В настоящее время системы управления движением поездов по радиоканалу (CBTC) используются в подавляющем большинстве проектов нового строительства и модернизации линий метрополитена и других систем городского рельсового транспорта в мире. Архитектуру, основные функции и параметры CBTC регулирует стандарт IEEE 1474.1-2004, принятый 20 лет назад. Несмотря на его наличие, технические решения поставщиков различаются в отношении как внутренних и внешних интерфейсов, так и алгоритмов реализации подвижных блок-участков, определения местоположения поездов, выделения отдельных зон управления и интеграции периферийных систем. Появившиеся в последние годы новые технологии создают условия для дальнейшего развития и оптимизации архитектуры CBTC. В частности, компания Siemens делает первые шаги на пути внедрения облачной концепции TRAIN2CLOUD.

Содержание

  1. Варианты архитектуры CBTC
  2. Технологические тренды в железнодорожной отрасли
  3. Концепция TRAIN2CLOUD
  4. Поэтапный переход к архитектуре TRAIN2CLOUD

Базовая архитектура системы CBTC, описанная в стандарте IEEE 1474.1-2004, допускает гибкое распределение функций между стационарными и бортовыми устройствами. С появлением CBTC произошло в целом значительное смещение функций регулирования движения поездов от инфраструктуры на подвижной состав по сравнению с традиционными системами ЖАТ на основе светофорной сигнализации. Вместе с тем разные поставщики уже представили технические решения, которые несколько отличаются от концепции CBTC, заложенной в стандарт IEEE 1474.1-2004. К двум крайним случаям можно отнести идеальную поездоцентричную архитектуру, в которой все логические функции сконцентрированы на подвижном составе, и идеальную путецентричную архитектуру с концентрацией таких функций в стационарных устройствах.

Варианты архитектуры CBTC

Идеальная поездоцентричная архитектура

Такая полноценная поездоцентричная архитектура CBTC предполагает отсутствие каких‑либо логических функций на стороне инфраструктуры (рис. 1). Вся логика обеспечения безопасности маршрутов, включая управление переводом стрелок, резервирование и размыкание секций маршрута, реализуется бортовым компьютером. Подобная архитектура использована в CBTC Urbalis Fluence компании Alstom, впервые представленной в 2013 г. и затем внедренной на линии облегченного метро Лилля (Франция). Разработкой поездоцентричных систем управления движением на основе технологии блокчейн занимается также компания DB Systel, входящая в состав железных дорог Германии (DB).

24104 1Рис. 1. Информационные потоки при идеальной поездоцентричной архитектуре (на примере одного поезда)

При такой архитектуре в бортовом устройстве каждого поезда имеется банк данных о линии с информацией о всех ее параметрах, включая объекты управления. Каждый поезд напрямую коммуницирует с этими объектами (стрелками, платформенными дверями и т. п.), а также с соседними поездами.

Для движения по линии поезд должен управлять напольными устройствами, которые занесены в банк данных как относящиеся к предусмотренному маршруту, контролировать эти устройства и обеспечивать их замыкание в требуемом положении. Кроме того, он должен учитывать местоположение впередиидущего и идущего следом поездов, чтобы соблюдать безопасную дистанцию попутного следования. При выполнении всех этих условий поезд способен самостоятельно сформировать разрешение на движение. После проезда секции пути с напольным устройством поезд должен подтвердить ее освобождение, чтобы дать возможность другим поездам использовать эту секцию. Например, после проезда стрелки она должна быть разомкнута с возможностью перевода в другое крайнее положение для формирования маршрута следующим поездом.

Точно так же поезд, отправляющийся со станции, должен непрерывно обмениваться информацией с разными стационарными контроллерами, проверяющими закрытие и блокировку платформенных дверей, а также активацию стоп-кранов, которыми могут пользоваться пассажиры, и устройств защиты персонала. Одновременно он должен обмениваться информацией с впередиидущим поездом, чтобы контролировать местоположение его хвоста, и поездом, идущим вслед, чтобы сообщать ему о местоположении своего хвоста. Длительность сеансов обмена информацией определяется в каждом случае индивидуально. С оборудованием на платформах связь должна поддерживаться до момента выхода поезда за край платформы, со стрелочным контроллером — до полного освобождения стрелочного участка. При определенных обстоятельствах возникает необходимость одновременного обмена информацией между стрелочным контроллером и сразу несколькими поездами. Примером может служить ситуация, при которой стрелка выполняет также функцию защиты от бокового наезда для поезда, движущегося по соседнему пути. При высокой плотности движения к одному стрелочному контроллеру могут обращаться сразу несколько поездов — впередиидущий поезд, который выполнил замыкание стрелки в составе маршрута, и, например, поезд, идущий следом, который запрашивает состояние стрелки для формирования своего маршрута или его защиты от боковых наездов.

