Бортовые системы, повышающие эффективность работы железнодорожного транспорта, безопасность и экологичность движения. Источник: www.avpt.ru

Радиосеть управления и сбора данных для железнодорожных приложений. Часть 1

№ 1’2020
PDF версия
В статье представлена краткая информация о возможностях узкополосных технологических радиосетей управления и сбора данных для организации перспективной командной радиосети обмена данными между стационарными и подвижными объектами, входящими в структуру железных дорог. Описаны некоторые особенности использования вышеуказанных технических средств применительно к созданию автоматизированной системы управления движением с использованием современных методов и алгоритмов. Изложенные в статье общие принципы организации технологических радиосетей могут успешно применяться на распределенных объектах в других отраслях промышленности и транспорта. Автор благодарит руководство компании «АВП-технология» за возможность публикации настоящих материалов.

Общая информация

Последовательное развитие подвижного состава и железнодорожной инфраструктуры в условиях возросшей интенсивности перевозок обусловило необходимость коренного пересмотра применяемых в настоящее время способов управления движением поездов с учетом обеспечения необходимого уровня безопасности. В связи с этим за рубежом были разработаны и приняты целевые программы, предусматривающие внедрение современных методов управления движением, использующих последние достижения в области микропроцессорной техники, средств навигации и радиосвязи. Актуальность этой задачи для ОАО «Российские железные дороги» и предприятий промышленного железнодорожного транспорта также не вызывает никаких сомнений.

В настоящее время в интересах обеспечения работы железнодорожного транспорта используются различные беспроводные средства связи и обмена данными, информация о которых представлена в таблице 1.

Таблица 1. Использование радиочастотного ресурса и систем связи в интересах различных задач на железнодорожном транспорте

Область применения

США, Канада

Европа

Россия

Диспетчеризация движения поездов на магистральных и высокоскоростных линиях

220 МГц/GSM/ CDMA

GSM/GSM-R

GSM/GSM-R/TETRA

Диспетчеризация малодеятельных линий

220 МГц/GSM/ CDMA

GSM/TETRA

Отдельные проекты на основе применения спутниковой связи

Диспетчеризация подвижного состава

220 МГц/GSM/ CDMA

GSM-R

GSM/GSM-R/ TETRA

Диспетчеризация ремонтных работ на инфраструктуре

220 МГц/GSM/ CDMA

GSM-R

GSM

Мониторинг опасных грузов

GSM/CDMA

GSM

GSM для отдельных категорий грузов

Интервальное регулирование движения поездов (ИРДП)

220 МГц, Wi-Fi

GSM-R (активно прорабатывается возможность перехода на IP поверх GSM-R/ TETRA/LTE)

160 МГц DMR/GSM-R

Автоматизация маневровой работы

220 МГц/Wi-Fi

220 МГц

160 МГц/DMR/GSM-R/TETRA

Сегодня 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 ИРДП 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 для 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 (рис. 1):

  • мониторинг состояния тормозной системы железнодорожного состава и контроль отрыва вагона;
  • управление объектами электроснабжения железнодорожного транспорта;
  • мониторинг окружающей среды и обеспечение безопасности;
  • обеспечение функционирования средств железнодорожной автоматики и телемеханики (ЖАТ);
  • дистанционное управление маневровыми работами на станциях;
  • интервальное регулирование движения и диспетчерское управление на станциях и перегонах.
Бортовые системы, повышающие эффективность работы железнодорожного транспорта, безопасность и экологичность движения. Источник: www.avpt.ru

Рис. 1. Бортовые системы, повышающие эффективность работы железнодорожного транспорта, безопасность и экологичность движения. Источник: www.avpt.ru

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 большая 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 создания и 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 районы, расположенные за полярным кругом.

Последнее приобретает все большее значение в связи с активизацией хозяйственной деятельности в арктических районах Российской Федерации.

 

Области применения радиосетей управления и сбора данных для железных дорог

На первых железных дорогах, когда между станциями не было средств связи для передачи сообщений об отправлении и прибытии поездов, их движение осуществляли по следующему принципу: один поезд от другого, движущегося в том же направлении, отделяли промежутком времени. При таком способе задержка поезда в пути создавала опасность наезда на него идущего сзади состава. С ростом интенсивности движения поездов было выработано правило, по которому на перегоне должен находиться только один поезд, для чего между станциями, ограничивающими перегоны, были устроены линии связи для передачи сведений об отправлении и о прибытии поездов, а также для согласования очередности их пропуска по перегону.

В настоящее время регулирование и безопасность движения поездов по перегонам и станциям обеспечивается железнодорожными системами автоматики и телемеханики. Изначально основной целью внедрения вышеуказанных систем являлось увеличение пропускной способности железнодорожных линий и станций, перерабатывающей способности сортировочных узлов, а также повышение производительности и безопасности железнодорожного транспорта. С этой целью на железнодорожном транспорте была создана система интервального регулирования, использующая комплекс технических средств ЖАТ, в состав которого входят различные устройства сигнализации, централизации и блокировки (СЦБ).

Современный технический комплекс интервального регулирования движения поездов (ИРДП) состоит из трех подсистем: устройств на перегоне, на станции и на участке, оборудованном диспетчерской централизацией. К основным средствам интервального регулирования движения поездов относятся: автоматическая блокировка (АБ) — в составе диспетчерской централизации или самостоятельно; полуавтоматическая блокировка (ПАБ) для участков с неинтенсивным движением; автоматическая локомотивная сигнализация (АЛС); автоматическая переездная сигнализация (АПС) и автошлагбаумы.

