Vysoce výkonný počítač pro vlakovou komunikaci

Požadavky na komunikační systémy v železniční dopravě se v posledních letech výrazně zvýšily. Kromě WLAN pro cestující se stále běžnějšími stávají diagnostické systémy pro prediktivní údržbu, aplikace pro videodohled nebo zobrazování aktuálních informací o cestě. Systém Colibri od Deutsche Bahn AG je modulární řešení pro dopravní společnosti, které pokrývá všechny komunikační úkoly, včetně podpory. Jádrem systému Colibri je inteligentní vysoce výkonný počítač od společnosti Kontron, který působí jako centrální počítač ve vozidle a ovládá všechny diagnostické, komunikační a monitorovací funkce.

Colibri je organizační jednotka oddělení firmy DB Fahrzeuginstandhaltung GmbH. Téměř 40 jejích zaměstnanců pracuje na rozvoji komunikačních sítí a zároveň jsou zodpovědní za inženýrství, instalaci a úpravy. Systém, který skupina Colibri vyvinula, má stejný název a je zkratkou pro Coach Link for Broadband Information Exchange.

„Již v roce 2015 začala instalace WLAN ve vlacích, aby cestující mohli surfovat po internetu na cestách, a to se rychle stalo v podstatě samozřejmostí. V té době vznikla skupina Colibri, aby dále rozšířila spektrum aplikací ve směru k diagnostice a zajištění bezpečnosti dopravy,“ uvádí Catharina Schicková, marketingová a obchodní ředitelka pro řadu palubních produktů Colibri IT ve společnosti DB Fahrzeuginstandhaltung.

WiFi, IoT a senzory změnily železniční dopravu

Cestující v současné době očekávají, že budou moci používat své chytré telefony, tablety nebo notebooky online po celou dobu své cesty vlakem. Kromě toho se začaly zřizovat zábavní systémy, jako je ICE Portal s filmy a e-časopisy. Ve vlaku je ale mnoho dalších komunikačních aplikací souvisejících s IoT (internetem věcí). Patří mezi ně např. informační systémy pro cestující nebo systémy počítání cestujících, které lze po­užít k zobrazení obsazenosti vlaku. Součástí je také sledování stavu zařízení, diagnostika vlakových systémů v reálném čase a videodohled. Colibri je ucelený systém, který dopravní společnosti a sdružení mohou poměrně snadno integrovat do svých vozových parků. Firma nabízí provozní záruku 24/7, stejně jako podporu a údržbu softwaru. Zákazníci si z modulárního systému mohou vybrat přesně ty funkce, které potřebují. Řešení se stále častěji používá i v autobusech.

Výběr hardwaru pro technické jádro systému

„Colibri přemění jednoduchý vlak na chytrý,“ říká Catharina Schicková (obr. 1). Jádrem tohoto řešení pro digitální inteligenci v železniční dopravě je centrální počítač od společnosti Kontron (obr. 2). Aby bylo možné nabídnout co nejmodernější techniku, byli různí dodavatelé podrobeni celoevropskému výběrovému řízení. „Na základě naší hodnoticí matice se ukázalo, že Kontron je nejlepším dodavatelem z hlediska úrovně techniky a ceny. Rozhodujícím faktorem byl výkon celého systému, pokud jde o CPU, hlavní paměťové a komunikační moduly,“ vzpomíná Thomas Derlig, vedoucí týmu pro vývoj IT systémů ve vozidlech společnosti DB Fahrzeuginstandhaltung. Společnost Colibri spolupracuje s firmou Kontron, odborníkem na vestavné počítačové systémy a IoT, již od roku 2021. Colibri nabízí svým zákazníkům výběr ze tří variant centrálního počítače. Mezi ně patří počítač 5G, počítač 4G/LTE a možnost „pouze Rail WLAN“ – lehká varianta jen se třemi modemy LTE.

Zejména první varianta demonstruje zaměření na inovace, které cestujícím v budoucnu nabídnou další výhody, jež umožňují sítě 5G (obr. 3, obr. 4).

