Możliwość wykorzystania publicznych standardów transmisji

PRACE NAUKOWE POLITECHNIKI WARSZAWSKIEJ
z. 113
Transport
2016
7
"
Uniwersytet Technologiczno-:]]!/X
(,?X
Instytut Kolejnictwa
297;*23}*\&2$6\'1;"X7;61\_
STANDARDÓW TRANSMISJI BEZPRZEWODOWEJ
*6$6|61;X;'-$2*1;X$X_-
KOLEJOWYM
/: marzec 2016
Streszczenie: ( ]
– badawczych,
%
& ]
C $ ]
'!
< XX
1. WPROWADZENIE
( stosowania otwartych standardów transmisji w aplika X ] C zawarte w normie PN-EN 50 159-2011. Koncepcj m.in. na Wydziale Transportu i Elektrotechniki Uniwersytetu Technologiczno – Humanistycznego w Radomiu. Zastosowanie otwartych standardów transmisji danych stanowi
%]%#
&
!! ! # +*“
(ang. Safety Integrity Levels). Zaprezentowane z pracy systemy i koncepcje ! !Xv>x, [6], [8]. W pracy przedstawiono:
298
Andrzej “XTomasz , Andrzej ,
%%^
! ™
_X
koncepcyjne (system ostrzegania kierow X ! !X !#_X
nowe propozycje systemów (system ostrzegania o konflikcie po!_]
Do zaproponowano w pracy aparat matematyczny w postaci procesów Markowa. !X$™
srk](X% zbudowane odpowiednie modele matematycz przeprowadzenie analizy pod
|]
2. OTWARTE STANDARDY TRANSMISJI
*6$6|61;X;'-$2*1;X
RUCHEM KOLEJOWYM
,&!
!…-EN 50159:2010 (Zastosowania kolejowe. Systemy X ] ¤™
& ieczna w systemach transmisyjnych), [8x] G ™
zowane na poziomie systemu sterowania jako jego element (norma PN-EN50126) oraz jest
!X!™
temów kolejowych normy PN-EN 50129, PN-EN 50128. C!™
X !& X v‘x]
Š & bezpiecznego, rozumia! ! ™
& ! ! ] X
!X !& ] Stan ten jest
definiowany dla poszczególnych typów systemów indywidualnie i tak np. „stan bezpieczny” w systemach zliczania osi oznacza sygn‡‹](
systemu !‡‹%&!™
%!X ! ™
#‡!!+>‹, [1].
W celu zapewnienia !#
!#
ce przed
#X
!] W systemach sterowania ruchem kolejowym otwarta transmisja da%&X* ™
]…%&X%™
%]
. Poza wspomnianym poziomem bezpie-
$%
& …
299
^+*“_&#
X
!#
^|™
_]
(!!%%&™
ziomu ryzyka (norma PN-EN50126), [4]]*
&!
+*“
Y…-EN 50126, PN-EN 50128, PN-EN 50129.
Zastosowanie publicznych standardów transmisji radiowej w systemach kolejowych
po ! o mniejszym znaczeniu transportowym, w tym na liniach regionalnych. Jest to istotne
X](>™
wiono wybrane parametry publicznych standardów sieci radiowych.
Tablica 1
Parametry standardów bezprzewodowych (oprac. na podstawie [7])
Parametr
Standard
2,5 G
GPRS,
EDGE
3G
LTE
UMTS, HSPA
3GPP Release 8
WiMax
IEEE
802.16e
2km
5-30-100 km
5-15 km
43 Mb/s
2-4 Mb/s
5 Mb/s
512 kb/s –
2Mb/s
C!
nadajnika
10km
Downlink
200kb/s
Uplink
80kb/s
Vmax terminala
250km/h
250 km/h
250 km/h
120 km/h
)|
>500ms
50-200 ms
20-40 ms
30-50 ms
384kb/s 7,2Mb/s
160 kb/s –
2Mb/s
Medium bezprzewodowe jest %%przewodowe, a przez to %%!%X
których celem jest nieauto#X%wprowadzenie szkodliwych danych do sieci. Zgodnie z PN-EN 50159, otwarty system transmisji danych %!%, [1]:
‡‹!X
# przetworzonych pakietów,
X# lub przekierowanie telegramów,
zmiana !X
|!]
