Проектирование единой вычислительной платформы для поездов всех типов

Бортовые вычислительные системы для поездов

Обычно определяют три типа поездов в зависимости от их предназначения: грузовые, пригородные и поезда дальнего следования. Так как функции железнодорожных бортовых систем продолжают эволюционировать, обязательным требованием для вспомогательных вычислительных платформ является масштабируемая модульная конструкция: к примеру, немногие захотят установить себе компьютер, который хоть и сможет семь лет работать в тяжелейших условиях, но при этом морально устареет через два года. Быстрые темпы развития современных бортовых систем автоматизации сделали ключевым требованием универсальность, благодаря которой эти системы можно адаптировать к потребностям каждого конкретного поезда. Рассмотрим, в чем именно заключаются эти потребности у поездов разных типов (таблица).

Долговечность и надежность систем грузовых перевозок

Рис. 1. Грузовой поезд

Как показано в таблице, грузовые поезда имеют наивысшие аппаратные и наименьшие функциональные требования. Грузовые локомотивы эффективно работают в режиме 24/7 много лет подряд и только изредка проходят техническое обслуживание на запланированных остановках в пути; они разработаны для обеспечения наивысшей производительности и надежности, а не комфорта. С учетом того, что средний состав имеет длину 2–3 км (рис. 1), а системы автоматизации позволяют снизить количество членов экипажа до 2–3 человек, бортовые вычислительные платформы являются одним из ключевых компонентов поезда, а их надежность становится первостепенной задачей. В грузовых поездах ключевыми вычислительными функциями, помимо сигнализации и управления движением, являются обеспечение связи (как локальной, так и дальней), руководство и планирование режима работы экипажа, отслеживание и управление загрузкой грузом и обеспечение безопасности. Все это может осуществляться силами одной вычислительной станции, расположенной в локомотиве поезда. Как упоминалось ранее, основным требованием для грузовых поездов является надежность и долговечность, поэтому важно устранить как можно больше точек отказа. В настоящее время двумя наиболее распространенными точками отказа являются вентиляторы и хранилища данных.

Вспомогательные вычислительные системы для товарных поездов

Связь экипажа со станциями может осуществляться с помощью Wi-Fi и сотовых сетей. Такие каналы связи могут дополнительно выступать в качестве шлюза для систем сигнализации, управления или для организации беспроводной сети. В некоторых системах для работы со спутниковым оборудованием или региональными сервисами, например со специальной радиосвязью с подвижными объектами (SMR), могут потребоваться дополнительные последовательные интерфейсы и Ethernet. В свою очередь, серверу, работающему в качестве локального шлюза для доступа к внешним сетям, необходим брандмауэр и система обнаружения вторжений, которые призваны обезопасить всю систему (и особенно подсистемы управления и сигнализации) от несанкционированного доступа.

Для планирования режима работы экипажа, контроля документов на груз и других функций управления может понадобиться установка менее критичных приложений. Вероятнее всего, они будут представлены в виде различных баз данных со встроенным пользовательским интерфейсом. Наконец, наиболее ресурсоемкая услуга, поддерживаемая вычислительной платформой, — это сетевой видеорегистратор, работающий с несколькими системами видеонаблюдения. В большинстве случаев его основной функцией является наблюдение в реальном времени, а также запись и хранение видео для разбора внештатных ситуаций. Камеры можно установить в разных местах на локомотиве. В зависимости от требований к безопасности оператор может принять решение об установке камер вдоль всего состава.

