Für viele ist ein Bus im Wesentlichen ein Verkehrsmittel mit Motor, Fahrer und ausreichend Platz für Passagiere. Allein die Anzahl der Antennen zeigt, dass noch weitere Aspekte bei der Ausrüstung moderner Verkehrsmittel eine Rolle spielen. Die Kommunikationssysteme in Zügen und teilweise auch in Bussen sind in zwei Kategorien gegliedert: die so genannten Train-Control- und Management-Systeme (TCMS) zur Fahrzeugsteuerung sowie die passagierorientierten Systeme (POS: Passenger-oriented Systems).

Fahrzeugsteuerungssysteme steuern als integraler Bestandteil der Fahrzeuge Komponenten wie Antriebe, Bremsen und andere sicherheitskritische Anwendungen und liegen daher in der Regel in der Verantwortung der Fahrzeughersteller. Weiterhin gibt es Anwendungen, die lesend auf diese Fahrzeugsteuerungssysteme zugreifen und im Wesentlichen für deren Überwachung entwickelt werden. Typische Vertreter dieser Kategorie sind Informationssysteme für den Fahrer oder das Betriebspersonal. Passagierorientierte Systeme stellen die Infrastruktur für Komfort- und Informationssysteme bereit. Dazu gehören längst nicht nur die Regelung von Heizung und Lüftung, sondern auch Fahrgast-Informationssysteme und Videoüberwachung.

Letztere haben sich rasant weiterentwickelt und werden oft von spezialisierten Systemintegratoren in Zusammenarbeit mit den Fahrzeugherstellern sowie den Bahn-, Straßenbahn- und Busbetreibern den Einsatz-Szenarien angepasst. Vor allem die Fahrgast-Informationssysteme und die Videoüberwachung stellen dabei spezielle Anforderungen an das Netzwerk im Fahrzeug und an der Strecke beziehungsweise Straße:

• mehr Bandbreite für die Übertragung von Daten, insbesondere der Videodaten,
• sichere Verteilung der Daten verschiedener Applikationen über das gleiche Netzwerk,
• effiziente Kommunikation zwischen Fahrzeug und Leitzentrale sowie anderen Dienstleistern (Board-to-Ground).

Bus- und Bahnbetreiber in ganz Europa rüsten derzeit Ihre bestehenden Fahrzeuge mit solchen Lösungen nach, um die stetig steigenden Anforderungen abzudecken. Dabei werden bestehende Bordnetzwerke modernisiert und gegebenenfalls zusammengeführt, so dass die Board-to-Ground-Systeme den Datenaustausch aller relevanten Applikationen übernehmen können.

Industrial Ethernet als Basistechnologie

Das von der Firma Moxa entwickelte TurboRoaming garantiert bei den verschiedenen Geräteserien Roaming- Zeiten auf Applikationsebene unter 50 ms bei Zuggeschwindigkeiten bis zu 150 km/h und einer umfassenden Verschlüsselung und Authentifizierung.

© Moxa

Industrial Ethernet hat sich dabei als Backbone für alle bandbreitenintensiven Applikationen innerhalb der Busse und Bahnen etabliert. Die bilden Standard-Komponenten, die für diesen speziellen Einsatz entwickelt wurden, das heißt sehr viel härtere Anforderungen bezüglich Betriebstemperatur (–40 bis +70 °C), Schock und Vibration sowie elektronmagnetischer Verträglichkeit erfüllen. Diese sind beispielsweise in Standards dokumentiert wie e-Mark für den Straßenverkehr, EN50155 für Schienenfahrzeuge, EN50121 für Signal- und Telekommunikationseinrichtungen neben der Schiene.

Hier sind die Anforderungen an die Vibrationsfestigkeit zwar geringer, jedoch die Grenzwerte hinsichtlich EMV-Verträglichkeit höher. Hinsichtlich Software- und Protokoll-Stacks werden die aus der IT und der Telekommunikation bekannten und erprobten Technologien genutzt: Ethernet als Transportmedium, redundante Ringstrukturen wie TurboRing und TurboChain mit Recovery-Zeiten unter 20 Millisekunden sowie Netzwerkmanagement- Funktionen wie VLAN (virtuelles LAN) und Multicast. Die Firma Moxa hat für die Bahntechnik mit ToughNet eine EN50155- konforme Switch-Baureihe entwickelt, mit entsprechenden Redundanz-Protokollen und vibrationsfesten M12-Steckverbindern. Varianten mit PoE und PoE+ (Power over Ethernet) unterstützen den Anschluss von IP-Kameras, WLAN Access-Points und anderer über ein einziges Kabel.

