Aktuální vydání

celé číslo

07

2019

Řízení dopravy a budov

celé číslo

Rychlé datové sítě 5G umožní automatizovat kolejovou dopravu

Připravovaný telekomunikační standard mobilní sítě nejnovější páté generace (5G), umožňující spolehlivě a bezpečně bezdrátově přenášet velké objemy dat, otevírá mnoho nových zajímavých oblastí použití mobilní komunikace, mj. v kolejové dopravě. 

Mobilní síť 5G umožňuje z pohledu kolejové dopravy např. samostatné a bezdotykové spřahování železničních vagonů za jízdy, což je důležitý předpoklad pro zavedení vyššího stupně automatizace do železničního provozu. Odborníci Německého střediska pro letectví a kosmonautiku (Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt – DLR) vyšetřovali při podrobném měření na zkušebním polygonu technické univerzity v Cáchách (Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule – RWTH Aachen), zda drážní vozidla vybavená pro tento účel speciálně vyvinutým bezdrátovým systémem využívajícím pásmo milimetrových vln mohou navzájem komunikovat a velkou rychlostí si vyměňovat data s minimálním časovým zpožděním. První výsledky ukazují, že stabilně a bezpečně lze takto komunikovat do vzdálenosti až asi 130 m. 

Digitalizace nabízí větší efektivitu a flexibilitu v kolejové dopravě

Automatické spřahování jednotlivých vagonů či celých vlaků je důležitým krokem na cestě k vyššímu stupni automatizace a tím i větší flexibilitě a efektivitě v kolejové dopravě. K bezpečnému a rychlému datovému spojení mezi drážními vozidly navzájem je velmi vhodný bezdrátový rádiový přenos dat v pásmu milimetrových vln při kmitočtu mezi 63 a 64 GHz. Pro toto pásmo kmitočtů, u mobilních sítí ještě málo využívané, vyvinuli vědečtí pracovníci Ústavu pro komunikaci a navigaci DLR (Institut für Kommunika­tion und Navigation) zcela nový, velmi odolný bezdrátový modul pro komunikaci v pásmu milimetrových vln (obr. 1). „Má-li automatizovaný železniční provoz být v potřebné vysoké míře bezpečný, musí datové spojení v kolejové dopravě spolehlivě fungovat v reálném čase i v nejtěžších podmínkách, jako například při velkých rychlostech jízdy vlaku. Proto jsme při měření velmi podrobně analyzovali také přenosové vlastnosti komunikačního systému,“ říká Dr. Stephan Sand, vedoucí projektu a vedoucí pracovní skupiny pro sdělovací systémy v ústavu. 

Obr. 1. Nový bezdrátový drážní modul pro přenos dat v pásmu milimetrových vln (foto: DLR)

Objektivní analýza bezdrátové datové komunikace mezi drážními vozidly

Výkonnost systému pro bezdrátový přenos dat mezi drážními vozidly na krátké a střední vzdálenosti zjišťovali odborníci v rámci plánovaného experimentu na zkušebním drážním polygonu v Cáchách. Přitom mohli, jako první v Evropě, vykonat dynamická měření šíření bezdrátového signálu mezi vozidly v pásmu milimetrových vln. Ústav pro kolejová vozidla a dopravní systémy (Institut für Schienenfahrzeuge und Transportsysteme) technické univerzity RWTH Aachen poskytl pro měření dva pokusné samopoháněné vlakové vagony, takže měření bylo možné uskutečnit v reálných drážních podmínkách (obr. 2), kdy bezdrátové komunikační moduly pro spojení v pásmu milimetrových vln byly namontovány na spřáhlech vagonů. „Vedle přenosových vlastností komunikačního systému jsme při tomto uspořádání mohli analyzovat také vliv vibrací vagonu a postupu při spřahování na činnost komunikačních modulů,“ vysvětluje Dr. Sand.