Автоматическая блокировка в настоящее время является наиболее совершенным средством регулирования движения поездов. При автоблокировке железнодорожные пути перегона делятся на блок-участки с помощью изолирующих стыков, возле которых устанавливаются проходные автоматически действующие светофоры, связанные между собой рельсовыми цепями (РЦ). Длина блок-участка равна расстоянию между смежными светофорами, причем она должна быть не менее тормозного пути при служебном торможении поезда, двигающегося с максимальной разрешенной скоростью, и составляет 1000–2600 м. При трехзначной автоблокировке каждый светофор может подавать один из трех сигналов: зеленый — разрешающий движение, когда впереди свободны не менее двух блок-участков; желтый — разрешающий движение с ограниченной скоростью (впереди свободен только один блок-участок); красный — запрещающий движение (поезд должен остановиться перед светофором). Интервал времени между поездами при этой системе составляет 8–10 мин.

Управление техническими средствами ИРДП сегодня производится по проводным каналам обмена данными, поскольку принято считать, что проводные средства связи и обмена данными являются наиболее надежными. Они позволяют оперативно передавать информацию на большие расстояния, а отработанные и освоенные современные технологии в области связи значительно упрощают этот процесс. В общем случае волоконно-оптический или медный кабель, который служит для передачи данных, обладает достаточно высокой защитой и может эксплуатироваться на протяжении длительного времени. А вот беспроводная связь между объектами на земной поверхности организуется с использованием в качестве среды передачи атмосферы, которую, в отличие от кабеля, нельзя «увидеть и пощупать», а потому и считать надежной. Но именно среда передачи становится наиболее слабым звеном проводных систем технологической связи по сравнению с беспроводными.

Кабельная система — это искусственный объект, который предназначен для длительной эксплуатации и постоянно подвергается воздействию окружающей среды. А природа всегда берет свое: сезонные подтопления часто приводят к снижению характеристик кабеля или нарушениям связи, проложенные в потернах кабели подвергаются атакам грызунов и могут быть легко повреждены при проведении работ, воздушные линии связи рвутся в результате обледенения. Даже пожаробезопасные кабели поддерживают распространение огня между помещениями и закрытыми зонами. Использование кабельных средств связи в районах вечной мерзлоты, весьма актуальных в связи с промышленным освоением Арктики и развертыванием железнодорожной инфраструктуры в этом регионе, оказывается под большим вопросом. Со временем кабель теряет свои характеристики в результате старения материалов, из которых он изготовлен. Поиск и устранение неисправностей в распределенной кабельной сети связаны с серьезными трудностями и затратами усилий и времени, поскольку при этом недостаточно просто определить место аварии, необходимо получить доступ к нему. В случае техногенных аварий или природных катастроф кабельные системы оказываются наиболее уязвимыми.

Так, во время землетрясения в Новой Зеландии в 2016 году первыми были полностью выведены из строя волоконно-оптические линии связи. Это обусловлено особенностями, связанными с требованиями к их прокладке, обеспечивающими минимальные потери при передаче информации. Кабельные линии связи на медных кабелях пострадали в меньшей степени, но нанесенный ущерб не позволил продолжить их дальнейшую эксплуатацию без серьезных ремонтно-восстановительных работ. Поэтому ответственные объекты были переведены на резервные беспроводные сети связи, а использовавшиеся технологические радиосети обмена данными продолжали эксплуатироваться в качестве основных, на отдельных объектах — после незначительных ремонтно-восстановительных работ.

Не следует забывать, что проводные средства связи невозможно широко использовать при подключении подвижного состава.

Среда передачи данных технологических радиосетей является естественной и не требует усилий и затрат на поддержание ее характеристик. Природные условия практически не влияют на рабочие параметры таких радиосетей, которые остаются стабильными на протяжении всего периода эксплуатации, как в обычной обстановке, так и в чрезвычайных ситуациях. Порядок использования радиочастотного спектра контролируется государством, что позволяет применять технологическую радиосеть обмена данными в ответственных системах в качестве основной или резервной.

Инфраструктура железнодорожного транспорта относится к категории критически важных объектов. В связи с этим надежность и живучесть являются наиболее важными требованиями к средствам обмена данными, применяемым для обеспечения функционирования системы управления ею. Это в полной мере относится к перспективной командной радиосети обмена данными между стационарными и подвижными объектами, входящими в структуру железных дорог.

Таким образом, с технической точки зрения технологическая радиосеть обмена данными представляется наиболее эффективным инструментом для обеспечения функционирования автоматизированных систем различного назначения на железнодорожном транспорте и фактически единственным для удаленного подключения подвижного состава.

