К. Д. Хромушкин, заместитель генерального директора по инновационному развитию и цифровой трансформации — директор дивизиона ЖАТ, «Группа компаний 1520»,
М. В. Фомин, технический директор компании «КиберТех-Сигнал»,
Е. В. Павлов, заместитель генерального директора компании «1520 Сигнал»
Компания «КиберТех-Сигнал» дивизиона ЖАТ «Группы компаний 1520» разработала безопасную цифровую Платформу 2.0, на основе которой могут создаваться системы управления и обеспечения безопасности движения поездов, а также АСУ технологическими процессами в других отраслях. Инновационные подходы к построению программных и аппаратных средств обеспечили универсальность Платформы 2.0, ее функциональную гибкость и технологическую независимость.
Содержание
- Общая концепция Платформы 2.0
- Событийно-ориентированный подход
- Вычислительная платформа УВП КМИ
- Платформа нижнего уровня ПНУ20
- Внедрение, перспективы развития и области применения Платформы 2.0
Дивизион ЖАТ «Группы компаний 1520» объединяет целый ряд ведущих российских компаний, таких как «ЭЛТЕЗА», «1520 Сигнал», «Стальэнерго» и др., которые занимают ведущие позиции в сфере железнодорожной автоматики и телемеханики на железнодорожном, промышленном и городском рельсовом транспорте. Поставленные этими компаниями системы управления движением поездов широко применяются на железных дорогах России и других стран СНГ.
Образованная в 2018 г. компания «КиберТех-Сигнал» выполняет в составе дивизиона ЖАТ задачи, связанные с НИОКР и сопровождением выпускаемых дивизионом цифровых систем управления и обеспечения безопасности движения поездов при возникновении потребности во вмешательстве разработчиков, например в случае необходимости расширить функциональность систем или создать новые компоненты для замены существующих, жизненный цикл которых подходит к завершению.
Разрабатывая Платформу 2.0 как продукт следующего поколения, компания «КиберТех-Сигнал» преследовала цели достижения максимальной модульности аппаратного и программного обеспечения, радикального увеличения быстродействия системы и повышения ее функциональности в том числе в отношении диагностических возможностей по сравнению с существующими более консервативными техническими решениями.
Общая концепция Платформы 2.0
Структура Платформы 2.0 включает три уровня (рис. 1):
- верхний уровень — человеко-машинный интерфейс (HMI);
- средний уровень — управляющий вычислительный комплекс;
- нижний уровень — исполнительные устройства для управления напольным оборудованием.
Рис. 1. Структура Платформы 2.0 в исполнении для рельсового транспорта (на примере МПЦ)
Оставаясь в рамках этой классической структуры, разработчики значительно пересмотрели сложившиеся подходы в первую очередь к архитектуре программного обеспечения цифровой платформы.
Система АРМ
На верхнем уровне новой платформы используется система автоматизированных рабочих мест на разработанном дивизионом программном обеспечении MultiRcos, которая является наиболее распространенной системой АРМ на «пространстве 1520». Новшеством стало портирование MultiRcos с целью обеспечения его кросс-платформенности в рамках перехода на российские операционные системы. Кросс-платформенность позволяет запускать ПО MultiRcos и в операционной системе Windows, и в российской РЕД ОС, а также в других Linux-подобных POSIX-совместимых операционных системах. В настоящее время проведены все испытания и получены все заключения под операционную систему РЕД ОС, внесенную в российский реестр программного обеспечения. Вместе с тем кросс-платформенность позволяет перейти на другую POSIX-совместимую ОС в случае пожеланий заказчика.
Управляющий вычислительный комплекс
Средний уровень формирует управляющий вычислительный комплекс (УВК) ВМК20‑МЦ, аппаратное обеспечение которого построено на базе универсальной вычислительной платформы компонентно-модульного исполнения УВП КМИ. В случае применения в системах, выполняющих ответственные функции, УВП КМИ имеет двухканальное исполнение с горячим резервированием.
В качестве системного ПО используется операционная система «Эльбрус». Диверситет системого ПО обеспечивается за счет компилирования под разные процессоры вычислительных каналов УВК КМИ.
