CC BY
88
Перспективная универсальная сеть передачи данных
Г. Ф. Насонов,
главный инженер Центральной дирекции инфраструктуры -филиала ОАО «РЖД»
В. Ф. Танаев,
главный инженер Октябрьской железной дороги - филиала ОАО «РЖД»
Д. В. Ефанов,
канд. техн. наук, доцент Петербургского государственного университета путей сообщения Императора Александра I, член IEEE
Г. В. Осадчий,
технический директор ЗАО НТЦ «Мониторинг мостов»
Д. Н. Пристенский,
инженер
ООО «Мостовое бюро»
Д. В. Седых,
инженер ЗАО НТЦ «Мониторинг мостов»
Представлен анализ проблем применения промышленных сетей передачи данных при организации уровня трансляции информации в системах непрерывного мониторинга объектов железнодорожной инфраструктуры. Приведены данные разработанной новой сети передачи данных с собственным протоколом, позволяющим оптимизировать условия эксплуатации в системах непрерывного мониторинга.
В России железнодорожный транспорт развивается по пути увеличения скорости перемещения грузов и пассажиров, что требует большего внимания к надежности и безопасности перевозочного процесса. Их повышение возможно в результате автоматизации технологических процессов - как эксплуатации, так и технического обслуживания объектов железнодорожной инфраструктуры и подвижного состава. Ряд происшествий на пространстве дорог ОАО «РЖД» происходит вследствие того, что своевременно не были зафиксированы пред-отказные ситуации и отказы объектов инфраструктуры в отсутствие мониторинга всех элементов железнодорожной инфраструктуры. Развивающийся отказ и наступление предотказного состояния не замечаются вовремя в силу ряда особенностей работы железных дорог, технологий технического обслуживания,
порой - низкого качества технического обслуживания.
Железные дороги связывают между собой экономические центры страны, а комплекс объектов железнодорожной инфраструктуры (рис. 1) включает в себя множество децентрализованных функциональных элементов: от элементов верхнего строения пути и энергоснабжения до средств автоматики, телемеханики и связи. Автоматизации их обслуживания крайне затруднена в силу сложной технической реализации, большого количества структурных единиц, географической удаленности и т. д. Сегодня хорошо развиты лишь средства непрерывного мониторинга объектов железнодорожной автоматики и телемеханики, которыми оборудуются как станционные, так и перегонные устройства [1-3]. В таких системах передача диагностической информации ведется по кабельным линиям. Перенос опыта
Рис. 1. Объекты железнодорожной инфраструктуры
Рис. 2. Топология «звезда» для каждой базовой станции у стандартной сети
Рис. 3. Принцип ячеистой топологии: БС - базовая станция
разработки и эксплуатации средств непрерывного мониторинга устройств железнодорожной автоматики и телемеханики на объекты других хозяйств (пути и энергоснабжения) затруднен, а в некоторых случаях невозможен. Например, трудно представить систему мониторинга контактной подвески, функционирующую с подключением к кабельным сетям: это потребовало бы больших затрат на строительство и на эксплуатацию.
Создание систем непрерывного мониторинга объектов железнодорожной инфраструктуры возможно только при организации беспроводного защищенного канала передачи диагностической информации с повышенными характеристиками энергосбережения [4]. Сегодня известно много разработчиков и производителей сетей передачи данных для промышленности, однако не все технические решения можно эффективно применять в системах непрерывного мониторинга децентрализованных и удаленных на большие расстояния объ-
ектов железнодорожной инфраструктуры. Авторы статьи разработали универсальную сеть передачи данных, отвечающую всем требованиям по эффективности и качеству функционирования.
Современные промышленные сети передачи данных
Современные промышленные сети передачи данных используют сходные технологии. Один из трендов - организация вычислительных сетей для обмена данными, восприятия внешнего мира и взаимодействия друг с другом или с внешней средой, или просто «интернет вещей» [5]. Подобные технологические решения эффективны и востребованы, однако их применение в сфере мониторинга географически распределенных объектов промышленности и транспорта ограничено. Рассмотрим особенности промышленных сетей передачи данных на примере известных разработок компаний Semtech и «СТРИЖ-Телематика» [6-8].
В последние годы на российском рынке активно продвигаются разработки компании Semtech, базирующейся на подготовленном ее сотрудниками протоколе беспроводной связи LoRaWAN (Long Range Wide Area Network), которая была представлена как энергоэффективная сетевая технология. Указанная сеть, как и большинство других беспроводных сетей, работает в субгигагерцовых диапазонах ISM (industrial, scientific and medical radio bands) нелицензируемых частот. Архитектура сети представляет собой топологию типа «звезда» (рис. 2), в которой конечные устройства подключаются по беспроводной связи к шлюзам, а шлюзы - к сетевому серверу. При такой топологии сеть состоит из сот (рис. 3), покрытие определяется заполнением пространства сотами, что нерационально в случае линейно распределенных устройств.