 

Основные требования к радиосетям управления и сбора данных для железных дорог

При создании радиосетей управления и сбора данных для железных дорог должны учитываться следующие основные требования:

  • реализация возможности сквозной автоматизации технологического процесса грузовых и пассажирских перевозок с использованием радиосети за счет организации работы по­движных и стационарных пользователей в едином радиочастотном диапазоне;
  • обеспечение адекватного уровня безопасности технологического процесса железно­дорожных перевозок за счет достижения соответствующего решаемым задачам уровня надежности и живучести радиосети;
  • формирование единого информационного пространства для всех участников технологического процесса железнодорожных перевозок за счет интеграции радиосети в действующую систему управления и связи;
  • преимущественное использование технических решений, имеющих минимальную совокупную стоимость владения и позволяющих максимально сократить стоимость эксплуатации программно-технических средств и оборудования связи за счет применения необслуживаемой аппаратуры и организации удаленного администрирования;
  • адаптация и использование современных технических и технологических решений, положительно зарекомендовавших себя в смежных отраслях и позволяющих повысить эффективность работы и конкурентоспособность предприятия железнодорожного транспорта;
  • возможность внедрения централизованной и распределенной схем управления и сбора данных, позволяющих максимально снизить эксплуатационные затраты за счет применения преимущественно необслуживаемого радиотехнического оборудования и максимального сокращения участия персонала в поддержании работоспособности радиосети;
  • реализация возможности поэтапного развертывания радиосети и ее расширения без модификации первоначально использованных средств за счет применения типовых интерфейсов и единого протокола обмена данными;
  • обеспечение высокой конкурентоспособности используемых при разработке и создании радиосети технологических решений за счет освоения производства радиотехнического оборудования на предприятиях Российской Федерации.

 

Анализ существующих радиотехнических средств, применяемых в системах управления движением на железнодорожном транспорте

Общий перечень оборудования радиосвязи, применяемого и планируемого к применению на железнодорожном транспорте, представлен в таблице 2. Примеры радиомодемов ITC220 показаны на рис. 2.

Радиомодемы ITC220

Рис. 2. Радиомодемы ITC220

Таблица 2. Технические характеристики оборудования радиосвязи, применяемого и планируемого к применению на железнодорожном транспорте

Характеристика

GSM-R

TETRA

IEEE 802.11

ITC220

LTE-R

Спутниковая

Рабочая частота

876–880, 921–925 МГц

410–430, 450–470 МГц

2,4/5,8 ГГц

217,5–222,0 МГц

450 и 800 МГц;

1,4 и 1,8 ГГц

Аренда канала связи

Пропускная способность радиоканала

200 кГц

25 кГц

20–40 МГц

25 кГц

1,4–20 МГц

> 20 МГц

Максимальная скорость обмена данными

172 кбит/с

7,2 кбит/с*

> 10 Мбит/с

16–32 кбит/с

10/50 Мбит/с

> 2 Мбит/с

Поддержка IP-протокола

Нет

Нет

Да

Да

Да

Да

Вид модуляции, метод доступа к каналу связи

GMSK, TDMA

DPSK, TDMA

QPSK, QAM

4DQPSK

QPSK, 16-QAM, 64-QAM (OFDM, SCFDMA)

FSK-PSK

Состояние

Серийное производство

Серийное производство

Серийное производство

Серийное производство

Разработка

Серийное производство

Позиционирование на рынке

Планируется использовать

до 2030 года

Практически устаревшая

Широко применяется

и развивается

Только в США (компания Metrolink)

Согласование стандарта

Только в Европе (компании Thalys, SNCF)

Примечание. При использовании помехозащищенного режима скорость обмена данными снижается до 2,4 кбит/с.

Относительно широкое распространение в системах связи, обеспечивающих управление движением железнодорожного транспорта, получили средства связи стандартов GSM-R и TETRA (TErrestrial Trunked RAdio).

GSM-R представляет собой систему связи, адаптированную для нужд железнодорожного транспорта компанией Siemens с целью создания единой Европейcкой системы управления движением железнодорожного транспорта ERTMS (European Railway Traffic Management System). Основой для адаптации послужило типовое оборудование сотовой связи стандарта GSM, работающее в диапазонах 876–880 (в направлении «удаленный объект — базовая станция») и 921–925 МГц (в направлении «базовая станция — удаленный объект»). Пропускная способность канала составляет 200 кГц. Выходная мощность приемопередатчиков удаленного объекта (возимый терминал) — до 2 Вт.

По сведениям из открытых источников, системы связи GSM-R развернуты и успешно эксплуатируются на железных дорогах 60 (реально 40) государств на территории пяти континентов. Данные о распространении этого стандарта по материалам Международного союза железнодорожников UIC (International union of railways) представлены в таблице 3.

Таблица 3. Масштабы использования средств связи стандарта GSM-R

1998

2000

2002

2004

2006

2008

2010

2014

2018

ФРГ

Нидерланды

Бельгия

Китай

Алжир

Австралия

Ирландия

ЮАР

Аргентина

Италия

Испания

Финляндия

Индия

Турция

Ливия

Люксембург

Бразилия

Венесуэла

Швеция

 

Франция

Саудовская Аравия

Австрия

Тунис

Польша

Израиль

Иран

Великобритания

 

Норвегия

Чехия

Болгария

Дания

Румыния

Туркменистан

Ирак

 

 

Словакия

 

Греция

Португалия

ОАЭ

Казахстан

Корея

 

 

Швейцария

 

Литва

 

Россия

Беларусь

Украина

 

 

 

 

 

 

Венгрия

Латвия

Эстония

 

 

 

 

 

 

 

Хорватия

Узбекистан

 

 

 

 

 

 

 

Словения

Босния
и Герцеговина

 

 

 

 

 

 

 

Египет

Македония

 

 

 

 

 

 

 

Марокко

Молдавия

 

 

 

 

 

 

 

 

Сербия

 

 

 

 

 

 

 

 

Тайвань

Наиболее яркие успехи внедрения GSM-R иллюстрируются опытом Китая и Австрии, где сети GSM-R начали строить более 10 лет назад, в 2006 году. По состоянию на 2015 год Китай имел самую большую сеть GSM-R в мире — 33750 км, а Австрия — 3200 км, что составляет 27,2% от общей протяженности железнодорожной сети для Китая (124 тыс. км) и 55,6% для Австрии (5755 км). Таким образом, данный стандарт на практике не стал общеевропейским, как это предполагалось его разработчиками, а эксплуатацию уже развернутых радиосетей планируется завершить к 2030 году.

