Радиосети перспективных автоматизированных систем управления поездами

С.МАРГАРЯН, заместитель генерального директора — главный конструктор ЗАО «НПП «Родник»,
А.КЛИМЕНКО, заместитель директора — технический директор ТОО «ADVANTEK SYSTEMS», г. Алматы

В настоящей статье рассматриваются вопросы создания и использования узкополосных технологических радиосетей обмена данными диапазона ультракоротких волн (УКВ) в интересах функционирования перспективных автоматизированных систем управления (АСУ) поездами и поездными составами. Сегодня просто невозможно недооценивать значение внутренних, внешних и транзитных транспортных железнодорожных перевозок в Республике Казахстан. Важность развития сферы транзитных перевозок обусловлена в частности высоким потенциалом валютных поступлений в страну. По оценкам экспертов, размер возможных доходов от организации транзитных перевозок через территорию Казахстана оценивается в сумме порядка 2 млрд. долларов в год. Поэтому к развитию инфраструктуры железнодорожного транспорта прослеживается отнюдь не праздный интерес. Модернизация также направлена на приведение существующей сети железных дорог в соответствие с мировыми стандартами безопасности и скорости движения, как и оптимизация сети посредством строительства новых участков, исходя из потребностей населения, всей экономики республики. В ближайшие годы намечено провести поэтапное обновление основных фондов объектов инфраструктуры и приведение их в соответствие с международными стандартами железнодорожного транспорта. Одной из важнейших задач наряду со строительством новых линий остается построение современных автоматизированных систем управления поездами. В статье представлена информация о современных специализированных технических средствах связи и передачи данных, созданных и эксплуатируемых за рубежом для обеспечения работы АСУ. Статья рассчитана на технических специалистов в области автоматизированных систем управления и сбора данных на железнодорожном транспорте.

1. Введение Последовательное развитие подвижного состава и железнодорожной инфраструктуры в условиях возросшей интенсивности перевозок железнодорожным транспортом обусловили 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. В США такая программа получила наименование PTC. Она предусматривает реализацию интегрированной автоматизированной системы управления поездом, обеспечивающую автоматическое снижение скорости или его остановку с целью исключения столкновения, схода по причине превышения допустимой скорости движения, несанкционированного входа в зону проведения путевых работ и взреза стрелки. При этом предполагается оснащение средствами создаваемой системы 22 тыс. локомотивов и 36 тыс. устройств железнодорожной автоматики и телемеханики (ЖАТ). Обеспечивающая функционирование системы радиосеть должна включать в себя 4200 базовых станций (БС) и 55700 радиомодемов для подвижного состава и ЖАТ¹⁾. Создание перспективной системы управления движением в Европе ведется в рамках программы CBTC, которая предусматривает автоматизацию технологических процессов в трех основных областях: безопасность, управление и контроль движения поезда. Система должна выполнять непрерывное автоматизированное управление поездом на основе сбора текущих данных о его местоположении и параметрах движения, а также постоянный информационный обмен между пунктом диспетчерского управления, поездами и ЖАТ. Программа предусматривает возможность организации движения поездов в автоматическом режиме без участия машиниста в процессе управления поездом на перегонах или на всем участке движения. Обе вышеупомянутые системы предполагают использование автоматизированного обмена данными между пунктом диспетчерского управления, поездами и устройствами ЖАТ по беспроводным каналам связи.

2. Беспроводная связь для перспективных автоматизированных систем управления движением 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 — ЖАТ.

Каждое из направлений передачи данных 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, позволяющей удовлетворить требования, предъявляемые перспективными АСУ поездами. В ходе исследований рассматривались следующие виды 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 радиосеть УКВ (диапазон УВЧ — ультравысоких частот, 150-220 МГц);
• технологическая радиосеть УКВ (диапазон ОВЧ — очень высоких частот, 380-490 МГц).

Сравнение проводилось с учетом следующих основных 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 1²⁾.

