Расширение функциональной полноты и требований безопасности к поездной радиосвязи при переходе с аналоговых на цифровые технологии Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

УДК 656.2: 654.1

В. В. Шматченко, П. А. Плеханов,

Д. Н. Роенков, В. Г. Иванов, П. Н. Ерлыков

РАСШИРЕНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ ПОЛНОТЫ И ТРЕБОВАНИЙ БЕЗОПАСНОСТИ К ПОЕЗДНОЙ РАДИОСВЯЗИ ПРИ ПЕРЕХОДЕ С АНАЛОГОВЫХ НА ЦИФРОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

Дата поступления 1 5.06.201 5 Решение о публикации 17.07.201 5

Цель: Рассмотреть возможности повышения безопасности движения поездов за счет применения систем цифровой радиосвязи. Методы: Оценка функциональных возможностей цифровой радиосвязи применительно к железнодорожному транспорту (поездная радиосвязь и управление движением) и требований по безопасности. Результаты: Цифровая радиосвязь стандартов GSM-R, TETRA и DMR, внедряемая в настоящее время на железных дорогах России, позволяет передавать не только речь, но и данные, обладая при этом развитыми возможностями по организации вызовов и управлению ими. Это дает возможность существенно расширить состав функций поездной радиосвязи, а также улучшить такие ее показатели, как надежность, готовность и помехозащищенность, поэтому необходимо пересмотреть перечень и содержание задач, для решения которых может быть применена цифровая поездная радиосвязь, а также требования по обеспечению безопасности. Новый перечень включает в себя передачу речевых сообщений, текстовое дублирование речевых распоряжений ДНЦ и ДСП, передачу данных о параметрах движения поезда и состоянии его систем, передачу команд АЛСТ и АЛСН, интервальное регулирование движения поездов в соответствии с концепцией подвижных блок-участков. Кроме того, анализ крушений на скоростных и высокоскоростных железных дорогах за последние 15-20 лет свидетельствует, что использование систем автоматической поездной защиты на основе цифровой радиосвязи могло бы значительно снизить риски железнодорожных катастроф. При этом важно помнить, что применение цифровых стандартов радиосвязи, особенно для передачи ответственных данных, связано с необходимостью учета возможностей человека-оператора, который продолжает оставаться самым ненадежным узлом в контуре безопасного управления движением поездов, поэтому необходимо переходить к цифровым технологиям в системе поездной радиосвязи, вводя новые функции передачи данных постепенно и не перегружая человека-оператора дополнительными интерфейсами. Практическая значимость: Повышение безопасности и эффективности железнодорожных перевозок.

Цифровая радиосвязь, железнодорожный транспорт, функциональные возможности, стандарты, управление, безопасность.

61

*Petr N. Erlikov, senior lecture, [email protected]; Viktor G. Ivanov, senior lecture, ivanov. [email protected]; Pavel A. Plekhanov, Cand. Sci. (Eng.), associate professor, [email protected]; Dmitry N. Roenkov, Cand. Sci. (Eng.), associate professor, [email protected]; Vladimir V. Shmatchenko, Cand. Sci. (Eng.), associate professor, [email protected] (Petersburg State Transport University) EXPANSION OF FUNCTIONAL COMPLETENESS AND SAFETY REQUIREMENTS FOR TRAIN RADIO NETWORK AT TRANSITION FROM ANALOG TO DIGITAL TECHNOLOGIES.