Хранение данных

Сегодня наиболее экономичными устройствами для хранения данных являются жесткие диски. И, хотя твердотельные накопители обладают действительно заманчивыми характеристиками, есть несколько причин, по которым жесткие диски чаще всего остаются более предпочтительным вариантом. Во-первых, это цена: стоимость твердотельных накопителей в расчете на бит по-прежнему примерно в три раза выше, чем у жестких дисков. Это значит, что создание сетевого хранилища высокой емкости может оказаться слишком дорогим. Во-вторых, что, однако, не менее важно, твердотельные накопители все еще имеют ограниченный ресурс циклов чтения/записи и отличаются внезапными и непредсказуемыми сбоями. Это связано с тем, что все устройства хранения данных, работающие на основе flash-памяти, по-прежнему рассчитаны на ограниченное (и относительно низкое) количество операций записи, и очень трудно предсказать, когда этот предел будет достигнут. Еще важен тот факт, что при отказе твердотельного накопителя все данные, которые на нем хранились, будут безвозвратно потеряны. Поэтому при использовании вычислительных приложений, требующих частого доступа к диску, например сетевого видеорегистратора, срок службы твердотельных накопителей значительно сокращается по сравнению с жесткими дисками, а сами накопители становятся все менее надежными. Если учесть это вместе со стоимостью в расчете на бит по сравнению с жесткими дисками, станет очевидно, почему последние часто являются более предпочтительными, чем твердотельные накопители (рис. 2).

Рис 2. Сравнение SSD и HDD

С учетом этих факторов можно сказать, что твердотельные накопители уже стали более подходящим решением для хранения операционной системы, но на сегодня жесткие диски все еще лучше подходят для задач, связанных с большим числом циклов чтения/записи. Жесткие диски промышленного класса, спроектированные с учетом подвижных сред эксплуатации с сильной вибрацией (например, диски для автомобильных систем), являются лучшим вариантом для создания хранилища высокой емкости в условиях сильных вибраций.

Системные вентиляторы

Встроенные вентиляторы являются одними из наименее предсказуемых и быстро ломающихся компонентов вычислительных систем, поэтому в течение последних нескольких лет многие промышленные компании стали рассматривать безвентиляторную конструкцию компьютера в качестве основного требования. Создание безвентиляторной аппаратной платформы подразумевает достижение максимальной тепловой эффективности путем тщательного планирования расположения компонентов компьютера. Не имеющий вентиляторов корпус компьютера можно сделать герметичным, что обеспечит защиту от влаги, пыли и других агрессивных загрязнителей. Вместе эти два усовершенствования позволяют увеличить среднее время безотказной работы (MTBF) гораздо больше, чем любое другое изменение конструкции. Эти преимущества можно дополнительно усилить за счет использования конформного покрытия внутренних компонентов.

Температурные допуски

Грузовые поезда зачастую испытывают более сильные колебания температуры, чем пассажирские, поэтому температурная адаптация системы не должна ограничиваться устранением вентиляторов. Сильный холод является такой же проблемой, как и изнуряющая жара. Помимо возможного повреждения внутренних компонентов, любая предельная температура также быстро наносит ущерб хранилищу данных. Поэтому в дополнение к устранению вентиляторов систему необходимо оборудовать нагревателями и датчиком температуры (T-датчиком). Такие усовершенствования повышают уровень защищенности системы, поскольку при высоких температурах жесткие диски отключаются (тем самым снижается выработка тепла и обеспечивается защита данных), а при значительных падениях температуры осуществляется их обогрев (рис. 3). Кроме того, независимый Т-датчик можно использовать в качестве мощного дополнительного инструмента для диагностического технического обслуживания локальной системы.

Рис. 3. Поддержание температуры устройства

Данная механическая проблема снова возвращает нас к рассмотрению механизмов хранения данных. Очевидно, что необходимо обеспечить сохранность данных при каждом аварийном отключении жестких дисков. Для этих целей система должна быть оборудована встроенным энерго­независимым устройством на основе flash-памяти, которое используется для временного хранения данных при отключении дисков. Когда окружающие условия вернутся в норму, данные можно будет передать с временного хранилища на основное.

