Исследование перспективных технологий для построения бортовых систем передачи данных нового поколения» - НИР «СПД-ПСМ»

1. Научно-исследовательская работа: «Исследование перспективных технологий для построения бортовых систем передачи данных нового

поколения» - НИР «СПД-ПСМ»
Заказчик: ООО «Центр Перспективных Технологий ТМХ»
Разработчик подвижного состава: АО «Метровагонмаш»
Исполнитель: ООО «ВеллТел»
Начало выполнения НИР: 22 декабря 2021 года.
Окончание выполнения НИР: 22 апреля 2023 года.

2.

Цели НИР
Создание технологического задела для построения
всего ряда перспективной продукции, выпускаемой
АО «Трансмашхолдинг» (ТМХ)
Создание унифицированной, для различных типов
подвижного состава, поездной коммуникационной
инфраструктуры (СПД-ПСМ)

3.

Задачи НИР
1.
Определить структуру нормативно-технической базы для формирования
научно-технического задела для создания современных поездов
метрополитена в части корректировки существующей и разработки новой
нормативно-технической документации на компоненты системы;
2.
Уточнить базовый и перспективный составы информационных сервисов
подвижного состава метрополитена;
3.
Провести патентные исследования технического уровня объектов
хозяйственной деятельности, выявление тенденций, обоснование
прогноза их развития, исследование патентной чистоты объектов техники,
а также выявление технических, художественно-конструкторских,
программных и других решений, созданных в процессе выполнения НИР, с
целью отнесения их к охраноспособным объектам интеллектуальной
собственности, в том числе промышленной, в сфере организации систем
связи на подвижном составе и определить основные технологии
реализации межвагонной сети. Привести обоснование выбранной
технологии;
:

4.

Задачи НИР (продолжение)
4.
5.
6.
7.
8.
Определить технические требования к СПД-ПСМ и требования со
стороны СПД-ПСМ к подвижному составу;
Определить архитектуру СПД-ПСМ, разработать типовые схемы
организации связи и межсистемного взаимодействия;
Создать макетные образцы компонентов СПД-ПСМ и провести
апробацию технологий (технических решений) на демонстрационном
стенде (стендах);
Провести анализ экономической целесообразности разработки и
применения СПД-ПСМ;
Разработать ТЗ на ОКР «Разработка универсального комплекса
средств вычислительной техники на перспективном подвижном составе
для обеспечения совместного функционирования информационных и
обеспечивающих функционирование СПД-ПСМ сервисов» и ТЗ ОКР
«Разработка поездных информационных магистралей СПД-ПСМ на
базе оптоволоконного кабеля» (либо иной технологии, если таковая
будет обоснована в результате НИР).
:

5.

Результаты НИР
1. ТЗ на выполнение ОКР «Разработка универсального комплекса средств
вычислительной техники на перспективном подвижном составе для
обеспечения совместного функционирования информационных и
обеспечивающих функционирование СПД-ПСМ сервисов»;
2. ТЗ на выполнение ОКР «Разработка поездных информационных
магистралей СПД-ПСМ на базе оптоволоконного кабеля» (либо иной
технологии, если таковая будет обоснована в результате НИР);
3. Отчет о выполнении НИР, в котором будет отражено обоснование
выбора требований, изложенных в ТЗ на выполнение ОКР;
4. Передача Заказчику результатов НИР, в том числе всей разработанной
документации, закупленных товарно-материальных ценностей (ТМЦ),
изготовленных макетных образцов, стендов, технологической оснастки.
:

6.