Идеальная поездоцентричная архитектура предполагает оснащение всех поездов бортовыми устройствами CBTC. Смешанное движение с участием поездов без таких устройств или с неисправными бортовыми устройствами не допускается.

Стационарные контроллеры не только взаимодействуют по радиоканалу с бортовыми устройствами, но и выполняют мониторинг состояния напольного оборудования, чтобы обеспечить требуемые показатели его безопасности и надежности. Отдельный стационарный контроллер отвечает за назначение мест, требующих временного снижения скорости движения. Он должен коммуницировать со всеми поездами, чтобы информировать их об инфраструктурных ограничениях движения на соответствующих участках.

Идеальная путецентричная архитектура

Полноценная путецентричная архитектура исходит из размещения в центральном сервере всей логики и алгоритмов регулирования движения поездов (рис. 2). Подобная архитектура используется при централизованном управлении работой метрополитена.

24104 2Рис. 2. Информационные потоки при идеальной путецентричной архитектуре (на примере одного поезда)

Функции бортового устройства ограничиваются получением информации от антенн и датчиков измерения пройденного пути, контролем полносоставности поезда, управлением тягой, служебным и принудительным торможением, а также дверями. Алгоритмы CBTC и логика определения местоположения поезда, регулирования и контроля его скорости, а также управления платформенными дверями сосредоточены в центральном стационарном устройстве. На борту поезда имеется сравнительно простое управляющее устройство для обработки входных и выходных сигналов. Банк данных с описанием линии располагается только в центральном стационарном сервере, который осуществляет контроль и управление всеми напольными устройствами, а также поездными передвижениями. Кроме того, этот сервер располагает банком данных с описанием параметров всех поездов, курсирующих по линии.

Одним из предпочтительных вариантов реализации путецентричной архитектуры является выполнение алгоритмов CBTC в безопасной облачной платформе, которая отличается высокой производительностью и независимостью от конкретных аппаратных средств. Облачная платформа обеспечивает высокое быстродействие системы в целом, поскольку функционал бортового устройства CBTC сводится к сопряжению с поездным оборудованием, а задержки передачи данных в современных сетях радиосвязи не превышают нескольких десятков миллисекунд.

При наличии на линии напольных средств контроля свободности пути имеется возможность смешанного движения по линии подвижного состава с бортовыми устройствами CBTC и без них. Кроме того, в идеальном случае дополнительные напольные датчики позволяют определять местоположение поездов с повышенной точностью. К таким датчикам относятся, в частности, радары, системы распределенного акустического зондирования на основе волоконно-оптических кабелей и системы сверхширокополосной связи (UWB, см. «ЖДМ», 2023, № 1, с. 52 – 56).

Сравнение поездоцентричной и путецентричной архитектур CBTC

Современные системы передачи данных по радиоканалу поддерживают обе архитектуры CBTC. Поставляемые промышленностью компьютеры обладают достаточными быстродействием и объемом памяти для реализации поездоцентричной архитектуры.

Вместе с тем идеальную путецентричную архитектуру следует рассматривать как предпочтительную, поскольку она упрощает техническое обслуживание и обеспечивает более высокую готовность системы. При ней полностью отпадает необходимость актуализировать базы данных о линии, размещенные в многочисленных бортовых и напольных устройствах.

Кроме того, путецентричная архитектура в полной мере соответствует базовому подходу, принятому на городском рельсовом транспорте и прежде всего на метрополитенах, где управление движением поездов и диспетчерское регулирование перевозочного процесса осуществляются централизованно для достижения максимальной пропускной способности линий.

Технологические тренды в железнодорожной отрасли

Железные дороги стремятся к цифровизации разных сфер своей деятельности, отвечая на общемировые вызовы — демографические и климатические проблемы, урбанизацию, глобализацию и др. Основными технологическими новшествами последних лет стали эффективная локомотивная сигнализация с быстродействующими радиоканалами передачи данных, Интернет вещей для мониторинга состояния отдельных компонентов железнодорожных систем, аналитика на основе больших данных для организации предиктивного технического обслуживания, облачные сервисы, искусственный интеллект (в том числе в системах диспетчерского управления), повышение уровня автоматизации управления поездом вплоть до GoA4 и энергоэффективности железнодорожной техники, способствующее сокращению выбросов углекислого газа.