Zkušební drážní polygon technické univerzity RWTH Aachen umožňuje na nejmenším možném prostoru ověřovat činnost zařízení za různých okolních podmínek. Bylo tudíž možné porovnávat automatické spřahovací manévry prováděné za různých podmínek, jako např. při jízdě ve volném prostoru, po rovných nebo zakřivených kolejových úsecích, v blízkosti nástupiště, podél stromů a křoví apod. Pro analýzu přenosových vlastností systému byly signály v pásmu milimetrových vln zaznamenávány měřicím přístrojem zvaným Channel Sounder, který odborníci DLR vyvinuli pro analýzu šíření rádiových signálů. Poznatky z experimentů lze beze zbytku využít k vývoji bezpečných a rychlých systémů pro bezdrátové přenosy dat. 

Bezdrátová výměna dat kritických pro bezpečnost

Již první výsledky experimentů potvrdily, že data lze v pásmu milimetrových rádio­vých vln bezpečně přenášet na vzdálenosti až asi 130 m. Je to velmi slibný poznatek, neboť i fyzicky spřažené vagony by měly v budoucnu přenášet kritická bezpečnostní data pomocí bezdrátových spojů v pásmu milimetrových vln jako podmínku realizace bezdrátového systému nadřazeného řízení vlaku TCMS (Train Control and Monitoring System).

Obr. 2. Uspořádání experimentálního zařízení při zkouškách dynamického spřahování železničních vagonů (foto: DLR)

Bezdrátový systém TCMS má mnoho předností oproti aktuálně používanému kabelově propojenému provedení TCMS. Především systém TCMS poskytuje redundantní mimořádně spolehlivou cestu paralelní k elektrickému propojení, které obsahuje i více než 100 citlivých dotykových elektrických kontaktů. Protože dotykové elektrické spoje jsou při spřahování elektromechanicky značně namáhány a k tomu jsou také vystaveny i extrémním povětrnostním podmínkám, často přestávají fungovat a je třeba je opravovat. Důsledkem poruch jsou vedle toho také výpadky vlaků a zpoždění. Protože bezdrátový systém TCMS přenáší data bezkontaktně, nemůže zde k žádným výpadkům v důsledku elektromechanického zatížení dojít. Takzvaný ultraspolehlivý komunikační systém (Ultra-Reliable Low-Latency Communication – URLLC) v síti 5G pro bezdrátový systém TCMS umožňuje také přesně a spolehlivě sledovat vzdálenost mezi vagony při spřahování. Proces spřahování tak může při použití bezdrátového systému TCMS a funkce URLLC v síti 5G probíhat zcela automaticky. 

Výzkumný program podporovaný BMBF

Experimenty s komunikačními moduly pracujícími v pásmu milimetrových vln byly provedeny v rámci německého výzkumného projektu v oboru spolehlivého a rychlého širokopásmového spojení na krátké vzdálenosti SBDist (Sichere und latenzarme Breitband­übertragung über kurze Distanzen). Projekt SBDist je jedním z pilotních projektů programu Zuverlässige drahtlose Kommunikation in der Industrie (ZDKI), řešícího problematiku bezdrátového přenosu dat v systémech digitalizované výroby podle konceptu Indus­trie 4.0. Projekty jsou podporovány Spolkovým ministerstvem pro vzdělání a výzkum (BMBF), přičemž cílem je vyvinout klíčovou techniku k použití v rozmanitých odvětvích průmyslu. Jako součást projektu SBDist jsou vyvíjeny nové prostředky zajišťující mimořádně spolehlivý a bezpečný přenos velkého množství dat na vzdálenost několika málo metrů mezi dvěma navzájem se pohybujícími entitami, jako jsou např. vlaky, drážní vozidla, automobily atd.

[Sichere Datenübertragung zwischen Zügen mit dem 5G-Mobilfunksystem. Pressemitteilung DLR, 8. 11. 2018.] 

Ing. Karel Kabeš