Телекоммуникационные технологии для дорожных интегрированных систем связи

Е.А. АНДРЕЕВ, генеральный директор ОАО "Гипросвязь СПб", В.Е. ВИНОГРАДСКИЙ, инженер, В.Ю. ОМЕЛЬЧЕНКО, инженер, А.А. РУИН, ведущий инженер

В настоящее время одной из важнейших задач, стоящих перед дорожной отраслью России, является обеспечение эффективной работы системы управления дорожным хозяйством страны. Наиболее острыми проблемами в этой сфере являются повышение уровня безопасности дорожного движения и обеспечение его участников современными услугами связи. В статье приведен зарубежный опыт строительства дорожных интегрированных систем связи (ДИСС), отражены основные требования, предъявляемые к подобным системам. Основное внимание уделено рассмотрению технологических решений, которые могут быть положены в основу ДИСС.

Общее состояние вопроса

Опыт эксплуатации автодорог России показывает, что многие из актуальных транспортных проблем обусловлены низкой эффективностью управления дорожным движением, а также отсутствием соответствующего информационного и телекоммуникационного обеспечения.

Повышение эффективности управления дорожным движением связано с созданием автоматизированных систем управления дорожным движением (АСУ ДД), которые являются неотъемлемыми компонентами интеллектуальных транспортных систем (ИТС). ИТС — это комплексная система информационного обеспечения и управления на наземном автомобильном транспорте, основанная на применении современных информационных и телекоммуникационных технологий и методов управления.

В состав конкретных (городских, региональных) ИТС может входить ряд локальных подсистем, реализующих специальные функции, например, системы диспетчерского управления на городском пассажирском транспорте и контроля его движения, системы управления дорожным движением на улично-дорожной сети городов и скоростных магистралях, системы управления движением автомобилей спецслужб (скорая помощь, милиция, МЧС, аварийные службы и др.), системы информирования и планирования поездок для реальных и потенциальных участников движения: водителей, пассажиров общественного транспорта. В зависимости от особенностей транспортных систем и приоритетности проблем, стоящих перед субъектами управления, состав подсистем, их функциональные характеристики, особенности реализации могут меняться, что находит отражение в архитектуре каждой конкретной ИТС.

АСУ ДД, как часть ИТС, выполняет управляющие и информационные функции, основными из которых являются:

управление транспортными потоками;

обеспечение транспортной информацией;

организация электронных платежей;

управление безопасностью и управление в особых ситуациях.

В общем виде подсистемы АСУ ДД могут быть представлены как совокупность устройств дорожной телематики, контроллеров и автоматизированных рабочих мест (АРМ), включенных в сеть обмена данными, с организацией центрального и местных центров управления — в зависимости от плотности и интенсивности дорожного движения.

В качестве устройств дорожной телематики применяются знаки переменной информации (ЗПИ), многопозиционные дорожные указатели, табло переменной информации (ТПИ), детекторы транспорта, автоматические дорожные метеостанции (АДМС), видеокамеры и т. д.

Телекоммуникационную часть АСУ ДД составляет дорожная интегрированная система связи. Устойчивое функционирование систем связи на автомобильных дорогах позволяет повысить уровень безопасности дорожного движения и обеспечить эффективную работу служб содержания дороги, а также оперативных и спасательных служб при возникновении чрезвычайных ситуаций.

В составе ДИСС могут быть организованы следующие функциональные подсистемы:

информационного обмена АСУ ДД;

связи с подвижными объектами (включает подсистемы оперативно-технологической радиосвязи и радиодоступа);

управления и технической эксплуатации;

обеспечения информационной безопасности ДИСС;

предоставления инфокоммуникационных услуг на возмездной основе.

Анализ информации об уровне развития ИТС в развитых (страны Западной Европы, США, Япония, Австралия) и развивающихся (Бразилия, Мексика, Китай, Чехия, Корея, Сингапур) странах вынуждает отметить, что Россия значительно отстает от них в сфере создания и эксплуатации отдельных подсистем ИТС. Это не позволяет провести соответствующего анализа данного направления развития дорожной отрасли в России. Что касается интеграции подсистем ИТС, то такая задача на национальном уровне в России пока не ставится.

Автоматизированные системы управления дорожным движением (АСУ ДД) различной степени сложности в настоящее время установлены практически во всех крупных городах развитых и развивающихся стран. Набор подсистем, реализуемых конкретными АСУ ДД, зависит от ряда факторов: климатических условий страны или города, плотности населения, насыщенности транспортом и его назначения, необходимостью предоставления коммерческих услуг и др.

