Publ_Zagadnienia-Kokumnikacyjne-Syst-zarz

technologie
Zagadnienia
komunikacyjne
towarzyszące problematyce
systemów zarządzania ruchem – cz. I
Zuzanna Wieczorek
Rozwój i zwiększenie wymagań
dla systemów komunikacyjnych
w transporcie
Systemy transportu publicznego są wymieniane jako jeden z najistotniejszych elementów funkcjonowania
nowoczesnego społeczeństwa, utrzymania i zwiększania tempa rozwoju
gospodarczego. Zapewnienie wysokiej
wydajności i odpowiedniego poziomu
jakości usług wiąże się z wciąż rosnącymi wymaganiami dla systemów
zarządzania, bezpieczeństwa i planowania transportu. Coraz większy stopień skomplikowania i automatyzacji
systemów informatycznych wymusza
zastosowanie nowoczesnych systemów
komunikacyjnych. Tradycyjnie w systemach teleinformatycznych obsługi
transportu, i generalnie w systemach
automatyki przemysłowej, wykorzystywano łącza szeregowe oraz transmisje
analogowe. Nowoczesne zintegrowane
systemy zarządzania i kontroli mają
wymagania przekraczające możliwości
takiego rozwiązania technicznego. Wraz
z pojawieniem się idei Inteligentnego
Systemu Zarządzania Transportem pojawiło się zapotrzebowanie na wysokowydajną strukturę komunikacyjną oferującą większe dystanse przepustowości,
mniejsze opóźnienia oraz oczywiście
przewidywalność i niezawodność.
Podobnie jak w innych gałęziach
przemysłu na rynku transportu publicznego postępuje proces liberalizacji przyspieszający rozwój systemów
ze względu na rosnące zapotrzebowanie i oczekiwania, jak również potrzebę
optymalizacji kosztów towarzyszącą
wzrostowi konkurencyjności.
28
Rozwój scentralizowanych systemów
zarządzania, systemów telematycznych
i teleinformatycznych o coraz większej
ilości przetwarzanych danych jest
możliwy dzięki bezprecedensowemu
rozwojowi systemów komunikacyjnych opartych o wysokowydajne sieci
Ethernet i protokoły IP. Postęp technologiczny w dziedzinie telekomunikacji,
w szczególności rozwój protokółów
TCP/IP oraz idei Ethernet, zaoferował
rozwiązanie wielokrotnego zwiększenia
przepustowości i niezawodności, przy
jednoczesnym drastycznym obniżeniu
kosztów i stopnia skomplikowania samej infrastruktury komunikacyjnej.
Istotnym czynnikiem popularności
tego typu rozwiązań jest otwartość
i uniwersalność rozwiązania, a co z tym
związane, możliwość współpracy z innymi systemami i urządzeniami pochodzącymi od różnych producentów.
Standard Ethernet ma długą historię,
jest stale rozwijany z uwzględnieniem
zasady kompatybilności wstecz.
Kolejnym aspektem, który należałoby
podkreślić, jest powszechny dostęp
do wiedzy technicznej. Taka sytuacja
ma miejsce ze względu na to, że rozwiązania sieciowe mają długą i spektakularną historię komercyjną, czego
przykładem może być światowa sieć
Internet. Szeroka dostępność produktów przeznaczonych dla sieci Ethernet
w wykonaniach przemysłowych jest
kolejnym atutem.
Równolegle rozwijają się technologie
monitoringu IP, CCTV (Closed Circuit
Television), czyli telewizja przemysłowa/
monitoring wideo, VoIP (Voice over IP),
czyli komunikacja głosowa poprzez
sieć IP (6), wykorzystanie GPS (np.
do pozycjonowania taboru) oraz
technologie wspierające, takie jak PoE
(Power over Ethernet), czyli możliwości
zasilania urządzeń końcowych, takich
jak telefony IP lub kamery, bezpośrednio ze specjalnych urządzeń sieciowych (8). Coraz powszechniejsze staje
się ich zastosowanie w przemyśle.
Obserwuje się znaczny wzrost zastosowania technologii monitoringu IP,
szczególnie w systemach miejskich,
lotniskowych, autostradowych, jak również w rozwiązaniach dla kolei (w kontekście systemów transportowych).