Базовое программное обеспечение комплекса написано специалистами компании «КиберТех-Сигнал» с нуля в виде плагинной системы, в которой отдельные подключаемые модули (плагины) функционируют и коммуницируют через безопасное ядро (рис. 2). Такой подход, основанный на современной сервис-ориентированной архитектуре с элементами микросервисной модели, имеет значительные преимущества перед традиционно применяемым в МПЦ монолитным базовым ПО с точки зрения простоты сопровождения и внесения изменений. Появляется возможность обслуживать и развивать отдельные модули независимо друг от друга и от безопасного ядра базового ПО.
Рис. 2. Архитектура базового ПО управляющего вычислительного комплекса
Для обеспечения диверситета базового ПО и исключения систематических ошибок его разрабатывали две разные команды специалистов.
Наряду с безопасным ядром базовое ПО включает в себя плагины, отвечающие за реализацию логики централизации, взаимодействие с системами автоматизированных рабочих мест и объектных контроллеров, а также за другие ответственные функции или функции, не влияющие на безопасность. В частности, один из разработанных плагинов реализует протокол Subset 098, применяемый для обмена информацией со смежными системами централизации и центрами радиоблокировки.
Реализация отдельных функций при помощи плагинов позволяет снизить затраты на разработку и адаптацию базового программного обеспечения под конкретный проект. Например, если на объекте для контроля свободности пути применяют счетчики осей подвижного состава, то в базовое ПО добавляют соответствующий плагин и убирают плагин связи с модулями контроля рельсовых цепей.
В состав программного обеспечения ВМК20‑МЦ входит также технологическое ПО, обеспечивающее безопасное вычисление зависимостей и состоящее из двух компонентов. Один из них описывает конкретные объекты управления, другой — связи между объектами по географическому принципу, т. е. описание конкретной станции.
Для разработки технологического ПО компания «КиберТех-Сигнал» создала два языка программирования — ЯЗОП (логика объектов) и СТОЯЗ (связи между объектами). Они похожи на широко распространенные языки программирования, такие как C++, что позволяет привлекать к подготовке технологического ПО не квалифицированных программистов-разработчиков, а технологов — специалистов в сфере СЦБ, использующих созданную дивизионом ЖАТ систему автоматизированного проектирования RailCAD.
Исполнительные устройства нижнего уровня
Платформа нижнего уровня ПНУ20 также является разработкой компании «КиберТех-Сигнал». В ней используются устройства сопряжения с объектами (УСО), реализующие функции объектных контроллеров и управляющие стрелками, светофорами, реле и т. п.
Событийно-ориентированный подход
Исследование, проведенное компанией «КиберТех-Сигнал» перед началом разработки Платформы 2.0, показало, что события на железнодорожных станциях происходят сравнительно редко и не создают значительную нагрузку на вычислительные модули. Это позволило реализовать одну из ключевых инноваций Платформы 2.0 — событийно-ориентированный подход. Суть этого подхода состоит в том, что вычисление зависимостей осуществляется при возникновении того или иного события и в пределах зоны, которую это событие затронуло. Например, если событие произошло в одной горловине станции, нет необходимости пересчитывать зависимости для другой горловины.
Событийный подход, реализованный в безопасном ядре, языке ЯЗОП и объектных контроллерах (устройствах связи с объектами — УСО), позволил значительно, до десятков миллисекунд, сократить время реакции системы, которая теперь определяется в основном циклом объектного контроллера и качеством сети передачи данных. Естественно, при инициализации системы время реакции возрастает.
При этом сохраняется возможность применения в системе устройств, ориентированных на циклическую передачу данных, таких как модули контроля рельсовых цепей или системы счета осей.
Выбор в пользу событийно-ориентированного подхода повлек за собой переход на асинхронный протокол обмена данными между управляющим вычислительным комплексом и платформой ПНУ20.
Вычислительная платформа УВП КМИ
УВП КМИ — это универсальная система, которая может использоваться не только на железнодорожном транспорте, но и в энергетике и других отраслях промышленности.