Следует отметить, что рабочий диапазон системы изначально определялся требованиями к базовой системе сотовой связи, предполагающей использование в зонах с высокой плотностью абонентов и большим объемом передаваемой голосовой информации. Такие возможности являются серьезным ограничением при ее внедрении по критерию «стоимость — эффективность» и необоснованной избыточностью для большинства АСУ (аппаратура поддерживает работу 19 поднесущих радиочастот с полосой 200 кГц, на каждой из которых можно организовать по восемь выделенных каналов связи и обмена данными).

TETRA представляет собой стандарт цифровой транкинговой связи, разработанный Европейским институтом телекоммуникационных стандартов ETSI (European Telecommunications Standards Institute) для замены морально устаревшего стандарта MPT 1327. Оборудование стандарта TETRA работает в диапазонах 380–385/390–395, 410–430/450–470 и 870–876/915–921 МГц. Используется метод многостанционного доступа с временным разделением TDMA (Time Division Multiple Access) — на одной физической частоте образуется четыре логических канала (слота). Пятый слот используется для передачи служебной информации. Пропускная способность канала составляет 25 кГц. Выходная мощность приемопередатчиков удаленного объекта (возимый терминал) — до 3 Вт.

Рабочий диапазон системы определялся радиочастотным ресурсом, выделенным для работы радиосетей служб общественной безопасности и промышленных технологических радиосетей.

Оба стандарта имеют свои неоспоримые преимущества и недостатки.

Для сравнительной оценки технических возможностей систем связи различных стандартов на железнодорожном транспорте в ОАО «РЖД» был создан опытный участок в районе Екатеринбург — Камышлов протяженностью 153 км, на котором были развернуты две сети: GSM-R и TETRA. По результатам проведенных испытаний российские технические эксперты пришли к выводу о том, что ни одна из систем не в состоянии решить все имеющиеся на железнодорожном транспорте задачи, поэтому каждая из систем должна использоваться в приложениях, в которых ее преимущества проявляются наиболее полно, а недостатки не являются критическими.

Одним из наиболее актуальных требований к современной системе связи, обеспечивающей управление движением железнодорожного транспорта, является возможность обеспечения эффективного и надежного обмена данными. Системы связи GSM-R и TETRA изначально создавались как многоканальные голосовые, предусматривающие обмен речевыми сообщениями между значительным количеством абонентов в географических зонах с высокой плотностью населения, и для выполнения данной задачи это сегодня наиболее зрелое решение, однако их возможности по обмену данными серьезно ограничены.

Обмен данными предъявляет несколько иные требования к средствам связи, более того, эффективность адаптированной для передачи данных системы голосовой связи серьезно зависит от характера передаваемых данных.

Реализованные в современных голосовых средствах связи принципы работы, направленные на их оптимизацию в части голосовой связи, во многом становятся серьезным ограничением при обмене данными. Например, в транкинговой системе отсутствует жесткое закрепление канала между абонентами на весь период установления связи (порядок организации доступа к каналу в цифровых транкинговых системах связи и использования нескольких временных «слотов» (квантов) для обмена сообщениями между несколькими пользователями детально описан в специальной литературе. В настоящем отчете представлен упрощенный вариант, описывающий общий принцип работы, создающий ограничения для обмена данными) . С этой целью в такой системе используются служебный и группа информационных каналов. Запрос на доступ к информационному каналу, по которому производится речевой обмен, принимается по служебному каналу связи. При получении запроса от абонента система автоматически находит свободный информационный канал и предоставляет доступ к нему. Если один канал в системе уже занят, а другая группа абонентов пытается установить связь, то система автоматически предоставит второй канал в их распоряжение. Относительно быстрая смена каналов связи для одних и тех же абонентов в процессе сеанса позволяет использовать паузы в переговорах одной группы абонентов для обеспечения связью другой. В результате, при прочих равных, пропускная способность у транкинговой системы по обеспечению обмена голосовыми сообщениями оказывается в несколько раз выше, чем у обычной (конвенциональной) системы голосовой связи.

В настройках транкинговых систем предусмотрена дополнительная задержка после завершения передачи очередного голосового сообщения, длительность которой может достигать нескольких секунд. Это позволяет удерживать активных абонентов на одном канале и снижать нагрузку на служебный канал, связанную с переводом абонентов между информационными каналами.

Такие прекрасные технические решения для голосовой связи оказываются абсолютно неэффективными при обмене данными. Голосовые сообщения имеют существенно большую длину (продолжительность при передаче) по сравнению с данными. Если возникающие при выделении абоненту информационного канала задержки практически незаметны при переговорах, то для системы обмена данными (здесь и далее имеются в виду системы обмена данными, применяемые в ответственных приложениях, характерных для АСУ на железнодорожном транспорте. Все оценки даются применительно к характеру циркулирующих в технологической радиосети сообщений — короткие сообщения, передаваемые с высокой плотностью и требующие минимальных и полностью детерминированных задержек при доставке) они оказываются неприемлемыми. Например, в транкинговых системах задержка в предоставлении доступа к каналу связи составляет не менее 300 мс (это лучший показатель), а в GSM-R — до нескольких секунд. За это время в узкополосной технологической радиосети обмена данными УКВ-диапазона может быть передано до нескольких десятков коротких сообщений.