Основные преимущества LoRaWAN [6, 7] следующие:
• открытый стандарт;
• большая дальность работы;
• низкое энергопотребление - до 10 лет работы сенсора от батареи АА.
Однако, к сожалению, сеть передачи LoRaWAN нельзя применять в системах непрерывного мониторинга, так как она имеет существенные ограничения:
1) открытый стандарт протокола связи не имеет особого смысла, когда для реализации протокола могут использоваться устройства только на чипах разработки Semtech с закрытой
архитектурой и встроенным программным обеспечением;
2) большая дальность в данной системе обеспечивается с помощью узконаправленных антенн, поднятых на десятки метров, на минимальной скорости передачи данных;
3) низкое энергопотребление (до 10 лет работы сенсора от батареи АА) даже теоретически обеспечивается только при работе приемо-передатчика на низкой мощности (что кардинально меняет показатели дальности связи), при крайне редких (эпизодических) сеансах связи и минимальном объеме передаваемых данных.
Кроме того, концентраторы для LoRaWAN, которые поставляет компания MultiTech, имеют более закрытую архитектуру и встроенное программное обеспечение, чем чипы компании Semtech. К указанным недостаткам следует добавить низкую реальную скорость передачи данных и возможность реализации сетей только с топологией «звезда».
Шлюз LoRaWAN (иначе — базовая станция, или концентратор) принимает по радиоканалу данные от конечных устройств и транслирует их в транзитную систему, в качестве которой может выступать Ethernet, сотовая связь или другие телекоммуникационные каналы. Шлюз LoRaWAN может функционировать в сетевой топологии типа «звезда» и содержит многоканальные приемопередатчики.
Благодаря использованию технологии с расширением спектра данные, передаваемые от различных конечных узлов с той или иной скоростью, не мешают друг другу и создают набор «виртуальных» каналов, что увеличивает пропускную способность шлюза. Однако при этом создаются условия для значительных помех другим устройствам, работающим в том же диапазоне частот, например системе идентификации подвижного состава «Пальма», функционирующей в ОАО «РЖД».
Любой чип LoRa объединяет в себе приемник и передатчик, но вследствие топологии «звезда» максимальное покрытие сети оказывается ограниченным только пропускной способностью канала центрального приемника, который должен успевать проводить радиообмен со всеми подключенными к нему устройствами. Поэтому для использования в центральном модуле компания Semtech выпускает чип SX1301, который нельзя купить на свободном рынке, по нему нет открытой документации. В составе чипа SX1301
Рис. 4. Линейный режим разработанной сети без ретрансляторов в сравнении с типовой сотой базовой станции
два RF-фронтенда и целый ряд модемов, но для сторонних разработчиков он доступен только в виде готовых модулей. Для работы в условиях помех компанией Semtech в технической документации LoRaWAN указана вполне разумная дальность - от 1,5 до 4,5 км.
Учитывая изложенные особенности технологий компании Semtech, протокол LoRaWAN нельзя применять в составе систем непрерывного мониторинга объектов железнодорожной инфраструктуры.
Сеть передачи «Стриж», разработанная российской компанией «СТРИЖ-Телематика», - это сеть с топологией «звезда» с несколько превосходящими LoRaWAN характеристиками дальности, но с существенно меньшей скоростью передачи данных и с двумя раздельными каналами на прием и передачу: абонентские устройства передают данные на частоте 868 МГц, а центральная станция - мощным передатчиком на 446 МГц [8]. Это позволяет увеличивать емкость сети (отметим: емкость определяется количеством устройств, с которыми центральная станция физически успеет провести радиообмен), а в некоторых случаях — обеспечить лучшее покрытие сети.
Сеть «Стриж» использует собственный протокол Мап^о 2.0. Технология до определенной степени схожа с технологией LoRaWAN со всеми плюсами и минусами последней. Совместимость с LoRa обеспечивало первое поколение устройств компании, сделанных на чипах Semtech SX1276, сейчас в системе «Стриж» используются чипы Axsem, не поддерживающие LoRaWAN. Принципиальное отличие систем «Стриж» и LoRaWAN: в последней используется широкополосное кодирование, в первой — узкополосная модуляция (компания признала, что LoRaWAN не лучшим образом подходит для массового развертывания сети в странах с «европейским» размером нелицен-
зируемого спектра). Компания LoRaWAN согласилась, что узкополосная модуляция дает возможность эффективнее использовать полосу спектра, увеличить чувствительность и энергоэффективность, снизить стоимость.
