Prasanth Aby Thomas
a&s International

Wraz z postępującą urbanizacją społeczeństw na całym świecie rośnie liczba systemów transportu kolejowego (metra). Według raportu Technavio w latach 2017-2022 wzrost w tym sektorze na całym świecie wyniesie średnio około 5 proc. Towarzyszą temu zwiększone inwestycje i rozwój rynku dostawców rozwiązań dla kolei.

Do najważniejszych trendów obserwowanych obecnie w branży kolejowej należą fuzje, postępująca cyfryzacja i wysiłki na rzecz walki z cyberprzestępczością. Wprawdzie plan połączenia niemieckiego Siemensa i francuskiej firmy Alstom został zablokowany przez Komisję Europejską (jej zdaniem zagrażał konkurencji na rynkach kolei), to nie brak raportów sugerujących, że presja ze strony dostawców chińskich może zmusić znanych producentów do szukania sposobów na konsolidację.

Technologie cyfrowe wprowadzają kolejne innowacje ułatwiające przewoźnikom zwiększanie niezawodności, usprawnianie operacji i podniesienie poziomu obsługi klienta. Dysponujący potencjałem Internetu Rzeczy (IoT) producenci sondują nawet w obszarze zasobów krytycznych możliwości modeli cyfrowych bliźniaków (digital twins), aby symulować operacje i wyciągać wnioski.

Wraz z upowszechnieniem rozwiązań cyfrowych rosną także obawy związane z cyberbezpieczeństwem. Firmy kolejowe są zmuszone do zmiany wcześniejszego paradygmatu systemów „bezpiecznych od samego początku” (safe by design) na podejście „bezpieczne i chronione od samego początku” (safe and secure by design). Każdy węzeł sieci musi być poddany ocenie pod kątem podatności, które mogą być wykorzystane przez hakerów.
W związku z tym pojawia się pytanie, dlaczego technologie cyfrowe w systemach komunikacyjnych mają kluczowe znaczenie w usprawnianiu operacji, poprawie uwarunkowań i komponentów. A ponadto co decyduje o tym, że sieć komunikacyjna i pokładowe systemy dozoru wizyjnego stają się bardziej niezawodne.

Znaczenie systemów łączności na kolei
Cyfrowe systemy transmisji umożliwiają niezawodne działanie kolei. Osiąganie tego celu nie jest jednak łatwym procesem.
Płynne i wydajne funkcjonowanie nowoczesnych systemów transportu wymaga niezawodnego systemu komunikacji. Jest to istotne ze względu na dużą liczbę podzespołów w systemach metra i kolei.
Zarządzanie systemami sygnalizacji kolejowej, systemami sprzedaży biletów, systemami dozoru wizyjnego oraz systemami zarządzania ruchem w środowisku, w którym liczba transmisji głosowych, wideo i danych (zarówno w obszarze operatorskim, jak i pasażerskim) szybko rośnie, staje się niemożliwe bez niezawodnych rozwiązań komunikacyjnych. Ze względu m.in. na szczególne wymagania dotyczące obsługi systemu metra jego funkcjonowanie bez niezawodnej sieci komunikacyjnej jest właściwie niemożliwe. Nie jest też możliwe korzystanie z sieci opartej na przestarzałych technologiach. Miałoby to poważny wpływ na wiele aspektów działania systemu, jego bezpieczeństwo i ochronę.

Do czego może prowadzić brak prawidłowej komunikacji
Systemy łączności są niezbędne nie tylko do wykonywania codziennych operacji transportowych. Należy brać pod uwagę także nieoczekiwane zdarzenia, które będą utrudnieniem w typowych działaniach.

Poniżej podano przykłady sytuacji, w których system łączności odgrywa kluczową rolę.

1. Potrzeba uzyskania pomocy dla pasażera w przypadku nagłego, wymagającego interwencji medycznej wypadku, ustalenie planu działania i zapewnienie dostępu służbom ratunkowym.
2. Konieczność wymiany lub naprawy uszkodzonego sprzętu przez obsługę techniczną, aby pociąg odjechał o planowanej porze.
3. Koordynacja zmian w rozkładzie lub wymiana wadliwych składów.
4. Wezwanie do naprawy wadliwie działającego wyposażenia stacji, np. bramek dla pasażerów.
5. Zapewnienie pasażerom informacji o wszelkich zmianach w kursowaniu pociągów lub metra.
6. Koordynacja ewakuacji i/lub zamykanie stacji po zdarzeniach naruszających bezpieczeństwo.
7. Zapewnienie bezpiecznych operacji przełączania.
   Niemożliwe jest działanie takiego systemu bez niezawodnej sieci komunikacyjnej lub przy wykorzystaniu sieci opartej na przestarzałych technologiach. Poważnie wpływa na wiele aspektów działania, bezpieczeństwa i ochrony. Wśród problemów, które mogą się pojawić, występują utrata świadomości sytuacyjnej, niedostępność podsystemu, niestabilne łącza danych, połączenia głosowe złej jakości czy kłopoty z artefaktami na zapisach z kamer. Trudno zliczyć problemy, których źródłem jest niewłaściwie funkcjonująca sieć. Przewoźnicy kolejowi muszą zmagać się z nimi podczas codziennych działań i w różnych scenariuszach operacyjnych.