Например, в странах северной Европы (в том числе, в Финляндии) особое внимание уделяется автоматическому мониторингу погодных условий на автодорогах, что обусловлено проблемами их зимнего содержания. Помимо детекторов транспорта, на дорогах Финляндии установлено 130 объединенных в систему погодного мониторинга видеокамер и 280 дорожных метеостанций, в оперативном режиме (каждые 5 — 60 минут) передающих информацию в девять дорожных центров. Эта информация используется для прогноза дорожных условий, выполняемого каждые несколько часов.

В северной Франции с 2000 г. действует комплексная система автоматического мониторинга движения автотранспорта на дорогах (в том числе платных), связывающих города Париж, Лилль, Руан и Ренн. Система основана на использовании индуктивных (петлевых) детекторов транспорта, расстояния между которыми варьируются от 1 км на подходах к крупным городам (Париж, Лилль) до 10 км. Кроме того, сбор данных осуществляется дорожными метеостанциями и системой видеонаблюдения, 230 камер которой установлены в наиболее опасных и загруженных транспортом местах. Передача данных осуществляется в центры системы, расположенные в Лилле и Ренне.

Системы автоматизированного управления городским пассажирским транспортом (АСУ ГПТ) хорошо развиты в Японии, Германии, Великобритании. В последнее десятилетие все шире применяется контроль движения транспорта, основанный на спутниковой навигации, однако наиболее обширная зарубежная система — Eurobus, управляющая движением автобусов, основана на использовании маяков. Есть сведения о применении для определения местоположения транспортных единиц системы пеленгации, однако этот метод не нашел широкого распространения.

Системы оплаты проезда на общественном транспорте с использованием электронных носителей информации начали внедряться с начала 90-х годов в США и Западной Европе. Такие системы базировались на применении карт с магнитной полосой.

В течение последнего десятилетия системы электронной оплаты развивались в двух основных направлениях: переход от контактных систем к бесконтактным и от открытых систем к закрытым, позволяющим использовать сложные тарифные схемы, связанные с зонными системами оплаты, а также отслеживать объемы корреспонденции пассажиров или автомобилей.

Таким образом, общее состояние информационной и телекоммуникационной обеспеченности дорожной отрасли России существенно отстает от современных требований и не позволяет эффективно решать вопросы управления дорожным движением на всех уровнях. Разработка технических решений по построению ДИСС является на сегодняшний день весьма актуальной задачей.

Основные требования к ДИСС

Автоматизированные системы управления дорожным движением и интеллектуальные транспортные системы создаются для решения двух наиболее остро стоящих проблем в сфере обеспечения эффективной работы системы управления дорожным хозяйством страны:

повышение уровня безопасности дорожного движения и эффективности функционирования транспортной системы;

обеспечение участников дорожного движения и служб содержания дорожной инфраструктуры современными услугами связи на автомобильных дорогах общего пользования Российской Федерации.

Для обеспечения функционирования АСУ ДД и предоставления инфокоммуникационных услуг участникам дорожного движения создаются ДИСС, к которым в настоящее время предъявляются следующие обобщенные требования:

многофункциональность;

устойчивость;

экономичность.

Под многофункциональностью ДИСС понимается ее свойство, характеризующее способность обеспечения одновременной и совместной работы большого числа разнообразных функциональных подсистем. Состав таких подсистем приведен выше.

Прежде всего, для обеспечения функционирования различных подсистем требуется передача средствами ДИСС различных видов и объемов трафика (голос, данные, видео) между определенным составом пользователей. Это определяет, в свою очередь, основные структурные и технологические требования к ДИСС, а также требования по пропускной способности каналов и трактов, параметрам качества обслуживания различных видов трафика, а также информационной безопасности.

Под устойчивостью ДИСС понимается свойство, характеризующее способность данной системы выполнять требуемые функции по телекоммуникационному обеспечению как в нормальных условиях функционирования, так и в условиях воздействия различных дестабилизирующих факторов. Устойчивость является комплексным свойством, объединяющим надежность, живучесть и помехоустойчивость сети.

Устойчивость ДИСС должна обеспечиваться обоснованным выбором решений по структуре и топологии системы, применением соответствующих технологических и технических решений, выбором оборудования, рациональной организацией систем управления, технической эксплуатации и информационной безопасности.

Требования к экономичности решений являются естественными и определяются стремлением к минимизации затрат при построении и эксплуатации ДИСС, сокращению сроков ее окупаемости, увеличению доходности от услуг, предоставляемых при функционировании ДИСС, защите инвестиций на перспективу.