Этапы НИР
1. Разработка типовых технических решений СПД-ПСМ
2. Разработка архитектуры СПД-ПСМ
3. Разработка ТЗ на создание макетных образцов,
демонстрационного стенда (стендов) и апробацию технологий
4. Создание макетных образцов и демонстрационного стенда
(стендов)
5. Апробация технологий
6. Разработка итогового отчета о НИР
7. Разработка ТЗ на ОКР
8. Приемка результатов НИР

7. Этап 1 - Разработка типовых технических решений СПД-ПСМ

Состав документов Этапа 1:
Том 1 - Анализ нормативной и иной документации, определяющей
существующий и перспективный состав прикладных слаботочных
систем на подвижном составе метрополитена, использующих
проводные и беспроводные системы и сети передачи данных.
Том 2 - Типовые технические решения по комплексу СПД ПСМ.
Том 3 - Обследование архитектуры существующих слаботочных и
вспомогательных систем управления, применяемых на составах
моделей 81-775/776/777, 81-765/766/767. Разработка рекомендаций
по оптимизации, стандартизации и унификации применяемых
технических, технологических, конструктивных и организационных
решений на составах моделей 81-775/776/777, 81-765/766/767
Том 4 - Отчет о патентных исследованиях

8.

Том 1 - Основные задачи исследований
• Анализ утвержденной НТД уровня РФ, ТС и ЕАЭС для метрополитенов
– для формирования минимально необходимого «базового» варианта
перечня низковольтных систем (и спецификации их функций) на ПС и
соответствующей сети передачи данных;
• Анализ ТТ и Концепций развития комплексов систем обеспечения
безопасности
и
управления
движением
поездов
отдельных
метрополитенов – как основ для формирования максимально
возможного и перспективного перечня функциональных задач
низковольтных (слаботочных) систем на ПС и соответствующей
архитектуры сети передачи данных;
• Анализ современных требований по функциональной, транспортной
безопасности и пожарной безопасности, могущих оказать влияние на
структуру и требования к сетям передачи данных на ПС

9.

Том 1 - Дополнительные задачи исследований
• Уточнение нормативной терминологии для перечня функциональных
задач бортовых слаботочных систем, использующих бортовые системы
передачи данных;
• Определение необходимых дополнительных (кроме СПД-ПСМ)
функциональных компонентов для реализации всех нормативных
требований к бортовым слаботочным системам;
• Определение функционального взаимодействия бортовых компонентов
при реализации нормативных требований;
• Формирование предложений по классификации данных, передаваемых
через СПД-ПСМ

10.

Том1 - Основные группы анализируемых документов
• 1 уровень: нормативные документы ЕАЭС и Таможенного Союза в
части функциональных требований к информационной бортовой
инфраструктуре подвижного состава
• 2 уровень: государственная и отраслевая нормативная база РФ в
части требований к информационной бортовой инфраструктуре
подвижного состава метрополитенов
• 3 уровень: нормативные документов, концепции и технические
требования к перспективному подвижному составу Московского и
Петербургского метрополитена

11.

Том 1 - Основные результаты анализа НТД всех уровней
1. Сформированы
сводные
спецификации
нормативных
функциональных
требований
и
спецификации
основных
функциональных компонентов для базового и расширенного
составов низковольтных (слаботочных) систем на ПС
2. Сформированы схемы взаимодействия основных функциональных
компонентов при решении поставленных НТД задач
3. Анализ НТД показал необходимость следующих физически
выделенных сетей передачи данных: сети передачи данных АПС;
сети резервного управления АСУД; сети ИСВН
4. Выявлена необходимость реализации СПД, используемых для
реализации
функциональных
требований
АСУД,
в
отказоустойчивом варианте

12.

Том1 - Дополнительные результаты исследований
1. Уточнена
терминология,
использующаяся
при
описании
функциональных требований к слаботочным системам ПС
2. Анализ НТД позволил выявить необходимые для реализации
функциональных требований смежные к СПД на подвижном составе
компоненты
3. Анализ НТД выявил необходимость включения в состав поездной
аппаратуры программно-аппаратных средств защиты информации, не
имеющихся в настоящее время
4. Проведена экспертная оценка скоростей/объемов передачи данных на
борту и со стационарной инфраструктурой для реализации требований
расширенной
спецификации
функциональных
требований
и
экспертная оценка критичности части данных
5. Определены имеющиеся требования к ключевой смежной по
отношению к СПД-ПСМ системе беспроводной передачи данных

13.