Objective: To consider the possibility of increasing the traffic safety by using the digital radio. Methods: Evaluation of the functional capabilities of a digital radio communication for railroad transport (train radio and traffic management), and safety requirements. Results: Digital radio of GSM-R, TETRA and DMR standards, at this time being implemented on the railroads of Russia, allows to transmit not only voice but also data, while having some advanced features for calls organization and management. This gives an opportunity to significantly expand the list of functions of train radio communication network, and to improve its parameters, such as reliability, availability, and noise immunity, so it is necessary to review the list and content of the task, for which train digital radio can be applied, as well as safety requirements. New list includes voice messaging, text duplication of DNC and DSP oral instructions, transmission data of train operation and the state of its systems, the transfer of ALST and ALSN commands, interval traffic management in accordance with the concept of mobile block-sections. In addition, the analysis of train accidents on speed and highspeed railroads in the last 15-20 years shows that using of an automatic train protection systems, based on digital radio, could significantly reduce the risks of railroad accidents. It is important to remember that using of digital radio standards, specifically for the transmission of critical data, is related to the necessity to consider the capacities of a human operator, which continues to be the most unreliable node in the circuit of the safe train traffic management. Thus, it is necessary to switch to train digital radio system, introducing new features of data communication gradually, and without overloading the human operator by additional interfaces. Practical importance: Improving the safety and efficiency of railroad transportation.

Digital radio, railroad transport, functional capabilities, standards, management, security.

Цифровая радиосвязь стандартов GSM-R, TETRA и DMR, внедряемая в настоящее время на железных дорогах России, позволяет передавать не только речь, но и данные, обладая при этом развитыми возможностями по организации вызовов и управлению ими. Это позволяет существенно расширить состав функций поездной радиосвязи, а также улучшить такие ее показатели, как надежность, готовность и помехозащищенность, поэтому необходимо пересмотреть перечень и содержание задач, для решения которых может быть применена цифровая поездная радиосвязь, а также требования обеспечения безопасности.

Передача речевых сообщений

Передача речевых сообщений является традиционной функцией сети поездной радиосвязи. С внедрением цифровых технологий обмен речевыми

62

ТАБЛИЦА 1. Требования ко времени установления соединения

для системы GSM-R

Тип вызова Время установления соединения, с

Аварийный железнодорожный вызов < 2

Вызов машиниста от диспетчера или дежурного < 5

Групповые вызовы между машинистами в одной и той же зоне < 5

Все оперативные вызовы с мобильного терминала машиниста на терминал дежурного или диспетчера < 5

Вызовы составитель - машинист и машинист - составитель < 5

Вызовы составитель - дежурный и дежурный - составитель < 5

Все оперативные вызовы со стационарного терминала на мобильный и с мобильного на стационарный, не относящиеся к вышеуказанным < 7

Все оперативные вызовы с мобильного терминала на мобильный, не относящиеся к вышеуказанным < 10

Все вызовы с низким приоритетом < 10

Вызовы составитель - машинист и машинист - составитель и вызовы составитель - дежурный и дежурный - составитель после первичного установления связи в специальном режиме оперативной работы < 2

сообщениями может осуществляться не по симплексному каналу, одному для всех абонентов сети, а по дуплексным каналам так, что любым двум абонентам может быть предоставлен один дуплексный канал для организации индивидуального соединения. Возможна также организация групповых дуплексных и полудуплексных соединений. За счет этого, а также гибкой системы нумерации (в соответствии с европейским проектом EIRENE [10, 11], в котором специфицированы требования к цифровой железнодорожной радиосвязи), значительно повышается оперативность и надежность речевых соединений (табл. 1 [1]), а также качество речи.

1ребования к системам цифровой поездной радиосвязи, в которой реализуются только функции передачи речи, включают требования к составу абонентов и человеко-машинному интерфейсу, действующие для системы радиосвязи гектометрового диапазона, а также ко времени установления соединения, его надежности, качеству передаваемой речи, к аутентичности абонентов и конфиденциальности связи.

Текстовое дублирование речевых распоряжений ДНЦ и ДСП

Однако высокая надежность речевых соединений еще не означает высокой надежности управления, поскольку основным звеном в контуре поездного

63

управления остается человек. Объективно установлено, что интенсивность ошибок, которые допускает человек-оператор при выполнении повторяющихся операций, составляет, в среднем, 10-2-10-3. В частности, причинами этого могут быть неверное восприятие исходных данных и распоряжений по выполнению операции, если они воспринимаются на слух. Цифровая радиосвязь дает возможность снизить влияние этих факторов путем дублирования передачи речевых распоряжений передачей текста. Для этого необходимо создание комплекса программно-аппаратных средств, который включает автоматическое рабочее место (АРМ) дежурного по станции (ДСП) или поездного диспетчера (ДНЦ) и текстовый дисплей в кабине локомотива.