Сложность и многофункциональность ДИСС предопределяют многовариантность возможных альтернативных решений при ее построении. Поэтому для выбора окончательных решений при предпроектном обосновании и проектировании ДИСС конкретных автодорог требуется глубокий и всесторонний технико-экономический анализ альтернативных вариантов ее построения.

Подходы к решению

Выполнить вышеназванные требования при создании ДИСС можно только с применением современных и перспективных телекоммуникационных технологий. Наиболее эффективные решения в настоящее время предполагают использование концептуальных подходов и положений для построения сетей связи следующего поколения (NGN, Next Generation Network) [1].

Создание ДИСС на принципах концепции NGN предусматривает, что создаваемая интегрированная система связи будет обладать следующими отличительными свойствами:

мультисервисностью, характеризуемой независимостью технологий предоставления инфокоммуникационных услуг от транспортных технологий;

мультимедийностью, т. е. способностью передавать многокомпонентный трафик с необходимой синхронизацией этих компонент в реальном масштабе времени и использованием соединений сложной конфигурации;

интеллектуальностью, обеспечивающей возможность управления инфокоммуникационной услугой, вызовом и соединением со стороны пользователя и поставщика услуги;

инвариантностью доступа, позволяющей организовать доступ к инфокоммуникационной услуге независимо от используемой технологии;

многооператорностью, обеспечивающей возможность участия нескольких операторов в процессе предоставления инфокоммуникационной услуги и разделение их ответственности в соответствии с областью деятельности.

На то, какими свойствами будет обладать создаваемая телекоммуникационная система, в первую очередь большое влияние оказывают возможности технологий, заложенных в основу сети. Поэтому общую последовательность разработки ДИСС можно представить в виде следующих этапов:

выбор базовой технологии;

определение структуры системы;

разработка схемы организации связи.

При выборе базовой технологии для физического уровня необходимо учитывать, что топология мультисервисной сети ДИСС должна базироваться на инфраструктуре волоконно-оптических кабелей магистральной сети связи. Для работы сетевого оборудования используются волокна в кабелях рабочего и резервного направлений. Рабочие и резервные оптические волокна физически разнесены по разным кабелям и могут проходить по разным маршрутам.

Основными технологиями при построении мульти-сервисных систем в настоящее время являются SDH, Ethernet, ATM, IP/MPLS, WDM. Опираясь на мировой опыт, можно утверждать, что строительство магистральных каналов транспортной сети на основе технологии Gigabit Ethernet в настоящее время обходится в 1,5 — 1,7 раза дешевле, чем использование магистралей SDH/ATM[2].

Учитывая требования к пропускной способности, экономичности строящейся системы, а также принимая во внимание "Концептуальные положения по построению мультисервисных сетей на ВСС России", наиболее целесообразным представляется строительство мультисервисной сети ДИСС на базе технологии транспортной сети Gigabit Ethernet.

Также в настоящее время определенный интерес вызывает относительно новое семейство перспективных технологий построения мультисервисных сетей — семейство технологий пассивных оптических сетей (PON). Отличительной ее особенностью является способность организовать сеть распределения и доступа на одном волокне, с чем и связаны основные достоинства и недостатки данного семейства технологий.

Решения на базе этой технологии достаточно дороги, тем не менее в этой области наблюдается неуклонное технологическое развитие, связанное в основном с обеспечением резервирования, повышением надежности, а также происходит постоянное снижение стоимости оборудования. Таким образом, возможно, что в обозримом будущем решения, основанные на PON, составят серьезную конкуренцию "классическим" подходам как в части технических характеристик, так и по экономической составляющей.

При определении структуры системы четко выделяются ее основные элементы, такие как:

транспортная сеть;

сеть абонентского доступа;

узлы доступа и Центр управления.

В соответствии с выбранными базовыми технологиями и определенной структурой, на рис. 1 и 2 представлены обобщенные схемы архитектуры телекоммуникационной сети ДИСС.

Для организации оперативно-технологической радиосвязи, широкополосного радиодоступа подвижных и отдельных стационарных объектов к транспортной сети, а также для обеспечения резервирования проводных средств, в структуре ДИСС выделяются подсистемы оперативно-технологической радиосвязи и радиодоступа, что требует выбора базовых технологий, на которых они реализуются.