Таблица 1 Результаты оценки эффективности использования различных видов связи в интересах перспективных автоматизированных систем управления поездами

Таким образом, по заявленным критериям наиболее эффективным средством беспроводной связи для перспективных автоматизированных систем управления поездами следует считать технологическую радиосеть обмена данными, работающую в диапазоне ОВЧ.

3. Специализированная радиотехническая платформа ITC 220³⁾

Радиотехническая платформа ITC 220 создана в рамках программы PTC для использования на железных дорогах США. В настоящее время она является самой современной (разработка завершена в конце 2011 года) и фактически единственной платформой с техническими характеристиками, полностью удовлетворяющими требованиям АСУ поездами. Она оптимизирована для железнодорожных приложений, связанных с управлением и обеспечением безопасности движения. В состав платформы входят:

• бортовой радиомодем для подключения локомотивов;
• стационарный радиомодем для подключения устройств ЖАТ;
• базовый радиомодем (базовая станция).

В составе оборудования применяется многоканальный приемопередатчик, разработанный с использованием технологии SDR (Software Defined Radio — программно-определяемое радио⁴⁾), который обеспечивает пакетный обмен данными в составе единой радиосети для всех подключенных к ней бортовых и стационарных устройств. Все оборудование предназначено для эксплуатации в условиях, характерных для железной дороги. Бортовой радиомодем обеспечивает обмен данными локомотивной бригады и бортовой автоматики с пунктом диспетчерского управления и депо, а также прием данных от устройств железнодорожной автоматики и телемеханики напрямую или через БС. Внешний вид бортового радиомодема ITC 220 представлен на рис. 1.

Таблица 2 Основные технические характеристики бортового радиомодема ITC 220

Общие характеристики	Базовый радиомодем ITC 220
Диапазон рабочих частот, МГц	217,5-222,0
Шаг сетки радиочастот, кГц	25
Масса, кг	20
Скорость обмена данными, кбит/с	16, 32
Диапазон рабочих температур, град. С	от -40 до 70 (хранение от -55 до 85)
Влажность, %	0-95, без образования конденсата
Рабочее напряжение, В	42-54 постоянный ток (60 — максимально допустимое кратковременное); 21-27 постоянный ток (30 — максимально допустимое кратковременное)
Потребляемый ток, А:
– передача	48 В: 6 (пиковый), 4 (номинальный); 24 В: 11 (пиковый), 7,5 (номинальный)
– прием	48 В: 0,6 (максимальный); 24 В: 1,2 А (максимальный)
Светодиодный индикатор	работоспособность, диагностика состояния (на передней панели)
Антенна	три N-типа (F), приемопередающая и две приемных
Антенна GPS	активная или пассивная, 3,3 В, 50 мА, TNC(F)
Ethernet	два порта 10/100Base-T разъем RJ45, информационный и настроечный
Модуль интерфейса настройки	карта SD
Соответствие стандартам	США: FCC часть 2, 15 и 90; Канада: SRSP-512
Передатчик
Выходная мощность, Вт	10-75, программно-регулируемая
Вид модуляции	4DQPSK
Тип излучения	8K90DXW (16 кбит/с), 17K90DXW (32 кбит/с)
Внеполосные излучения, дБм	-25, максимально
Занимаемая полоса	Пять объединенных каналов, соответствует 47CFR90.210(f)
Максимальный рабочий цикл, %	50
Приемник
Максимальная чувствительность, статическая BER <10-4, дБм	-111 (16 кбит/с), -108 (32 кбит/с)
Избирательность по соседнему каналу, дБ	70
Подавление зеркального канала, дБ	70
Подавление эффекта интермодуляции, дБ	65
Количество одновременно принимаемых каналов	16 (восемь парных, включая семь 16 кбит /с и 16/32 кбит/с, с автоматической настройкой)