АРМ ДСП или ДНЦ должен обладать функциями оперативного формирования текстовой копии речевого распоряжения, реализация которых возможна на основе программ распознавания речи и использования заранее подготовленных шаблонов типовых распоряжений. После передачи машинисту речевого распоряжения ДСП или ДНЦ считывает текстовую копию распоряжения, сформированного АРМом, и, убедившись в ее корректности, высылает этот текст машинисту. Принятый текст отображается на экране дисплея в кабине машиниста и остается на нем до исполнения распоряжения. Использование цифровой радиосвязи для реализации таких функций управления позволит повысить надежность не только радиоканала, но и управления движением поездов в целом.

1ребования к системам цифровой поездной радиосвязи, в которой реализуются функции передачи речи и ее текстового дублирования, включают указанные выше требования, а также требования к защите передаваемых безопасных данных.

Следует отметить, что на дисплей в кабине машиниста могут также передаваться данные с напольных устройств контроля перегрева букс, полно-составности поезда, его соответствия габаритам и т. д.

Передача данных о параметрах движения поезда и о состоянии его систем

Другим применением передачи данных в системе поездной радиосвязи является передача на АРМ (пульт) ДНЦ и ДСП информации о местоположении поезда, его скорости, ускорении и о состоянии его систем. Эта оперативная информация является ответственной и служит важным дополнением к тем данным, которые поступают к ДНЦ и ДСП по действующим в настоящее время каналам проводной связи от устройств контроля свободы пути. Эта информации дает возможность более точно строить графики исполненного движения и, соответственно, принимать более обоснованные решения об изменении скорости движения поездов. В частности, эта информация по-

64

зволит повысить безопасность при попутном и встречном движении поездов и при движении по боковому пути, а также эффективность использования маршрутов. Функции поездной радиосвязи этого вида являются дополнением к действующим системам интервального регулирования, никак не влияя на их функционирование.

В общем виде информационные сообщения от поездов могут быть такими:

где xt(t), x{(t) - местоположение и скорость поезда i в момент времени t, соответственно; P (V. (t)) - значение вектора V. (t) состояния бортовых систем поезда i в момент времени t.

1ребования к системам цифровой поездной радиосвязи, в которой реализуются функции передачи данных о параметрах движения поезда и о состоянии его бортовых систем, включают усовершенствованные требования, указанные выше, а также требования к защите передаваемых данных. Для этой системы поездной радиосвязи степень обеспечения безопасности, очевидно, должна быть выше, чем для предыдущего случая. Здесь необходимо использовать методологию выбора уровня полноты безопасности для систем связи, изложенную в документах европейского Комитета по стандартизации CENELEC EN 50126, EN 50128, EN 50129 и EN 50159 [5-8], с учетом всего жизненного цикла системы (см. рисунок).

Передача команд АЛСТ и АЛСН

Следующим важным этапом применения цифровых технологий в поездной радиосвязи является передача на поезд команд управления. Реализацию этого этапа целесообразно начинать с передачи по радио на поезд команд автоматической локомотивной сигнализации точечного типа (АЛСТ) и непрерывного действия (АЛСН), дублируя команды, передаваемые по рельсовым цепям. Тем самым появится возможность отработать вопросы применения цифровых радиоканалов при передаче ответственных команд управления движением поездов, а также определить наиболее критичные по безопасности параметры формирования радиоканалов и оптимизировать их по показателям безопасности и эффективности. На этом этапе целесообразно также рассмотреть основные возможности и проблемы применения цифровых радиоканалов для автоматизации процессов управления движением поездов.

