от аналогичных зарубежных систем, ориентированных на использование одного вида связи, в составе рассматриваемой АСУ предполагается развернуть комплексную интегрированную систему подвижной радиосвязи повышенной надежности и живучести, функционирующую в диапазонах УКВ и СВЧ. Данная радиосеть должна обеспечить обмен данными между стационарными объектами инфраструктуры метрополитена, поездами метро и устройствами ЖАТ с целью формирования единой самонастраивающейся информационной среды, функционирующей с применением IP-протокола. Она должна иметь в своем составе несколько функциональных радиосетей, использующих различные радиочастотные диапазоны и обеспечивающих обмен данными на различных скоростях. Образующие интегрированную систему радиосвязи радиосети являются взаимоувязанными и функционируют по единому протоколу обмена данными.

Основная радиосеть (ОРС) предназначена для организации обмена данными между поездами и диспетчерами, а также между поездами метро на всей железнодорожной сети метро, включая депо, станции и перегоны. ОРС предусматривает централизованное управление, обмен данными должен быть организован через базовые станции, взаимодействующие между собой в единой радиосети. Комплекты аппаратуры БС планируется устанавливать на станциях метро для поддержания связи по радио­излучающему кабелю в обоих тоннелях в двух направлениях (по четыре фидерных устройства на каждую БС). Поездной радиомодем действует по технологии SDR и имеет в своем составе 32-канальный приемопередатчик. Технические возможности ОРС должны позволить ее применение для обеспечения автоматического ведения поездов метро, а также оперативно-диспетчерского управления. Устройства ОРС являются основными для передачи сигналов оповещения в чрезвычайных ситуациях.

Резервная радиосеть (РРС) предназначена для организации обмена данными между поездами метро при опасном сближении. В процессе работы каждый радиомодем РРС функционирует в режиме поиска других радиомодемов на заданной частоте. При обнаружении радиомодемы автоматически обмениваются телеметрической информацией о параметрах движения поездов, на которых они установлены. Полученные данные используются поездной системой управления для регулирования скорости движения или экстренного торможения. Кроме того, каналы данной радиосети могут быть задействованы в качестве резервных в системе сигнализации, централизации и блокировки для управления устройствами ЖАТ и удаленной диагностики их технического состояния.

Технологическая радиосеть (TРС) обеспечивает автоматическое подключение подвижных объектов в заданных точках доступа. Размер оперативной зоны каждой точки доступа, устанавливаемой на станциях метро и в депо, не превышает 300 метров. ТРС функционирует в автоматическом режиме. Она передает на борт вошедшего в зону действия точки доступа поезда метро технологическую информацию в отложенном режиме, а также принимает с бортового оборудования ранее накопленные данные. Работа выполняется в диапазоне СВЧ (2,4 ГГц) на скорости до 54 Мбит/с через точки доступа, подключенные к единой информационной системе. Радиосеть используется для организации движения по заданному расписанию, информационного обеспечения перевозочного процесса, а также сбора объективных данных о функционировании подсистем и агрегатов поездов метро для обслуживания и ремонта по их реальному техническому состоянию. При возвращении поездов в депо либо на заданных станциях метрополитена сведения, полученные с бортовых регистраторов, автоматически направляются в соответствующие базы данных. Каналы ТРС будут интенсивно использоваться при испытаниях и развертывании новых програмно-технических средств на борту поездов метро, а также при сопровождении автоматизированных систем различного назначения в период их эксплуатации в целях сбора телеметрической и служебной информации.

Для повышения надежности и контроля функционирования системы подвижной радиосвязи предусмотрены специальные программные средства мониторинга и контроля технического состояния радиомодемов — система контроля радиосети (СКР). Выполняется автоматический сбор, обработка по заданным алгоритмам в оперативном режиме и отображение информации о состоянии радиосети с привязкой ко времени. Данные о техническом состоянии аппаратуры содержат:

• идентификационный номер устройства;
• уровень температуры внутри корпуса;
• напряжение питания;
• уровень сигнала, принимаемого базовой станцией радиосети;
• излучаемую мощность передатчика;
• мощность обратной волны.

Система контроля радиосети позволит повысить ее надежность и живучесть за счет превентивного выявления возможных сбоев в работе и аварий, сокращения сроков ликвидации их последствий и непрерывного контроля технического состояния радиотехнического оборудования в масштабе времени, близком к реальному.

Таким образом, в настоящее время в рамках целевых программ по созданию перспективных автоматизированных систем управления поездами выполнены разработки современных беспроводных средств обмена данными по технологии SDR, предназначенных для обеспечения функционирования этих АСУ. Серийно выпускаемое радиотехническое оборудование данного типа позволяет разворачивать технологические радиосети обмена данными, включая радиосети повышенной надежности и живучести, полностью удовлетворяющие требованиям, предъявляемым АСУ поездами. Реализованные отечественными разработчиками проекты в области АСУ поездами сформировали основу для создания таких систем на территории Российской Федерации.