Движение на автомобильных и железных дорогах становится все более интенсивным. Увеличить их пропускную способность может только применение высоконадежных автоматизированных интеллектуальных транспортных систем, базирующихся на современных телекоммуникационных и вычислительных решениях.

 

Интеллектуальные транспортные системы
Ethernet сети в системах управления транспортом

Виктор КОЗЛЕНКО,
директор ЧП «Вектор» -
премьер дистрибьютора МОХА в Украине

  Разрабатываемые с долгосрочной перспективой интеллектуальные транспортные системы управления (ИТСУ) должны обеспечивать возможность передачи не только данных между различными исполнительными устройствами (светофоры, шлагбаумы, информационные табло и т. п.), но также видеоинформации и голосового трафика для создания всеобъемлющей системы управления и контроля.
   В промышленной автоматизации до настоящего момента используется несколько различных индустриальных протоколов, но тенденцией последних лет стало повсеместное использование Ethernet-технологий, позволяющих более гибко интегрировать предоставляемые на одной платформе услуги. Опыт, накопленный в ИТ-индустрии по созданию Ethernet-сетей, позволяет эффективно использовать эти технологии и в производственных цехах, на предприятиях и, конечно же, в сфере автоматизации транспорта.

Индустриальный Ethernet — наш выбор

   Каждый год количество внедряемых индустриальных Ethernet устройств увеличивается на 84 % (По оценкам ARC Advisory Group).
   В тоже время необходимо отметить, что применение коммерческих (офисных) Ethernet-устройств для автоматизации промышленности и транспорта сопряжено с риском выхода из строя производственного оборудования или создания аварийных ситуаций на транспорте. Если нарушение работы офисной Ethernet-сети является только неудобством, то для транспортной системы это грозит большими материальными потерями, а иногда и человеческими жертвами. Промышленные Ethernet-устройства обладают целым рядом свойств, которые позволяют им оставаться работоспособными круглосуточно:

 • высокая надежность за счет кольцевой избыточной резервируемой топологии построения сети, дублированного питания, возможности работать в широком температурном диапазоне (обычно от -40 до +75оС) и специальных защищенных корпусов для оборудования, обеспечивающих защиту от агрессивных сред;
 • быстрое восстановление после сбоев или замены вышедшего из строя оборудования (менее 300 мс);
 • формирование динамических отчетов о состоянии и (или) выдача сигналов аварии на релейные контакты оборудования для предотвращения его выхода из строя;
 • наличие функций управления для поддержания работоспособности и мониторинга индустриальной Ethernet-сети из единого центра управления;
 • наличие встроенных в устройства веб-серверов для дистанционного доступа к оборудованию.

Требования к системам управления…
…на автодорогах
   Основная задача системы — сохранить жизнь участников движения, повысить надежность эксплуатации автотрасс, обеспечить оптимальный режим движения для сокращения времени в пути. В общих чертах ИТСУ для автодорог должна обеспечивать:

  • устойчивость и высокую надежность основных структур сети;
  • передачу диспетчерам видеоизображения с автодорог в реальном времени и возможность вмешиваться в работу системы при возникновении нештатных ситуаций;
  • возможность применения беспроводных решений для снижения затрат на прокладку кабелей;
  • максимально быструю обработку информации от контролируемых устройств для ускорения их взаимодействия в ИТСУ;
  • резервируемость ключевых устройств и систем питания для сохранения работоспособности системы в целом при выходе из строя ее отдельных элементов;
  • взаимодействие с оборудованием, не поддерживающим Ethernet-технологии (преемственность с существующими решениями);
  • функционирование оборудования в широком диапазоне температур.

… на железных дорогах 
  
Скорость, надежность и безопасность — решающие показатели для эффективного и экономичного функционирования железнодорожных систем управления. Основные требования здесь аналогичны тем, что предъявляются к системам управления автотранспортом, но дополнительно очень важно обеспечить высокую помехозащищенность при передаче потока данных в реальном времени. Это связано с тем, что на железнодорожном транспорте очень высок уровень помех от двигателей локомотивов и расположенных рядом с коммуникациями силовых сетей.

Структура ИТСУ
   Ethernet-сеть интеллектуальной транспортной системы должна строиться, как впрочем и сеть промышленной автоматизации, по классической трехуровневой архитектуре. В ее основе (уровень управления) находится оптоволоконное Gigabit Ethernet-кольцо (1) на базе промышленных коммутаторов с поддержкой резервируемой кольцевой структуры с малым временем восстановления.