Seit 2009 existiert der PoE+-Standard, der die bereitgestellte Leistung auf 30 W fast verdoppelt. PoE-Splitter und -Injektoren erlauben den Einsatz auch bei Geräten, die ursprünglich nicht dafür vorgesehen waren. Darüber hinaus erlauben POE/ POE+-Netzwerk-Switche über die Stromversorgung die Kontrolle der angeschlossenen Geräte: Bei einem Fehlverhalten lässt sich ein Gerät kurz vom Stromnetz trennen und damit dessen Neustart erzwingen. Ebenso lassen sich Access-Points bei Bedarf über Nacht ausschalten. Bei der Installation der Netzwerk- Infrastruktur wird oft viel Zeit darauf verwendet, Switches, IP-Kameras und weitere Endgeräte zu konfigurieren und deren IP-Adressen zu vergeben.

Hierfür hat Moxa eine Softwarelösung entwickelt, mit der sich die Netzwerkgeräte automatisch konfigurieren und ins Netzwerk einbinden lassen. Dies erleichtert nicht nur die Inbetriebnahme, es erlaubt auch den Austausch defekter Geräte im laufenden Betrieb durch das Zugpersonal ohne die Konfiguration oder IP-Adresse des Geräts im Detail zu kennen. Dies vermeidet Sonderfahrten in die Werkstatt und kostspielige Ausfallzeiten.

WLAN auf dem Vormarsch

Industrial Ethernet als Backbone in und am Zug: Architektur einer einfachen Videoüberwachungslösung eingebettet in eine ethernetbasierte Netzwerk-Infrastruktur.

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Auch im industriellen Umfeld lassen sich die Ethernet-Netzwerke immer einfacher mit Funktechnologien kabellos erweitern. Neben Access-Points, die den Passagieren den Netzwerkzugang erlauben, werden mittlerweile spezielle Access-Points eingesetzt, um ein Netzwerk über alle Zugteile hinweg automatisch aufzubauen und die Verbindung nach außen zu gewährleisten: Per automatischer WLAN-Netzwerk-Kopplung lassen sich die Netzwerke verschiedener Zugteile automatisch zusammenschalten, etwa beim Ankoppeln von Waggons oder Zusammenkoppeln zweier Züge. Ausgefeilte Sicherheitslogiken sorgen dafür, dass nur die richtigen Access-Points Verbindungen aufbauen und keine Angriffe von außen möglich sind.

Für eine schnelle Übergabe der Wireless- Clients im Zug von einem zum nächsten Access-Point an der Strecke sorgt das Moxa-eigene TurboRoaming. Die Moxa-eigene Lösung garantiert Roamingzeiten auf Applikationsebene unter 50 ms bei Zuggeschwindigkeiten bis zu 150 km/h und einer umfassenden Verschlüsselung und Authentifizierung auf Basis von WPA und WPA2. Die kurzen Umschaltzeiten sind wichtig, wenn WLAN zur Kommunikation vom fahrenden Zug nach außen genutzt werden soll – etwa für Passagierinformationsoder Videoüberwachungssysteme.

Vor allem für das Ethernet Train Backbone (ETB) und das Wireless Train Backbone (WLTB) gehen die Standardisierungsbemühungen im Rahmen der Internationalen Elektrotechnischen Kommission weiter (IEC TC9 Working Group 43), um die Interoperabilität, Integration und Funktionalität der verwendeten Netzwerkkomponenten voranzutreiben. Wo bisher Fast-Ethernet-Ports mit 100 MBit/s ausreichten, werden in Zukunft Gigabit-Ports beziehungsweise WLAN nach 802.11n verlangt.