Вибрация

Вибрация представляет собой огромную проблему для устанавливаемых в поездах вычислительных платформ (рис. 4). Необходимо обеспечить гашение и регистрацию сильных ударов и тряски, с которыми постоянно сталкивается грузовой локомотив. Это можно сделать с помощью пассивных амортизаторов, устанавливаемых на крепления дисков (внутреннее решение) или на монтажный кронштейн самого компьютера (внешнее решение). Тем не менее с учетом критического воздействия вибрации компьютер рекомендуется оснастить независимым датчиком вибраций (G-датчик) в дополнение к тем датчикам, которые могут быть установлены на жестких дисках. Независимый G-датчик, как и Т-датчик, облегчает процедуру диагностического технического обслуживания, а также собирает ценные данные для анализа конфигурации системы. Пользователи, желающие использовать оборудование в максимальной степени, могут использовать G-датчик для еще большей автоматизации управления. За счет этих усовершенствований температурные и вибрационные условия, а также реакция на них будут автоматически отслеживаться, анализироваться и оцениваться.

Рис. 4. Влияние вибрации

ЭМС: электромагнитная совместимость

Последней и, пожалуй, наиболее важной мерой предосторожности является защита от электромагнитных скачков. Поезда в общем, и грузовые поезда в частности, страдают от постоянных скачков напряжения. Отдельную опасность представляют прерывистые и непредсказуемые сбои питания. Эти сбои могут длиться всего несколько миллисекунд, но их будет достаточно, чтобы нанести ущерб системе из-за постоянных перезагрузок или повреждения данных. Для обеспечения надлежащего функционирования в этих условиях используются конденсаторы, поддерживающие работу системы при скачках напряжения, а электрическая изоляция обеспечивает дополнительную защиту.

Вычислительные функции бортовой системы грузового поезда ограничены по сравнению с другими поездами, но требования к долговечности системы гораздо выше. Помимо функций центрального управления и систем сигнализации, функции вычислительных платформ часто ограничиваются поддержкой связи, записью видео, а также системами управления экипажем и грузом.

Гибкие вычислительные системы для пассажирских перевозок дальнего следования

Рис. 5. Пассажирскй поезд дальнего следования

Условия применения бортовых вычислительных систем для пассажирских поездов дальнего следования (рис. 5) значительно отличаются от грузовых. По сравнению с ними поезда дальнего следования оснащены более совершенными системами вентиляции и кондиционирования, ведь они создаются для обеспечения комфорта пассажиров, а не только транспортировки груза. Таким образом, в поездах дальнего следования присутствует определенный набор конструкторских задач, дополняющих требования к системам для других типов поездов. ЭМС, вибрации, тепло и холод все еще представляют затруднения, поэтому в поездах дальнего следования предъявляются те же требования, касающиеся хранения информации, защиты от вибраций, диапазона допустимых температур, устройства корпусов, тепловыделения и т. д.

Бортовые вычислительные системы

Бортовые вычислительные системы для пассажирских поездов дальнего следования поддерживают больше автоматизированных сервисов и приложений, чем любые другие. Функции компьютеров значительно расширены, а вычислительная инфраструктура имеет большую плотность и распространена по всему поезду в отличие от грузовых составов.

Как и их грузовые аналоги, компьютеры на таких поездах также должны обеспечивать связь со станциями и диспетчерскими. Отличие состоит в том, что беспроводные локальные сети здесь являются обязательными. Магистральные пассажирские поезда должны быть оснащены общественной локальной сетью, а также внутренней сетью, которая обеспечивает комфорт пассажиров, различные услуги и обрабатывает большое количество логистических задач.

Централизация управления электропитанием

Помимо того что поездам дальнего следования нужна такая же защита источников электропитания и защита от электромагнитных помех, как и грузовым, у них есть еще одна особенность: экипажу поезда необходимы единые элементы управления питанием и его резервные источники. Как упоминалось выше, вычислительные системы распределены по всему составу, практически в каждом вагоне установлена локальная вычислительная станция. На этих станциях могут быть установлены шлюзы, беспроводные маршрутизаторы, серверы, сетевые хранилища, датчики, контроллеры или даже RTU-контроллеры и другие устройства. Следовательно, без единой системы управления питанием отключение всей системы поезда может стать обременительным и трудоемким процессом, ведь экипажу потребуется заходить в каждый вагон, открывать компьютерные шкафы и выключать станции одну за другой. Такой метод может занять несколько часов. Для решения этой проблемы можно использовать модули ввода/вывода, подключаемые к центральной системе управления питанием и работающие через последовательные или Ethernet-интерфейсы. С их помощью компьютер можно настроить таким образом, чтобы при подаче команды об отключении питания запускался процесс автоматического выключения всех компонентов системы.