(1)

65

Типовая модель жизненного цикла системы связи 1

В общем виде команды предупреждения поездам могут иметь вид

{4(1,2,..., l), €„ (1,2,..., m)}, (2)

где A (1, 2, ..l) - адреса lпоездов, которым передается команда Cn; (1, 2, .. m) - параметры команды Cn, например {A(i), Cb (к, t)} - команда торможения поезду i с применением кривой торможения к в момент времени t, {A(i, j), Cc (d, t)} - оповещение поездов i и j о расстоянии d между ними в момент времени t.

1ребования к системам цифровой поездной радиосвязи, в которой реализуются функции передачи команд управления движением поездов, включают требования ко времени установления соединения, его надежности, достоверности данных, аутентичности абонентов и терминальных устройств,

1 В соответствии с проектом prEN 50126-1:2012 Railway applications - The specification and demonstration of reliability, availability, maintainability and safety (RAMS) -Part 1: Generic RAMS process (Железнодорожные приложения - Определение и подтверждение выполнения требований к надежности, готовности, ремонтопригодности и безопасности - Ч. 1: Типовой процесс RAMS).

66

конфиденциальности связи, а также к защите передаваемых данных. Поскольку речь идет об использовании радиоканала для передачи ответственных команд, степень обеспечения безопасности, очевидно, должна быть не ниже, чем для предыдущего случая, а уровень полноты безопасности - по крайней мере, таким же, если не выше.

Здесь, как и в предыдущем случае, необходимо использовать методологию определения уровня полноты безопасности для систем связи, изложенную в документах [5-8].

Полученный на этом этапе опыт позволит перейти к следующему этапу - к применению радиосвязи для интервального регулирования движения поездов в соответствии с концепцией подвижных блок-участков.

Интервальное регулирование движения поездов в соответствии с концепцией подвижных блок-участков

На этом этапе синхронизируются процессы приема данных от поездов, обработки этих данных в центре управления с выработкой при необходимости команд управления и передачи этих команд на поезда. При этом всю систему поездов на перегонах, охваченных такой синхронизацией, можно рассматривать как один многомерный объект управления, если информационный обмен между поездами и центром управления будет происходить в реальном времени, т. е. для каждого поезда будет известно его местоположение, скорость и ускорение. Для такого объекта можно ставить задачу оперативной оптимизации максимальной средней скорости движения поездов на рассматриваемых перегонах, если будут известны динамические данные о параметрах движения поездов, статические данные о геометрических параметрах и другие характеристики пути, а также о массе, тяговых и тормозных характеристиках поездов.

1ребования к системе цифровой поездной радиосвязи, в которой реализуется радиообмен, необходимый для организации движения поездов в соответствии с концепцией подвижных блок-участков, являются наиболее жесткими. Эти требования еще предстоит обосновать как по составу показателей, так и по их числовым значениям, и здесь тоже необходимо использовать методологию определения требований безопасности к системам связи, изложенную в документах [5-8].

Наиболее полно вопрос применения современной цифровой радиосвязи для автоматического управления движением поездов проработан в спецификациях Европейской системы управления движением поездов ETCS (European Train Control System), которая вместе с системой GSM-R входит в состав Европейской системы управления железнодорожными перевозками ERTMS (European Rail Traffic Management System) [9], а также в стандартах Систе-

67

мы управления движением поездов на основе использования каналов связи CBTC (Communications-Based Train Control) [2-4] (табл. 2).

