Микропроцессорная централизация
МПЦ EBI Lock с крупными сетями на уровне объектных контроллеров
МПЦ Крайензен на линии Ганновер — Гёттинген в Германии, которая управляет участком длиной 52 км с шестью станциями (534 объекта управления) с использованием 137 узлов сети и примерно 184 км волоконно-оптического кабеля. Эта МПЦ подключена к региональному центру управления движением поездов в Ганновере.
Как и в других областях, связанных с критически важными инфраструктурными объектами, в сфере управления и обеспечения безопасности движения поездов наблюдается устойчивая тенденция к применению стандартных средств передачи информации. Подобные технические решения дают значительную экономию при строительстве и техническом обслуживании, однако развитие традиционных сетей с использованием протокола IP идет в разрез с требованиями, предъявляемыми к системам СЦБ, что влечет за собой потребность в поиске приемлемых подходов к их использованию для решения поставленных задач, особенно в условиях масштабирования систем централизации. Компания Bombardier является крупнейшим в мире изготовителем МПЦ с сетевой архитектурой: такие системы внедрены компанией уже в 33 странах (рис. 1). Крупнейшая подобная МПЦ эксплуатируется в Гётеборге (Швеция). Архитектура МПЦ компании Bombardier основана на последо-
вательном использовании сетевых технологий (рис. 2). Другие увязки используются в настоящее время только в тех случаях, когда соседние системы (например, релейные централизации или МПЦ старых типов) не имеют сетевых интерфейсов. Типичным примером системы с такой конфигурацией является
Число объектов, управляемых через сети передачи данных 160 000 140 000 120 000 100 000 80 000 60 000 40 000
2012
2011
2010
2009
2008
2007
2006
2005
2004
2003
2002
2001
2000
1999
1998
1997
1996
1995
1994
1993
1992
1991
1990
1989
1988
0
1987
20 000
Годы
Рис. 1. Число объектов, управляемых через сети передачи данных в системах централизации производства компании Bombardier по всему миру
Сети передачи данных в системах СЦБ Многие инфраструктурные компании во всем мире используют собственные телекоммуникационные сети. В ряде стран Европы это стало результатом дерегулирования в телекоммуникационной отрасли в конце 1990‑х годов — железнодорожные компании и другие операторы инфраструктуры сделали попытку выйти на рынок услуг связи. Соответственно, эти телекоммуникационные сети ориентированы на предоставление традиционных услуг. В других странах (преимущественно за пределами Европы) подобные сети строились для компенсации неразвитости существующей инфраструктуры. С ростом числа сетей передачи данных, пришедших на смену выделенным линиям на основе медного кабеля, стало ясно, что концентрация телекоммуникационных потоков дает ощутимый экономический эффект. В связи с этим операторы железных дорог стремятся использовать корпоративные телекоммуникационные сети также для обмена информацией в системах управления и обеспечения безопасности движения поездов. Однако эти сети зачастую не полностью соответствуют потребностям устройств СЦБ, поскольку ориентированы на предоставление традиционных телекоммуникационных услуг. Операторы сетей в качестве основного показателя рассматривают свободную полосу пропускания и не считают необходимым улучшать другие важные параметры.
52 ЖЕЛЕЗНЫЕ ДОРОГИ МИРА — 2015, № 5
Микропроцессорная централизация
Проблема оптимизации Объемы передачи данных по протоколу IP продолжают расти высокими темпами во всем мире. Средний темп роста составляет 19%, причем в Германии доля видеоинформации в общем объеме передаваемых данных достигнет в 2018 г. 81%. Из этого следует, что развитие сетей с протоколом IP будет ориентировать в основном на повышение скорости и асимметричную передачу большого объема информации при сравнительно широкой полосе пропускания, чтобы обеспечить достаточное качество обслуживания. Вместе с тем применение протокола IP в сети для решения задач управления предусматривает преимущественно передачу большого числа пакетов малого размера; при этом интенсивность коммуникаций растет линейно по мере увеличения числа элементов исполнительного уровня, т. е. объектных контроллеров и подключенных к ним напольных устройств. В результате по мере роста числа подключенных к сети компонентов возникают проблемы, которые незаметны в МПЦ небольшого размера (например, пилотных). Это не позволяет в достаточной мере оценить в таких проектах эффект масштабирования. Хотя интенсивность обмена информацией при расширении системы увеличивается почти линейно, влияние сетевого компонента на работу инфраструктуры становится непропорционально большим, в частности нелинейно растет число коммуникационных связей между устройствами, подключенными к сети. Это также не соответствует типичному сценарию использования телекоммуникационных сетей, где господствуют соединения архитектуры клиент-сервер и частично — точка-точка. Распространение пиринговых протоколов (например, торрентпротоколов) на первый взгляд противоречит этому утверждению,
ЖЕЛЕЗНЫЕ ДОРОГИ МИРА — 2015, № 5
АРМ диспетчера Региональный центр управления
Шина сети слежения за движением поездов
Локальная сеть распорядительного поста МПЦ Компьютер централизации ОК
ОК
ОК
ОК
ОК
ОК
Магистральная/локальная сеть ОК
ОК
Объектные контроллеры (ОК) ОК
ОК
ОК
Стрелочный привод
Счетчик осей
ОК
Светофор
ОК
ОК
Приемоответчик Переездная Eurobalise сигнализация
Блокировка
Рис. 2. Сетевая архитектура МПЦ компании Bombardier
поскольку здесь каждый клиент выступает одновременно как сервер для других клиентов. Такое смещение потоков данных создает значительные проблемы для операторов при оптимизации сетей, в результате чего некоторые из них сознательно блокируют или активно замедляют эти потоки. Дополнения к стандарту Ethernet для промышленного применения или использования в качестве замены сетей с шинной структурой (сеть EtherNet/IP, дополненная протоколом CIP) направлены на решение рассмотренных проблем. Однако при их практическом использовании возникают проблемы как недостаточной производительности, так и ограниченного выбора компонентов, что влечет за собой увеличение их стоимости. Коммуникационные протоколы МПЦ типов EBI Lock 950 и EBI Lock 500 компании Bombardier спроектированы таким образом, чтобы не выдвигать повышенных требований к инфраструктуре (в отношении как функций, так и защиты данных), влекущих за собой удорожание
оборудования, и максимально расширить выбор сетей. К настоящему времени реализованы проекты с применением сетей ATM, IP и разных сред передачи (волоконно-оптические и медные кабели, система радиосвязи GSM-R).