Bezpečnost a dlouhodobá dostupnost jako klíčová témata v odvětví dopravy

Požadavky na hardware v kolejových vozidlech jsou obzvláště vysoké, zejména pokud jde o robustnost, bezpečnost a požární odolnost. Proto všechny centrální počítače Kontron splňují normu EN 50155 Drážní zařízení – Elektronická zařízení drážních vozidel. Tyto inteligentní vysoce výkonné počítače nabízejí široké možnosti komunikace, jako jsou WiFi, gigabitový Ethernet, 5G, 4G, LTE a GPS. Mají až čtyři 5G modemy pro externí komunikaci, stejně jako možnost využít eSIM pro rychlou a snadnou změnu mobilního operátora. Volitelně jsou k dispozici dvě vyměnitelná paměťová média SSD, např. pro vyhodnocení videozáznamu. Kromě toho řídicí jednotky pracují v teplotním rozsahu –40 až +85 °C. Absence pohyblivých částí, jako jsou ventilátory, výrazně zvyšuje spolehlivost a prodlužuje střední dobu mezi poruchami (MTBF – Mean Time Between Failures).

Požadavky v odvětví dopravy podléhají trvalým změnám. Celý koncept hardwarového systému je proto modulární a škálovatelný, takže jej lze snadno přizpůsobit novým úkolům. „Je pro nás velmi důležité konstruktivně a otevřeně spolupracovat s technickým partnerem, s nímž se můžeme podílet na dalším vývoji produktu,“ zdůrazňuje Thomas Derlig.

Složité úkoly pro centrální počítač

Systém Colibri sice vznikl pro použití ve vlacích, ale může být rovněž využit v jiných dopravních prostředcích, jako jsou autobusy, ale také např. v automatech na jízdenky, nebo dokonce v elektrických nabíjecích stanicích – cílem je podpora nepřetržité mobility i mimo vlak. Vytvoření jednotného digitálního řešení pro tolik různých dopravních prostředků, systémů prodeje jízdenek, prodejních automatů a terminálů je mamutí úkol. Kromě toho by zákazníci měli být schopni konfigurovat svůj systém, jak potřebují, a tak zůstat co nejflexibilnější. Otevřenost systému a nezávislost na výrobci proto hrají pro odborníky společnosti Colibri obzvláště důležitou roli. Tento flexibilní přístup umožňuje systém využít pro modernizaci starších vozidel na jedné straně a vývoj systémů pro nová vozidla na straně druhé. A tento přístup byl uplatněn i na centrální počítač. Koncept platformy systému se opírá o standardizovaná rozhraní. Ta přinášejí vysoký stupeň flexibility, co se týče přídavných karet, které mohou být použity pro různá kabelová a bezdrátová rozhraní a procesorové moduly. Pokud jde o podporovaný operační systém, počítač je plně kompatibilní s linuxem. Otevřený operační systém zajišťuje vysokou míru otevřenosti. Počítač musí splňovat také podmínky norem vytvořených pro toto odvětví, zejména ohledně začlenění technických prvků do vlaku.

Prediktivní údržba je na vzestupu

„Diagnostika je pro provozovatele železničních vozidel stále důležitější. Přenos a analýza dat z jednotlivých senzorů nebo systémů jsou pro údržbu velkým přínosem,“ vysvětluje Catharina Schicková. „Široká škála dat z provozního řízení je shromažďována a přenášena do datových center pro analýzy umožňující implementaci prediktivní údržby.“ Každá hardwarová součást připojená k vozidlu a ke Colibri je monitorována, včetně switchů, přístupových bodů nebo videokamer. Diagnostikovány a průběžně kontrolovány mohou být také systémy, jako jsou dveře, napájecí zdroje, topení, WC, klimatizace, WLAN nebo informační systém pro cestující. V samotném vozidle jsou analyzovány provozní stavy. Jakmile aktuální provozní hodnoty opustí předem definované rozsahy, systém zjišťuje, zda to neznamená poruchu. „Se systémem Colibri mohou být závady diagnostikovány včas a přesně a v případě potřeby na dálku opraveny nebo předem nahlášeny do opravárenských dílen. To výrazně zvyšuje dostupnost připojených systémů,“ říká Thomas Derlig.

Tímto způsobem lze včas objednat dodávky náhradních dílů a předem naplánovat potřebné postupy údržby nebo oprav a vy­užití servisních pracovníků s ohledem na požadované dovednosti. „Společnosti působící v železniční dopravě mají velký zájem o to, aby všechny služby a systémy byly opět rychle dostupné,“ uvádí Thomas Derlig. Colibri nabízí výběr tří variant podpory: centrální počítač umožňuje bezpečnou vzdálenou údržbu, na postižené zařízení mohou být na dálku kdykoliv implementovány aktualizace, a jestliže to nestačí, mobilní týmy najdou řešení na místě.