Стационарный радиомодем ITC 220 обеспечивает обмен данными устройств железнодорожной автоматики и телемеханики с системой управления движением, а также передачу данных от устройств ЖАТ на борт локомотива напрямую или через базовую станцию. Внешний вид стационарного радиомодема ITC 220 представлен на рис. 2. Радиомодем базовой станции ITC 220 обеспечивает обмен данными между поездным диспетчером и локомотивной бригадой, а также между устройствами управления, бортовой и железнодорожной автоматики и телемеханики. Подключается к пункту управления по выделенным каналам проводной или беспроводной связи на скоростях от 56 кбит/с до 1 Мбит/с. Внешний вид радиомодема базовой станции ITC 220 представлен на рис. 3. Обмен данными в радиосети, построенной с использованием радиотехнической платформы ITC 220, производится с использованием специализированого протокола ITCnet (Interoperable Train Control network).

Таблица 3 Основные технические характеристики стационарного радиомодема ITC 220

Общие характеристики	Стационарный радиомодем ITC 220
Диапазон рабочих частот, МГц	217,5-222,0
Шаг сетки радиочастот, кГц	25
Масса кг	3,5
Скорость обмена данными, кбит/с	16, 32
Диапазон рабочих температур, град. С	от -40 до 70 (хранение от -55 до 85)
Влажность, %	0-95, без образования конденсата
Рабочее напряжение, В	10,9-15,5, постоянный ток (17 — максимально допустимое кратковременное)
Потребляемый ток, А:
– передача	10 (пиковый), 7,5 (номинальный)
– прием	1 (максимальный)
Светодиодный индикатор	работоспособность, диагностика состояния (на передней панели)
Антенна	два N-типа (F), приемопередающая и приемная
Антенна GPS	активная или пассивная, 3,3 В, 50 мА, TNC(F)
Ethernet	два порта 10/100Base-T разъем RJ45, информационный и настроечный
Модуль интерфейса настройки	карта SD
Соответствие стандартам	США: FCC часть 2, 15 и 90; Канада: SRSP-512
Передатчик
Выходная мощность, Вт	7,5-25, программно-регулируемая
Вид модуляции	4DQPSK
Тип излучения	8K90DXW (16 кбит/с), 17K90DXW (32 кбит/с)
Внеполосные излучения, дБм	-25, максимально
Занимаемая полоса	пять объединенных каналов, соответствует 47CFR90.210(f)
Максимальный рабочий цикл, %	10
Приемник
Максимальная чувствительность, статическая BER <10-4, дБм	-111 (16 кбит/с), -108 (32 кбит/с)
Избирательность по соседнему каналу, дБ	70
Подавление зеркального канала, дБ	70
Подавление эффекта интермодуляции, дБ	65
Количество одновременно принимаемых каналов	два (16 кбит /с и 16/32 кбит /с, с автоматической настройкой)

Таблица 4 Основные технические характеристики радиомодема базовой станции ITC 220

Общие характеристики	Бортовой радиомодем ITC 220
Диапазон рабочих частот, МГц	217,5-222,0
Шаг сетки радиочастот, кГц	25
Масса, кг	10
Скорость обмена данными, кбит/с	16, 32
Диапазон рабочих температур, град. С	от —40 до 70 (хранение от —55 до 85)
Влажность, %	0-95, без образования конденсата
Рабочее напряжение, В	45-100, постоянный ток (120 — максимально допустимое кратковременное)
Потребляемый ток, А:
- передача	4 (пиковый), 1,8 (номинальный)
- прием	0,5 (максимальный)
Светодиодный индикатор	работоспособность, диагностика состояния (на передней панели)
Антенна	два N-типа (F), приемопередающая и приемная
Ethernet	два порта 10/100Base-T разъем M12-8(F), информационный и настроечный
Последовательный	два USB тип А(F)
Модуль интерфейса настройки	карта SD
Соответствие стандартам	США: FCC часть 2, 15 и 90; Канада: SRSP-512
Передатчик
Выходная мощность, Вт	15-50, программно-регулируемая
Вид модуляции	4DQPSK
Тип излучения	8K90DXW (16 кбит/с), 17K90DXW (32 кбит/с)
Внеполосные излучения, дБм	-25, максимально
Занимаемая полоса	пять объединенных каналов, соответствует 47CFR90.210(f)
Максимальный рабочий цикл, %	30
Приемник
Максимальная чувствительность, статическая BER <10-4, дБм	-111 (16 кбит/с), —108 (32 кбит/с)
Избирательность по соседнему каналу, дБ	70
Подавление зеркального канала, дБ	70
Подавление эффекта интермодуляции, дБ	65
Количество одновременно принимаемых каналов	16 (восемь парных, включая семь 16 кбит /с и 16/32 кбит/с, с автоматической настройкой)

