В данной статье представлена краткая информация о возможностях узкополосных технологических радиосетей управления и сбора данных в интересах 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.
Статья предназначена для руководителей и технических специалистов, связанных с организацией работы железнодорожного транспорта, управления напольным оборудованием, удаленного сбора производственной телеметрии, а также компаний-интеграторов, разрабатывающих и внедряющих автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУ ТП) в промышленности и на транспорте.
Мы благодарим руководство компании «АВП-технология» (http://www.avpt.ru), лидера в отрасли автоматизации процессов управления подвижным составом железных дорог, за возможность публикации настоящих материалов.
3. 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 надёжности 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 ниже.
Технические характеристики оборудования радиосвязи, применяемого и планируемого к применению на железнодорожном транспорте.
| Характеристика | GSM-R1 | TETRA | IEEE 802.11 |
|---|---|---|---|
| Рабочая частота | 876–880, 921–925 МГц | 410-430, 450-470 МГц | 2,4/5,8 ГГц |
| Пропускная способность радиоканала | 200 кГц | 25 кГц | 20–40 МГц |
| Максимальная скорость обмена данными | 172 кбит/с | 7,2 кбит/с2 | >10 Мбит/с |
| Поддержка IP-протокола | Нет | Нет | Да |
| Вид модуляции, метод доступа к каналу связи | GMSK, TDMA | DPSK, TDMA | QPSK, QAM |
| Состояние | Серийное производство | Серийное производство | Серийное производство |
| Позиционирование на рынке | Планируется использовать до 2030 года | Практически устаревшая | Широко применяется и развивается |
Продолжение Таблицы 1.
| Характеристика | ITC220 | LTE-R | Спутниковая |
|---|---|---|---|
| Рабочая частота | 217,5-222,0 МГц | 450 и 800 МГц, 1,4 и 1,8 ГГц | Аренда канала связи |
| Пропускная способность радиоканала | 25 кГц | 1,4–20 МГц | >20 МГц |
| Максимальная скорость обмена данными | 16–32 кбит/с | 10/50 Мбит/с | >2 Мбит/с |
| Поддержка IP-протокола | Да | Да | Да |
| Вид модуляции | 4DQPSK | QPSK, 16-QAM, 64-QAM (OFDM, SCFDMA) |
FSK-PSK |
| Состояние | Серийное производство | Разработка | Серийное производство |
| Позиционирование на рынке | Только в США (компания Metrolink) |
Согласование стандарта | Только в Европе (компании Thalys, SNCF) |
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 Европейкой системы управления движением железнодорожного транспорта ERTMS (European Railway Traffic Management System). Основой для адаптации послужило типовое оборудование сотовой связи стандарта GSM3, работающее в диапазонах 876–880 (в направлении «удаленный объект — базовая станция») и 921–925 МГц (в направлении «базовая станция — удаленный объект»). Пропускания 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.
Масштабы использования средств связи стандарта GSM-R.
| 1998 | 2000 | 2002 | 2004 | 2006 |
|---|---|---|---|---|
| ФРГ | Нидерланды | Бельгия | Китай | Алжир |
| Италия | Испания | Финляндия | Индия | Турция |
| Швеция | Франция | Саудовская Аравия | Австрия | |
| Великобритания | Норвегия | Чехия | Болгария | |
| Словакия | Греция | |||
| Швейцария | Литва |
Продолжение Таблицы 3.
| 2008 | 2010 | 2014 | 2018 |
|---|---|---|---|
| Австралия | Ирландия | ЮАР | Аргентина |
| Ливия | Люксембург | Бразилия | Венесуэла |
| Тунис | Польша | Израиль | Иран |
| Дания | Румыния | Туркменистан | Ирак |
| Португалия | ОАЭ | Казахстан | Корея |
| 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 МГц, 410-430/450-470 МГц и 870-876/915-921 МГц. Используется метод многостанционного доступа с временным разделением TDMA (Time Division Multiple Access) - на одной физической частоте образуется 4 логических канала (слота). Пятый слот используется для передачи служебной информации. Пропускания 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.
С целью 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 стоящие 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 решения этой задачи они являются наиболее зрелым на сегодняшний день решением. Но, в связи с этим, 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 являются серьезным ограничением при обмене данными. Например, в транкинговой системе отсутствует жесткое закрепление канала между абонентами на весь период установления связи4. 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 связи 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 разы выше, чем у обычной (конвенциональной5) системы «голосовой» связи.
В настройках транкинговых систем предусмотрена дополнительная задержка после завершения передачи очередного «голосового» сообщения, длительность которой может составлять до 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 являются практически незаметными при переговорах, то для системы обмена данными6 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 от нескольких 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 за счет 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 оказывается также 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 GPRS7 и EDGE8) 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 использования 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 на себе ощутили всю прелесть работы в информационной сети Интернет и одновременного общения по телефону в том же канале. Однако в технологических радиосетях такое решение оказывается принципиально неприемлемым: 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 потребуется. Практический опыт показывает, что относительно высокая надёжность 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 надёжности каналов передачи данных, а также требования систем управления по объемам и скорости передачи данных.
Данные об объемах данных, передаваемых в интересах организации интервального регулирования движения поездов, представлены ниже.
Объемы данных, передаваемых в интересах организации интервального регулирования движения поездов.
| № | Характер информации | Объём данных, байт |
|---|---|---|
| 1 | На постоянной основе | |
| - скорость поезда | 4 | |
| - координаты поезда | 8 | |
| - сигналы АЛС | 4 | |
| 2 | По требованию | |
| - экстренная остановка | 2 | |
| - актуализация графика движения | 10 | |
| - ограничение скоростного режима | 10 | |
Все данные передаются с периодичностью раз в три секунды для высокоскоростных поездов и раз в семь секунд для всех остальных пассажирских и товарных поездов.
Перспективные автоматизированные системы управления движением поездов предполагают широкое использованием средств радиосвязи для обеспечения обмена данными по следующим направлениям:
пункт диспетчерского управления — локомотив;
депо — локомотив;
локомотив — ЖАТ9.
Каждое из направлений передачи данных10 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 надёжности 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 WiFi (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 МГц11);
технологическая радиосвязь УКВ (диапазон УВЧ — очень высоких частот, 380-490 МГц12);
Сравнение производилось с учетом следующих основных оперативно-технических требований:
надёжность связи в движении и во время стоянки;
надёжность доставки данных;
дальность связи;
задержка при получении данных;
скорость обмена данными/пропускная способность.
Результаты исследования представлены ниже.
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 WiFi | 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 МГц, 149,9-162,7625 МГц и 163,2-168,5 МГц.
(продолжение следует)