Az Óbudai Egyetem csapata olyan intelligens vasútirányítási rendszeren dolgozik, mellyel megelőzhetők a vasúti tömegbalesetek. A csapat több száz indulót előzött meg a IV. számítógép által támogatott találmányok világkupáján („IFIA best computer implemented invention 2014”), és az első helyezést jelentő „Oscar-díjat” nyerte. A fejlesztés iránt a MÁV is érdeklődik. Cikksorozatunk első részében a tervezett rendszer koncepcióját mutatjuk be.
Néhány évvel ezelőtt Komárom mellett egy személyvonat belerohant az előtte haladó tehervonatba. A balesetben a mozdonyvezető meghalt, több személy megsérült, és jelentős anyagi kár keletkezett. Az idei évben többször is előfordult, hogy vonatok ugyanazon vágányon haladva szembetalálkoztak. A szerencsének és a vonatbefolyásoló rendszereknek köszönhetően személyi sérülések nem történtek. A jelenlegi kötöttpályás közlekedésben használatos rendszerek is tartalmaznak a közlekedés biztonságát és az utasok kényelmét növelő, intelligens vezérlő elektronikát, mely érzékeli és feldolgozza az üzemvitel közben adódó információkat.
Ehhez azonban egyre több érzékelőre és beavatkozóra – és ezek összehangolt működésére – van szükség. Az alkalmazott rendszerek közös tulajdonsága, hogy a működésük során keletkező adatok gyűjtését, a vezérlési és szabályozási funkciókat egyetlen központi egység látja el. A hálózatban található érzékelők és beavatkozók passzív elemek, melyek egyenként külön jelvezetékkel kapcsolódnak a központi egységhez. Ezeknél a rendszereknél az egyes végrehajtandó „feladatok elkülönülten jelennek meg, melyek között a kapcsolatot erre a célra kifejlesztett átjárókkal lehet megvalósítani. Az ilyen – különböző rendszerek eltérő protokolljai és akár eltérő átviteli közegei közötti kapcsolatot megteremtő – átjárók telepítése és fenntartása bonyolult” [1], és az üzembentartót egy zárt, nehezen vagy egyáltalán nem bővíthető és nehezen átlátható, bonyolult struktúra alkalmazására kényszeríti. „Az eltérő rendszerek inkompatibilis kommunikációs protokolljai között a kapcsolatot különböző relék, egyedi átjárók valósíthatják meg.
Az ilyen jellegű interfészek azonban sok esetben csak korlátozott mértékű információ átadását teszik lehetővé az egyes rendszerek között. Elképzelhető ugyanilyen módon – egyedi átjárók és szoftverek alkalmazásával – intelligens rendszeralkalmazások kialakítása, de ezek költsége várhatóan nem a legkedvezőbb, és egyben a közös rendszer megbízhatósága is minden bizonnyal csökken. A más-más feladatot ellátó, egymástól független vezérlési vagy irányítási rendszereknek számos olyan tulajdonsága van, amelyek az ellátandó feladattól függetlenül közösek. Ez teszi lehetővé olyan integrált vezérlőhálózatok kialakítását, amelyekben a különböző feladatok együttesen jelennek meg, így lehetővé téve a feladatok közötti kapcsolat egyszerű megteremtését is.” [1]
A most bemutatásra kerülő felügyeleti rendszer segítségével a fentiekhez hasonló esetek elkerülhetők, és az üzemvitel során keletkező adatok helyben – akár a mozdonysátorban is – ellenőrizhetőek. A rendszer moduláris felépítésű, osztott logikájú és osztott intelligenciájú hálózat, magas biztonságú és autonóm működésű. Vizsgáljuk meg, mit is jelent az osztott intelligencia és az osztott logika fogalma. Az osztott intelligenciájú rendszerekben minden egyes elem önálló intelligenciával rendelkezik, nincs szükség központi adatfeldolgozó egységre, vagyis a rendszer decentralizált. Ami annyit jelent, hogy nincs kitüntetett készülék a hálózaton, minden résztvevő egyenrangú, saját egyedi azonosítóval, fizikai címmel rendelkezik. „A hálózat elemei pontosan definiált protokollal kommunikálnak egymással, mely kommunikáció szabványosított. A szabvány rögzíti az adatátvitel formátumát, illetve a különböző információtípusok hálózaton belüli megkülönböztetésének módját.” A hálózati elemek a szabványosított formátumú információk „segítségével közvetlenül szólíthatják meg egymást, anélkül, hogy egy kitüntetett központi egység beavatkozására lenne szükség, amely az egyik oldalról fogadott információt továbbadja egy másik oldalra, illetve a rendszer üzemeltetéséhez szükséges algoritmusokat tartalmazza.