Том 1 – Направления и использование результатов
1. Могут и должны быть уточнены функциональные требования к
существующему
набору
бортовых
слаботочных
систем,
использующих СПД
2. Могут быть сформированы функциональные и технические
требования как к СПД-ПСМ, так и к дополнительным компонентам,
которых в настоящее время нет на ПС
3. Может быть рассмотрена и согласована метрополитеном
предложенная классификация критичности данных через СПДПСМ,
необходимых
для
реализации
нормативных
функциональных требований для ПС
4. Могут быть сформированы варианты практической реализации
как всего комплекса бортовых слаботочных систем, так и СПДПСМ, не противоречащих нормативным функциональным
требованиям 1 и 2 уровня

14. Том 2 - Типовые технические решения по комплексу СПД ПСМ

Разрабатываемая СПД ПСМ должна обеспечивать:
• унифицированную для различных типов подвижного состава,
отказоустойчивую поездную коммуникационную инфраструктуру;
• транспортный уровень коммуникации для слаботочных поездных
систем на базе стандартных интерфейсов и протоколов с учетом
выполнения требований необходимой пропускной способности,
отказоустойчивости и изоляции трафика различных систем друг от
друга;
• единый интерфейс связи поездной аппаратуры с наземной
инфраструктурой мониторинга и управления, независимый от типа
используемой технологии беспроводной широкополосной связи.

15. Том 2 - Типовые технические решения по комплексу СПД ПСМ

Требования к архитектуре СПД ПСМ:
• выделение в функциональной структуре СПД ПСМ уровней «ядра»
и «распределения»;
• выделение логических сегментов для изоляции трафика различных
поездных систем и обеспечение защищенного, контролируемого
взаимодействия между сегментами, а также между сегментами
поездных систем и сегментом связи по радиоканалу со
стационарной СПД метрополитена;
• резервирование соединений на канальном уровне модели
взаимодействия открытых систем OSI;
• резервирование оборудования «ядра» сети;
• резервирование подключений к стационарной сети передачи
данных метрополитена по радиоканалам;
• возможность
подключения
оборудования
межсетевого
экранирования при организации стыка с внешними сетями
передачи данных.

16. Том 2 - Типовые технические решения по комплексу СПД ПСМ

На основании анализа НТД выделены основные группы
функциональных
задач,
которые
должны
реализовываться
слаботочной аппаратурой перспективного поездного состава, а также
разработаны:
• базовая спецификация (в соответствии с юридически значимыми
нормативными документами для метрополитенов на территории
РФ, ТС и ЕАЭС) функциональных требований (задач) для
комплексов низковольтных (слаботочных) систем на ПС (См. ЦПТТМХ-12/21-1-ПЗ1, Раздел 1.7, Таблица 8);
• расширенная спецификация (в соответствии с имеющимися ТТ
метрополитенов
и
концепциями
дальнейшего
развития
низковольтных (слаботочных) систем на ПС) функциональных
требований (задач) для комплексов низковольтных (слаботочных)
систем на ПС (См. ЦПТ-ТМХ-12/21-1-ПЗ1, Раздел 1.7, Таблица 11).

17. Том 2 - Типовые технические решения по комплексу СПД ПСМ

Типовая схема организации связи СПД ПСМ на базе беспроводных межвагонных
переходов
UTP Cat 6A (OM-3 MMF)
Межсетевой экран
Маршрутизатор
Wi-Fi мост
L2 - коммутатор

18. Том 2 - Типовые технические решения по комплексу СПД ПСМ

Выводы по реализации беспроводного канала передачи данных на
подвижной состав применительно к СПД ПСМ:
• Типовые
технические
решения
по
реализации
СПД
ПСМ,
рассматриваемые в настоящем исследовании, предусматривают
изоляцию функциональной структуры СПД ПСМ от физической
реализации радиоканала
• Реализация уровней CBTC GoA2, GoA3 потребует, в первую очередь от
метрополитена, реализации сетевой архитектуры, обеспечивающей
сквозной контроль качества обслуживания при передаче критического
трафика от стационарных приложений до оборудования на подвижном
составе. В этой связи, при планировании развития беспроводного
сегмента СПД метрополитена, целесообразно опираться на архитектуру,
основанную на открытом стандарте и специально учитывающую
требования и функции управления движением рельсового транспорта,
такую как LTE/LTE-R.