Конструктивно УВП КМИ состоит из 19‑дюймового блочного каркаса формата «Евромеханика-3U», в котором размещаются отдельные модули — блок питания, коммуникационный модуль и комплекты вычислительных модулей М1 и М2, а также резервные комплекты (рис. 3). Безопасность УВП обеспечивается за счет двухканального исполнения по схеме 2(2 из 2). Вычислительные модули М1 и М2 построены на российских процессорах.
Рис. 3. Универсальная вычислительная платформа УВП КМИ
Платформа разработана российской промышленностью по техническому заданию «КиберТех-Сигнал».
Концепция УВП КМИ допускает использование и других процессоров, в том числе производства Intel и на архитектуре ARM.
Платформа нижнего уровня ПНУ20
Платформа ПНУ20 конструктивно выполнена в виде типового 19‑дюймового блочного каркаса высотой 6U с вмонтированной объединительной платой ОП ПНУ20. В нем размещаются две сетевые платы КДФП и исполнительные платы УСО разного назначения на аппаратном обеспечении российского производства.
Один каркас вмещает до 19 УСО (рис. 4). Для обеспечения безопасности все УСО оборудованы двумя микроконтроллерами с диверсифицированным программным обеспечением. Все платы поддерживают горячее резервирование.
Рис. 4. Платформа нижнего уровня ПНУ20
Для платформы ПНУ20 разработаны УСО четырех типов: стрелочное Ст20, светофорное Си20, сопряжения с контактами реле Рк20 и обмотками реле Ру20 (рис. 5). Все эти УСО являются универсальными — например, устройство Ст20 способно управлять стрелкой (или спаренными стрелками) по двух-, трех-, пяти-, семи- или девятипроводной схеме, а устройство Си20 — шестью лампами светофора.
Рис. 5. Платы платформы нижнего уровня ПНУ20
При разработке УСО особое внимание уделялось их надежности и безопасности. В результате, например, наработка на отказ устройства Ст20 составляет более 100 тыс. ч.
Конфигурирование УСО осуществляется посредством смарт-разъема специализированного кабеля. В этот разъем встроена высоконадежная микросхема, в которую программатором записываются данные конфигурирования вместе с адресом конкретного напольного устройства. Соответственно для замены УСО достаточно заменить универсальную плату и вновь подключить смарт-разъем.
В концепцию платформы ПНУ20 заложена возможность применения модуля, который устанавливается в ее блочный каркас и способен выполнять функции управляющего вычислительного комплекса на малых станциях и переездах. Опытная эксплуатация такого вычислительного модуля запланирована на 2024 г.
Внедрение, перспективы развития и области применения Платформы 2.0
Для Платформы 2.0 получен сертификат соответствия уровню полноты безопасности УПБ 4 (SIL4). ПО Платформы 2.0 прошло аудит на информационную безопасность и зарегистрировано в российском реестре программного обеспечения. Выпуском микропроцессорной централизации для конкретных объектов внедрения занимается компания «Элтеза», которая выполняет проектирование, разработку технологического ПО и сборку системы. Система МПЦ-ЭЛ на основе Платформы 2.0 с декабря 2022 г. эксплуатируется на станции Пантелеево Северной железной дороги.
Разработав силами компании «КиберТех-Сигнал» Платформу 2.0, дивизион ЖАТ «Группы компаний 1520» получил возможность создавать разнообразные системы железнодорожной автоматики и телемеханики на основе компактного унифицированного программно-аппаратного комплекса с высоким уровнем модульности, гибкой функциональностью, высокими надежностью и безопасностью и развитой диагностикой.
На основе Платформы 2.0 могут разрабатываться системы МПЦ в оптимальной конфигурации для станций любых размеров, системы интервального регулирования движения поездов (в том числе с передачей данных по радиоканалу) и другие системы автоматики на магистральных и промышленных железных дорогах, а также на городском рельсовом транспорте.
Области применения Платформы 2.0 не ограничиваются рельсовым транспортом. На ее основе могут строиться автоматизированные системы управления ответственными технологическими процессами в энергетике и других отраслях промышленности.
Эта статья опубликована в журнале «Железные дороги мира», 2023, № 12.