Структура ИТСУ на оборудовании MOXA

   Построение опорной сети ИТСУ на базе оптоволокна позволяет получить высоконадежную сеть, не подверженную воздействию транспортных и электрических помех, а также влиянию внешней среды.
   Ethernet-кольца на коммутаторах со скоростями 100 Мб/c (2) используются для локальных точек сбора информации. Промышленные Ethernet-коммутаторы обеспечивают высоконадежную, высокоскоростную передачу данных внутри сети и удовлетворяют всем требованиям, предъявляемым к таким системам управления.
   Для взаимодействия с устройствами, составляющими объект управления, могут использоваться различные типы устройств:

  • Ethernet-коммутаторы, ко входам которых непосредственно подключаются современные устройства, поддерживающие Ethernet-технологии (2);
  •  IP-видеосерверы (7), обеспечивающие наблюдение за трассами в реальном времени, подключаются ко входам индустриальных Ethernet-коммутаторов;
  • индустриальные беспроводные точки доступа и шлюзы обеспечивают взаимодействие с подвижными устройствами (установленными на автомобилях или локомотивах) и с устройствами, расположенными в труднодоступных зонах. Позволяют сэкономить на прокладке проводных или волоконно-оптических кабелей; 
  • специализированные асинхронные серверы доступа (5), обеспечивающие подключение сенсоров, датчиков и программируемых устройств управления с устаревшими протоколами последовательной передачи данных RS-232/422/485 к Ethernet-сетям;
  • Ethernet-серверы ввода-вывода (4) непосредственно обслуживающие сенсоры, датчики, релейные исполнительные механизмы и т. п.;
  • специализированные шлюзы, например, ModBus — Ethernet или программируемые серверы доступа, через которые к Ethernet-сети подключаются устройства, поддерживающие другие промышленные протоколы;
  • медиаконверторы (6) позволяют увеличить рабочее расстояние отдельных устройств, например, преобразующие «медный» Ethernet-интерфейс в оптический;
  • встраиваемые компьютеры (3) (Linux или Windows-базирующиеся) — особая группа устройств, нашедшая в последнее время применение в промышленной автоматизации. Обеспечивают быстрое преобразование данных или непосредственное локальное управление в узлах транспортной сети. Такие компьютеры взаимодействуют с устройствами нижнего уровня и за счет встроенного RISC-процессора берут на себя большую часть процесса управления, разгружая основную сеть от дополнительного трафика. При необходимости, встраиваемые компьютеры могут взаимодействовать так же с устройствами, поддерживающими беспроводный интерфейс. 

Определив общие подходы к архитектуре сети управления, перейдем к рассмотрению конкретных решений.

Система управления движением на автодорогах
  
Система управления автотранспортом обычно состоит из подсистем: 
 - управления сигнализацией, 
 - отображения информации, 
 - видеонаблюдения реального времени, 
 - анализа, 
 - бесперебойного резервируемого питания.
    Интеллектуальные контроллеры движения, сосредоточенные территориально в одном месте, можно условно разделить на несколько функциональных групп:
  • детекторы транспортных средств собирают информацию о потоке движения, включая количество транспортных средств,
    их скорость, размещение и затем посылают эту информацию в интеллектуальный встраиваемый компьютер по
    беспроводной системе передачи для анализа и принятия решения;
  • встраиваемый компьютер, как часть общей системы управления движением, вычисляет и анализирует данные для
    определения состояния потока движения и посылает управляющие сигналы на светофоры и табло оповещения, тем
    самым создавая условия для непрерывного движения без заторов на автотрассе;
  • средства оповещения водителей о заторах на трассе, на которые посылает информацию контроллер управления
    движением;
  • система видеонаблюдения.

Рассмотрим схему управления автотранспортом.
    Опорная сеть построена на базе кольцевой оптоволоконной структуры на промышленных Gigabit Ethernet-коммутаторах, которые обеспечивают необходимую полосу пропускания для предоставления доступа ко всем устройствам контроля и управления движением (в том числе и системе передачи видеоданных), а также поддерживают резервирование как по сетевым соединениям, так и по питанию.