Параметры сетей Классические параметры сетей, такие как ширина полосы пропускания, задержки и число потерянных пакетов, все в большей мере теряют свое значение. Особенно это касается применения сетевых технологий в системах управления. Ширина полосы пропускания определяется уже не физическим носителем (волоконно-оптическим кабелем), а уровнем развития оконечных устройств, который может быть все еще значительно повышен. Одновременно продолжают сокращаться задержки передачи в сетях. Потери данных в современных высокопроизводительных сетях в нормальном режиме работы почти исключены. Они случаются только при выходе из строя оборудования в узлах
53
Микропроцессорная централизация
сети или оконечных устройств (либо вследствие переключения на резервное оборудование), повреждении линий передачи (либо при связанном с этим переконфигурировании сети), перегрузках сети и ошибках конфигурирования оборудования в ее узлах. Другие параметры, характеризующие качество передачи, такие как число повторно переданных пакетов, полностью потеряли свое значение. В то же время важное значение приобретают такие параметры, как гарантированная ширина полосы пропускания, требующие гармонизации с учетом экономически эффективной загрузки инфраструктуры. При выборе промышленных сетевых компонентов важно ориентироваться на параметры, отвечающие потребностям используемых приложений. Так, в отличие от обычных требований максимальная скорость передачи данных не является решающим критерием для систем управления и обеспечения безопасности движения поездов. Компания Bombardier использует в своих разработках модификации серийно выпускаемых компонентов для оптимального удовлетворения предъявляемым требованиям.
Организационные проблемы Разделение систем управления и обеспечения безопасности движения поездов на организационно независимые подсистемы, которые развиваются и эксплуатируются в значительной мере автономно, влечет за собой разделение ответственности при решении возникающих проблем. Опыт IT-отрасли показывает, что при разделении функций происходит также распределение ответственности между разными службами, что влечет за
собой значительные задержки, связанные с решением проблем, затрагивающих сферы ответственности сразу нескольких служб. Важную роль в этом случае играют диагностические функции применяемых телекоммуникационных сетей. Для сетей, которые проектируются, строятся и эксплуатируются без участия поставщиков средств СЦБ, необходимо разработать адекватную модель, поскольку обычные параметры качества обслуживания не позволяют в полной мере обеспечить функциональное взаимодействие между оператором и пользователем сети. Необходимо также проработать эффективное и прозрачное техническое и организационное взаимодействие между ними. Особое значение это приобретает в условиях, когда сетевые услуги все в большей мере включаются в доказательство безопасности систем и в договорные отношения.
Перспективы Применение сетей на основе протокола IP и промышленных компонентов позволяет существенно снизить стоимость коммуникаций в системах управления и обеспечения безопасности движения поездов. В то же время характер использования сети этими приложениями существенно отличается от типичных моделей. Компания DB Netz — оператор инфраструктуры железных дорог Германии (DB) последовательно добивается стандартизации в сфере систем централизации — от архитектуры МПЦ до применяемых протоколов передачи данных. Она разработала эталонную архитектуру МПЦ, для которой характерны разделение трактов передачи энергии и информации, применение промышленных стандартов передачи данных,
разделение аппаратных и программных средств, отвечающих за безопасность, концентрация ответственных функций в центральных процессорах и в напольных устройствах, дополненных интеллектуальными функциями, позволяющими переводить эти устройства в безопасное состояние в случае отказов. При использовании такой архитектуры МПЦ появляется возможность организовывать связь между постовым оборудованием и напольными устройствами через открытые сети передачи данных. В связи с этим разработана концепция железнодорожной сети передачи данных на основе протокола IP, в которой установлены требования к параметрам обмена информацией. Безопасность передачи данных в этой сети будет обеспечиваться протоколом RaSTA (Rail Safe Transport Application), а информационная безопасность при использовании общедоступных линий связи — при помощи компонента KISA (телекоммуникационная инфраструктура для ответственных приложений), реализуемого независимо от системы централизации. Спецификации на RaSTA и KISA выложены в открытый доступ. Пока нет достаточной уверенности в том, что такая сетевая инфраструктура для систем управления и обеспечения безопасности движения поездов, создаваемая компанией DB Netz, будет соответствовать поставленным задачам. Ее комплексные испытания состоятся в 2015 г. и дадут возможность сделать важные выводы как для изготовителей средств СЦБ, так и для DB Netz. D. Kraas, M. Guss. Signal und Draht, 2015, № 4, S. 22 – 24; M. Leining, B. Elsweiler. Deine Bahn, 2014, № 1, S. 7 – 11; материалы компании Bombardier (www.bombardier.com).
54 ЖЕЛЕЗНЫЕ ДОРОГИ МИРА — 2015, № 5