Wie Systeme kommunizieren

Funktion braucht Kommunikation: Schnittstellen sorgen dafür, dass die Bestandteile der Bahninfrastruktur optimal vernetzt werden.

Jedes Netz ist nur so stark wie die Knoten, die es zusammenhalten. Das gilt auch für die vernetzten Systeme der Eisenbahn-Infrastruktur mit ihren zahlreichen Ebenen und Komponenten. Deshalb sind Schnittstellen für die Übertragung und den Austausch komplexer Daten oder ganzer Datenpakete so wichtig. Denn sie bilden eine Grundlage für die Funktion von Stellwerken, Monitoring- und Diagnosesystemen, Bahnübergangslösungen und Signaltechnikanlagen. Komponentenhersteller müssen daher sicherstellen, dass ihre Produkte mit bestehenden Strukturen und anderen Systemen kommunizieren können.

Je nach Lösung, Anforderung und Möglichkeiten kommen dazu unterschiedliche Schnittstellenformate zum Einsatz. Grundsätzlich lassen sich parallele Schnittstellen und serielle Schnittstellen unterscheiden. Zu den spezifischen Eigenschaften der beiden Gruppen gehören jeweils die Art und der Umfang der Daten, die übertragen werden können, außerdem die möglichen Sicherheitsstandards und die Art der nutzbaren Übertragungsmedien (siehe Tabelle).

Schnittstellen bestimmen die Informationstiefe von Daten wesentlich mit.Schnittstellen bestimmen die Informationstiefe von Daten wesentlich mit.

Einfach und direkt: parallele Schnittstellen

Wenn Anwendungsdaten über Schaltkontakte ausgegeben werden, braucht es für jeden Transfer und jede Richtung der Übertragung eine exklusive Datenverbindung. Das gilt etwa für die Anbindung eines Sensors an eine Auswerteeinheit oder für die Weitergabe der ausgewerteten Daten an ein übergeordnetes System. Daraus ergibt sich, dass umso mehr Verbindungen installiert werden müssen, je mehr Komponenten eingebunden werden sollen. Die Sicherheit der Übertragung, die in der Regel über ein Kupferkabel realisiert wird, ist als sehr hoch einzustufen, da Bauteile an der Schnittstelle mehrfach ausgeführt sind. Ein Kurzschluss zwischen den Leitern muss aber ausgeschlossen werden.

Über solche bewährten, potenzialfreien Hardwareschnittstellen können beispielsweise Achszähler und Raddetektionssysteme einfach und rasch in elektromechanische, Relais- und elektronische Stellwerke integriert werden. Wird ein Achszähler etwa ausschließlich für die Gleisfreimeldung eingesetzt, übergibt er in der Regel die Informationen „Frei/Besetzt“ über eine Relaisschnittstelle als Ausgangsgröße. Die „Grundstellungsinformation“ erhält er über einen potenzialfreien Eingang, wie etwa einen Optokoppler.

Moderne Achszähler können über parallele oder serielle Schnittstellen eingebunden werden.Moderne Achszähler können über parallele oder serielle Schnittstellen eingebunden werden.

Multidirektional und flexibel: serielle Schnittstellen

Serielle Schnittstellen haben gegenüber den parallelen Lösungen verschiedene Vorteile. Dazu gehören die Möglichkeit der einfachen Umsetzung dezentraler Architekturen und die bidirektionale Übertragung verschiedener Informationen über eine einzelne Verbindung. Für komplexere Anwendungen sind sie daher in der Bahnbranche bereits heute Standard. Und der Trend geht klar dahin, dass sie in Zukunft noch häufiger zum Einsatz kommen werden.

Übertragung verschiedener Anwendungsdaten

Zur Ausgabe von Anwendungsdaten über serielle Schnittstellen können auf Komponentenebene Möglichkeiten für den Anschluss über beispielsweise Ethernet, Glasfaser oder Funkverbindungen genutzt werden. Im Vergleich zu Systemen mit parallelen Schnittstellen ist der Hardwareaufwand um einiges geringer, da für unterschiedliche Daten eine gemeinsame Verbindung genutzt werden kann. Schon dadurch ermöglicht eine serielle Schnittstelle zusätzlich zur Ausgabe von „Frei/Besetzt“ oder „Grundstellung“ den Austausch einer Reihe weiterer Informationen wie Richtung oder Geschwindigkeit.

Auch Diagnosedaten können beim Einsatz von Protokollschnittstellen auf demselben Weg wie sicherheitsrelevante Daten übertragen werden. Es ist also nicht nötig, neben der eigentlichen Anbindung des Systems einen zusätzlichen Kommunikationsweg zu errichten. Bei der Verwendung paralleler Schnittstellen ist diese flexible Erweiterung des Datentransfers nicht möglich. Hier müssten für die Übertragung jeder einzelnen Information spezifische Kontakte neu errichtet werden.