Современные телекоммуникационные системы, такие как радиосвязь стандарта 5G, обладают высокой пропускной способностью и позволяют передавать информацию между компонентами поезда (в том числе датчиками) и стационарным центром обработки данных (ЦОД). Это создает условия для углубленного анализа данных и реализации алгоритмов CBTC в облачной платформе.

Концепция TRAIN2CLOUD

Ориентируясь на глобальные тенденции в развитии железнодорожной отрасли, компания Siemens Mobility реализует стратегию цифровизации своих технических решений и в сфере CBTC эволюционирует в направлении концепции TRAIN2CLOUD, предусматривающей создание путецентричной облачной системы.

В концепции TRAIN2CLOUD все функции управления движением поездов сосредоточены в серверной платформе со стандартным аппаратным обеспечением, размещенной в специализированном железнодорожном ЦОД. Эти функции охватывают, в частности, локомотивную сигнализацию, микропроцессорную централизацию и диспетчерское управление (рис. 3).

24104 3Рис. 3. Концепция TRAIN2CLOUD с пространственным резервированием специализированных центров обработки данных

Аналогичная тенденция наблюдается на магистральных железных дорогах, где в масштабе всей сети появляются единые распорядительные посты МПЦ и центры радиосвязи европейской системы управления движением поездов ETCS.

В конечном итоге концепция TRAIN2CLOUD означает цифровизацию и виртуализацию системы CBTC. Стандартная технология облачных вычислений не обеспечивает выполнения требований уровня функциональной безопасности SIL4. Поэтому необходимо особое промежуточное ПО, реализующее такие базовые функции, как обращение с разными уровнями безопасности, совместное использование ресурсов и быстрая эластичность (Rapid Elasticity) облачных сервисов.

Эволюция CBTC в направлении облачных технологий создает новые условия для повышения уровня автоматизации, виртуализации и инноваций, связанных с искусственным интеллектом.

Виртуализация позволяет устранить связь функций централизации, стационарного оборудования локомотивной сигнализации или диспетчерского управления с аппаратными средствами в конкретных пунктах линии и гибко распределить их внутри системы, что повышает ее гибкость и надежность за счет наличия комплексных механизмов поддержания высокой готовности, включающих пространственное резервирование.

Эффективность концепции TRAIN2CLOUD для операторов

Для операторов метрополитенов и других систем городского рельсового транспорта внедрение CBTC на основе концепции TRAIN2CLOUD дает ряд преимуществ, в числе которых:

  • уменьшение числа аппаратных средств на линии за счет более высокого уровня централизации. Это сокращает потребность в технических помещениях при строительстве новых линий и упрощает реализацию проектов модернизации существующих линий;
  • снижение стоимости жизненного цикла средств CBTC, поскольку обновление их ПО осуществляется централизованно и упрощается техническое обслуживание оборудования;
  • повышение гибкости управления версиями ПО и менеджмента в сфере информационной безопасности (это касается, например, установки патчей безопасности);
  • упрощение решения проблем устаревания аппаратных средств (в том числе за счет применения технологии виртуализации);
  • поддержка расширения системы в перспективе за счет миграции имеющихся функций, масштабирования вычислительной мощности и наличия интегрированных и легко доступных интерфейсов прикладного программирования.

TRAIN2CLOUD — практическая реализация

Для успешной реализации концепции TRAIN2CLOUD ключевое значение имеет стратегия перехода к облачной путецентричной архитектуре CBTC, который может состоять из нескольких этапов и занять достаточно продолжительное время.

Ключевую роль для системы CBTC играет высоконадежная сеть радиосвязи. В современных CBTC используются преимущественно сети Wi-Fi и LTE. Архитектура TRAIN2CLOUD не привязана к какой‑либо технологии передачи данных, а потому позволяет воспользоваться преимуществами инновационных телекоммуникационных систем. Так, с введением 5G в качестве стандарта мобильной радиосвязи появляется возможность применять общедоступные сети операторов сотовой связи для обмена информацией в промышленных приложениях, в том числе на критически важной инфраструктуре. Еще более привлекательным этот стандарт становится с учетом того, что сети 5G могут быть выполнены как гибридные, чисто частные либо общедоступные. Это создает условия для применения в CBTC одного общего радиоканала и реализации гибких технических решений в зависимости от имеющейся инфраструктуры сетей радиосвязи у клиентов.

В 2022 г. компания Siemens Mobility получила контракт на модернизацию системы сигнализации метрополитена Осло, предусматривающий внедрение CBTC семейства Trainguard MT. В этом проекте для двустороннего обмена информацией между поездами и инфраструктурой CBTC используются общедоступные сети радиосвязи стандарта 4G двух местных сотовых операторов — Telia и Ice.

