Vonatvezérlő rendszerek, kommunikációs gerinchálózatok.

Mik azok a vonatvezérlő rendszerek?

A vasúti szakzsargonban a vonatvezérlő rendszereket TCMS-rendszereknek hívjuk. A TCMS a Train Control and Monitoring System (ritkábban Train Control and Management System) kezdőbetűiből alkotott betűszó. Az olyan rendszereket hívjuk így, amelyek a vasúti szerelvények elektronikus vezérlésű alrendszerei között megteremtik az adatkapcsolatot. A vonatkozó szakirodalom TCMS alatt a kommunikációs hálózatot, az arra kapcsolódó autonóm működésű elektronikus egységeket és az általuk nyújtott szolgáltatások összességét érti.

TCMS funkciók

A nagyobb vasúti járműgyártók mindegyike fejleszt TCMS rendszereket, melyek ellátják a teljes vonat vezérlési és felügyeleti funkcióit. Az eszközök szabványos kommunikációs interfészekkel rendelkeznek, így biztosítva a hatékony integrációt a beszállítóktól érkező különböző alrendszerekkel is. A magasfokú integráltságnak köszönhetően a kommunikáció ugyanazon a központi gerinchálózaton zajlik. A vonatépítő vállalatok számára ez számos előnnyel jár: a funkciók egyszerű bővíthetősége és jobb skálázhatósága mellett kevesebb helyet igényel a kocsik kábelezése, ezzel is egyszerűsítve a gyártást és a karbantartást.

Egy mai modern vonaton az összes programozott vezérléssel ellátott alrendszer a TCMS-re kapcsolódik. Kialakítástól függően, a teljesség igénye nélkül ide sorolhatók a hűtő-, fűtő- és szellőztető berendezés, a fékrendszer, az utastájékoztató egységek, világítás, diagnosztika, ajtóvezérlés, intelligens vezetőtájékoztató rendszer és különféle adatgyűjtő modulok. Az architektúra moduláris és jól skálázható, mely azzal az előnnyel jár, hogy egy megfelelően tervezett TCMS rendszer könnyen adaptálható a különböző szerelvénytípusokra (villamos, nagysebességű vonat vagy éppen metró). A vasúti szerelvények üzemeltetése és karbantartása a folyamatosan rendelkezésre álló információnak köszönhetően jobban tervezhetővé válik. A kialakítás további lehetőségeket is kínál: megfelelő komponensekkel kibővítve a vonatok képesek lehetnek nagy távolságú külső kommunikációra is, lehetővé téve ezzel a távoli felügyeletet vagy akár irányítást is.

Kommunikációs gerinchálózatok

A vasúti járműveket átszövő első kommunikációs hálózatok a ’90-es évek elején jelentek meg. A tervezés során a kiemelt célok között szerepelt a karbantartási költségek csökkentése, az utazóközönség számára magasabb színvonalú szolgáltatások nyújtása (elősegítve a vasút piaci részesedésének növelését a személyszállításban) és a diagnosztikai lehetőségek kiterjesztése, megteremtve ezáltal a célzott, igény szerinti szervizelés lehetőségét.

A vasúti üzem speciális körülményei számos olyan feltételt állítanak a tervezők elé, amely más iparágakban nem jellemző. Mindenekelőtt a szerelvények hossza miatt a gerinchálózatnak képesnek kell lennie a megbízható és determinisztikus működésre akár 1000 méteres végpontok közötti távolság esetén is. Az adatok késleltetése ekkor sem haladhatja meg a valós idejű kommunikációhoz előírt mértéket.

A szükséges biztonsági megbízhatósági (SIL) szint elérése érdekében több azonos funkciójú egység redundanciája szintén követelmény lehet, elkerülendő az olyan eseteket, amikor egyes kiemelt fontosságú egységek hibája az egész rendszer biztonságos működését veszélyezteti. További fontos tényező, hogy a vonatok élettartama elérheti akár a 30-40 évet is és ezen időtartam alatt az alrendszerek karbantartását, valamint a terméktámogatást egyaránt biztosítani kell. Elektronikus eszközöknél az alkatrészellátás biztosítása már önmagában is kihívás ilyen időtávon.