Zapewnienie trwałości
Okres eksploatacji pociągów jest od 10 do 20 razy dłuższy niż większości zaawansowanych technologicznie produktów elektronicznych. Z tego powodu koleje są modernizowane i wyposażane w nowoczesne rozwiązania sieciowe. Za sprawą postępu w technologii pojazdów nowe pociągi są w coraz większym stopniu uzależnione od danych. Dozór wizyjny, systemy informacji pasażerskiej, monitorowanie stanu taboru i inne aplikacje stawiają wysokie wymagania wobec sieci komunikacyjnej dla kolei. Oczekiwania dotyczące szybkiego i bezpiecznego zarządzania oraz przesyłania danych wyraźnie rosną.
Obecnie operatorzy flot i producenci pojazdów szynowych potrzebują dostawców dogłębnie rozumiejących zagadnienia dotyczące sieci łączności kolejowej, którzy mogą zapewnić im skuteczną integrację i zwiększyć kompatybilność nowych rozwiązań ze starszym taborem.

Najważniejsze aspekty niezawodnego systemu komunikacji dla kolei
Kontrola i bezpieczeństwo to główne aspekty niezawodnego systemu komunikacji dla kolei. Wraz z przybywaniem połączeń nastąpiła zmiana podejścia.

Solidne systemy łączności są gwarancją bezpiecznych, terminowych i w pełni skomunikowanych podróży. Do najważniejszych zadań systemu łączności należą sterowanie pociągiem i bezpieczeństwo.
Oczywiście ostatecznym jego zadaniem jest szybka transmisja informacji do właściwego odbiorcy. Wdrożenia natomiast różnią się rodzajem przekazywanych informacji i ich celem.

Sterowanie pociągiem oparte na łączności
CBTC (Communications-based Train Control) to system sygnalizacji kolejowej wykorzystujący telekomunikację między pociągiem a urządzeniami przytorowymi do zarządzania ruchem i infrastrukturą sterowania. Systemy CBTC dostarczają dokładniejsze informacje o lokalizacji pociągów w porównaniu z tradycyjnymi systemami sygnalizacji.

Systemy kamer dozorowych
Obecne systemy łączności metra w dużym stopniu wykorzystują również kamery w celu zapewnienia bezpieczeństwa infrastruktury kolejowej i pasażerów. System dozoru wizyjnego może np. wykryć osobę na torach, zaalarmować operatorów i ostrzec nadjeżdżający pociąg o niebezpiecznej sytuacji. Bez niezawodnej sieci nie można wdrożyć niezawodnego systemu bezpieczeństwa, który musi obsłużyć bardzo dużą liczbę kamer.

Komunikacja operacyjna
Do tego, by dyspozytor mógł bezproblemowo komunikować się z maszynistami, podejmując niezbędne działania, potrzebny jest również niezawodny system łączności głosowej. W godzinach szczytu każda sekunda decyduje o efektywności działań. Komunikacja głosowa potrzebna jest też personelowi wykonującemu prace konserwacyjne, odgrywa kluczową rolę w skutecznej pomocy pasażerom będącym w niebezpieczeństwie. Dzięki niezawodnej sieci łączności centrum operacyjne może ostrzegać pracowników ochrony o wystąpieniu sytuacji zagrażającej bezpieczeństwu publicznemu. System nagłośnienia PA ma kluczowe znaczenie w kontrolowaniu tłumu.

Solidna sieć komunikacyjna jest niezbędna w codziennych operacjach, przekazując ważne wiadomości zainteresowanym stronom, a przede wszystkim zapewniając bezpieczeństwo. Strategia polega na tym, aby móc dotrzeć do zaangażowanego personelu, w dowolnym momencie i natychmiast. Dysponuje się wtedy możliwością informowania ludzi w razie potrzeby, poprawy ich świadomości sytuacyjnej, a także przyspieszenia reakcji na sytuacje krytyczne wymagające natychmiastowej uwagi.