Powodem tego wzrostu jest oczywiście
łatwość instalacji i użytkowania oraz
powstawanie takich rozwiązań jak protokoły obsługi ruchu grupowego (ang.
multicast), wydajne kodeki obrazu, które
w połączeniu umożliwiają obserwację
w czasie rzeczywistym, jak również automatyczną reakcję (przy wykorzystaniu
odpowiedniego oprogramowania rozpoznawania obrazu lub sensorów ruchu).
Zastosowanie tego typu aplikacji
nie było możliwe w przypadku klasycznych rozwiązań komunikacyjnych
ze względu na ograniczenia, jakie takie
struktury niosły ze sobą. Przykładowo
sama transmisja monitoringu, w trybie
rzeczywistym, wymaga przepustowości
niekiedy nawet 100 razy wyższych, niż
oferowane przez zwykłe połączenia
szeregowe i zastosowanie modemów
telefonicznych i im podobnych. Coraz
szersze zastosowanie monitoringu
wideo jako praktycznego narzędzia
ułatwiającego kontrolę i zarządzanie
ruchem ma miejsce szczególnie w systemach transportu drogowego.
infrastruktura
transportu
2/2009
Zwiększenie się dystansów wraz
z większymi wymaganiami dla przepustowości sieci narzuca w większości
aplikacji wykorzystanie infrastruktury
światłowodowej, która jest dodatkowo
odporna na wszelkie zakłócenia natury
elektromagnetycznej i umożliwia tworzenie bardzo rozległych sieci.
Istnieją jednak rozwiązania pozwalające na swobodną migrację z wykorzystaniem już istniejących struktur
okablowania miedzianego lub łączy
modemowych, jak na przykład:
•rozwiązania dostępu szerokopasmowego (xDSL, w szczególności
GSHDSL), czyli tzw. ekstenderów
Ethernet,
•rutery PPP,
•serwery portów szeregowych.
Charakterystyczne dla topologii scentralizowanych systemów zarządzania
są fragmenty sieci brzegowej łączone
do lokalnych punktów agregacji danych
(klasycznie – łącza szeregowe, T1),
na tym poziomie wystarczają przepustowości od kilku do 100 Mbps, takie lokalne punkty łączone są do sieci szkieletowej (klasycznie – SDH, SONET, ATM),
której przepustowości muszą sięgać już
od 100 Mbps do 1 Gb lub więcej.
Zastosowanie Ethernetu upraszcza
strukturę i ułatwia zwiększanie niezawodności poprzez zastosowanie
stosunkowo prostych topologicznie
struktur redundantnych (jak np. topologia pierścienia redundantnego) w połączeniu z protokołami rekonfiguracji
sieci – RSTP, RSTP2004, superszybkie
protokoły patentowe poszczególnych
producentów: FRNT (Westermo),
S-RING (GarrettCom), Turbo-Ring
(Moxa), Hyper-Ring (Hirshmann), eRSTP (RuggedCom) etc. (11).
Dodatkowo możliwa jest integracja
i implementacja takich usług jak synchronizacja czasowa już na poziomie
transmisji danych, czyli systemu komunikacyjnego (7).
Komunikacja IP to nie tylko komunikacja z wykorzystaniem infrastruktury
światłowodowej lub wspomnianego
już okablowania miedzianego. Coraz
większe zastosowanie znajdują rozwiązania bezprzewodowe, wśród których
największą popularnością cieszą się
technologia Wi-Fi (IEEE 802.11) oraz
pakietowa transmisja danych w oparciu
o sieci operatorów telefonii komórkowych – GPRS/Edge/3G/HSDPA/
HSUPA (11).
Idea Scentralizowanego
Inteligentnego
Systemu Zarządzania
Scentralizowane Inteligentne Systemy
Zarządzania Transportem oferują
wzrost przejrzystości i efektywności,
przy jednoczesnym polepszeniu jakości
usług i zwiększeniu bezpieczeństwa.