19. Том 2 - Типовые технические решения по комплексу СПД ПСМ

Базовый вариант топологии СПД ПСМ канального уровня
Bridge group
Ethernet 1000BaseT
Bridge group
LTE
Головной вагон
Broadband
Wireless
Промежуточный вагон
Хвостовой вагон
LTE
Broadband
Wireless
UTP Cat 6A (OM-3
MMF)
Маршрутизатор
Коммутатор
Межсетевой экран

20. Том 2 - Типовые технические решения по комплексу СПД ПСМ

СПД
Метрополитена
Маршрутизатор агрегации
метрополитена
.2.1
Кластер агрегации метрополитена
.1.1
10.112.10.0/24
Tun
nel 2
nel 1
Tun
Маршрутизатор
БШПД
Хаб 2
Хаб 1
10.1.1.0/30
10.1.2.0/30
LTE APN
Tunnel 1
БШПД
10.1.1.0/30
10.1.3.0/30
LTE1 APN
Подсеть /30 или
динамический адрес
Подсеть /30 или
динамический адрес
динамический адрес
10.X.X.254
Tunnel 2
LTE1
Cellular 0/0/0
R2
10.X.X.253
Tunnel 4
Tunnel 3
LTE
R1
10.1.2.0/30 10.1.4.0/30
SIM1
VLAN Outside
10.X.X.X/24
SIM2
SIM1
FW2
FW1
HA-кластер
динамический адрес
SIM2
R2
10.X.X.254
10.X.X.253
VRRP GW:
10.X.X.1
Головной вагон
LTE2
Cellular 0/0/0
R1
VRRP GW:
10.X.X.1
LTE2 APN
VLAN Outside
10.X.X.X/24
Хвостовой вагон
172.16.XX.1 (Где XX –
Адрес подсети
соответствующей
подсистемы)
Головной вагон
FW2
FW1
Хвостовой вагон
HA-кластер
СПД-ПСМ
СПД-ПСМ
VLAN XX (Inside)
VLAN Inside
Общая принципиальная схема маршрутизации
трафика в СПД ПСМ
Организация маршрутизации и резервирования на сетевом уровне
с использованием альтернативных сетей LTE

21. Том 2 - Типовые технические решения по комплексу СПД ПСМ

Пример организации предоставления доступа к сети Интернет в
вагонах подвижного состава с физическим разделением сетей
СПД
Метрополитена
Кластер агрегации метрополитена
Интернет
Хаб 2
Хаб 1
Tunnel 1
Tunnel 4
Tunnel 3
Tunnel 2
LTE1 APN
БШПД
LTE2 APN
LTE1
LTE2
5Ггц радиоканал
R2
R1
802.11 a-g-n
VLAN Outside
Wi-Fi
вагонный
Wi-Fi
вагонный
Головной вагон
802.11a-g-n
FW2
FW1
HA-кластер
СПД-ПСМ
VLAN Inside
Хвостовой вагон

22. Том 2 - Типовые технические решения по комплексу СПД ПСМ

Реализацией представленной схемы обеспечивается:
• физическое разделение трафика сети Интернет от сетевой
инфраструктуры подвижного состава, что снимает существенные угрозы
информационной безопасности;
• уменьшение количества сетевого оборудования, устанавливаемого на
подвижном составе, что обеспечивает дополнительные ресурсы для
размещения активного оборудования, решающего технологические
задачи, а также снижает затраты на эксплуатацию подвижного состава;
• отсутствие необходимости решать на сетевом оборудовании подвижного
состава вопросы маршрутизации трафика сети Интернет и вопросы
приоритезации технологического трафика в разделяемом радиоканале,
что снижает требования к сетевому оборудованию, устанавливаемому на
подвижном составе, повышает надежность и, также снижает затраты на
дальнейшую эксплуатацию.