Integracja w ramach IoT
Można się spodziewać, że Internet Rzeczy (IoT), który w ostatnich latach objął niemal każdą branżę, będzie odgrywał istotną rolę również w systemach komunikacji kolejowej.
Dzięki integracji systemów dozoru wizyjnego z intensywnie wykorzystywaną infrastrukturą sieci przewodowej i bezprzewodowej operatorzy uzyskują doskonalszy, kompleksowy i dostarczany w czasie rzeczywistym obraz pociągów, torów, składów i stacji. Monitoring tych zasobów może być objęty siecią kamer skomunikowanych w IoT. Umożliwi to operatorom wykorzystanie zaawansowanych funkcji, takich jak analityka dotycząca krytycznych aspektów i prowadząca do wykorzystania w praktyce inteligencji, by uzyskać poprawę wydajności systemu.

Kluczowe elementy sieci telekomunikacyjnej dla metra
Cała sieć telekomunikacyjna w metrze – rozwiązania zarówno przewodowe, jak i bezprzewodowe – wymaga standaryzacji. Powinna być w największym stopniu zabezpieczona przed włamaniami.
Najogólniej mówiąc, systemy łączności w sieciach kolejowych można podzielić na bezprzewodowe i przewodowe. Oba te typy mają do odegrania ważną rolę i muszą być oparte na określonych standardach.

Rozwiązania przewodowe
Solidny i niezawodny system przewodowy cechują:

1. Niezawodność urządzeń. Przykładowo, przełącznik sieciowy klasy konsumenckiej (a nawet korporacyjnej) nie będzie oferował takiego poziomu niezawodności, jak urządzenie przeznaczone dla infrastruktury krytycznej, które ma wbudowaną redundancję.
2. Wysoka przepustowość sieci umożliwiająca transfer ogromnej ilości danych z różnych aplikacji.
3. Funkcje odporności utrzymujące ogólną funkcjonalność sieci komunikacyjnej, nawet w przypadku awarii łącza lub węzła.
4. Możliwość separowania ruchu i funkcje QoS (zarządzania jakością usług), co zapewnia, że każdy podsystem korzystający z sieci ma ustalone priorytety i poziom wydajności oraz nie wpływa na działanie innego podsystemu. Przykładowo, użytkownik pobierający plik z serwera sieciowego nie powinien przeciążać sieci i wpływać na wydajność systemu CCTV.
5. Możliwość rozbudowy. Ponieważ potrzeby w zakresie przepustowości rosną w szybkim tempie, system komunikacyjny powinien być w stanie sprostać takiemu wzrostowi bez poważniejszych modyfikacji lub wymiany kluczowych komponentów.
   Ze względu na te wymagania w sieciach IP/MPLS powinno się używać rozwiązań dla infrastruktury krytycznej.

Rozwiązania bezprzewodowe
W przypadku sieci bezprzewodowej oprócz wcześniej wymienionych wymagań dla sieci przewodowej powinno się brać pod uwagę problemy z bezpieczeństwem i obsługą wielu użytkowników. Zabezpieczenie sieci bezprzewodowej nie jest zadaniem prostym. W ciągu ostatnich lat włamano się do wielu sieci bezprzewodowych, wykorzystując luki w zabezpieczeniach, a nawet socjotechnikę. Dlatego cyberbezpieczeństwo jest sprawą kluczową i bezwzględnie należy brać je pod uwagę.
Ważna jest także kwestia obsługi wielu użytkowników i aplikacji, ponieważ dostępne jest dla nich to samo współdzielone łącze bezprzewodowe. Kluczowe staje się więc zastosowanie takiego rozwiązania, które oferuje mechanizmy gwarantujące, że wszyscy użytkownicy i wszystkie aplikacje uzyskają dostęp do zasobów sieci bezprzewodowej, a w przypadku przeciążenia będą działać funkcje podtrzymujące komunikację sieciową.
Wszystkie te wymagania spełnia technologia LTE. Dzięki prywatnej sieci LTE kolej może wykorzystywać bezpieczną łączność bezprzewodową, która zapewnia użytkownikom najlepszą obsługę podczas wykonywania pracy.

Szeroko dostępna sieć i chronione urządzenia
Niezbędna jest niezawodna i dostępna sieć radiowa również w tak trudnych obszarach, jak tunele, zajezdnie, stacje i ich okolice. Sieć szkieletowa musi być redundantna, ponadto powinien być wdrożony system zarządzania siecią w celu jej monitorowania. Dwa kolejne kluczowe wymogi to posiadanie sprawdzonych, solidnych i zabezpieczonych urządzeń (terminali) oraz wyposażenie ich w najnowocześniejsze aplikacje. Umożliwi to użytkownikom końcowym korzystanie z transmisji danych, śledzenie lokalizacji oraz komunikację grupową i z centrum operacyjnym.