W uogólnieniu na taki system,
na przykładzie wdrożonych już
na świecie rozwiązań dla komunikacji
miejskiej, składają się (1):
•system ułatwiający koordynację ruchu – system przydzielania priorytetów na przejeździe lub skrzyżowaniu
związany z działaniem sygnalizacji
świetlnej, automatyczne sterowanie
sygnalizacją (kamery z czujnikami
zamiast pętli indukcyjnych),
• system nawigacji:
– czujniki – system nawigacji realizowanej na zasadzie komunikacji
z sensorami rozmieszczonymi
na stałe na niezmiennej trasie przejazdu,
– GSM – system nawigacji jako usługa
operatora telefonii komórkowej,
– GPS – system nawigacji satelitarnej,
– monitoring wizyjny,
•system komputerów pokładowych,
monitoringu wnętrza pojazdu,
•system rzeczywistych i bieżąco odświeżanych informacji dla pasażerów
– m.in. informacje o odchyleniach
względem rozkładu,
•system monitoringu infrastruktury
i tras,
•centra zarządzania ruchem – zarządzanie dyspozytorskie,
•system zarządzania kosztami eksploatacji, taborem, harmonogramami
pracy kierowców,
•elektroniczne pobieranie opłat,
•identyfikacja liczby pasażerów (planowanie oferty przewozowej).
We wszystkich systemach transportu – począwszy od wojskowych,
poprzez kolej, systemy lotniskowe
i na systemach autostradowych i miejskich skończywszy – boom przeżywa
wykorzystanie wspomnianej już technologii CCTV/IP, czyli zastosowania
cyfrowych kamer (ewentualnie analogowych w połączeniu ze specjalnymi
serwerami wideo) komunikujących się
z wykorzystaniem protokołów IP.
Powstanie i spopularyzowanie tego
rozwiązania znacznie upraszcza zagadnienia transmisji w kontekście ciągłego monitoringu ruchu, przejazdów
www.infrastruktura.elamed.pl
r e k l a m a
technologie
29
technologie
oraz monitoringu wewnątrz pojazdów
(pracującego nominalnie w trybie rzeczywistym).
Główny nacisk w niniejszym artykule
położono na zagadnienia związane
z monitoringiem IP jako szczególnie
wymagające w kontekście komunikacji.
Zastosowanie Ethernetu i komunikacji IP uławia jednak również rozwiązanie szeregu innych problemów, jak
na przykład zdalna diagnostyka (np.
serwery WWW), zarządzanie dostępem
użytkowników, szybki i bezpieczny
dostęp do informacji, logiczne wydzielanie kanałów komunikacyjnych
ze względu na ich znaczenie dla systemu – np. VLAN (Virtual Local Area
Network – wirtualne sieci lokalne),
zarządzanie infrastrukturą teleinformatyczną (SNMP – Simple Network
Management Protocol) (11).
Urządzenia mające zastosowanie
w nowoczesnych systemach transportu
zwykle mają narzucone pewne własności komunikacyjne, do których należą
między innymi (1):
•obsługa synchronicznych/asynchronicznych protokołów,
•interfejs Ethernet TCP/IP,
•lokalny (np. port RS232) i zdalny
podgląd danych (np. serwer WWW,
Telnet lub jego bezpieczniejsza wersja
– SSH),
•diagnostyka, bezprzewodowy dostęp
(GSM/GPRS, niekiedy WiFi albo
IrDA),
•prostota instalacji i użytkowania,
•budowa modułowa.
Dostosowanie urządzeń
komunikacyjnych dla potrzeb
systemów transportowych
Warunkiem koniecznym zastosowania
powszechnie używanej komercyjnie
technologii Ethernet i IP jest przystosowanie urządzeń do pracy w trudnych
warunkach oraz zupełnie innego trybu
ich eksploatacji. Jest to kwestia kluczowa ze względu na konieczność zastosowania zupełnie innych, nowatorskich
rozwiązań, jak również wykorzystywania najwyższej jakości komponentów
elektronicznych.
Podstawową cechą urządzeń stosowanych w systemach transmitujących
krytyczne dane musi być wymierna,
dla oceny potencjalnego użytkownika,
niezawodność. Niezawodność taka poprzez producentów charakteryzowana
jest albo wprost – poprzez współczyn-
30
niki MTBF (Mean Time Between Failure),
które jednak mają sens formalny tylko
przy określeniu warunków lub normy,
według których zostały wyliczone –
albo poprzez deklarację producenta
w kwestii spełnianych norm i standardów, jak również dołączonych
certyfikacji.