Подсистема оперативно-технологической радиосвязи предназначена для:

обеспечения связи с подвижными объектами (абонентами) АСУ ДД на стадиях строительства и эксплуатации автодорог;

создания единой интегрированной среды, обеспечивающей взаимодействие различных подразделений и служб управляющей компании;

создания диспетчерских центров управления и контроля за подвижными и стационарными объектами (абонентами);

расширения возможностей служебного и коммерческого использования ДИСС.

К подсистеме оперативно-технологической радиосвязи предъявляются жесткие требования по показателям устойчивости функционирования в различной обстановке, в том числе и в ситуациях, связанных с перегрузкой сети в условиях воздействия сильных помех и др.

Опыт функционирования дорожной связи в Швеции, Норвегии, ФРГ, Дании, Польше, других европейских странах свидетельствует, что наиболее целесообразно использовать для этих целей системы транкинговой радиосвязи. TETRA признан унифицированным единым стандартом для систем дорожной связи стран Европейского Сообщества. Зарубежный опыт применения транкинговой связи стандарта TETRA положен в основу при проектировании и строительстве ДИСС в России: для автомобильной дороги "Москва — С.-Петербург — Выборг — Госграница" (ДИСС "Россия"), кольцевой автомобильной дороги С.-Петербурга (ДИСС КАД), а также для др.

Другим вариантом реализации подсистемы технологической радиосвязи является аренда выделенной корпоративной сети у одного из операторов сотовой связи стандарта GSM. В этом случае управляющий оператор ДИСС становится корпоративным клиентом оператора сотовой связи. Достоинствами данного подхода к организации подсистемы технологической радиосвязи являются прозрачность организационно-технических мероприятий, возможность быстрого изменения количественного состава абонентов и объема предоставляемых услуг.

К недостаткам можно отнести те, которые свойствены и системам сотовой связи: не очень высокое качество связи, низкая устойчивость особенно в периоды наибольшей нагрузки и в условиях воздействия сильных помех. Таким образом, корпоративная сеть на основе сотовой связи не в полной мере удовлетворяет требованиям, предъявляемым к подсистеме оперативно-технологической радиосвязи. Однако в городских условиях такие решения нашли широкое применение в ряде европейских стран.

Подсистема широкополосного доступа предназначена для решения следующих основных задач:

обеспечение широкополосного доступа подвижных и отдельных стационарных объектов к транспортной сети, в том числе на различных этапах строительства и ввода в эксплуатацию ДИСС;

обеспечение требуемых показателей устойчивости функционирования ДИСС за счет резервирования наиболее важных волоконно-оптических трактов передачи транспортной сети ДИСС;

обеспечение широкополосного доступа отдельных пользователей к инфокоммуникационным услугам ДИСС на возмездной основе.

В качестве основных стандартов для подсистемы широкополосного радиодоступа наиболее целесообразно рассматривать различные варианты технологии WLAN (Wireless Local Area Network):

IEEE 802.11 (Wi-Fi) (скорость передачи в сетях Wi-Fi в настоящее время достигает 50 Мбит/с на дальностях связи до 100 м, что при определенных условиях может полностью обеспечить потребности сервисов, предоставляемых для участников дорожного движения);

IEEE 802.16 (WiMAX) (скорость передачи данных в сетях WiMAX достигает 70 Мбит/с на расстояниях до 15 км).

Широкополосная беспроводная связь давно рассматривается в качестве реальной альтернативы традиционным способам высокоскоростного абонентского доступа. Наиболее перспективной с точки зрения построения крупных сетей доступа представляется технология WiMAX (WLAN 802.16/16а), которая разработана для обеспечения беспроводного широкополосного доступа к сетям городского масштаба MAN (Metropolitan Area Network).

Таким образом, дорожные интегрированные системы связи должны базироваться на современных и перспективных телекоммуникационных технологиях, что является необходимым условием для выполнения требований, предъявляемых к таким системам, и служит предпосылкой к их дальнейшему развитию и интеграции в единую ИТС.

В настоящее время накоплен достаточно богатый зарубежный опыт создания АСУ ДД и ИТС. В то же время сложность таких систем определяет отсутствие готовых комплексных решений, поэтому в процессе создания такого рода систем требуется глубокая проработка широкого круга вопросов. Примером разработки подобных решений является создание ДИСС АСУ ДД Западного скоростного диаметра С.-Петербурга, предпроектные и проектные работы по которой выполняет проектный институт Типросвязь СПб".

Список литературы

1. Концептуальные положения по построению мультисервисных сетей на ВСС России

2.С.В. Закурдаев. Путь России в Информационное общество (Архитектура New Internet). // ТелеМультиМедиа 2001, №3(7).

Журнал «Вестник связи» №9, 2005 г.