«Зеленые» технологии на железнодорожном транспорте

Развитие информационно-коммуникационных технологий позволяет говорить о возможности кардинальных перемен в области систем управления движением поездов. Одним из направлений развития технологий на железных дорогах является использование новых принципов управления движением поездов с отказом от традиционных средств автоматики. Авторами статьи предложена концепция «зеленых» систем управления движением поездов, позволяющая использовать энергоэффективные источники возобновляемой энергии, а также современные технологии в обработке данных и в управлении ответственными технологическими процессами (концепция «Green Interlocking»).

Развитие техники и технологий идет по спирали. Некоторые технические решения, предложенные десятки или сотни лет назад и вытесненные со временем более эффективными на тот период технологиями, сегодня получают новую жизнь. Таким образом, каждый виток спирали научно-технического прогресса позволяет не только укоренить известные технические решения и подходы к реализации технических объектов, но и расширить поле выбора технологий и получать более функциональные, «умные» и энергоэффективные изобретения.

К примеру, идея создания полевых транзисторов, широко распространенных в современных технических устройствах автоматики и вычислительной техники, была предложена еще в 1926–1928 гг. Ю.Э. Лилиенфельдом. Однако первый полевой транзистор с изолированным затвором был создан только спустя 30 лет в 1960 г., а улучшенную конструкцию получил К. Мид в 1966 г. В 1977 г. Дж. Маккалахем (Bell Labs) показал, что использование полевых транзисторов может существенно повысить быстродействие вычислительной техники. За время развития технологий полевых транзисторов был предложен и реализован биполярный транзистор, а также первые логические элементы и микросхемы с малой степенью интеграции элементов [1]. Сегодня развитый потенциал в области синтеза дискретных систем с большой и сверхбольшой степенью интеграции, а также с возможностью использования устройств с перепрограммируемой логикой широко используется при разработке, конструировании и реализации систем автоматизированного и автоматического управления, в том числе на железнодорожном транспорте [2]. Ведутся работы по снижению энергопотребления компонентов, а также использованию возобновляемых источников электроэнергии [3].

Спиралевидное развитие техники наблюдается и в области устройств и систем управления ответственными технологическими процессами на железнодорожном транспорте (рис. 1). Например, идея централизации управления на железнодорожных станциях, реализованная во второй половине XIX века с помощью рычажных жестких и гибких тяг и ручного управления оператором, спустя столетие нашла свое применение на появившихся релейных устройствах.

Сегодня принципы централизации управления и энергоснабжения используются практически во всех системах железнодорожной автоматики, в том числе реализованных на микроэлектронной и микропроцессорной элементной базе [4, 5]. В период перехода от ручных механических систем к автоматизированным электрическим системам управления движением появлялись системы с децентрализованным размещением оборудования и средств его энергоснабжения.

Первое применение таких систем железнодорожной автоматики началось на заре XX века. Однако техника и технологии тех лет показали низкую эффективность использования такого подхода к реализации систем управления движением поездов. И лишь спустя столетие, в эру информационных технологий и альтернативных источников питания, принципы децентрализации оборудования и реализации распределенных систем управления получают новое развитие [6].

В современном мире широко используются «зеленые» технологии в строительстве и в сфере информационных технических решений (green IT или green computing) [3, 7]. Сама концепция green IT возникла еще в 1992 г. и связана с созданием экологически ориентированной компьютерной техники.

При этом основными трендами использования green IT являются: сокращение использования опасных материалов, максимальное повышение эффективности применения, снижение энергопотребления, повышение срока службы объектов, возможность ремонта, совершенствования и переработки. В этой связи оказывается весьма важным стремительное развитие альтернативных источников энергоснабжения и использования возобновляемых источников энергии (green energy), таких как энергия ветра, гидроэнергия, энергия отливов и приливов, энергия солнечного света, геотермальная энергия и биотопливо. По сообщениям специалистов в области информационных технологий к концу 2020-х гг. концепция альтернативной энергетики будет доминировать во всем мире [8].

Анализируя подходы к реализации современных систем управления движением поездов, отметим тенденцию использования трех парадигм: «централизация зависимостей», «централизация энергоснабжения», «использование кабельных сетей передачи данных». В этой связи абсолютно не учитывается возможность оптимизации энергоснабжения и применения возобновляемых источников энергии. Реализация же умной и энергоэффективной системы управления движением возможна при использовании концепции совершенно противоположных по своему смыслу парадигм: «обработка данных на объектах управления», «автономное питание», «беспроводные сети», предложенной авторами в [6]. В этом случае возможна реализация «зеленой» системы управления (концепция Green Interlocking, GI-XXI). Плюсы данной технологии заключаются в снижении энергопотребления, рациональном использовании ресурсов, экологичности технологий, возможности сохранения времени, отказе от использования ряда технического оборудования (например, отказ от физических серверов и минимизация дорогостоящего напольного технологического оборудования в виде дроссель-трансформаторов).