В период 2021 – 2022 гг. Siemens Mobility опробовала в городе Цюаньчжоу на юго-востоке Китая систему CBTC Trainguard MT с прототипом оборудования сети стандарта 5G для обмена информацией не только между поездом и стационарными устройствами, но и между отдельными объектными контроллерами напольных устройств. Испытания подтвердили надежность и высокое быстродействие канала передачи данных через сеть радиосвязи 5G между контроллерами и системой централизации. Такой радиоканал может рассматриваться как действенная альтернатива проводной связи на инфраструктуре системы CBTC.

Рельсовый транспорт испытывает острую потребность в технологиях, которые допускают быстрое и недорогое внедрение в рамках цифровизации отрасли. Этим объясняется все более широкое применение стандартных технологий и компонентов в системах управления движением поездов. Вместо специализированных аппаратных средств для работы ответственных приложений могут быть использованы стандартные многоядерные процессоры. Построение серверов с уровнем безопасности SIL4 на основе компонентов, серийно выпускаемых промышленностью (COTS), позволяет создавать недорогие и эффективные технические решения.

Система TRAIN2CLOUD базируется на специализированном железнодорожном ЦОД, где задействованы компоненты COTS и могут запускаться ответственные приложения, реализующие в том числе логику систем централизации, других устройств ЖАТ и функционал диспетчерского управления движением поездов (подробнее см. «ЖДМ», 2022, № 2, с. 56 – 59).

Одним из ключевых компонентов TRAIN2CLOUD является распределенная безопасная технологическая платформа DS3 (Distributed Smart Safe System), которая впервые была внедрена на австрийской станции Ахау, где в ноябре 2020 г. ввели в эксплуатацию облачную МПЦ. В настоящее время Siemens реализует еще несколько проектов с использованием платформы DS3 (например, в Барселоне), функционирующей в опытном режиме параллельно с традиционными системами.

Безопасная платформа DS3 в полной мере поддерживает концепцию TRAIN2CLOUD, реализуя высокий уровень централизации и виртуализации функций напольного оборудования CBTC. Она обеспечивает полное абстрагирование от аппаратных средств (стандартных промышленных серверов) с удовлетворением требований уровня безопасности SIL4. Быстродействие, резервирование и другие характеристики аппаратного обеспечения могут варьироваться в зависимости от конкретного проекта с возможностью масштабирования при необходимости в будущем.

Платформа DS3 может использоваться для выполнения на одном и том же аппаратном обеспечении ответственных приложений и приложений, не влияющих на безопасность. Это позволяет запускать на ней также приложения для диспетчерского управления движением поездов.

Безопасная платформа DS3 работает поверх операционной системы Linux с защищенным ядром Siemens S2L2 Linux и соответствующими модулями информационной безопасности. При этом поддерживаются механизмы защиты вплоть до уровня информационной безопасности SL3, включая дистанционное обновление ПО и данных на стандартном аппаратном обеспечении.

Платформа DS3 непрерывно контролирует параллельное исполнение ответственных приложений минимум в двух физических серверах с интеллектуальным мажоритарным сравнением результатов обработки, причем механизмы обеспечения функциональной безопас­ности адаптируются к числу работающих, остановленных или вновь запущенных приложений. Преду­смотрена поддержка пространст­венного резервирования специализированных железнодорожных ЦОДов, повышающего готовность системы CBTC.

Поэтапный переход к архитектуре TRAIN2CLOUD

Концепция TRAIN2CLOUD допускает поэтапный перенос функций систем централизации, зонных контроллеров и диспетчерского управления в специализированный железнодорожный ЦОД. В технологической платформе DS3 имеются интерфейсы для поддержки постепенной передачи на нее существующих приложений, при этом внешние интерфейсы сохраняются в неизменном виде. Таким образом, становится возможной беспрепятственная эволюция CBTC без внесения изменений в основные принципы ее работы, что снижает риски для проектов операторов метрополитенов при переходе к архитектуре TRAIN2CLOUD. 

В дальнейшем после появления достаточно высокопроизводительного радиоканала для двустороннего обмена информацией с бортовыми устройствами возможна передача других функций от поезда к инфраструктуре вплоть до формирования идеальной путецентричной архитектуры.

А. Ефремов

В статье использованы материалы компаний Siemens (www.mobility.siemens.com), Alstom (www.alstom.com) и DB Systel (www.dbsystel.de); Signal und Draht, 2024, № 6, S. 50 – 59.

Эта статья опубликована в журнале «Железные дороги мира», 2025, № 1.