Серьезным ограничением является и пропускная способность служебного канала. В случае с голосовыми сообщениями интенсивность поступления запросов в служебный канал относительно невысока — активность работы абонентов учитывается при проектировании радиосети и реально поддерживается на низком уровне в повседневной обстановке. Возрастание интенсивности работы в аварийных ситуациях может компенсироваться путем предоставления более высоких приоритетов отдельным группам абонентов за счет других. В случае с передачей данных интенсивность поступления запросов оказывается как минимум на порядок выше, и служебный канал объективно не в состоянии с ними справиться. Выделение дополнительного служебного канала за счет сокращения числа информационных также становится неэффективным. В аварийных ситуациях, как правило, отсутствует возможность предоставления приоритета одному элементу АСУ за счет другого, поскольку это приводит к срыву нормальной работы последнего. Таким образом, пропускная способность служебного канала в случае использования транкинговой системы для обмена данными оказывается критическим ограничением.

Существенным недостатком сетей GSM-R (как и обычных сотовых радиосетей, использующих обмен данными по протоколам GPRS и EDGE) является недетерминированная задержка в доставке данных. Работа значительной части АСУ настраивается с учетом времени, необходимого на передачу запросов и получение ответов на эти запросы. Так, в одной из российских систем управления железнодорожным переездом управляющий канал работает в реальном времени и допускает задержку не более 45 мс. Чем меньше допустимые предельные значения параметров доставки сообщений, тем эффективнее работа АСУ. В случае использования для обмена данными радиосетей GSM-R параметры предельно допустимых задержек при доставке сообщений приходится увеличивать, снижая тем самым эффективность работы АСУ.

Возможность применения единой радиосети, а следовательно, и единого радиочастотного ресурса для обмена голосовыми сообщениями и данными может рассматриваться как серьезное преимущество в радиосетях общего пользования. Действительно, многие ощутили всю прелесть работы в информационной сети Интернет и одновременного общения по телефону в том же канале. Однако в технологических радиосетях такое решение принципиально неприемлемо: работа АСУ требует строго детерминированного потока данных и задержек, а обеспечить выполнение этого требования при наличии голосового потока невозможно — любой абонент будет говорить столько, сколько посчитает нужным, и тогда, когда ему это понадобится. Практический опыт показывает, что относительно высокая надежность такой радиосети может быть достигнута, если для передачи данных требуется не более 15% пропускной способности всей сети, и только при отсутствии резких всплесков в объеме голосовых сообщений, что в принципе невозможно в ответственных технологических радиосетях.

По оценке ведущих специалистов отрасли, в вопросах, касающихся обеспечения безопасности движения поездов, необходимо в максимальной степени ориентироваться на частотные ресурсы, выделенные непосредственно для нужд ОАО «РЖД».

Выбор частотных ресурсов для каждой из систем должен определяться с учетом ряда требований. Основные из них — электромагнитная совместимость (ЭМС) средств радиосвязи различных систем управления, высокий уровень надежности каналов передачи данных, а также требования систем управления по объемам и скорости передачи данных.

Сведения об объемах данных, передаваемых в интересах организации интервального регулирования движения поездов, представлены в таблице 4.

Таблица 4. Объемы данных, передаваемых в интересах организации интервального регулирования движения поездов

Характер информации

Объем данных, байт

На постоянной основе

скорость поезда

4

координаты поезда

8

сигналы АЛС

4

По требованию

экстренная остановка

2

актуализация графика движения

10

ограничение скоростного режима

10

Все данные передаются с периодичностью раз в 3 с для высокоскоростных поездов и раз в 7 с для всех остальных пассажирских и товарных поездов.

Перспективные автоматизированные системы управления движением поездов предполагают широкое использование средств радиосвязи для обеспечения обмена данными по следующим направлениям:

  • пункт диспетчерского управления — локомотив;
  • депо — локомотив;
  • локомотив — ЖАТ (требования к аппаратуре, обеспечивающей обмен данными в этом направлении, полностью соответствуют требованиям для обмена данными в направлении «локомотив — локомотив», поскольку в обоих случаях обеспечивается связь между электронными устройствами, установленными на борту или на земле (напольное оборудование).

Каждое из направлений передачи данных (средства радиосвязи используются также для обмена информацией внутри вагонов и железнодорожных станций, однако в настоящем отчете данные беспроводные средства не рассматриваются) предъявляет свои требования к каналу связи и организации радиосети. При относительно небольших объемах передаваемой информации по каждому из направлений дальность передачи и допустимые задержки в доставке информации при общем высоком требовании к надежности работы оказываются различными. В связи с этим по заказу Национального совета по безопасности на транспорте США (NTSB — National Transportation Safety Board) была проведена серия исследований с целью определения эффективности различных видов беспроводной связи, позволяющих удовлетворить требования, предъявляемые перспективными АСУ на железнодорожном транспорте. В ходе исследований рассматривались следующие виды и средства 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 радиосвязь УКВ (диапазон ОВЧ — ультравысоких частот, 150–240 МГц (указан рабочий диапазон радиотехнической аппаратуры, применяемой для создания технологических радиосетей обмена данными));
  • технологическая радиосвязь УКВ (диапазон УВЧ — очень высоких частот, 380–490 МГц (указан рабочий диапазон радиотехнической аппаратуры, применяемой для создания технологических радиосетей обмена данными)).