Board-to-Ground-Kommunikation

Viele Bahn- und Busbetreiber haben begonnen, die Bordnetzwerke ihrer Fahrzeuge mit zentralen Kontroll- und Rechenzentren zu verbinden. Wo anfangs Technologien wie GSM/GPRS und das speziell für die hohen Geschwindigkeiten im Bahnbereich entwickelte GSM-R ausreichten, sind heute 3G-Mobilfunknetzwerke oder nicht-öffentliche Netzwerke auf Basis von Flash-OFDM oder Wimax notwendig. Parallel dazu rüsten die Mobilfunknetzbetreiber ihre Netzwerke mit LTE (Long Term Evolution), der vierten Mobilfunkgeneration, aus. Dabei sollen bisher nicht mit 3G-Technik abgedeckte Gebiete bevorzugt ausgebaut werden.

Durch den Technologie-Mix steigen die Anforderungen an die Endgeräte, den Mobile Communication Gateways (MCG), welche die Kommunikation mit den verschiedenen Funknetzwerken herstellen und überwachen müssen. Auch hier hat die IEC eine Arbeitsgruppe eingesetzt, um diese Board- To-Ground (B2G)-Kommunikation weiter zu standardisieren. Für dieses Einsatzfeld existieren ausgereifte CompactPCI-basierte Rack-Systeme, die mit 14 oder mehr Mobilfunk-Modems allerdings nur den High-End-Bereich abdecken. Für die meisten Applikationen reichen jedoch kompakte, kostengünstigere Architekturen aus, beispielsweise auf Basis von Embedded-PCs wie der V2420-Serie. In diese Bahn-zertifizierten Embedded- PCs lassen sich so genannte EPM-Module integrieren, zum Beispiel das Wireless-Modul EPM-3337, das WLAN 802.11n, GSM, GPRS und GPS unterstützt. Mit zwei dieser Module lässt sich eine redundante Breitband-Kommunikation realisieren, die zum Beispiel in Bahnhöfen oder Tunnels auf WLAN-Verbindungen setzt und auf der Strecke das 3G-Mobilfunknetz nutzt.

Über ein Adapter-Modul können auch Mini-PCI- und Mini-PCIe-Karten genutzt werden. In diesem Formfaktor gibt es von verschiedenen Anbietern LTE-Module, so dass sich ein Mobile Communication Gateway aufbauen lässt, das die wesentlichen aktuellen und künftig verfügbaren Funknetze bedient. Ähnliche Kommunikationslösungen lassen sich mit der e-Mark-zertifizierten Baureihe V2422 für den Bus- oder Straßeneinsatz umsetzen.

Videoüberwachungen ohne Unterbrechungen

Embedded-PCs der Serie V2400 für Bahn und Straße lassen sich über Steckplätze flexibel konfigurieren.

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Moderne Videoüberwachungslösungen in Zügen basieren auf IP-Kameras wie die VPort-Serie mit M12-PoE-Anschluss und Embedded-PCs als Netzwerk-Videorekorder (NVR). Der V2406 ermöglicht den Einsatz von SSDs (Solid State Disk) und kann zum Beispiel die Daten von den bis zu acht IP-Kameras eines Zugabteils für einige Tage speichern.

Die Variante V2416 wurde speziell als NVR-Rekorder konzipiert und hat zwei Steckplätze für 2,5-Zoll-Speichermedien, die bei Bedarf schnell gewechselt werden können – ein spezieller Schockabsorber dämpft die Schwingungen, so dass selbst mit Festplatten die Anforderungen der EN50155 erfüllt werden. So können mit geringen Investitionen Speicherkapazitäten von 1 TByte erreicht werden. Mit Video-Encodern können auch vorhandene analoge Kameras eingebunden werden.

Stau-Infos über Bluetooth generieren

Manchmal sind es die ganz einfachen Lösungen, die überzeugen: Ein Anwender in Europa setzt kompakte, ARM-basierte Computer mit integriertem GPRS-Modul und externem Bluetooth- Adapter zur Verkehrsfluss-Überwachung von Autobahnen und Schnellstraßen ein. An Laternenmasten entlang der Strecke platziert, werden über Bluetooth die eingeschalteten Handys der Fahrer angesprochen und ihr Weg entlang der Strecke erfasst. Die Installation ist im Vergleich zu Induktionsschleifen und anderen Lösungen einfach. Mit diesen Daten lässt sich im Rechenzentrum die Durchschnittsgeschwindigkeit auf den überwachten Streckenabschnitten ermitteln und zu exakten wie auch zeitnahen Verkehrsinformationen aufbereiten.

Autor: Hermann Berg ist Business Development Manager Embedded Computer bei der Firma Moxa in Unterschleißheim bei München.