Ezek az algoritmusok – az ellátandó feladatok szerint – az önálló készülékekben kerülnek szétosztásra” (osztott intelligencia). Ehhez pontosan meg kell határozni a „hálózaton belül használható üzenetek tartalmát és formáját”, annak érdekében, hogy egy adott üzenet minden hálózati elem számára ugyanazt jelentse. [1] Az osztott intelligenciájú rendszerekben a működés közben felmerülő „problémákat a keletkezési helyen kell megoldani, vagyis a rendszerstruktúrában felsőbb irányítási szintről csak akkor kell egy alrendszer működésébe beavatkozni, ha azon a szinten már a folyamat nem megoldható, és a további problémák károsan befolyásolhatják a teljes hálózat működését”.
Így alakítható ki az elosztott struktúrához illeszkedő „ambiens” intelligenciával rendelkező, infokommunikációs alapú közlekedési rendszer. „Az »ambiens« szó használata utal arra, hogy az ezzel a technológiával kialakított architektúra lokális szinten – ott, ahol szükség van rá –, a berendezések szűkebb működési környezetében, szenzorok és mérések segítségével folyamatosan monitorozza a saját és az őt körülvevő rendszereket. Illetve a feljogosított elemek beavatkozhatnak a működések mechanizmusaiba. Ugyanakkor képesek tájékoztatni, szükség esetén figyelmeztetni és riasztásokat küldeni a magasabb »evolúciós« struktúrájú társaik felé. Az egyes rendszerelemek autonóm módon működnek, de dinamikus kooperációban funkcionálnak.” [2]
„Az osztott intelligenciájú rendszerek több előnyös tulajdonsággal rendelkeznek a hagyományos rendszerekkel szemben. Ilyen az egyszerű bővíthetőség és módosíthatóság,” amit a hálózat készülékei által használt közös buszvezeték tesz lehetővé, „amelyen keresztül a résztvevő egységek egymással kapcsolatot tartanak”. [1] (Ez az eszközök közötti vezetékezés csökkentését is jelentheti.) A fejlesztés alatt álló rendszer a kis (1–6 m) és a közepes (10–150 m) hatótávolságú rádiófrekvenciás sugárzáson (RFID) alapul, melynek segítségével lokális információk rendszerbe integrálásával globális áttekintő képet, felügyeleti és vezérlési lehetőséget kapunk a kötöttpályás közlekedés adott szakaszáról (szakaszairól). A rendszer egymással kommunikálni képes, intelligens készülékekből áll. Egyes készülékek különböző érzékelők (pl. hőmérséklet, súly, RFID-olvasó, tengelyszámláló stb.) jeleit figyelik, az érzékelt jelek alapján más készülékeket – beavatkozókat (pl. jelzők, váltók, lámpatestek, ipari robotok stb.) – vezérelnek, irányítják a készülékek közötti kommunikációt, és hozzáférést biztosítanak a hálózaton áramló adatokhoz.
A kommunikáció egy elsődleges kommunikációs csatornán – a buszvezetéken – keresztül történik, egy előre rögzített és minden hálózati elem által ismert protokoll segítségével. Az elsődleges kommunikációs csatorna sérülése vagy hibája esetén a berendezések rendelkeznek másodlagos kommunikációs (GSM/GPRS) lehetőséggel. Minden egyes készülék saját, a protokollnak megfelelő kommunikációt végrehajtó mikroprocesszorral rendelkezik. A felügyeleti rendszer berendezései az RFID-olvasó által azonosítják a járművet. Az azonosítási adat a berendezéseket összekötő vezetékes hálózaton – optikai kábelen – jut el a központi adattárba. A hálózatkialakítás szempontja, hogy egyszeres vezetékszakadás nem okozhatja a berendezések kommunikációjának sérülését, ezért visszatérő ágú, azaz hurkos kialakítás valósítandó meg. A hurkos kialakítás, azaz a gyűrűtopológia lehetővé teszi a hatékony hibakeresést, illetve hiba esetén a vonalon a meghibásodás helye előtt levő készülékek további üzemben maradását. Ez utóbbit a – minden készülékben megtalálható – vonalcsatoló egység teszi lehetővé, mely ilyenkor automatikusan leválasztja a meghibásodott hálózatrészt vagy készüléket.
Kétszeres vezetékszakadás esetén a berendezések rendelkeznek másodlagos kommunikációs csatornával, melyek a GSM, illetve pályaudvar területén a Zigbee (lásd keretes).