Сравнение производилось с учетом следующих основных оперативно-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 5.

Таблица 5. Результаты оценки эффективности использования различных видов связи в интересах перспективных автоматизированных систем управления поездами

Вид связи

Направление передачи данных

ЖАТ — поезд

Депо — поезд

ПУ — поезд

Радиосеть сотовой связи стандарта GSM

неудовлетворительно

хорошо

неудовлетворительно

Радиосеть Wi-Fi

удовлетворительно

хорошо

неудовлетворительно

Спутниковая связь

неудовлетворительно

неудовлетворительно

удовлетворительно

Технологическая радиосеть, ОВЧ-диапазон

хорошо

хорошо

хорошо

Технологическая радиосеть, УВЧ-диапазон

удовлетворительно

удовлетворительно

неудовлетворительно

Таким образом, по заявленным критериям наиболее эффективным средством беспроводной связи для перспективных автоматизированных систем управления на железнодорожном транспорте 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 в диапазоне ОВЧ полос радиочастот 146–148, 149,9–162,7625 и 163,2–168,5 МГц.

 

Возможности конвенциональных радиосетей обмена данными при использовании в составе системы управления движением на железнодорожном транспорте

Присущие системам связи GSM-R и TETRA ограничения в части обмена данными исключены в конвенциональных технологических радиосетях. Доступ к радиоканалу в таких радиосетях осуществляется напрямую, без использования промежуточного служебного канала, поэтому описанные выше задержки полностью отсутствуют.

Сравнительные данные о задержках при передаче информации в радиосетях TETRA, GSM-R и конвенциональных радиосетях представлены в таблице 6.

Таблица 6. Сравнительные данные о задержках при передаче информации в радиосетях TETRA, GSM-R и конвенциональных радиосетях

Наименование параметра

Радиосеть GSM-R

Радиосеть TETRA

Конвенциональная радиосеть

CSD

GPRS real COM

GPRS «клиент-сервер»

Средняя задержка в канале3, мс

600

500

1300

>300

25

Минимальная/максимальная задержка в канале, с

500/900

300/1500

100/3900

>500

22,5/27,5

Заявленная скорость обмена данными, кбит/с

9,6

171,24

171,2

28,85

64

Средняя пропускная способность канала, кбит/с

8,168

5,152

4,904

Минимальная/максимальная пропускная способность канала, кбит/с

7,520/8,960

1,520/14,296

0,336/9,520

2,4/4,86

23,46/114,277

Примечания.
1 Данные приведены для реального сегмента сети сотовой связи стандарта GSM, «GSM/GPRS-технологии в системах промышленной автоматики». Control Engineering, декабрь 2008 года
2 Здесь и далее рассматриваются подвижные конвенциональные радиосети на радиомодемах Dataradio ParagonG3/GeminiG3 и Viper-SC. www.calamp.com.
3 Время от передачи запроса до получения доступа к каналу связи и готовности к передаче сообщения.
4 Максимальная теоретическая скорость обмена данными при использовании всех восьми тайм-слотов в полосе 200 кГц (частотный ресурс для голосовой связи не предусматривается).
5 Максимальная скорость обмена данными при использовании всех четырех тайм-слотов в полосе 25 кГц (частотный ресурс для голосовой связи не предусматривается).
6 Указаны скорости обмена данными при обеспечении высокой и средней помехоустойчивости.
7 Указаны данные при максимальном использовании встроенной функции сжатия данных при обеспечении высокой помехоустойчивости и ее отсутствии.

Для повышения объективности представленных в таблице 6 данных необходимо отметить, что замеры параметров работы радиосети GSM производились на конкретном сегменте сотовой сети связи конкретного оператора и в конкретный период времени. Эти данные могут отличаться в зависимости от текущей нагрузки на сеть сотовой связи. Обеспечение стабильности параметров функционирования такой радиосети в части пропускной способности может быть обеспечено только за счет выделения для обмена данными отдельных канальных и радиочастотных ресурсов.

По оценке зарубежных специалистов, величина задержки при доставке данных в системах управления движением высокоскоростных поездов при скорости движения до 350 км/ч должна составлять не более 100 мс. Данному требованию соответствуют возможности только системы связи GSM-R и конвенциональной технологической радиосети. Следует отметить, что возможности системы связи GSM-R по обмену данными весьма ограничены, кроме того, она считается устаревшей и не рассматривается в качестве основы для создания перспективных систем управления движением поездов.