23. Том 3 - Обследование архитектуры. Разработка рекомендаций

Перечень существующих информационно-управляющих систем поезда
(моделей 81-775/776/777 и 81-765/766/767) в части систем и сетей
передачи данных:
1. Система управления, безопасности движения и технической
диагностики состава «СКИФ-М»;
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
Система видеонаблюдения;
Система опознавания лиц (СОЛ);
Цифровая информационная система с видеотрансляцией (ЦИС);
Система измерения и учёта электроэнергии;
Система обнаружения и тушения пожаров (АСОТП);
Система автоматического считывания номера состава (АСНП-М);
Беспроводная сеть передачи данных (БСПД);
Радиодиспетчерская связь;

24. Том 3 - Обследование архитектуры. Разработка рекомендаций

• основное
телекоммуникационное
оборудование
состава
размещается в аппаратном отсеке машиниста и в технологическом
пространстве левой и правой боковинах вагонов в верхней части, а
также технологическом пространстве в верхней части кабины
головного и хвостового вагонов;
• для размещения дополнительного оборудования при модернизации
СПД-ПСМ можно рассчитывать на пространство в боковинах
вагонов, т.к. в аппаратном отсеке машиниста свободного места
практически не осталось;
• используемые Производителем разъемы компаний HARTING и
WAIN для межвагонных соединений имеют модульную структуру и
при необходимости могут включать в свой состав модули для
соединений волоконно-оптических линий связи;
• на крыше головного вагона ограничено место для размещения
дополнительных антенн беспроводных систем передачи данных.

25. Том 3 - Обследование архитектуры. Разработка рекомендаций

Проблемы организации сетей на действующем подвижном составе 81775/776/777 «Москва 2020», требующие решения:
1. Отсутствие единой технической политики по реализации связи
между поездными слаботочными системами и стационарными
системами метрополитена;
2. Избыточность
магистральных
меж-вагонных
сетей
на
действующем подвижном составе;
3. Связь
со
стационарными
системами
преимущественно
организована через инфраструктуру БСПД (на базе оборудовании
Cisco Systems – требует импортозамещения);
4. Архитектура и текущая реализация систем передачи данных
действующего подвижного состава реализована без учета
необходимости обеспечения защиты от угроз информационной
безопасности внутренних систем подвижного состава.

26. Том 3 - Обследование архитектуры. Разработка рекомендаций

Рекомендации (может быть перенести в Заключение презентации):
1. Требуется оптимизировать инфраструктуру на борту подвижного
состава согласно требованиям нормативной документации
(отдельные
сети
передачи
данных,
емкость
сетевой
инфраструктуры,
сетевое
оборудование,
антенно-фидерное
оборудование).
2. …..
3. ….
4. …

27. Том 4 - Отчет о патентных исследованиях

Цель поиска информации:
• Исследование технического уровня существующих решений для
создания унифицированной коммуникационной инфраструктуры
под различные типы подвижных составов метрополитена;
• Определение направлений развития сети передачи данных для
подвижных составов метрополитена;
• Исключение возможности дублирования объектом исследования
существующих запатентованных научно-технических решений;
• Определение и обоснование основной технологии реализации
межвагонной сети передачи данных (оптоволокно, экранированная
витая пара, беспроводные каналы связи).

28. Том 4 - Отчет о патентных исследованиях (продолжение)

Регламент поиска
Поиск проводился по патентной литературе в объеме патентных
фондов развитых стран, по ведущим базам данных патентной
информации, а также в научно-технической литературе, включая
отечественные и зарубежные научные журналы, обзоры и
монографии.
Исследование
информации
по
источникам,
не
являющимися
патентными, осуществляется в рамках НИР и в данных исследованиях
не предусматривается.
Глубина поиска по источникам информации принята 20 лет.