( !% #
] % ™
]…]>#™
niach opartych na transmisji otwartej, [1]. Podstawowy standard A0 dotyczy transmisji
utoryzacja nadawcy i odbiorcy informacji. Ten sposób transmisji jest
stosowany we wszystkich obecnie eksploatowanych systemach sterowania ruchem kolejowym. W !
;/;32
dla c! telegramu i CRC€ ! !. Standard A1 wymaga stosowania
300
Andrzej “XTomasz , Andrzej ,
!#! ] +tandard B0 jest obecnie podstawo zabezpieczenia telegramów w transmisji otwartej w systemach ruchem kolejowym. W standardzie B1 wymagany jest kod kryptograficzny.
System transmisji
autoryzowany
Techniki kryptograficzne
z kluczem tajnym
nieautoryzowany
#
/
$
%
$;$&
Niekryptograficzny
$
Kryptograficzny
$
Niekryptograficzny
$
+ szyfrowanie
Niekryptograficzny
$
+ kod kryptograficzny
Typ
Typ
Typ
Typ
A0
A1
B0
B1
/]>]#
(op. na podst. [5])
…]<#ansmisji danych.
Dodatkowe dane Otwartego Systemu Transmisji
Typ A0
A1
Np. "\
Dane uzytkownika
z bezpiecznym procesem
transmisji
$
Np. kod transmisji
Typ B0
Dodatkowe dane Otwartego Systemu Transmisji
Np. "\
Typ B1
&F
(dane zaszyfrowane)
z bezpiecznym procesem
transmisji (dane zaszyfrowane)
$
(dane zaszyfrowane)
Np. kod transmisji
Dodatkowe dane Otwartego Systemu Transmisji
Np. "\
Dane uzytkownika
z bezpiecznym procesem
transmisji
Nieszyfrowany kod
$
Kod kryptograficzny
Rys. 2. Struktura informacji w systemach bezpiecznej transmisji
(op. na podst. PN-EN 50159)
Np. kod transmisji
$%
& …
301
3. KONCEPCJE ;$26*;|61; OPARTE
NA OTWARTYCH STANDARDACH TRANSMISJI
W KOLEJNICTWIE POLSKIM
%
standardów
transmisji danych w systemach automatyki .
! %
przejazdach kolejowych i przejazdach bez zapór (kategorii C), [2]. !, [8].
P™
munikacji radiowej w podnoszeniu ] Stan
™
stwa, co przedstawiono na rys. 3.
,$/
%&
(utrudnienia, naprawy, …)
(SIL1)
Aplikacje informujace o zdarzeniu
(SIL2)
,$/
$
$
(SIL3)
!%"
kierowców
,$/
$%"
$
(SIL4)
Dodatkowy system dla
maszynistów
e-Call (R)
Rys. 3. "(op. ]_
Š " Europejskiej jest stworzenie jednolitego europejskiego systemu powiadamiania o wypadkach dro!]$%&-Call. Podstawowym zadaniem systemu jest ograniczenie #!
ej niebezpiecznej sytuacji, [3]. Rozszerzeniem aplikacji e-Call
opracowanej dla transportu samochodowego jest analogiczna propozycja dedykowana dla
transportu kolejowego, co schematycznie przedstawiono na rys. 4.
302
Andrzej “XTomasz , Andrzej ,
Rys. 4. System e-Call(R) dla transportu kolejowego ^]]_
W ! #, system powinien prze& ^%! _ B+$’BSM-/ # % szlaku (lokalizacja GPS), rodzaju zdarzenia (awarii/katastrofy), informacje o liczbie pasa%]*#%&!^!™
!_ |]$%
&%]%™
tów. jest system ostrzegania na przejazdach [2], gdzie informacja
o % ! & ! !]
( % ! 1-3 km. Przedstawiony
w koncepcji %%!&!]
( % ! ! & !&B+$#% (np. nawigacji)](!
>#%!]
]5.
BSC
!
ˆ‡!
!
ˆ
&‡!
Mikrokontroler
Rys. 5. Koncepcja systemu ostrzegania %
^]]_
$%
& …
303
… ] [ ! !!!]
Centrum Sterowania
ATC
MSC
BSC
BTS
BTS
Strefa 1
Strefa 2
#;$/
MSC
Mobile Switchin Center
BSC
Base Station Controler
BTS
Base Transceiver Station
ATC
Automatic Train Control
Rys. 6. +!! ^]]_
* ! ! , przy pomocy GPS, pozycjonowania po! oraz ! ^! _ ™
wywaniu i sytuacji na szlaku, [8].
