Рух на автомобільних дорогах та залізницях стає все більш інтенсивним. Збільшити їх пропускну спроможність може тільки застосування високонадійних автоматизованих інтелектуальних транспортних систем, базованих на сучасних телекомунікаційних і обчислювальних рішеннях.

 

Інтелектуальні транспортні системи
Ethernet мережі в системах управління транспортом
Віктор КОЗЛЕНКО,
директор ПП «Вектор» -
прем'єр дистриб'ютора МОХА в Україні

  Розроблювані з довгостроковою перспективою інтелектуальні транспортні системи управління (ІТСУ) повинні забезпечувати можливість передачі не тільки даних між різними виконавчими пристроями (світлофори, шлагбауми, інформаційні табло і т. П.), але також відеоінформації і голосового трафіку для створення всеосяжної системи управління і контролю.
   В промисловій автоматизації до цього часу використовується кілька різних індустріальних протоколів, але тенденцією останніх років стало повсюдне використання Ethernet-технологій, що дозволяє більш гнучко інтегрувати надані на одній платформі послуги. Досвід, накопичений в ІТ-індустрії зі створення Ethernet-мереж, дозволяє ефективно використовувати ці технології і в виробничих цехах, на підприємствах і, звичайно ж, в сфері автоматизації транспорту.

Індустріальний Ethernet — наш вибір

   Щороку кількість впроваджуваних індустріальних Ethernet пристроїв збільшується на 84% (За оцінками ARC Advisory Group).
   В той же час необхідно відзначити, що застосування комерційних (офісних) Ethernet-пристроїв для автоматизації промисловості і транспорту пов'язане з ризиком виходу з ладу виробничого обладнання або створення аварійних ситуацій на транспорті. Якщо порушення роботи офісної Ethernet-мережі є тільки незручністю, то для транспортної системи це загрожує великими матеріальними втратами, а іноді і людськими жертвами. Промислові Ethernet-пристрої мають цілу низку властивостей, які дозволяють їм залишатися працездатними цілодобово:

 • висока надійність за рахунок кільцевої надлишкової резервованої топології побудови мережі, дубльованого живлення, можливості працювати в широкому температурному діапазоні (зазвичай від -40 до +75°С) і спеціальних захищених корпусів для обладнання, що забезпечують захист від агресивних середовищ;
 • швидке відновлення після збоїв або заміни обладнання, що вийшло з ладу (менше 300 мс);
 • формування динамічних звітів про стан і (або) видача сигналів аварії на релейні контакти обладнання для запобігання його виходу з ладу;
 • наявність функцій управління для підтримки працездатності і моніторингу індустріальної Ethernet-мережі з єдиного центру управління;
 • наявність вбудованих в пристрої веб-серверів для дистанційного доступу до обладнання.

Вимоги до систем управління…
…на автодорогах
   Основне завдання системи - зберегти життя учасників руху, підвищити надійність експлуатації автотрас, забезпечити оптимальний режим руху для скорочення часу в дорозі. У загальних рисах ІТСУ для автодоріг повинна забезпечувати:

  • стійкість і високу надійність основних структур мережі;
  • передачу диспетчерам відеозображення з автодоріг в реальному часі і можливість втручатися в роботу системи при виникненні нештатних ситуацій;
  • можливість застосування бездротових рішень для зниження витрат на прокладання кабелів;
  • максимально швидку обробку інформації від контрольованих пристроїв для прискорення їх взаємодії в ІТСУ;
  • резервованість ключових пристроїв і систем живлення для збереження працездатності системи в цілому при виході з ладу її окремих елементів;
  • взаємодія з обладнанням, що не підтримує Ethernet-технології (спадкоємність з існуючими рішеннями);
  • функціонування обладнання в широкому діапазоні температур.

… на залізницях 
   Швидкість, надійність і безпека - основні показники для ефективного і економічного функціонування залізничних систем управління. Основні вимоги тут аналогічні тим, що пред'являються до систем управління автотранспортом, але додатково дуже важливо забезпечити високу перешкодозахищеність при передачі потоку даних в реальному часі. Це пов'язано з тим, що на залізничному транспорті дуже високий рівень перешкод від двигунів локомотивів і розташованих поруч з комунікаціями силових мереж.

 Структура ІТСУ
   Ethernet-мережа інтелектуальної транспортної системи повинна будуватися, як втім і мережа промислової автоматизації, за класичною трирівневої архітектурою. В її основі (рівень управління) знаходиться оптоволоконне Gigabit Ethernet-кільце (1) на базі промислових комутаторів з підтримкою резервованої кільцевої структури з малим часом відновлення.

Структура ИТСУ на оборудовании MOXA

   Побудова опорної мережі ІТСУ на базі оптоволокна дозволяє отримати високонадійну мережу, яка не піддається впливу транспортних та електричних перешкод, а також впливу зовнішнього середовища.
   Ethernet-кільця на комутаторах зі швидкостями 100 Мб/c (2) використовуються для локальних точок збору інформації. Промислові Ethernet-комутатори забезпечують високонадійну, високошвидкісну передачу даних усередині мережі і відповідають усім вимогам, що пред'являються до таких систем управління.
   Для взаємодії з пристроями, що є складовими об'єкту управління, можуть використовуватися різні типи пристроїв:

  • Ethernet-комутатори, до входів яких безпосередньо підключаються сучасні пристрої, що підтримують Ethernet-технології (2);
  •  IP-відеосервери (7), забезпечують спостереження за трасами в реальному часі, підключаються до входів індустріальних Ethernet-комутаторів;
  • індустріальні бездротові точки доступу і шлюзи забезпечують взаємодію з рухомими пристроями (встановленими на автомобілях або локомотивах) і з пристроями, розташованими в важкодоступних зонах. Дозволяють заощадити на прокладанні дротових або волоконно-оптичних кабелів; 
  • спеціалізовані асинхронні сервери доступу (5), забезпечують підключення сенсорів, датчиків і програмованих пристроїв управління з застарілими протоколами послідовної передачі даних RS-232/422/485 до Ethernet-мереж;
  • Ethernet-сервери введення-виведення (4) які безпосередньо обслуговують сенсори, датчики, релейні виконавчі механізми і т. п.;
  • спеціалізовані шлюзи, наприклад, ModBus — Ethernet або програмовані сервери доступу, 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