4. Построение технологической радиосети обмена данными для перспективных автоматизированных систем управления поездами



Технологическая радиосеть обмена данными на базе радиотехнической платформы ITC 220 обеспечивает обмен данными между всеми подключенными к ней пользователями, включая:

• локальную вычислительную сеть (ЛВС) пункта диспетчерского управления;
• ЛВС депо;
• терминал локомотивной бригады;
• устройства ЖАТ.

Данные от устройств ЖАТ могут передаваться на борт локомотива как напрямую, так и через базовую станцию, в зависимости от удаления и условий приема сигнала. Радиус действия каждой базовой станции составляет 30-45 км (антенны базовых станций подвешиваются на высоте 32 метра), номинальная дальность прямой связи между локомотивом и устройством ЖАТ составляет 5 км. Упрощенная схема радиосети представлена на рис. 4. Данная схема предусматривает обеспечение необходимого уровня надежности за счет полного взаимного перекрытия зон электромагнитной доступности соседних базовых станций, использования многоканальных базовых станций с резервированием комплектов радиотехнического оборудования, реализацией функции автоматического выбора рабочей частоты с удовлетворительными параметрами сигнала и автоматического распределения нагрузки между соседними базовыми станциями. Радиотехническая аппаратура использует помехоустойчивое кодирование и специализированный протокол обмена данными, обеспечивающий гарантированную доставку сообщений с заданной задержкой. В настоящее время автоматизированная система управления поездами на базе радиотехнической платформы ITC 220 введена в промышленную эксплуатацию на железнодорожной сети трансконтинентальной железной дороги «БНСФ Рэйлвей» (США)⁵⁾.

«БНСФ Рэйлвей» (англ. BNSF Railway) — вторая по величине после «Юнион Пасифик» трансконтинентальная железная дорога Северной Америки. Образована в декабре 1996 году как «Берлингтон Нозерн и Санта-Фе» в результате слияния железных дорог «Берлингтон Нозерн» и «Атчисон, Топика и Санта-Фе». В 2005 году переименована в «БНСФ Рэйлвей», по первым буквам прежнего названия. БНСФ имеет железнодорожную сеть общей протяжённостью 52,3 тыс. км, проходящую по территории 28 штатов центра и западного побережья США и частично заходящую в Канаду. В настоящее время компания располагает парком в 7000 локомотивов.

1) Сайт Ассоциации американских железных дорог, https://www.aar.org/safety/Pages/Positive-Train-Control.aspx. 2) Доклад на конференции Национального совета по безопасности на транспорте США, 2 марта 2005 года. 3) Сайт американской компании CalAmp, http://www.calamp.com/products/licensedandunlicensed/mobile-networks/itc-radios. 4) Программно-определяемое радио (англ. Software-definedradio, SDR) — радио-телекоммуникационная система, которая может быть настроена на произвольную полосу частот и принимать различные виды модулированного сигнала, состоящая из программируемого оборудования с программным управлением. 5) Журнал Рrogressive railroading, http://www.progressiverailroading.com/ptc/article/PTC-Railroads-suppliers-still-have-aways-to-go-to-meet-the-2015-positive-train-control-mandate--24053. ТОО «ADVANTEK SYSTEMS»

тел. + 7 7272 777700 внутр. номер 6210 или 6211 или пишите на почту sale@as.kz