ТАБЛИЦА 2. Требования к системе CBTC

Параметр Значение

Максимальное количество поездов, обрабатываемых одной системой, шт. 10-40

Точность определения местоположения поезда, м ± 5...± 10

Точность остановки поезда у платформы, не оборудованной дверями для пропуска пассажиров в вагоны или из вагонов поезда, м ± 0,25

Точность остановки поезда у платформы, оборудованной дверями для пропуска пассажиров в вагоны или из вагонов поезда, м ± 0,05

Точность определения расстояния между поездами при интервальном регулировании движения поездов для функций автоматической поездной защиты, м ± 0,25...± 6,25

Точность определения скорости движения поезда для функций автоматической поездной защиты, км/ч ± 3

Максимальная задержка передачи сообщения по каналу связи между поездом и наземной инфраструктурой, с 0,5-2

Время реагирования напольного оборудования системы, с 0,07-1

Время реагирования бортового оборудования системы, с 0,07-0,75

Критерий движения поезда в направлении, обратном установленному, м перемещение назад на расстояние 0,5-2

Возможности для повышения безопасности движения поездов на основе применения систем цифровой радиосвязи

Анализ крушений на скоростных и высокоскоростных железных дорогах за последние 15-20 лет свидетельствует, что использование систем автоматической поездной защиты на основе цифровой радиосвязи могло бы значительно снизить риски железнодорожных катастроф.

3 июня 1998 г. близ местечка Эшеде (Германия) сошел с рельсов и столкнулся с опорой виадука (с последующим его обрушением) высокоскоростной поезд ICE вследствие излома колесного бандажа из-за развития усталостной трещины. Катастрофы можно было бы избежать, если бы, например, поезд был оснащен устройствами постоянного мониторинга ходовой части, которые в режиме реального времени передают информацию по радиоканалу в центр технической диагностики подвижного состава.

68

25 апреля 2005 г. в г. Амагасаки (Япония) сошел с рельсов скоростной поезд, в результате чего несколько вагонов перевернулись. Причиной крушения стало превышение машинистом максимально допустимой скорости на опасном участке более чем на 40 км/ч - сработал фактор непогашенного ускорения в кривой. Для недопущения подобных случаев можно использовать систему постоянного централизованного контроля скорости движения поезда по радиоканалу совместно с автоматической системой торможения.

23 июля 2011 г. в городском округе Вэньчжоу (Китай) произошло столкновение высокоскоростных поездов. Основной причиной катастрофы стал отказ системы сигнализации вследствие удара молнии. В данном случае для предотвращения подобных крушений можно использовать системы постоянного централизованного мониторинга технического состояния объектов инфраструктуры (в частности, систем сигнализации, централизации и блокировки) с передачей информации по радиоканалу в центр технической диагностики.

24 июля 2013 г. в Сантьяго-де-Компостела (Испания) сошли с рельсов и перевернулись все восемь вагонов высокоскоростного поезда Alvia. Катастрофа произошла вследствие превышения машинистом разрешенной скорости более чем в два раза: как и при крушении в Амагасаки, имел место фактор непогашенного ускорения в кривой.

Заключение

Важно помнить, что применение цифровых стандартов радиосвязи, особенно для передачи ответственных данных, связано с необходимостью учета возможностей человека-оператора, который продолжает оставаться самым ненадежным узлом в контуре безопасного управления движением поездов, поэтому необходимо переходить к цифровым технологиям в системе поездной радиосвязи, вводя новые функции передачи данных постепенно и не перегружая человека-оператора дополнительными интерфейсами.

Библиографический список

1. Организация сотрудничества железных дорог (ОСЖД). Памятка Р 888 «Рекомендации по внедрению цифровой технологической радиосвязи на железнодорожном транспорте стандарта GSM-R», 2005.

2. IEEE 1474.1 Communications-Based Train Control (CBTC) performance and functional requirements 2.

2 Эксплуатационные и функциональные требования к управлению движением поездов на основе использования каналов связи

69

3. IEEE 1474.2 User interface requirements in Communications-Based Train Control (CBTC) systems 3.

4. IEEE 1474.3 Recommended practice for Communications-Based Train Control (CBTC) - System design and functional allocations 4.

5. EN 50126-1:1999 Railway applications - The specification and demonstration of reliability, availability, maintainability and safety (RAMS) - Part 1: Generic RAMS process 5.

6. EN 50128:2011 Railway applications - Communication, signalling and processing systems - Software for railway control and protection systems 6.