Głównymi cechami odróżniającymi
rozwiązania przemysłowe od rozwiązań komercyjnych, jak również wpływającymi na znaczną różnicę w ich cenie
są między innymi:
–podwyższona odporność na zakłócenia elektromagnetyczne oraz ściśle
standaryzowany poziom emisji takich zakłóceń w stosunku do innych
urządzeń,
–możliwość pracy w dużym zakresie
temperatur i wilgotności, co umożliwia montaż na zewnątrz budynków,
–mały pobór mocy,
–wysoka odporność mechaniczna
(wstrząsy, wibracje etc.),
–zastosowanie specjalnych rozwiązań
izolacji elektrycznej (9) pomiędzy poszczególnymi interfejsami (wymagania dla takich izolacji różnią się w zależności od specyfiki zastosowania,
co jest regulowane przez normy odpowiednie dla danej gałęzi przemysłu
i transportu. Przykładowo: normy
kolejowe: PN-EN550121-2, normy
dla systemów kontroli transportu:
NEMA TS-2, TEES, norma energetyczna – IEC61850).
Wykorzystanie urządzeń w wykonaniach przemysłowych gwarantuje ich
poprawną pracę w bardzo trudnych
warunkach środowiskowych, a tym
samym niezawodność systemu komunikacyjnego. Częstokroć automatycznie zwiększa też bezpieczeństwo
funkcjonowania kosztownych partii
systemu, stanowiąc barierę izolującą
od niepożądanych zakłóceń.
Państwa, których zainteresowanie
wzbudziły zagadnienia komunikacji
przemysłowej, zapraszam do działu
Edukacja na stronie www.tekniska.pl, jak
również odwiedzenia stron www.westermo.com, www.garrettcom.com, www.elprotech.com, gdzie można znaleźć szereg
interesujących artykułów technicznych
i przykładów wdrożeń systemów komunikacji przemysłowej z wyszczególnieniem
systemów dla transportu.
Wszystkich zainteresowanych czytelników pragniemy zachęcić do zapoznania się z drugą częścią artykułu,
którą opublikujemy w następnym
numerze „Infrastruktury Transportu”.
Jego autorką będzie Zuzanna Wieczorek, specjalista z firmy Tekniska
Polska.
Źródłami informacji wykorzystanych
w artykule są m.in. dokumenty RFC,
Wikipedia, materiały ze stron www.
tekniska.pl, www.westermo.com oraz
www.garrettcom.com.
q
Piśmiennictwo
1. Inteligentny System Zarządzania Transportem Publicznym. Praca zbiorowa, Zespół Automatyki w Transporcie, Wydział
Transportu, Politechnika Śląska.
2. Gutknecht B.: Modemy GSHDSL produkcji WESTERMO w systemach kolejowych
firmy KOMBUD. Zakład Automatyki
KOMBUD SA.
3. Westermo’s Ethernet switches reduce the
costof traffic data collection in Milan. Materiały referencyjne firmy Westermo.
4. Newcastle International Airport Westermo
Ethernet Line Extenders increase reliability
and improve visibility of Building Management. Materiały referencyjne firmy
Westermo.
5. GarrettCom 6K Switches Network THEA’s CrossTown Expressway with Fiber
Rings, Redundancy. Materiały firmy
GarrettCom.
6. Holmeide Ø., Skeie T.: VoIP drives realtime
Ethernet.
7. Nylund S., Holmeide Ø.: IEEE 1588
Ethernet switch transparency – No need
for Boundary Clocks!
8. Power over Ethernet. The Industrial Opportunity Today. A position paper by GarrettCom, Inc., November 2006.
9. Moduł zabezpieczający TBU. Dokumentacja urządzeń firmy Westermo.
10.Transmisja radiowa w warunkach przemysłowych – porównanie pasm częstotliwości
2.4 GHz vs. 869 MHz. Materiały i dokumentacja techniczna firmy Elpro.
11.Wieczorek Z.: Kompendium przemysłowej
komunikacji IP – cz. I i II. „APA” 3/2009,
4/2009.
Summary
Rapid growth in area of communications
solutions both for commercial and industrial
use made possible development of centralized intelligent management systems. Need
for such multilevel systems has been noticed
in most of industrial areas including Transportation Systems. Combining these needs
with new attitude to communication systems
using Ethernet/LAN structures and protocols
results in emerging more and more fully automated, centralized management systems
of very high data operation capacity which
additionally decreases cost of modernization, development and maintenance.
infrastruktura
transportu
2/2009