Из всех современных способов реализации энергоэффективных систем наиболее близким к реализации на железнодорожном транспорте является использование энергии ветра и солнечного света.

Например, с начала 2017 г. все поезда в Нидерландах перешли на использование энергии ветра [9]. На рис. 2 показана архитектура системы, построенной по концепции Green Interlocking. Такая система строится на основе использования современных информационных технологий, а именно, fog computing, big data, в использовании internet of things (IoT), blockchain и neural network [10–12].

Архитектура системы образована несколькими уровнями иерархии. Она включает низовой уровень сопряжения с напольным технологическим оборудованием, образованный функциональными модулями (ФМ) и беспроводной сетью обработки данных на их основе, уровень беспроводной связи с объектами оперативного управления, а также уровень оперативного управления. Функциональные модули подключаются непосредственно к объектам управления. Они состоят из микроконтроллеров управления и встроенного мониторинга, а также передатчика сигнала. Функциональные модули, таким образом, распределены по станциям и перегонам и образуют распределенную вычислительную сеть на основе технологии fog computing (туманных вычислений).

Все зависимости проверяются именно здесь, на низовом, исполнительском уровне. Доступ к датчикам приборов осуществляется по киберзащищенному беспроводному каналу, сообщения в котором используют разработанный криптографический протокол на основе генетического алгоритма в компиляторе для обеспечения максимальной энергоэффективности [13] со специального автоматизированного рабочего места (АРМ) оператором управления движением на объекте (аналог дежурного по станции). В перспективе функции оператора могут быть автоматизированы и использованы автодиспетчером для организации рациональных режимов управления движением или бортовым аппаратно-программным комплексом в виде «виртуальной централизации» (этот вариант перспективен на малодеятельных линиях и линиях, пролегающих в местностях со сложным рельефом или же в зоне сурового климата).

В процессе реализации концепции Green Interlocking должен происходить постепенный переход к уменьшению количества напольного технологического оборудования железнодорожной автоматики.

На первом этапе сохраняются традиционные средства в виде рельсовых цепей, светофоров, стрелок, дроссель-трансформаторов и др. Далее осуществляется отказ от светофорной сигнализации за счет передачи выбора скоростного режима и условий проследования на бортовые устройства локомотивов. На третьем этапе исключаются рельсовые цепи и минимизируется число дроссель-трансформаторов, подвижные единицы позиционируются с помощью радиоканала, а целостность рельсового пути контролируется на основе мониторинговых оптоволоконных систем, а также с применением методов неразрушающего контроля. Таким образом, конечный этап связан лишь с сохранением устройств автоматического управления железнодорожными стрелками (изменив тип используемых двигателей и номиналы токов и напряжений их функционирования) и формированием собственного защищенного IoT для управления движением поездов.

Следует отметить, что архитектура, аналогичная Green Interlocking, уже была реализована авторами на объектах мониторинга железнодорожной контактной подвески на линии скоростного сообщения Санкт-Петербург – Москва [14]. В качестве источников альтернативной энергии были использованы солнечные панели, а в качестве беспроводной сети передачи и обработки данных – собственный IoT, развернутый на 16-километровом перегоне Торбино – Боровенка с применением защищенного и энергоэффективного протокола передачи данных (рис. 3). При этом вся обработка данных была реализована на микроконтроллерах «умных» приборов прямо на объекте мониторинга, а результаты по запросу передавались на концентратор линейного поста. В отсутствие процедуры измерения приборы находятся в спящем режиме, что обеспечивает оптимизацию энергопотребления. Результаты использования системы мониторинга показали реальную возможность применения данной технологии и для создания систем управления движением.

На рис. 4 показан пример реализации системы управления с использованием архитектуры Green Interlocking на станции электрифицированной линии железной дороги. В этом случае необходимое количество солнечных панелей рассчитывается с учетом фактической нагрузки на реализацию технологических алгоритмов по управлению движением и географического местоположения объекта. Кроме того, с использованием вертикально направленных антенн и радиотехнических модулей напольных устройств автоматики организуется сеть IoT с технологиями обработки данных fog computing. Все зависимости проверяются на низовом уровне в цифровом тумане, что позволяет реализовать «мозг» системы управления в конструкции, размером с современный смартфон (аналог наборной группы электрической централизации [4]). В перспективе возможна реализация более высокого уровня централизации обработки данных для целых участков железных дорог, а также переход к использованию искусственного интеллекта для управления движением поездов.

Активно развивающиеся информационные технологии позволяют сегодня реализовывать передовые и перспективные системы управления движением поездов. От методов и технологий второй половины XX века осуществляется постепенный переход к технологиям управления в современном мире. Они в полной мере уже применяются в космическом и авиационном транспорте и постепенно проникают в сферу наземных средств перевозки грузов и пассажиров, в том числе на железнодорожном транспорте.