Анализ представленных в таблице 6 данных показывает следующее:

  • При работе в режиме CSD обеспечивается наиболее стабильный обмен данными, однако даже в этом случае разница между минимальным и максимальным значением пропускной способности составляет около 12%, а собственно скорость обмена данными относительно низка.
  • Разница между минимальным и максимальным значениями пропускной способности при работе с использованием GPRS составляет около 94 и 280% для GPRS real COM и GPRS «клиент-сервер» соответственно. Низкая стабильность данных показателей связана с одновременным использованием радиосети для обмена речевыми сообщениями, поток которых не может быть детерминирован.
  • Поскольку использование технологической радиосети связи стандарта TETRA предусматривается для подвижного приложения, в ней должны быть реализованы функции помехозащищенности. Номинальная скорость обмена данными в такой радиосети при обеспечении высокой помехозащищенности может составлять от 2,4 (один тайм-слот) до 4,8 кбит/с (два тайм-слота). Использование для обмена данными большего количества тайм-слотов делает радиосеть неэффективной с точки зрения обмена голосовыми сообщениями, что является основной задачей такой радиосети.
  • В конвенциональной технологической радиосети обмена данными предусматривается только высокая помехозащищенность. Пропускная способность такой радиосети будет в значительной степени зависеть от применяемого встроенного метода сжатия данных, однако для одинаковых потоков данных и выбранных методов сжатия параметры стабильности пропускной способности будут неизменными на протяжении всего срока эксплуатации.
  • Даже при условии использования всех радиочастотных ресурсов (тайм-слотов) пропускная способность радиосетей GSM-R и TETRA в части обмена данными оказывается ниже по сравнению со специализированными конвенциональными радиосетями. Это отставание является системным и сохранится в перспективе.

Типовая структура технологической радиосети обмена данными на железнодорожном транспорте включает сеть базовых станций (БС), устанавливаемых вдоль железнодорожного пути и соединенных каналами магистральной проводной или беспроводной связи с пунктами управления и сбора данных. Каждая БС обеспечивает связь с группой поездов, находящихся в ее оперативной зоне. В современных радиосетях на железнодорожном транспорте зоны соседних БС полностью перекрывают друг друга, в результате чего формируется единая оперативная зона с повышенной надежностью и живучестью. Переключение поездов на работу с соседней базовой станцией (хэндовер) осуществляется автоматически. Учитывая, что рассматриваемое оборудование для конвенциональных радиосетей обмена данными использует открытый протокол TCP/IP, наращивание комплектов оборудования и создание многоканальных базовых станций в составе радиосети, равно как сопряжение с любой современной автоматизированной системой управления, не представляет трудностей.

Типовые схемы конвенциональной радиосети обмена данными на железнодорожном транспорте представлены на рис. 3, 4.

Схема конвенциональной технологической радиосети обмена данными для системы управления движением на железнодорожном транспорте на базе радиомодемов ParagonPD+/GeminiPD+

Рис. 3. Схема конвенциональной технологической радиосети обмена данными для системы управления движением на железнодорожном транспорте на базе радиомодемов ParagonPD+/GeminiPD+

Типовая схема конвенциональной радиосети обмена данными для системы управления движением на железнодорожном транспорте на базе радиомодемов ParagonG3/GeminiG3

Рис. 4. Типовая схема конвенциональной радиосети обмена данными для системы управления движением на железнодорожном транспорте на базе радиомодемов ParagonG3/GeminiG3

Принципиальным различием двух рассматриваемых схем является использование в первой из них последовательных интерфейсов, по которым каждая базовая станция ParagonPD+ подключается к многобазовому контроллеру MSC (Multi-site controller), выполняющему функции централизованного технического управления и сопряжения с взаимоувязанной сетью проводной связи и обмена данными железнодорожной компании. Во втором случае применяется единый для всей конвенциональной технологической радиосети обмена данными интерфейс Ethernet и используется стандартное сетевое оборудование. Однако обе рассматриваемые схемы в полной мере удовлетворяют требованиям, установленным в «Белой книге» ОАО «РЖД» и направленным на создание единого информационного пространства, интегрированного с информационными системами других видов транспорта и промышленности, а также иностранных железных дорог.

Следует помнить, что надежность любой системы определяется в том числе количеством входящих в ее состав компонентов и отдельных узлов: чем меньше их количество, тем проще, при прочих равных, обеспечить необходимый уровень надежности и живучести системы в целом. Это в полной мере относится к количеству базовых станций в составе технологической радиосети обмена данными: чем их меньше, тем проще система управления и обеспечения их работоспособности. Учитывая, что дальность связи в используемом конвенциональными радиосетями обмена данных ОВЧ-диапазоне больше, чем в системах связи GSM-R и TETRA, инфраструктура таких радиосетей оказывается существенно проще и надежнее.

В отличие от радиосетей GSM-R и TETRA, предусматривающих использование в их составе не только мобильных, но и носимых связных терминалов с невысокой выходной мощностью (обычно 0,9–3 Вт), в конвенциональных технологических радиосетях применяются единые терминалы с выходной мощностью 10 Вт. Это обеспечивает существенно большую по сравнению с радиосетями GSM-R и TETRA зону покрытия с позиции одной базовой станции, поскольку размер оперативной зоны базовой станции на практике будет определяться максимально возможной дальностью связи для самого маломощного оборудования, работающего в составе радиосети.

В настоящее время серийно выпускается оборудование для создания конвенциональных подвижных технологических радиосетей обмена данными в диапазонах 132–174, 215–240, 403–512, 700, 800 и 900 МГц. Оборудование для технологических радиосетей обмена данными УКВ-диапазона имеет встроенные средства диагностики, обеспечивающие удаленный доступ к текущим данным о техническом состоянии, и использует открытые интерфейсы, включая широко применяемый протокол обмена данными TCP/IP, что позволяет эффективно и просто интегрировать их в Единую систему мониторинга и администрирования технологической связи ОАО «РЖД», а также в системы технологической связи промышленного железнодорожного транспорта и метрополитенов.