Схема управления автотранспортом на оборудовании MOXA

   Распределенная система видеонаблюдения позволяет получать изображения с автодорог в любое время и в любом месте для оптимального контроля процессов на трассах. Она базируется на IP-видеосерверах, поддерживающих качественное сжатие видео­информации (MPEG-4) и синхронную трансляцию аудио- и видеопотоков. Информация с видеосерверов поступает по Ethernet-интерфейсу в Gigabit Ethernet-коммутаторы, расположенные в узлах опорной транспортной сети.
   Встраиваемые компьютеры, на RISC-процессорах, обрабатывают управляющие сигналы для автотрасс в локальных группах в реальном времени, что значительно сокращает трафик в управляющей Ethernet-сети и повышает эффективность функцио­нирования всей сети в целом.
   Беспроводная сеть используется для подключения контроллеров обнаружения транспорта и управления движением в локальных дорожных группах (например, на развязках, перекрестках) и позволяет сэкономить на стоимости прокладки кабелей, по крайней мере, в некоторых частях системы управления. Беспроводная сеть базируется на индустриальных точках доступа и шлюзах, поддерживающих протоколы IEEE 802.11b/g и обеспечивающих скорость передачи до 54 Mб/с. Конфиденциальность передаваемых данных обеспечивается 64 и 128-битным WEP-кодированием.
   Серверы устройств с последовательным интерфейсом обеспечивают подключение систем сигнализации и управления устройствами с последовательным интерфейсом и передачу данных в Ethernet-сеть.
   Все оборудование, применяемое для построения системы управления автотранспортом, имеет индустриальное исполнение и обеспечивает его функционирование в широком температурном диапазоне. 

Система управления железнодорожным транспортом
  Система управления железнодорожным транспортом обычно состоит из подсистем
 - управления и сигнализации, 
 - контроля внешней среды, 
 - видеонаблюдения, 
 - питания, 
которые территориально распределены по отдельным станциям вдоль железнодорожного полотна.
   Единая железнодорожная система строится на основе многоуровневой широкополосной сети, основу которой составляют индустриальные Ethernet-коммутаторы, имеющие скорость передачи 10/100 или 1000 Мб/с и оборудованные оптоволоконными или «медными» портами, что обеспечивает необходимую скорость, полосу пропускания и требуемые расстояния для сегментов железнодорожной транспортной системы.

Система управления железнодорожным транспортом на оборудовании MOXA

   Непосредственно для опорной сети системы используются индустриальные Gigabit Ethernet-коммутаторы с оптоволоконными портами, имеющие максимальную пропускную способность. Базовая сеть собирает и передает по дублированной Ethernet-сети всю операционную информацию от каждой станции в центр управления.
   Управляющая сеть станций строится на основе индустриальных Ethernet-коммутаторов с максимальной скоростью 100 Mб/с. Она объединяет все основные подсистемы. Уровень станций затем интегрируется с базовой опорной сетью для передачи управляющих сигналов и данных между станциями.
   Обе сети организовываются по кольцевому типу с поддержкой резервируемости по портам (и питанию) и с малым временем восстановления. Сеть уровня устройств собирает всю необходимую информацию с железнодорожного оборудования, такого как PLC (программируемые контроллеры), DCS-системы (цифровые контроллеры), серверы ввода-вывода аналоговых и цифровых сигналов, а также SCADA и системы видеонаблюдения.
    На схеме показаны системы сбора дискретной информации и видеоин­формации с видеокамер, расположенных вдоль железнодорожного полотна, системы управления железнодорожными переездами (шлагбаумы, светофоры, звуковые извещатели) и системы управления оборудованием на станции (освещение, датчики движения транспортных средств, информационные системы, системы управления питанием, пожарной и аварийной сигнализации). Информация от устройств передается через соответствующие шлюзы, серверы устройств или медиаконверторы (для увеличения рабочего расстояния) и поступает в Ethernet-сеть.
   Детальнее останавливаться на применяемом оборудовании нет смысла, так как оно функционально аналогично рассмотренному ранее решению для автотранспорта. 
   Три слоя сети вместе объединяют все станции, пункты контроля и управления, расположенные вдоль железнодорожного полотна между станциями, и обеспечивают необходимой информацией систему управления железнодорожным транспортом.
   Таким образом, применение индустриальных Ethernet-коммутаторов, Ethernet-серверов, устройств с последовательным интерфейсом, Ethernet-серверов ввода-вывода, встраиваемых компьютеров, медиаконверторов, беспроводных шлюзов и IP-видеосерверов обеспечивает надежность, универсальность и масштабируемость решения. 
   Индустриальное исполнение устройств предполагает большое время их наработки на отказ, способность противостоять критическим температурным условиям, влаге и вибрациям. Такая система управления будет функционировать быстро и эффективно, тем самым позволяя увеличить пропускную способность железных дорог, а движение на них сделать максимально безопасным.

Данная статья из журнала "ММ. Деньги и технологии" по оформлению несколько отличается от ее html версии, что вызвано только особенностями ее подготовки для ВЕБ сайта. Ссылки на использованное оборудование приведены автором статьи.
В статье использованы материалы и иллюстрации компании МОХА.

Источник: Журнал "ММ. Деньги и технологии" №3 2006 год