29. Том 4 - Отчет о патентных исследованиях (продолжение)

Источники патентого поиска:
a) Российские БД:
Федеральный институт промышленной собственности (ФИПС), http://fips.ru/;
Всероссийский институт научной и технической информации (ВИНИТИ),
http://www.viniti.msk.su/;
Международный центр научной и технической информации (МЦНТИ),
http://www.icsti.su/;
Федеральное государственное научное учреждение «Центр информационных
технологий и систем органов исполнительной власти» (ЦИТиС);
ГПНТБ, http://www.gpntb.ru/;
б) Зарубежные БД:
United states patent and Trademark Office,
http://www.uspto.gov/web/menu/search.html ;
Европейская патентная организация (ЕПО), http://preview.espacenet.com,
http://www.espacenet.com ;
Всемирная организации интеллектуальной собственности (ВОИС),
http://www.wipo.int/.

30. Том 4 - Отчет о патентных исследованиях (продолжение)

Наиболее близкие аналоги к предмету исследований:
Патент KR101666945B1 «Интегрированная система связи для работы поезда на
основе Ethernet» (Компания заявитель HUNTER TECH CO LTD [KR])
Патент WO2009000544A1 «Система связи для передачи коммуникационной
информации внутри железнодорожного транспорта» (Компании заявители:
BOMBARDIER TRANSP GMBH [DE]; DE COEN LUC [BE]; HANS GERNOT [DE])
Патент WO2017084399A1 Архитектура широкополосной сети связи для
управления поездом и обслуживания общей сети и метода связи. (Компании
заявители: CRRC QINGDAO SIFANG ROLLING STOCK RES INST CO LTD [CN])
Патент WO2013072987A1. Система передачи данных и способ передачи данных
(МИЦУБИСИ ЭЛЕКТРИК КОРП [JP]; ЦУРУМОТО СИНИТИ [JP]; ИСИГУРИ
КЕНИЧИ [JP])

31. Том 4 - Отчет о патентных исследованиях (продолжение)

Выводы по результатам патентных исследований:
1. Значительный объём разработок по исследуемой проблеме сосредоточен
на оптимизации технических решений для организации, как магистральной
сети подвижного состава так и внутривагонной сети, сокращении количества
отдельных сетей и дублирующего оборудования. При этом решаются вопросы
разделения контента технологической информации, связанной с управлением
движением поезда и остальной информацией, связанной с эксплуатацией
поезда и пассажирских сервисов.
2. В контексте решений по оптимизации сетей передачи данных параллельно
рассматриваются вопросы систем информационной безопасности.
3. Имеются различные технические решения промышленного исполнения,
позволяющие осуществлять беспроводную передачу данных между вагонами
на скорости до 1 Гб/с по Wi-Fi, которые имеют большой опыт внедрения.
4. На перспективу развития активного оборудования, применяемого на составах
можно уже сегодня предусматривать кабельную инфраструктуру, позволяющую
передавать данные со скоростью до 10 Гб/с.

32. Том 4 - Отчет о патентных исследованиях (продолжение)

Выводы по результатам патентных исследований (продолжение):
5. Требуется выполнение НИР для разработки архитектуры СПД-ПСМ, расчета
оценки трафика в бортовой сети поезда и по интерфейсу "поезд-земля",
разработки общих технических требований к информационно-технологическим
сервисам, конструкции подвижного состава, разработки технического задания
на создание макетных образцов для апробации технологий.
6. Требуется создание макетных образцов, демонстрационных стендов для
апробации технологий под перспективную систему передачи данных
подвижного состава метрополитена.

33. Этап 1 - Заключение

Заключение
Если требуется по Этапу 1 в целом или перенести из Рекомендаций
тома 3