Prehod na novo generacijo radijskega komunikacijskega sistema na železnicah
Lokacija: Slovensko železniško omrežje
Investitor: Direkcija Republike Slovenije za infrastrukturo
Projektant: Iskratel, Kapsch, GH Holding
Inženir: DRI upravljanje investicij, d. o. o.
Izvajalec: J.V. Iskratel d.o.o., GH Holding d.o.o.
Uvod
Nove tehnologije že nekaj časa vstopajo na področje železnic, tako na vozila kot na infrastrukturo. V zadnjem času se z digitalizacijo ta trend samo še povečuje. Cilj uvajanja novih tehnologij je izboljšanje varnosti prometa, izboljšanje uporabniške izkušnje potnikov in prevoznikov v tovornem prometu, povečanje razpoložljivosti prog in posledično sposobnost prog, da se na njih opravi več vlakovnih voženj.
Uvajanje novih tehnologij, ne glede, ali se uvajajo na infrastrukturi ali na voznih sredstvih, pa ima skupni imenovalec: potrebna je komunikacijska pot med opremo na lokaciji in osrednjo točko, kjer se odvija procesni del.
Komunikacijski sistemi so že dolgo prisotni na železnicah in so opravili primerljivo razvojno pot kot v sorodnih panogah (elektrogospodarstvo, avtoceste, telekomunikacije). Od popolnoma analognih sistemov, TDM sistemov do zdaj standardnih IP omrežij.
Zaradi specifičnosti železniškega okolja, kjer je tesna soodvisnost med fizično (statično) infrastrukturo in vozili, ki vozijo na njej, se je že zgodaj pojavil kot nujen komunikacijski sistem tudi radio. Začelo se je z analognim t. im. RDZ (radio dispečerske zveze) sistemom, ki je zagotavljal govorno komunikacijo med strojevodjo in osebjem, ki vodi železniški promet. Ta sistem je bil v drugi polovici prejšnjega desetletja nadomeščen s sistemom GSM-R. Sistem GSM-R je prvi radijski sistem, ki je v železniškem okolju na vseevropski ravni standardiziran in tudi predpisan s sektorskimi EU predpisi ter tehničnimi specifikacijami za interoperabilnost. Temelji na preverjeni tehnologi, ki je splošno uporabljena v javnem mobilnem omrežju GSM (konkretno na tehnologiji 2G).
V javnih mobilnih omrežjih so se uveljavile po 2G tehnologiji tudi 3G in 4G tehnologije, ki pa svoje implementacije v železniškem okolju niso doživele. Naraščajoče potrebe po pasovni širini in zagotavljanju novih storitev za potrebe železniškega prometa narekujejo premik tudi v železniškem okolju. Da bi se zadovoljile te in tudi pričakovane nove potrebe, se zdaj intenzivno razvija radijski komunikacijski sistem za železnice, ki je poimenovan FRMCS (Future Radio Mobile Communications System). Cilj razvoja FRMCS je zagotoviti naprednejšo in učinkovitejšo komunikacijsko infrastrukturo za železnice, ki bi vključevala tudi podatkovne in video komunikacije ter večpredstavnostne storitve. Zasnovan je za izboljšanje varnosti, zmogljivosti in združljivosti med železniškimi omrežji ter zagotavljanje brezhibnih komunikacij in izmenjave podatkov med različnimi železniškimi sistemi ter preko meja.
Prihodnji sistem FRMCS bo pri implementaciji v največji možni meri izkoristil obstoječo infrastrukturo, ki je bila pred nekaj leti zgrajena v sklopu gradnje sistema GSM-R. Predvsem to velja za optične povezave in antenske stolpe - bazne postaje. Pri gradnji obstoječega sistema GSM-R je bila zelo pomembna vloga pooblaščenih inženirjev. Bili smo ključni skozi vse faze projekta od načrtovanja, izvedbe in, pred samim zagonom sistema in predajo v obratovanje, pri vseh izvedbah testiranj. Projekt je bil obsežen in je zahteval sodelovanje različnih profilov pooblaščenih inženirjev. 1200 km izdelanih kabelskih tras in položenih optičnih in energetskih kablov, postavitev 360 antenskih stolpov za bazne in repetitorske postaje (višine od 15 do 35 m), enako števil kontejnerjev oziroma zunanjih komunikacijskih omar za namestitev opreme, postavitev jedrnega sistema GSM-R in vse pripadajoče programske opreme so zahtevali sodelovanje velikega števila pooblaščenih inženirjev elektrotehnične, strojne in gradbene stroke. Pooblaščeni inženirji smo imeli ključno vlogo pri zagotavljanju zahtevanih pogojev in standardov, prav tako pri zagotavljanju varnosti in učinkovitosti izvedbe projekta.