С развитием альтернативной энергетики и научно-техническим прогрессом в области информационных технологий возможен переход от традиционных систем управления движением поездов к реализации концепции Green Interlocking. Это, в свою очередь, будет большим шагом вперед к реализации технологии «умных» и энергоэффективных систем управления (Smart & Grid Train System Control). Впервые появляется возможность использовать и назначать классы энергоэффективности в отношении конкретных систем управления железнодорожным транспортом.

Этим принципом также можно руководствоваться и при реализации новых систем управления ответственными технологическими процессами (или реконструкции старых), не ограничиваясь сферой железнодорожного транспорта.

Авторами статьи исследованы и предложены решения двух фундаментальных проблем при реализации концепции Green Interlocking. Это – обеспечение безопасности в беспроводных каналах данных, которая ликвидируется технологиями, реализованными по примеру шифрованного канала, и проблема высокой вероятности ошибки в канале связи и в самом сообщении на управление. Она решается в системе путем использования технологии fog computing для обработки данных, а для их хранения и передачи – технологии blockchain с транзакциями, обрабатываемыми сетью сенсоров, выступающей в качестве консенсусного механизма.

ЛИТЕРАТУРА

1. Шеннон К.Э. Работы по теории информации и кибернетике. М.: Издательство иностранной литературы. 1963. 829 с.
2. Ubar R., Raik J., Vierhaus H.-T. Design and test technology for dependable systems-on-chip. Hershey, Pa : IGI Global, 2011. 578 p.
3. Kharchenko V., Kondratenko Yu., Kacprzyk J. Green IT Engineering : Concepts, models, complex systems architectures. Cham Springer, 2017. 305 p. (Studies in Systems, Decision and Control ; Vol. 74). DOI : 10.1007/978-3-319-44162-7.
4. Borecky J., Kubalik P., Kubatova H. Reliable railway station system based on regular structure implemented in FPGA // 12th Euromicro Conference on Digital System Design, Architectures, Methods and Tools, 2009 (DSD’09), 27–29 Aug. 2009, Patras. P. 348–354. doi: 10.1109/DSD.2009.210.
5. Predicting the life expectancy of railway fail-safe signaling systems using dynamic models with censoring / P. Novák, M. Daňhel, R.B. Blažek, M. Kohlík, H. Kubátová // 2017 IEEE International Conference on Software Quality, Reliability and Security (QRS), 25-29 July 2017, Prague. P. 329-339. doi: 10.1109/QRS.2017.43.
6. Ефанов Д.В., Осадчий Г.В. Концепция современных систем управления на основе информационных технологий // Автоматика, связь, информатика. 2018. No 5. С. 20–23.
7. Тюрин С.Ф., Харченко В.С. «Зеленая» программируемая логика: концепция и элементы реализации для FPGA проектов // Системы обработки информации. 2013. No 9 (116). С. 84–92.
8. Predictions made by Ray Kurzweil // Wikipedia: The free encyclopedia. URL: https://en.wikipedia.org/wiki/Predictions_made_by_Ray_Kurzweil.
9. Поезда в Нидерландах полностью перешли на энергию ветра // National Geographic Russia : сайт. 2017. URL: http://www.nat-geo.ru/science/986915-poezda-v-niderlandakh-polnostyu-pereshli-na-energiyu-vetra/.
10. Cloud traffic control system / V.I. Hahanov, O.A. Gus, A. Ziarmand, N.C. Umerah, A. Arefjev // Proceedings of 11th East-West Design & Test Symposium (EWDTS 2013), Rostov-on-Don, 2013. P. 72–76. doi: 10.1109/EWDTS.2013.6673092.
11. Brogi A., Forti S. QoS-aware deployment of IoT applications through the fog // IEEE Internet of Things Journal. 2017. Vol. 4, Issue 5. P. 1185–1192. doi: 10.1109/JIOT.2017.2701408.
12. Serhani M.A., El Kassabi H.T., Taleb I. Quality profile-based cloud service selection for fulfilling big data processing requirements // IEEE 7th International Symposium on Cloud and Service Computing (SC2), Kanazawa. 2017. P. 149–156. doi:10.1109/SC2.2017.30.
13. Hsu C.H., Kremer U. The design, implementation, and evaluation of a compiler algorithm for CPU energy reduction // PLDI ‘03 Proceedings of the ACM SIGPLAN 2003 conference on Programming language design and implementation, San Diego,CA. New York : ACM, 2003. P. 38–48. (ACM SIGPLAN Notices; Vol. 38 (5)).
14. Ефанов Д.В., Седых Д.В., Осадчий Г.В. Результаты использования системы непрерывного мониторинга железнодорожной контактной подвески на участке Торбино – Боровенка линии скоростного сообщения Санкт-Петербург – Москва // Автоматика на транспорте. 2017. Т. 3, No 1. С. 39–53.