Ezeknek a vezeték nélküli kommunikációs megoldásoknak a segítségével képes a rendszer többszörös vezetékszakadás ellenére is – működőképes állapotban maradni (kommunikációs adatvonalvesztés esetén természetesen hibaüzenet is továbbításra kerül) a vasútüzem maximális kapacitáskihasználása és biztonsága érdekében. (A buszon található készülékek saját, különálló energiaellátással rendelkeznek.)
A berendezések folyamatos életjelet közvetítenek, melyek elmaradása esetén a rendszer azonnal figyelmeztetést küld a felügyeleti személyzetnek a hibáról. A berendezéseket a terepen (pl. váltók, jelzők mellett) kell elhelyezni, nincs szükség kapcsolóteremre és több száz kilométer rézkábelre, mivel a hálózati elemek egymással kommunikálnak, és nem egy központi számítógéppel. „A buszvezetéken fogadott jelet a résztvevők mindegyike felerősítve küldi tovább, ami nagyobb méretű hálózat kiépítését teszi lehetővé. A buszra kiadott táviratokat az azt vevő egységek minden esetben nyugtázzák. Pontosabban azt, hogy a táviratban kiadott utasítás végrehajtása megtörtént-e, vagy valamilyen oknál fogva ez nem volt megvalósítható. A nyugtázás egy külön távirattal történik, melyben a parancs visszautasításának az oka is megtalálható.” [1]
A rendszer moduláris felépítéséből adódik, hogy az üzemképtelen vagy hibás berendezést egyszerűen ki kell emelni a hálózatból, és egy új elemet kell a helyére tenni. Az RFID-olvasás felhasználásával az egyes vágányfoglaltság újfajta megoldása válik elérhetővé, kiküszöbölve a pálya esetleges sérüléséből eredő vagy az idegen tárgy által okozott hamis foglaltsági jelzéseket. Az így létrejövő moduláris felépítésű, osztott logikájú és osztott intelligenciájú hálózat magas biztonságú és autonóm működést valósít meg. A lokális és pontos egyedi azonosítási információt felhasználva a rendszer lehetővé teszi az utastájékoztatás automatizálását, a központi és a peronokon történő egyedi adatmegjelenítést, a peronok világításvezérlését stb.
Mi az RFID?
A rádiófrekvenciás azonosítás vagy RFID (Radio Frequency Identification) egy olyan technológia általános kifejezése, mely rádióhullámok segítségével objektumok automatikus azonosítására szolgál. Az azonosításnak számos módszere létezik, de a leggyakoribb az, hogy egy mikrokontrolleren – melyhez antenna csatlakozik – egy sorszám kerül tárolásra, amely egyedileg azonosítja az objektumot (esetenként további információk rögzítésére is van mód). A mikrokontroller és az antenna együttesét nevezzük RFID „transzponder”-nek, RFID „tag”-nek vagy RFID címkének. A mikrokontroller az antenna segítségével továbbítja az azonosító adatokat az olvasó felé. A jeltovábbítás kHz-es, MHz-es és GHz-es tartományokban lehetséges.
Az RFID címkék tehát elemek azonosítására használhatók, akár a vonalkód. A vonalkóddal ellentétben, melynek leolvasásához a szkennernek közvetlen a vonalkód közelében kell lennie, rálátással és megvilágítással kell rendelkeznie, az RFID címkékre nem szükséges a közvetlenül rálátás és a megvilágítás. A különböző típusú címkék különböző távolságról olvashatók, és a felhasználásuk is ennek megfelelően különböző. Az RFID címkék több információt hordozhatnak, mint a vonalkód, az egyedi sorozatszám pedig lehetővé teszi az egyes tételek nyomkövetését. A rádiófrekvenciás azonosítás valójában nem számít újdonságnak, hiszen első alkalmazására már a II. világháborúban sor került. Akkor a repülőgépeknél a barát-ellenség felismeréshez használták.
A legkülönbözőbb területeken találkozhatunk RFID alkalmazásokkal, mint például a gépjárművek indításgátlója, az áruházi lopások elleni rendszerek vagy a nagyvárosok tömegközlekedési eszközeinek használatához szükséges e-jegy rendszer. Ezeken kívül a „Just in Time” elvű gyártást alkalmazó termelő vállalatok (főként autógyárak) használják már sikerrel az elektronikus adathordozókat az automatikus azonosításra. A szélesebb körű gazdasági célú alkalmazást (logisztika, más termelési ágazatok) azonban sok tényező gátolta, és csak az utóbbi évek technológiai fejlődése, az EPC (Electronic Product Code – elektronikus termékazonosító) kialakítása és a fokozatosan csökkenő előállítási árak hatására tölthet be komoly szerepet például raktárak, kereskedelmi egységek, gyártósorok folyamatainak fejlesztésében, tökéletesítésében, és minden olyan helyen, ahol azonosításra és nyomkövetésre szükség lehet.