Рис. 6. Централизованное управление питанием поезда

Тем не менее существует и более полное решение: универсальные блоки питания (UPS) могут одновременно выполнять функции резервирования мощности и централизованного управления (рис. 6). Их можно подключить к системе управления таким образом, чтобы локальные UPS отвечали за процедуру выключения. Эта процедура будет запускаться при отключении центрального питания вне зависимости от того, является ли оно плановым или вызвано сбоем питания или аварийным отключением машинистом. С помощью протокола сетевого управления (SNMP) или полевой шины можно с легкостью настроить различные варианты реакции на отключение питания, что позволит обеспечить интеллектуальное реагирование на различные события, связанные с подачей питания. Как и ранее, для поддержки всех этих функций компьютер должен всего лишь поддерживать последовательное или LAN-подключение, а также осуществлять обмен данными с помощью стандартных установленных протоколов.

Дополнительные системы

Как и в грузовых системах, важнейшая задача компьютеров в пассажирских поездах — это поддержка связи с главной диспетчерской и ж/д станциями. Для этого обязательно нужны мобильные и Wi-Fi-модули, к тому же следует учитывать тот факт, что вычислительный узел будет служить точкой доступа (AP) Wi-Fi для пассажиров. В этом случае может потребоваться создание сотовой системы из нескольких модулей и (в зависимости от пропускной способности и предлагаемых услуг) использование дополнительных Wi-Fi-модулей. Поэтому процесс обеспечения связи в таких вычислительных системах в большинстве случаев является гораздо более сложным, чем в грузовых поездах, и может потребовать установки распределенных серверов.

Системы логистики для пассажиров

Так как поезда дальнего следования перевозят пассажиров на большие расстояния, существует несколько подсистем, свойственных только для них. Основные — система учета билетов и система логистики. Системы логистики для пассажиров охватывают потенциально огромный класс подсистем, в которые могут входить видеонаблюдение, считыватели карт, глобальная и локальная беспроводная связь, локализованные средства автоматизации, программное обеспечение для анализа информации о пассажирах и системы безопасности пассажиров. Некоторые из этих подсистем состоят из сложных програм­мных пакетов, которые используют видео-, аудио-, RFID-, Wi-Fi- и сотовую связь 3G вместе с последовательными интерфейсами. Системы учета билетов, например, могут варьироваться от очень простых, основанных на базе данных и операторе, до очень сложных, использующих полностью автоматизированные беспроводные системы на основе RFID-карт или даже обслуживающих персональные мобильные устройства, подключающиеся через Wi-Fi. Такие системы могут подключаться к последовательным системам ввода/вывода. Следовательно, мощная модульная вычислительная платформа, которую можно быстро и легко адаптировать к требованиям системы, всегда будет основным требованием.

Видеонаблюдение и сетевые видеорегистраторы

Рис. 7. Система видеонаблюдения

Бортовые системы видеонаблюдения дополняют системы логистики для пассажиров и машинистов, но их роль настолько важна, что они заслуживают отдельного рассмотрения. Система видеонаблюдения для поездов дальнего следования должна управлять множеством камер и сетевых регистраторов, а также позволять интеграцию с системами безопасности, показаниями датчиков, автоматизированной сигнализацией и элементами управления (рис. 7). Большие объемы передаваемых и обрабатываемых данных подразумевают использование высокопроизводительного процессора, способного поддерживать высокую пропускную способность и скорость обработки данных. Для записи изображения следует использовать очень надежные и достаточно большие системы хранения данных. А для защиты этих устройств хранения данных от свойственных поездам вибраций следует применять эффективные антивибрационные конструкции. Таким образом, поезда дальнего следования требуют установки такой же защиты от вибрации, как и их грузовые аналоги, но требования к условиям хранения данных при этом значительно выше.