Slika 1: Bazna postaja sistema GSM-R ob glavni progi Ljubljana – Sežana – d.m. (vir: lastni arhiv, Jože Urbanc)
Slika 2: Bazna postaja sistema GSM-R ob glavni regionalni progi Celje – Velenje. (vir: lastni arhiv, Jože Urbanc)
Vloga pooblaščenih inženirjev različnih strok bo ključna tudi pri snovanju in posebej pri izvedbi in predaji v obratovanje sistema FRMCS. Glede na specifične lastnosti novega omrežja bo potrebna precejšnja zgostitev baznih postaj, da bosta zadovoljena pogoja pokritost in dovolj velikega nivoja signala. Pričakuje se skoraj podvojitev lokacij, kar pomeni tako gradbene posege kot tudi dodatne in nove kabelske povezave, optične in energetske.
V nadaljevanju podajamo še nekaj ključnih informacij o sistemu FRMCS.
Sistem FRMCS
Future Railway Mobile Communications System bi, sicer ne popolnoma dosledno, vsekakor pa popolnoma v skladu z njegovim namenom, najprimerneje prevedli kot »radijski komunikacijski sistem za železnice prihodnosti«. Sistem FRMCS je trenutno v fazi, ko se intenzivno pripravljajo skupne tehnične, sistemske in funkcijske specifikacije, sledijo pa seveda tudi spremembe oziroma dopolnitve tehničnih specifikacij za interoperabilnost (TSI) kot obligatornega zakonodajnega dokumenta na ravni EU. Pri pripravi specifikacij za sistem FRMCS sodelujejo vsi ključni deležniki: evropska komisija, evropska agencija za železnice (ERA), mednarodna železniška zveza (UIC), združenje železniških upravljavcev, prevoznikov kot tudi sama industrija (združenje evropskih proizvajalcev železniške opreme UNIFE). Prav tako so v proces vključene vse ključne organizacije, ki skrbijo za standardizacijo s področja elektrotehnike in radijskih sistemov (ITU, IEEE, 3GPP). (vir: www.uic.org).
Tako so ravno v tem trenutku v polnem teku aktivnosti za zagon projekta MORANE. Gre za projektni pristop, ki je bil uporabljen tudi v času nastajanja sistema GSM-R in skozi katerega se v realnem železniškem okolju implementirajo pilotne rešitve, popravijo predhodno pripravljene tehnične specifikacije, preverijo združljivosti med različnimi proizvajalci opreme, različnimi okolji vgradnje ipd. V projektu MORANE so udeleženi deležniki, ki so omenjeni zgoraj, kar zagotavlja največjo raven kakovosti končnih rezultatov.
Na naslednji sliki je okvirna časovnica in koraki, ki so načrtovani pri implementaciji sistema FRMCS (vir: www.uic.org).
Tehnično gledano je sistem FRMCS omrežje pete generacije mobilnih omrežij (5G) (vir: https://medium.com in https://www.researchgate.net). V železniškem okolju bo nadomestil obstoječi radijski sistem GSM-R, ki deluje na tehnologijah druge generacije (2G). Ne da bi se spuščali v poglobljeno primerjavo med generacijami mobilnih omrežij, so že naslednji podatki za generacijo 2G in 5G dovolj zgovorni:
- V omrežju 2G, kamor sodi GSM-R sistem, je omogočenih 8 hkratnih klicev v eni radijski celici in pa podatkovni prenos do 128 kbps.
- V omrežju 5G bo kapaciteta podatkovnega prenosa do 20 Gbps.