(!
standardów transmisji do systemów sterowania ruchem kolejowym. P!
aplikacji jest system opracowany # +]'] / ^linia kolejowa
Radom – Tomaszów Mazowiecki). ( !]™
w odniesieniu do systemu zabezpieczenia przejazdu kolejowego] isyjne wykorzystywane do wymiany in# ! ™
! ] / ! et metrów od kontenera czujni] ( X %X ! ! +*“X ]ydzielonej radiolinii. Pozwo ] Na rys. 7 przedstawiono schemat wykorzystania
radiolinii do komunikacji ze sterownikami stacyjnymi i systemem kontroli ]
W systemie tym X % telegramy zgodne z typem transmisji B0. Dodatkowo
X % ! wykorzystu techniki kryptograficzne z kluczem tajnym. Dane szyfrowane , !
] lgorytm szyfrowania standardzie AES z kluczem 128-bitowym. Do zaszyfrony jest dodatkowy kod integralno
;/;X zabezpiecza na wykrycie pojedynczych lub wielokrotnych ]
304
Andrzej “XTomasz , Andrzej ,
System samoczynnej
sygnalizacji przejazdowej
Systemy
;:
\
Systemy
stacyjne
Radiolinia
Radiolinia
Radiolinia
9600 bit/s / 8 bit data
433.625 MHz
433.675 MHz
Radiomodem
Radiomodem
Rys. 7. Transmisja z wykorzystaniem radiolinii
^]]]v‘x_
4. PROPOZYCJE WYKORZYSTANIA PUBLICZNYCH
STANDARDÓW TRANSMISJI W CELU POPRAWY
-6";-6-{'*1&27-;- SYSTEM
6"2;-0|\&27;62
C % &
]$!&
(($›X%]
$!&
]…%&X%X
% & # – dodatkowe informowanie,
%]/!™
& w przypadku linii regionalnych, ! & ! %
120 km/h. %X % 1600 m, zastosowanie transmisji !>= %&, rys. 8.
Transmisja radiowa – 10 km
WiFi, WiMax, ...
1600m
Min. ;$
blokowy
Rys. 8. C!i bezprzewodowych ^]]_
! panelu w kabinie maszynisty, który
#&%!|%!. Do # X !
&X & $%
& …
305
# ! !%] przedstawiono na rys. 9.
V2
V1 > V2
1
Data: xx:xx:xxx
Godzina: xx:xx
Numer toru: x
2
3
;:ˆ: XXX (km/h)
#/":ˆ: XXXX (m)
,‡‹#Œ‚
"&
Nadaj numer toru
1
2
3
4
#‚Ž‡
Rys. 9. !^]]_
…% &X % e % nie ingeruje
#, nie stanowi %™
nia ruchem kolejowym. Jest to koncepcja systemu, który pozwoli na ]
5. MODELE SYSTEMÓW
W celu przeprowadzenia analizy matematycznej zaproponowano modele oparte na
$X ! #
maszynistów o sytuacji na szlaku. C ! # sterowa X$!
]…>=Y
rys. 10a - model bez dodatkowego systemu,
rys. 10b - ]
a)
b)
μ2=μ1·(1-pFC)
1
0
3
3
μ3=1/t3
μ3=1/t3
μ1=1/t1
2
1 = ·pF
1 = ·pF
(1-pF)·
0
1
μ=1/t
Rys. 10. $$X_!!X
_^]]_
306
Andrzej “XTomasz , Andrzej ,
…]>=Y
rys. 10a:
61 – &!X
μ3 – X]
rys. 10b:
6 – &!– X
61 – &!X
pF – ,
pFC– poprawnej reakcji,
μ – !X
μ1 – !X
μ2 – &
&X
μ3 – czas X]
W przedstawionych na rys. 10 %%&Y
rys. 10a:
0 - stan poprawnej pracy,
3 - !%X
rys. 10b:
0 - stan poprawnej pracy,
1 - #|X
2 - odbiór informacji krytycznej,
3 - !%]
…]‚]>=
0 ><&
6]pF #%!X
!<
¦1Ѧ·pF. W przeciwnym
>-pF ! > ™
(1-pF)·¦.