Системы логистики для операторов

По мере того как экипаж поезда становится все меньше за счет автоматизации, растет необходимость централизованного управления и строгого контроля вопросов логистики. Системы логистики для операторов в корне отличаются от своих пассажирских аналогов, используемых для сбора и анализа данных.

Вспомогательные вычисления подразумевают использование автономных и интегрированных аппаратных и программных средств. Может возникнуть потребность в реализации следующих узлов и задач: обнаружение вторжений и сетевых инструментов для систем автоматики и ИТ; инвентаризация продаваемых товаров, например продуктов питания, печатных материалов, сувениров и других мелких товаров; подача питьевой и непитьевой воды; расписание работы экипажа и информационные услуги; сервер системы продажи билетов; контроль работы сантехники, вентиляции и кондиционирования, освещения и электрооборудования и т. д. С учетом такого широкого диапазона датчиков и приводов, устанавливаемых по всему поезду, необходимость в использовании продуманной сетевой магистрали обязательна для обеспечения общей осведомленности и возможностей реагирования экипажа.

Информационно-развлекательные системы

Одной из ключевых систем, ставшей обязательной для пассажирских поездов дальнего следования, является информационно-развлекательная система. Информационная и развлекательная подсистемы сильно отличаются друг от друга, в них могут входить общественные и индивидуальные экраны и цифровые системы информирования, например светодиодные/ЖК-экраны с бегущей строкой, сообщающие пассажирам время отправления, прибытия или опоздания, погодные условия и другие важные данные. Эти системы также обеспечивают пассажиров связью с экипажем поезда, выходом в Интернет или развлечениями, например кино, музыкой, играми. В поездах дальнего следования эти системы должны обеспечивать доступное подключение с высокой пропускной способностью, защищенное на уровне, достаточном даже для выполнения операций с денежными средствами.

Рис. 8. Система доступа Интернет

Можно сказать, что хотя магистральные системы должны обладать надежностью, сравнимой с грузовыми аналогами, их распределенная архитектура и относительно умеренные эксплуатационные условия делают аппаратные требования менее строгими. Самые большие проблемы для этих компьютеров — широчайший диапазон программного обеспечения и подсистем автоматизации, которыми они должны управлять, а также необходимое для экипажа объединение элементов управления. Модули для дополнительной поддержки Ethernet или последовательных интерфейсов, Wi-Fi и сотовые модули также будут важны, ведь благодаря им операторы смогут легко расширить возможности системы, учитывая постоянно растущий спрос на высокую пропускную способность при доступе в Интернет (рис. 8).

Золотая середина систем общественного транспорта

В системы городского и пригородного транспорта входят электрички метро, пригородные электропоезда и даже трамваи/автобусы/троллейбусы. Такие системы отличаются от грузовых поездов и поездов дальнего следования и представляют собой золотую середину между двумя этими крайностями. Эти бортовые системы могут обеспечивать Wi-Fi-доступ для пассажиров, но могут и не иметь такой функции. Они могут стать надежным инструментом Wi-Fi-связи для машинистов/водителей, а сотовые технологии при этом могут не понадобиться. В отличие от магистральных поездов, которые требуют больших информационно-развлекательных систем, в общественном транспорте эти системы минимальны. Как правило, они ограничены бегущей строкой, на которой отображается время прибытия, остановка, уведомления машиниста/водителя. Также возможна установка больших экранов, транслирующих прогноз погоды, туристическую информацию или рекламу. Напряженный график работы таких систем формирует высокие требования к надежности, которые больше похожи на грузовые стандарты, чем на мягкие условия поездов дальнего следования. Подводя итоги, можно сказать, что любая расширяемая, гибкая и прочная вычислительная платформа, любой компьютер, который можно использовать в грузовых поездах и поездах дальнего следования, оптимально подойдет для систем общественного транспорта.