Zgodność ze standardami branżowymi
Przestrzeganie standardów ma kluczowe znaczenie w zapewnieniu bezpiecznego i wydajnego działania systemów łączności. Na standardach opierają się rozwiązania przewodowe i bezprzewodowe. Opracowane przez organizację IETF standardy IP/MPLS są szeroko stosowane przez dostawców usług komunikacyjnych na całym świecie, a także operatorów w branżach o znaczeniu krytycznym, w tym kolejowej. Technologia LTE natomiast jest znormalizowana przez forum 3GPP i ogólnodostępna. Zgodnie z LTE działają światowe sieci komórkowe, a prywatne wdrożenia LTE są obecnie wykorzystywane w różnych sektorach gospodarki.
W ostatnich latach wzrastają również obawy dotyczące cyberzagrożeń. Należy przestrzegać odpowiednich przepisów i stosować najlepsze praktyki z zakresu cyberbezpieczeństwa. To warunek niezbędny w zabezpieczaniu krytycznych sieci przed cyberatakami i wdrażaniu skutecznej strategii cyberochrony. Przewoźnicy kolejowi mogą w ten sposób uniknąć potencjalnych strat przychodów i zachować reputację jako dostawcy niezawodnych i terminowych usług.

Zapewnienie niezawodnych rozwiązań dozoru wizyjnego dla systemów metra
Pokładowy system monitoringu wizyjnego nie tylko podnosi poziom bezpieczeństwa, ale także dostarcza przydatne dane analityczne.
Kamery dozorowe stały się integralną częścią systemów metra. Producenci systemów dozoru wizyjnego oferują rozwiązania pokładowe dostosowane do systemów metra i kolei. Kwestia bezpieczeństwa to niejedyny problem, który kamery mogą pomóc rozwiązać. Dozór wizyjny może być skutecznym wielofunkcyjnym narzędziem do poprawy wydajności przewoźnika i obniżenia kosztów, a także zwiększenia poziomu obsługi pasażerów, zmniejszenia opóźnień lub zakłóceń z powodu awarii mechanicznych, utrudnień na drodze lub zatorów komunikacyjnych.

Zabezpieczony system dozoru wizyjnego
W przypadku monitoringu wizyjnego na kolei istotne jest, aby sieć mogła obsługiwać wiele kamer i skutecznie dystrybuować w trybie IP multicast wiele strumieni wizji do wielu centrów monitorowania i pamięci masowych. Sieć dobrze i kompleksowo zaprojektowana spełni krytyczne wymagania. Będzie niezawodna i elastyczna, obsługując zaawansowane mechanizmy QoS oraz zapewniając niewielkie rozsynchronizowanie i małe opóźnienia w celu dostarczania sygnału wizji wysokiej jakości. Zaspokoi bieżące potrzeby w zakresie ruchu sieciowego oraz będzie przygotowana na jego wzrost. Kluczowe znaczenie mają przepustowość, jakość usług (QoS) oraz zasięg. Gdy usługi tej samej sieci są współużytkowane przez różne aplikacje, np. transmisja strumieni wizji, głosu, danych o lokalizacji, danych itp., należy również ustalić priorytety ruchu zgodnie z tym, jak ważny jest dla funkcjonowania systemu.

VMS
Można się spodziewać, że w najbliższych latach wdrożenia analityki wizji i innych złożonych funkcji będą coraz częstsze w transporcie publicznym. Jednak integracja wszystkich nowych technologii mnoży interfejsy, którymi operatorzy będą musieli zarządzać. W niestandardowych sieciach taka złożoność stanie się dla ich administratorów wyzwaniem. Rozwiązaniem tego problemu jest wdrożenie urządzeń i systemów VMS spełniających standardy ONVIF. Zapewnią one kompatybilność rozwiązań i umożliwią użytkownikom wykorzystanie ich interoperacyjności.

Analityka wizji dla sieci kolejowych
W tej branży analiza obrazu wykonywana w różnych celach także zyskuje na popularności. Przykładem może być współpraca Siemens Mobility i Strukton Rail, której celem było wykorzystanie analityki wizji i sztucznej inteligencji (AI) do automatycznego wykrywania i oceny stanu izolowanych złączy szynowych.
Analityka będzie również przydatna do określania przepływów i zachowania pasażerów, umożliwiając przewoźnikom wprowadzanie zmian zmniejszających zatory i podnoszących poziom jakości obsługi klienta. Wcześniej analiza obrazu ograniczała się do infrastruktury serwerów i pamięci masowych, obecnie coraz popularniejsze stają się rozwiązania typu edge (w urządzeniach brzegowych sieci). Dzięki nim można ją przeprowadzać wprost w kamerze, co przyspiesza przetwarzanie.