Компания «СТРИЖ-Телематика», изначально активно продвигавшая технологию LoRaWAN, впоследствии отказалась от нее (хотя используемые ею сейчас чипы Axsem AX5043 имеют значительно худшие технические характеристики, чем Semtech SX1276).
Сеть передачи «Стриж» нельзя использовать в системах непрерывного мониторинга объектов железнодорожной инфраструктуры вследствие следующих недостатков:
1) в сети «Стриж», как и в LoRaWAN, использована топология типа «звезда», принципиально не подходящая для линейных (протяженных) систем и не обеспечивающая гарантированную надежность;
2) низкая скорость передачи данных;
3) для обеспечения приемлемой дальности связи (5-15 км в зависимости от условий) необходима установка узконаправленных антенн на высоких мачтах, что не всегда возможно и целесообразно для нужд ОАО «РЖД»;
4) невозможность удаленного обновления программного обеспечения датчиков;
5) высокие затраты на резервирование для обеспечения гарантированной надежности системы.
Невозможность адаптации известных промышленных сетей к системам непрерывного мониторинга объектов железнодорожной инфраструктуры способствовала созданию авторами собственного протокола передачи данных, лишенного отмеченных и других недостатков [9].
Разработанная сеть передачи данных
В процессе разработки, тестирования и эксплуатации системы непрерывного мониторинга железнодорожной контактной подвески было использовано несколько протоколов передачи данных, в частности ZegBee, применяемый на зарубежных железных дорогах [10]. Однако все они оказались неудобными в эксплуатации системы непрерывного мониторинга. При решении задачи организации сети с беспроводным трактом передачи данных был разработан собственный улучшенный протокол передачи.
В ходе работ были учтены проблемы электромагнитной совместимости со всеми действующими на пространстве дорог ОАО «РЖД» объектами: обеспечена совместимость с системой «Пальма» и микропроцессорными системами железнодорожной автоматики и телемеханики, подверженными воздействию кондуктивных помех.
Сеть передачи построена на широко доступных SoC Texas Instruments серии SimpleLink, что гарантирует их доступность и обеспечивает отличную техническую поддержку не только производителем, но и сообществом разработчиков. Для дальнейшего развития системы может использоваться как TI RTOS, так и ОС Contiki 6LoWPAN. Это одна из свежих разработок с открытым исходным кодом в области IoT - IPv6, адаптированная для физического и MAC-уровня ячеистых сетей 802.15.4.
В системе передачи используются специально разработанные беспроводные датчики. Они монтируются непосредственно на объекте мониторинга, имеют автономные источники питания (литиевые и солнечные батареи), ретрансляторы сигналов и вертикальные всенаправленные антенны, работающие в диапазоне частот 864-876 МГц, которые устанавливаются на оголовках опор контактной сети (длина антенн от 15 см). Такие устройства дают возможность организовать систему передачи данных со смешанной и реконфигуриру-емой топологией в зависимости от того, где расположены объекты мониторинга: на станции или на перегоне. При этом оптимальный маршрут потока данных и мощность передачи в разработанной сети выбираются автоматически. Дальность передачи данных в зависимости от условий видимости и профиля пути достигает 3 км, а скорость передачи данных в протоколе позволяет подключать примерно до 250 диагностических приборов и управлять ими с помощью двух концентраторов диагностической информации. Дальность передачи можно увеличить, используя ретрансляторы или датчики, перестраивающиеся в ретрансляционный режим (рис. 4).
Разработанную сеть передачи данных отличает высокая живучесть: в случае отказа ретранслятора маршрут потока данных изменяется автоматически, при этом диагностические датчики могут переходить в режим «ретранслятора» (рис. 5). Следует отметить, что все пакеты данных передаются с подтвер-
ждением приема, к тому же ведется непрерывная самодиагностика элементов сети. При необходимости управления, конфигурации и обновления прошивки каждого устройства сети не требуется выезд на объект мониторинга, а все операции могут быть совершены удаленно, из центра мониторинга.
Разработанные в настоящее время авторами новые версии беспроводных датчиков и ретрансляторов позволяют значительно увеличить не только дальность и скорость связи, но и время автономной работы.
Отметим, что разработанная сеть передачи данных с собственным протоколом обладает высоким уровнем защищенности и никак не не противоречит политике кибербезопасности ОАО «РЖД» [11].