Milyen RFID eszközöket használunk?
A kötöttpályás közlekedésben aktív RFID olvasókat ajánlatos választani, mert segítségükkel megbízható (6–150 m) olvasási távolság és akár 400 km/h sebesség érhető el. A modern aktív RFID transzponderekben található akkumulátorok élettartama az elektronikájuknak köszönhetően 3–6 év. Olyan transzpondereket célszerű alkalmazni, melyek könnyen álcázhatók, karbantartásuk egyszerű és olcsó. A nagy olvasási távolság elérése és az energiahatékonyság érdekében 2,45 Ghz frekvenciájú aktív RFID rendszert praktikus alkalmazni. (Az olvasó és a transzponder közötti kommunikációt az ISO 14443 protokoll szabvány határozza meg.) Minden járművet el kell látni RFID transzponderrel és a megfelelő működés és biztonság érdekében az olvasót a vágánytengelyben két szomszédos betonalj közé érdemes telepíteni.
A felügyeleti rendszer új minőséget jelenthet
A felügyeleti rendszer eseményvezérelt és parancsorientált. Eseményvezéreltnek nevezzük, mert csak akkor küld táviratot egy készülék, ha valamilyen esemény történt, és parancsorientáltnak, mert a végrehajtandó funkciók az érzékelőkhöz, kapcsolókhoz vannak hozzárendelve. Egyes készülékeknél beállítható a ciklikus adás is, vagyis az információ meghatározott időközönkénti rendszeres továbbítása. „Minden egyes parancstávirat tartalmazza a
vezérelni kívánt beavatkozó címét és a vezérléshez kapcsolódó egyéb funkciókat is, így pl. időzítést. Ezzel megvalósítható, hogy egy-egy beavatkozó máshogy viselkedjen a kapott távirattól függően”, vagyis egy-egy készülék más-más feladat végrehajtására utasíthatja a kérdéses beavatkozó egységet. [1]
A rendszer szuverenitását biztosítja, hogy – az önvédelmi mechanizmusa során – folyamatos figyelemmel kíséri saját integritását, és hibás, sérült vagy megsemmisült rendszerelem észlelésekor azonnali riasztási jelzést küld a felügyeleti számítógépes egységekbe. Az azonosító információ birtokában a felügyeleti számítógépes egységet kezelő forgalmi szolgálattevő pontos képet alkothat a sérült rendszerelemek számáról, elhelyezkedéséről és minőségéről. A rendszer lehetőséget teremt a kötöttpályás közlekedés biztonságának növelésére, a járművek nyomkövetésére és minőségellenőrzésére, a forgalomszabályozás irányítására, a pályához tartozó felépítményelemek állapotának jelzésére, az utastájékoztatás működésének valós idejű felügyeletére és irányítására, arról visszajelzés adására, a személyzeti tévedés kizárására, a járművek helyzetéből következő pontos utastájékoztatásra. A jelzések megbízhatóságának és a hagyományos megoldásoktól eltérő felhasználási módnak köszönhetően nagymértékben csökken a közlekedési zavar nagysága személy- és árufuvarozás esetén is.
Ezáltal növekszik az eljutási sebesség és a biztonság az élet- és vagyonvédelem területén. Továbbá egyszerűbbé válik a kábellopások – jelenleg megoldhatatlannak tűnő – felderítése, ami a rendszer biztonságosabb működését eredményezi, és javíthatja a társadalmi szereplők jogkövető magatartását a kötöttpályás közlekedés területén. Ha köztudottá válik, hogy a felügyeleti rendszer folyamatosan figyelemmel kíséri a kiválasztott járműveket, nagymértékben csökkenthető a szabálysértések és a lopások mértéke, és a felügyeleti berendezés használata ezek társadalmi prevenciójához vezet.
Felismerve a nyertes innováció jelentőségét és hazai vonatkozását, a MÁV együttműködést tervez az Óbudai Egyetemmel. A tervezett együttműködés lehetőséget teremt az egyetem kutatói és a MÁV szakemberei számára, hogy közösen alakítsák ki az innováció prototípusát egy kiválasztott hazai vonalszakaszon.
Felhasznált irodalom
[1] INTERNET: http://www.eng.unideb.hu/userdir/szemespeter/MFEFB61L04_%C3%89pFel%C3%89sBiztTech_L%C3%A9tM%C3%A9rMScL/Buszrendszerek.pdf
[2] Tokodi Dániel, Dr. Schuster György: Az intelligens vasúti rendszer megvalósításának elméleti és technológiai háttere