Vysoký výkon je středem pozornosti

Poptávka po šířce přenosového pásma je obrovská, zejména pro WLAN a zábavu. Má-li být např. podporováno 200 videostreamů současně, je vyžadováno opravdu vysoce výkonné síťové připojení. Potřebný výkon zajišťují procesory Intel Core i7, které jsou na jedné straně mimořádně výkonné a na straně druhé mají optimalizovanou spotřebu energie. To je důležité pro chlazení počítače bez ventilátoru, zejména při vysokých okolních teplotách. Centrální počítač naváže spojení se systémy back-end na pozemní straně a cestující se nejprve připojí na WIFI@DB přes přístupové body ve vozidle. Centrální počítače jsou vybaveny několika bezdrátovými moduly, např. WLAN, LTE nebo 5G, a až osmi kartami SIM. Každý z nich má přístup k různým mobilním operátorům, aby bylo zajištěno optimální spojení. Je tomu tak proto, že při omezení šířky pásma, např. v tunelech nebo v místech, kde je slabé pokrytí mobilní sítí, bezdrátová komunikace opakovaně naráží na své limity.

Proto se pro dosažení požadované dostupnosti a pro řízení incidentů používá současně několik metod rádiového přenosu: inteligentní algoritmus nepřetržitě monitoruje, zda u jiného operátora není k dispozici lepší signál, a v případě, že ano, počítač se k němu přihlásí. Tím zajišťuje stabilní a nepřerušované rádiové spojení. V současné době je v Německu využívána především síť 4G. V budoucnu se bude stále více rozšiřovat rychlejší 5G s větší šířkou pásma. Počítače Kontron také zajišťují, že všechna zařízení přihlášená k palubní WLAN jsou z bezpečnostních důvodů zcela oddělena od zbytku železniční sítě. Po potvrzení souhlasu s podmínkami použití je uživatel přihlášen na pozemní straně a směrován do veřejné sítě.

Rychlá implementace

Systém Colibri zpracovává obrovská množství dat. Například jen videozáznamy uložené 72 h představují mnoho gigabajtů. Data jsou v šifrované podobě přenášena do síťového úložiště. Centrální počítač spravuje celou síť a zajišťuje, že připojení zůstane trvale stabilní.

Doba implementace systému na vozidlo přitom není nijak dlouhá: instalace centrální řídicí jednotky s kabeláží pro rozhraní mezi vlakem a pozemní stranou trvá v průměru půl hodiny (obr. 5). Kompletní instalace kabelů prodlužuje implementaci o dvě nebo tři hodiny. Do systému je možné připojit také senzory v sedadlech nebo optickou bránu pro počítání cestujících umístěnou nade dveřmi. Displeje s dotykovými obrazovkami pro vlakový personál (obr. 6) a strojvůdce (obr. 7) fungují jako rozhraní člověk–stroj, včetně možnosti zobrazovat diagnostické údaje.

V blízké budoucnosti se vývoj zaměří především na rozšíření o oblast komunikace 5G. „Těšíme se na inovace, které můžeme realizovat společně s firmou Kontron, když na trh přijdou další, ještě výkonnější generace čipů. V rámci našeho rozvojového partnerství jsou naše nápady vždy oceňovány,“ shrnuje plány do budoucna Thomas Derlig.

(Kontron Europe GmbH)

(Foto: DB AG)

Obr. 1. Systém Colibri udělá z obyčejného vlaku chytrý

Obr. 2. Základem systému je výkonný a robustní průmyslový počítač od firmy Kontron

Obr. 3. Cestující si již zvykli, že na palubách vlaků je k dispozici WiFi, dostatečně výkonná pro zábavu a dostatečně bezpečná pro mobilní práci

Obr. 4. Vlakový personál má přístup k přehledným diagnostickým údajům

Obr. 5. Montáž systému Colibri je velmi rychlá, v průměru trvá jen půl hodiny

Obr. 6. Informační systém pro cestující je k dispozici na stanicích a zastávkách, jako součást mobilní aplikace i na zobrazovacích panelech ve vozidlech

Obr. 7. Strojvůdce ovládá informační systém pro cestující