Предлагаемые технические решения - не далекое будущее, это готовый функционирующий продукт. Сеть передачи данных успешно внедрена в систему непрерывного мониторинга железнодорожной контактной подвески на линии «Санкт-Петербург - Москва», что стало важным шагом к реализации технологии Smart Grid в хозяйстве энергоснабжения [12]. Диагностические приборы, входящие в структуру сети, легко модернизируются, т. е. доступно расширение их функциональных возможностей. В состав приборов могут быть интегрированы следующие датчики: тензометры, термометры, акселерометры, инклинометры, датчики тока, напряжения, давления, влажности и т. д. Расширенный функционал системы и сети передачи данных позволяет реализовывать системы непрерывного мониторинга любых объектов железнодорожной инфраструктуры.
Таким образом, использование беспроводной сети передачи данных позволяет решать ряд неразрешимых до сих пор проблем. Кроме того, достигается очевидный экономический эффект от внедрения технологии мониторинга, не требующей земляных работ и затрат на прокладку коммуникаций (снижение затрат вследствие исключения проектно-изыскатель-ских работ, строительства, необходимости вывода части земли из обращения, переустройства коммуникаций при изменении конфигурации объекта, вероятных повреждений и непосредственно эксплуатации и обслуживания). Применение разработанной технологии позволяет отказаться от услуг сотовых операторов и создать собственную корпоративную сеть.
Рис. 5. Реконфигурация сети (новые связи показаны оранжевым цветом)
Все отмеченные достоинства открывают путь к организации высокоинтеллектуальных систем мониторинга объектов железнодорожной инфраструктуры. Появляется возможность непрерывного мониторинга таких важных объектов, как верхнее строение пути (например, контроль температуры рельсов с целью фиксации «выбросов» пути), напольное технологическое оборудование железнодорожной автоматики и телемеханики (к примеру, контроль температуры и токов в дроссель-трансформаторах) и объекты энергоснабжения (например, контроль усилий натяжения и вибраций в тросах и проводах контактной подвески). При этом возможно создание и использование мобильных приложений, а технический персонал соответствующих дистанций Дирекций инфраструктуры железных дорог получает возможность легкого и быстрого доступа к мобильным автоматизированным рабочим местам.
Разработанную сеть передачи данных можно использовать в смежных транспортных областях для организации мониторинга любых объектов инфраструктуры. Особенно полезным может оказаться приложение для мониторинга объектов городского наземного и подземного электротранспорта. □
Литература
1. Нестеров В. В. Развитие систем СТДМ, АСУ-Ш-2 и АОС-ШЧ // Автоматика, связь, информатика. 2012. № 12. С. 546.
2. Иванов А. А., Легоньков А. К., Молодцов В. П. Новые приборы регистрации параметров устройств железнодорожной автоматики в системе АПК-ДК (СТДМ) // Автоматика на транспорте. 2015. Т. 1, № 3. С. 282-297.
3. Ефанов Д. В. Становление и перспективы развития систем функционального контроля и мониторинга устройств
железнодорожной автоматики и телемеханики // Автоматика на транспорте. 2016. Т. 2, № 1. С. 124-148.
4. Средства защиты информации, передаваемой по радиоканалу: рук. документ по обеспечению информационной безопасности беспроводного радиодоступа (стандарты IEEE 802.11, IEEE 802.16). М.: ОАО «РЖД», 2010. 29 с.
5. Интернет вещей: аспекты безопасности. URL: http://www.comnews.ru/ node/87855#ixzz4Fdxz7yAi.
6. Верхулевский К. Технология LoRa компании Semtech: новый импульс развития «Интернета вещей» // Беспроводные технологии. 2015. № 3. С. 8-14.
7. Верхулевский К. Однокристальные ISM-трансиверы Semtech: уверенная связь в сложных условиях // Компоненты и технологии. 2013. № 6. С. 110- 116.
8. LPWAN-технология «СТРИЖ». URL: http://strij.net/tehnoLogiya-strizh.
9. Ефа нов Д. В., Осадчий Г. В., Седых Д. В., Пристенский Д. Н. Особенности организации передачи данных по радиоканалу в системах непрерывного мониторинга объектов инфраструктуры железнодорожного транспорта // Автоматизация в промышленности. 2016. № 6. С. 29- 33.
10. Park Y., Cho Y. H., Lee K. et aL. Development of an FPGA-based Online Condition Monitoring System for Railway Catenary Application // 8th World Congr. Railway Res. COEX. Seoul, Korea, 2008. 18-22 May.
11. Розенберг Е. Н. Системы диагностики и их киберзащищенность // Автоматика, связь, информатика. 2015. № 10. С. 20- 21.
12. Ефанов Д. В., Осадчий П В., Седых Д. В. и др. Способ непрерывного мониторинга механического усилия в проводах и тросах контактной подвески // Транспорт Урала. 2016. № 1. С. 9-15. DOI: 10.20291/1815-9400-2016-1-9-15.