Почему именно Moxa?

Тщательно разработанные температурные допуски

Вся линейка продуктов компании Моха соответствует основным положениям стандартов EN 50155 и EN 50121-3-2. Промышленные компьютеры Моха с технологией SafeGuard имеют пассивную систему охлаждения, которая позволяет с легкостью работать при +70 °C — границе температурного допуска согласно стандарту EN 50155 TX. Для экстремально низких температур Моха предлагает технологию Intelligent Heat Solution, которая представляет собой аппаратный контроллер подогрева жестких дисков до запуска операционной системы.

Запатентованная защита дисков от вибрации SafeGuard

Специально для компьютеров, управляющих сетевыми видео­регистраторами, Moxa разработала инновационный противоударный и противовибрационный монтажный кронштейн. Этот кронштейн защищает жесткий диск, поглощая энергию вибрации и выравнивая сам диск, что позволяет снизить повреждения от сильной вибрации и ударов.

Защищенные сетевые хранилища данных (NAS) при превышении порогового значения вибраций диска автоматически защищают данные от повреждения, сохраняя их на энергонезависимый твердотельный накопитель объемом 1,5 Гбайт. Данные копируются из этого буфера на основной диск только тогда, когда значение вибрации приходит в норму, а в случае внезапного отключения питания данные останутся целыми и невредимыми.

Быстрая синхронизация массива RAID 1 в случае сбоя NAS

Проблемы синхронизации уже не раз подводили массивы RAID в ограниченных по времени ситуациях, например при обслуживании поезда на станции. Внезапное отключение питания во время записи нарушит порядок данных в массиве, после чего потребуется поблоковая повторная синхронизация дисков. В прошлом синхронизация 300-Гбайт дисков могла занимать несколько часов или даже дней, но благодаря ориентированной на запись технологии битового массива от Moxa синхронизация после сбоя занимает приблизительно 15 с в режиме RAID 1. С такой скоростью техническое обслуживание NAS больше не будет задерживать поезда.

Решение для безопасного отключения питания

Источник бесперебойного питания (UPS) — это самый актуальный и удобный способ обеспечения защиты от сбоев питания. Наряду с UPS с помощью кнопки дистанционного переключателя можно управлять питанием всей вычислительной сети. С помощью существующих каналов ввода/вывода данных или дополнительного модуля реле инженеры могут настроить UPS и компьютеры таким образом, чтобы обеспечить надежное, безопасное и централизованное отключение питания.

Одна вычислительная платформа для любых целей

Чтобы удовлетворить спрос на прочные и универсальные вычислительные решения, Moxa разработала компьютер для поездов TC-6110, соответствующий стандарту EN 50155. Он оборудован двумя портами Gigabit Ethernet LAN, двумя портами USB, последовательным интерфейсом RS-232 и двумя слотами для модулей расширения. TC-6110 можно оснастить Wi-Fi-модулями, сотовыми интерфейсами, дополнительными проводными интерфейсами и устройствами хранения данных. В стандартную комплектацию входят GPS-приемник, независимые датчики вибрации и температуры, а также защитное покрытие. TC-6110 в прочном корпусе без вентиляторов, предназначенном для установки в стойку 3U, поддерживает технологию SafeGuard от Моха, а также обладает набором программных и аппаратных технологий, обеспечивающих максимальную защиту данных и надежность работы в суровых условиях эксплуатации в поезде (рис. 9).

Рис. 9 TC-6110

В сочетании с семейством оптимизированных железнодорожных коммутаторов Moxa, серверами последовательных интерфейсов, модульными RTU-контроллерами, удаленными устройствами ввода/вывода, IP-камерами и универсальными точками доступа 802.11 компьютеры TC-6110 и мобильные вычислительные платформы серии V становятся надежным, долговечным и универсальным решением для транспорта.