Mindezekre válaszul, kifejezetten a vasúti szerelvények belső kommunikációs követelményei alapján született meg a több részből álló IEC 61375 szabványrendszer, amely definiálja a gerinchálózat logikai felépítését és főbb tulajdonságait. Az általános TCMS architektúra leírásán kívül a dokumentumcsomag tartalmaz protokolldefiníciókat (például MVB – Multifunction Vehicle Bus, TRDP – Train Real Time Data Protocol), továbbá megfelelőségi tesztspecifikációkat is.

Multifunction Vehicle Bus (MVB)

Az MVB (Multifunction Vehicle Bus) volt az első igazán széles körben használt kommunikációs protokoll a TCMS hálózatokon. Az IEC 61375-3-1 specifikáció írja le részletesen, a mai napig sok TCMS hálózaton eszerint zajlik az eszközök közötti üzenetváltás. Az MVB buszok kitüntetett szerepe a protokoll robusztusságának és a vasúti igénybevételre tervezett paramétereinek köszönhető. Az MVB hálózatokon minden esetben megtalálható egy ’master’ eszköz, mely felelős a kommunikáció ütemezéséért a rendszerben. A kommunikáció főképp ciklikus üzenetváltásokkal történik. Az adatok minden esetben két párhuzamos vezetéken futnak, emellett a biztonságkritikus elemeket sok esetben duplán építik be, így az egyik hibája esetén a második azonnal át tudja venni a szerepét.

A mai modern vonatokon ugyanakkor egyre nagyobb az igény a funkciók bővítésére, melynek az MVB a korlátai miatt (például alacsony sávszélesség) már nem tud megfelelni. Mindezek miatt az új fejlesztésű vonatokon már nem alkalmazzák, helyette az Ethernet alapú hálózatok és kommunikációs protokollok (például TRDP, Ethernet/IP) térnyerése figyelhető meg. Ezek vasúti adaptációja – előnyeik mellett - ugyanakkor kihívásokat is tartogat.

Az Ethernet hálózatok vasúti integrációs kérdései

Az egyik fő kérdés a valós idejű működés biztosítása. Korszerű topológiai megoldásokkal és a hálózat megfelelő tervezésével mindez biztosítható: egyrészt a kialakításnál (akár fizikailag is) leválasztják a biztonságkritikus funkciókat a kevésbé időérzékeny adatokról. Másrészt a kritikus információk továbbításához szükséges adatkommunikáció – mivel túlnyomórészt ciklikus működésen alapul - pontosan tervezhető terhelést jelent. Továbbá lehetőség van az információcsomagokat különböző prioritással is ellátni, így az átvitel során a fontosabb adatokat előnyben tudja részesíteni a hálózat.

Lényeges szempont az adatbiztonság is, azaz mennyire védett a vasúti szerelvényeken levő rendszer a külső behatolásokkal szemben. Egyelőre még a biztonságkritikus funkciók közötti adatcsere leválasztott hálózatrészen zajlik, ugyanakkor a következő évek fő feladata a TCMS rendszerek és alrendszerek fejlesztőinek, hogy a rosszindulatú behatolás elleni védelmet egyre kifinomultabbá tegyék.

Összefoglalásképp elmondható, hogy jelentős változások előtt állnak a TCMS rendszerek s maga a vasúti fékvezérlőelektronika-fejlesztés is. A korábbi buszrendszereket felváltják az Ethernet alapú megoldások és az egyes funkciók – beleértve a biztonságkritikusakat is – jóval magasabb integráltsági foka alapértelmezett lesz a vasúti szerelvényeken is. Mindez azt is jelenti, hogy a hálózatnak és az azt alkotó komponenseknek is számos új ’Cybersecurity’ követelménynek kell megfelelni az esetleges rosszindulatú manipuláció kivédésére.