Некоторые сравнительные характеристики базового оборудования для создания радиосетей GSM-R, TETRA и конвенциональных радиосетей представлены в таблице 7.

Таблица 7. Сравнительные характеристики оборудования для создания радиосетей GSM-R, TETRA и конвенциональных радиосетей

Наименование параметра

GSM-R

TETRA

Viper-SC

Диапазон рабочих частот, МГц

876–880/921–925

380–400; 410–430; 450–470; 806–825; 851–870; 871–876; 915–921

136–174; 215–240;

406–470; 470–512; 928–960

Количество доступных рабочих частот/каналов

19/152

до 1200/4800

в каждом поддиапазоне

1520; 1000; 2560; 1680; 1280

Шаг сетки радиочастот, кГц

200

25, 12,5

100, 50, 25, 12,5, 6,25

Выходная мощность базового оборудования, Вт

20–320

25

до 10

Дуплексный разнос частот, МГц

45

45

0,25–64

Выходная мощность мобильного терминала, Вт

до 10

до 10

до 10

Выходная мощность носимого терминала, Вт

до 2

до 3

Номинальная дальность связи, км

8–10

12–15

25–30

Минимально допустимый уровень сигнала, дБм

–95

–115

–116

Время установления соединения, мс

3000–7000

> 300

25

Время аварийного вызова, мс

2000

> 300

25

Функциональные возможности

Динамическая адресация, индивидуальный вызов по номеру поезда, аварийный и приоритетный вызовы, связь в пределах поезда, аварийная остановка поезда, группирование абонентов

Индивидуальный и групповой вызов

Динамическая адресация, использование индивидуальных, групповых и циркулярных адресов

Анализ представленных в таблице 7 данных показывает, что оборудование для создания конвенциональных радиосетей может быть эффективно применено для обеспечения обмена данными во всех диапазонах радиоволн УКВ-диапазона, предусмотренных к использованию в ОАО «РЖД».

С точки зрения теории распространения радиоволн и с учетом протяженности российской сети железных дорог для организации поездной радиосвязи и системы интервального регулирования движения поездов на всех участках, включая скоростные и высокоскоростные, наиболее целесообразно использовать средства обмена данными, работающие в более низких по сравнению с системами связи GSM-R и TETRA диапазонах волн. Понятно, что в этом случае число базовых станций и магистральных каналов для их подключения будет существенно меньше.

Следует учитывать, что при построении конвенциональных технологических радиосетей обмена данными УКВ-диапазона на рассматриваемом оборудовании в качестве магистральных каналов связи для удаленного подключения базовых станций допускается применение любых каналов связи соответствующей пропускной способности, в то время как в радиосетях GSM-R и TETRA в качестве основных предусмотрено использование дорогостоящих каналов связи E1. В связи с этим развертывание инфраструктуры конвенциональных радиосетей оказывается в разы, а иногда и на порядок дешевле.

Увеличение скорости обмена данными и пропускной способности конвенциональной радиосети достигается не только за счет наращивания комплектов оборудования для обслуживания дополнительных каналов связи (как и в радиосетях GSM-R и TETRA), но и использованием оборудования с более широкой полосой пропускания. В настоящее время серийно выпускается комплект оборудования для работы в каналах шириной 50 и 100 кГц со скоростью обмена данными 128 и 256 кбит/с соответственно. Эффективность этого оборудования, производимого уже более пяти лет, несколько выше, чем даже у перспективной цифровой транкинговой системы связи и обмена данными TEDS — TETRA Enhanced Data System.

Таким образом, современные конвенциональные технологические радиосети обмена данными УКВ-диапазона являются надежным средством обеспечения работы АСУ различного назначения на железнодорожном транспорте. Они позволяют существенно расширить и дополнить возможности, предоставляемые системами связи GSM-R и TETRA, в части передачи информации о разрешенных параметрах движения поезда на локомотив, обеспечения надежности функционирования систем интервального регулирования с использованием радиоканала и средств спутниковой навигации, функционирования резервных каналов сбора данных и управления средствами железнодорожной автоматики и энергоснабжения. Результаты испытаний показали, что для подвижных АСУ, работающих в режиме времени, близком к реальному, такие радиосети были и остаются наиболее эффективным и практически единственным надежным решением.

Продолжение следует

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

سكس عربي مصري مجاني sexauskunft.net سكسحر unblurred hentai nicehentai.com omega hentai chinki sex renklipornoo.net village naked dance hot x porn video hindipornsite.com heather jayne nude huge dick comics streamhentai.net hentai msngs
قصص وصور سكس wiwiuku.com مشاهدة أفلام سكس ラブホテル完全盗撮 浮気ドキュメント 禁断の関係 javshare.info とらぶるだいありー brawling go 132 hentaika.org all the way through futa www.indiansexmms pornhindivideo.com ftv hot live 福岡 風俗 図鑑 javwhores.mobi 日本で一番黒いgカップグラドルの絶倫性欲でハメ撮りsexしまくった日常を記録
x videos american fucktube24.com sex odia video 完全拘束イラマチオ 3 あべみかこ javpussy.net 300maan-316 xnxx miya khalifa indianpornsearch.com www.tamil sex videos どエロイ女のムチムチ肉感!ふにゃふにゃ星人 羽生ありさ freejavstreaming.net 生意気j○妹プリ尻挑発 telugu outdoor sex hindipornmovies.org mehreen kaur pirzada