7. EN 50129:2003 Railway applications - Communication, signalling and processing systems - Safety related electronic systems for signaling 7.

8. EN 50159:2010 Railway applications - Communication, signalling and processing systems - Safety-related communication in transmission systems 8.

9. ERTMS/ETCS Functional Requirements Specification (FRS)/Version 5.00, Dated 21 June 2007, Filing number ERA/ERTMS/003204.

10. European Integrated Railway Radio Enhanced Network 9 (EIRENE). Functional Requirements Specification10 (FRS). Version 7.4.0 (27 April 2014).

11. European Integrated Railway Radio Enhanced Network (EIRENE). System Requirements Specification 11 (SRS). Version 15.4.0 (31 March 2014).

References

1. Organizatsiya sotrudnichestva zheleznykh dorog (OSZHD). Pamyatka R 888 „Re-komendatsii po vnedreniyu tsifrovoy tekhnologicheskoy radiosvyazi na zheleznodorozhnom transporte standarta GSM-R“ [Organisation of railroad cooperation (OSZhD). Memorandum Р 888 „Recommendations for implementation of digital technological radio network of GSM-R standard at railroad transport44], 2005.

3 Требования к пользовательскому интерфейсу в системах управления движением поездов на основе использования каналов связи.

4 Рекомендованная практика для управления движением поездов на основе использования каналов связи - Проект системы и распределение функций.

5 Железнодорожные приложения - Определение и подтверждение выполнения требований по надежности, готовности, ремонтопригодности и безопасности - Часть 1: Типовой процесс RAMS.

6 Железнодорожные приложения - Системы связи, сигнализации и обработки данных - Программное обеспечение для систем железнодорожного управления и блокировки.

7 Железнодорожные приложения - Системы связи, сигнализации и обработки данных - Безопасные электронные системы сигнализации.

8 Железнодорожные приложения - Системы связи, сигнализации и обработки данных - Безопасная передача данных в системах связи.

9 Европейская интегрированная железнодорожная радиосеть с расширенными возможностями.

10 Функциональные требования.

11 Технические требования.

70

2. IEEE 1474.1 Communications-Based Train Control (CBTC) performance and functional requirements.

3. IEEE 1474.2 User interface requirements in Communications-Based Train Control (CBTC) systems.

4. IEEE 1474.3 Recommended practice for Communications-Based Train Control (CBTC) - System design and functional allocations.

5. EN 50126-1:1999 Railway applications - The specification and demonstration of reliability, availability, maintainability and safety (RAMS) - Part 1: Generic RAMS process.

6. EN 50128:2011 Railway applications - Communication, signalling and processing systems - Software for railway control and protection systems.

7. EN 50129:2003 Railway applications - Communication, signalling and processing systems - Safety related electronic systems for signaling.

8. EN 50159:2010 Railway applications - Communication, signalling and processing systems - Safety-related communication in transmission systems.

9. ERTMS/ETCS Functional Requirements Specification (FRS)/Version 5.00, Dated 21 June 2007, Filing number ERA/ERTMS/003204.

10. European Integrated Railway Radio Enhanced Network (EIRENE). Functional Requirements Specification (FRS). Version 7.4.0 (27 April 2014).

11. European Integrated Railway Radio Enhanced Network (EIRENE). System Requirements Specification (SRS). Version 15.4.0 (31 March 2014).

ШМАТЧЕНКО Владимир Владимирович - канд. техн. наук, доцент, railwayradio@gmail. com; ПЛЕХАНОВ Павел Андреевич - канд. техн. наук, доцент, [email protected]; РОЕНКОВ Дмитрий Николаевич - канд. техн. наук, доцент, [email protected]; ИВАНОВ Виктор Геннадьевич - старший преподаватель, ivanov. [email protected]; *ЕРЛЫКОВ Петр Николаевич - старший преподаватель, [email protected] (Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I).

© Шматченко В. В., Плеханов П. А., Роенков Д. Н., Иванов В. Г., Ерлыков П. Н., 2015

71