Pri 5G omrežju ostaja pokrivanje z radijskim signalom enako – bazne postaje, ki so razporejene vzdolž proge in morajo zagotavljati pokritost s signalom s takšnim nivojem, kot ga predpisujejo specifikacije – druge rešitve pa so bistveno različne in je zato neposredna primerjava precej težavna. Ključno je, da 5G omrežje omogoča velike pasovne širine podatkovnega prenosa kot tudi to, da se preko njega lahko povezujejo tudi ostali brezžični sistemi (npr. WiFi).
Treba je poudariti, da bo sistem FRMCS sicer temeljil na tehnologiji 5G, vendar bo v svojih ključnih funkcionalnostih usmerjen k zagotavljanju specifičnih železniških potreb. Tako bodo tudi v sistemu FRMCS podprte vse tiste funkcionalnosti, ki so se v sistemu GSM-R izkazale kot ključne v železniškem okolju (Gombač, 2022). To so na primer klic v sili (REC), različne vrste skupinskih klicev, lokacijsko odvisni klici, prenos kratkih sporočil (SMS) med strojevodjo in dispečerjem. Hkrati bo sistem FRMCS omogočil tisto, kar je za učinkovit železniški promet prihodnosti nujno – zanesljive in visoko razpoložljive storitve prenosa podatkov z velikimi pasovnimi širinami. Na tej točki je že prva izdaja tehničnih, sistemskih in funkcijskih specifikacij sistema FRMCS upoštevala dve funkcionalnosti, ki zahtevata podatkovni prenos, in sicer za potrebe sistema ETCS (evropski sistem za nadzor vlakov) in sistem ATO (avtonomna vožnja vlakov). Nova funkcionalnost bo nemotena komunikacija med terminalno opremo (ročne postaje, lokomotivske postaje, različni drugi moduli) tudi v primeru, ko ne bo pokritosti s signalom iz baznih postaj (t. im. off network način).
Na spodnji sliki so prikazane ključne storitve, ki so pogoj za varen železniški promet in jih bo sistem FRMCS brezpogojno podprl, in nove storitve, ki jih bo omogočal. Dodanih je tudi nekaj možnosti, ki se bodo skozi uporabo sistema FRMCS lahko implementirale.
Velika pasovna širina podatkovnega prenosa v sistemu FRMCS odpira možnost za uvajanje novih rešitev v železniškem prometu, kot je najrazličnejša senzorika na progi in na voznih sredstvih. Tako zbrani podatki omogočajo naprednejše pristope k vzdrževanju, upravljanju z vozili, boljše informiranje uporabnikov železniških storitev v potniškem in tovornem prometu, izgradnjo pametnih postaj (DB & all, 2021). Govorimo lahko v možnosti vzpostavitve interneta stvari (IoT Internet of things), ki v povezavi z umetno inteligenco (AI – Artificial Intelligence) predstavlja skoraj neomejene možnosti za vse deležnike v železniškem prometu, širše gledano pa v celotni logistiki.
Ne sme pa se pozabiti dejstva, da ne glede na to, kako zanesljiv, razpoložljiv in kakovosten bo sistem FRMCS, ne bo predstavljal sistema odgovornega za varnost v železniškem prometu. Za varnost bodo tudi v prihodnje skrbeli varnostni sistemi na progi in na vozilu. Sistem FRMCS pa bo komunikacijski kanal.
Avtorji: Marko Marolt, univ. dipl. inž. el., Blaž Pangos, univ. dipl. inž. el., Jože Urbanc, dipl. ekon.
Viri in literatura:
DB & Digital Schiene Deutchland & Nokia, 2021. White Paper. Highly resilient FRMCS/5G design for future rail operation (pridobljeno: osebni kontakt
P. Singh et al., 2021. Deployment of Autonomous Trains in Rail Transportation. IEEE, julij 2021
Hindawi, 2017. Wireless Communications and Mobile Computing in smart Rail Transport, dostopno na https://doi.org/10.1155/2017).
IRJ, Februar 2023
GRJ, številka 1 2024
Jelen, M. Osredkar, R., 2022. Predstavitev sistema FRMCS na konferenci SRK 2022.
Nazaj