…% ] >= ‚] / %!Y
­ dP0 (t )
°° dt
®
° dP3 (t )
¯° dt
P0 (t ) ˜ O1 P3 (t ) ˜ P 3
(1)
P0 (t ) ˜ O1 P3 (t ) ˜ P 3
%&! P3 (t ) t of ]C
&%
wzorem:
A 1 lim P3 (t ) 1 P3
t of
P3
O1 P 3
(2)
(]>=%%‚]@!%™
&Y
$%
& …
­ dP0 (t )
° dt
°
° dP1 (t )
° dt
®
° dP2 (t )
° dt
° dP (t )
° 3
¯ dt
307
P0 (t ) ˜ O (1 p F ) P ˜ P1 (t ) P0 (t ) ˜ O1 P2 (t ) ˜ P1 P3 (t ) ˜ P 3
P0 (t ) ˜ O (1 p F ) P ˜ P1 (t ) P1 (t ) ˜ O1
(3)
P1 (t ) ˜ O1 P0 (t ) ˜ O1 P2 (t ) ˜ P1 P2 (t ) ˜ P 2
P2 (t ) ˜ P 2 P3 (t ) ˜ P 3
/^‚_!owych, graniczne
P3 (t ) t of wynosi:
P3 (t ) t of
O1 P 2
P1 P 2 ˜ P 3 O1 ˜ P 2 P 3 (4)
C
& A %&Y
A 1 lim P3 (t ) 1 P3
t of
1
O1 P 2
P1 P 2 ˜ P 3 O1 ˜ P 2 P 3 (5)
W celu porównania % ™
stawione w tablicy 2. W tablicy 3 przedstawiono uzyskane wyniki.
Tablica 2
65
!
dla modeli z rys. 10a i 10b
L.p.
Parametr
*(#‘
1.
¦
12/h
2.
¦1
¦1ѦÖpF
3.
pF
0.001%, 0.1%, 1%, 10%
4.
μ1
5.
μ2
6.
μ3
30/h
μ2=μ1·(1-pFC)
gdzie pFC poprawnej reakcji – 0.999
4h
Tablica 3
Porównanie wyników !
!QV¢V¢
L.p.
1.
2.
3.
4.
(
&
A
Model z dodatkowym
sytuacji krytycznej Model bez dodatkowego
systemem
systemem
0.001%
0.1%,
1%
10%
0.999520
0.954198
0.675676
0.172414
0.999999
0.999952
0.999522
0.995410
308
Andrzej “XTomasz , Andrzej ,
Otrzymane wyniki &X % ! !#%&™
!]Š
&
AX
]
6. WNIOSKI
( ! ]
C!!™
]/erzenie systemów stosowanych w transporcie drogowym. C ! !%&!]$
X™
nienia ! & !] C X !
X % #
™
!! ]
C!
&!
X ! |X %
™
]
Bibliografia
1. Bester L., ,']Y ‡'|!!
%‹X“![’<=>„, CD s. 1856-1862.
2. Bester L.: „'!!adzie
przejazdów kolejowych”. Rozprawa Doktorska, (,?X",:/™
miu, Radom 2012.
3. @?!/‘€‘’<=>„’"?>‘<=>„]%
!;"?^@]"]“>[„‚][]<=>„X][_.
4. “']X¤C]X,]X"]Y‡,B#/;+
For Regional Lines Including New Telematic Solutions”. Archives of Transport Systems Telematics, volume 7, issue 3, 2014. s. 13-17.
5. “']X¤C]X,']Y‡,#««
railway automation systems”. Journal of KONBiN 2(26) 2013, s. 123-136.
6. “']X,]X,']Y‡/'G Method of Safety Transmission System
Certification”. Communications In Computer and Information Science no. 239. p. 47-23, Springer 2011.
7. +$]Y‡#*,+‹](skiej,
z 100, s. 201-210, Warszawa 2013.
8. ,']Y‡$!‹]/@™
X(,?X",:/X/<=>‚.
$%
& …
309
THE POSSIBILITY OF APPLICATION THE PUBLIC TRANSMISSION STANDARDS
IN RAILWAY CONTROL AND MANAGEMENT SYSTEMS
Summary: In the paper authors presented conceptions and solutions related with application of wireless
radio transmission in railway control and management systems. Presented conceptions are reflected in the
work of scientific – research, whose results confirm the possibility of using such solutions for data transmission. The proposed in the paper mathematical apparatus in the form of Markov processes allowed for assessment systems through the prism of reliability parameters.
Keywords: railway systems, transmission, safety