Sicherungsprotokolle

Die Nutzung serieller Schnittstellen setzt voraus, dass entsprechende Sicherungsprotokolle zur Verfügung stehen. Der nötige Entwicklungsaufwand mag dem Anwender auf den ersten Blick als zusätzlicher Kostenfaktor erscheinen. Dank der steigenden Nachfrage stehen jedoch bereits unterschiedliche, speziell für Bahnanwendungen entwickelte Protokolle zur Verfügung, die dafür genutzt werden können. Ein solches Protokoll ist das – frei erhältliche – Frauscher Safe Ethernet FSE. Lesen Sie mehr dazu im Artikel „Streng nach Protokoll“.

Übertragungsmedien

Softwareschnittstellen können Daten über verschiedene Medien und Netzwerke zur Verfügung stellen. Zu den Medien zählen neben Lichtwellenleitern (LWL) auch Funkverbindungen und Kupferkabel. Entscheidend ist, dass im Eisenbahnbereich die Anforderungen gemäß EN 50159 für sicherheitsrelevante Kommunikation in Übertragungssystemen beachtet werden. Weil Kategorie 3 Netzwerke grundsätzlich ein gewisses Risiko bezüglich eines Fremdzugriffs bergen, empfiehlt sich zum Schutz von Bahninfrastruktur Netzwerke der Kategorie 2 zu verwenden. Diese kommen ohne kryptographischen Schutz der übertragenen Daten – und damit dessen Update in kurzen Intervallen – aus.

Stefan Lugschitz, R&D | Systems Manager, Frauscher ÖsterreichStefan Lugschitz, R&D | Systems Manager, Frauscher Österreich

Das volle Potenzial nutzen

Bestehende Systeme auf Basis von Hardwareschnittstellen lassen sich in der Regel auch in Zukunft erweitern. Denn neue Komponenten können beispielsweise über Relaisschnittstellen eingebunden werden, wenn sie entsprechend ausgerüstet sind. Doch das volle Potenzial von Daten lässt sich nur mit hohen Kosten nutzen. Denn Schaltkontakte haben zwar wegen ihrer extrem kurzen Reaktionszeit ein sehr gutes Echtzeitverhalten. Aber die wegen der eingangs beschriebenen Exklusivität der Leitungen benötigten spezifischen Ein- und Ausgänge sind sehr teuer.

Bei der Umsetzung neuer Systeme können serielle Schnittstellen signifikante Einsparungen ermöglichen, da die Infrastruktur in Folge zur Übertragung verschiedener Daten eingesetzt werden kann. Es ergibt sich nicht nur eine Unabhängigkeit vom jeweiligen Übertragungsmedium, sondern auch die Möglichkeit zur flexiblen Systemerweiterung. Weitere Komponenten können unter Verwendung des definierten Protokolls mit verhältnismäßig wenig Hardwareaufwand eingebunden werden.

Ausblick: Netzwerke und Clouds

Mit den Möglichkeiten, die die Digitalisierung bietet, steigen auch die Anforderungen an die Datenverarbeitung und Speicherung im Bahnbereich. Der Aufbau entsprechender Netzwerkstrukturen schreitet rasch voran. Wie schon in vielen anderen Bereichen gewinnt die Nutzung von Cloudanwendungen zusehends an Bedeutung. Sie überzeugen besonders in Bezug auf das Konservieren und die ständige Verfügbarkeit der Daten.

Die weiter oben beschriebenen Anforderungen an Sicherheit und Verfügbarkeit, die dabei in der Bahnbranche eine besonders gewichtige Rolle spielen, stellen diese Entwicklungen noch vor große Herausforderungen. Grundsätzlich ist aber davon auszugehen, dass entsprechende Lösungen etwa in Bezug auf Diagnosedaten eher früher, in sicherheitsrelevanten Bereichen aber etwas später zur Verfügung stehen.

Datenübertragung, Datenverarbeitung und Datenspeicherung – die Digitalisierung treibt den Wandel auch in der Bahnbranche voran. Beispiele dafür gibt es viele. Cloudbasiertes Datenmanagement wird bereits in unterschiedlichen Bereichen eingesetzt und erhöht das Potenzial durch Big Data Storages, Machine Learning oder Cognitive Computing noch weiter. Speziell in sicherheitsrelevanten Bereichen müssen aber auch diese Ansätze noch eine Reihe spezifischer Entwicklungen durchlaufen.


Rudolf Thalbauer, Research & Development Director, Frauscher Österreich

Den Kundennutzen im Fokus

Parallele und serielle Schnittstellen bieten je nach Anforderungen spezifische Vorteile. Daher ist es für uns selbstverständlich, sämtliche Schnittstellenvarianten im Produktportfolio anzubieten, um alle Integrationsarten zu ermöglichen.

„Wir wollen den Nutzen für unsere Kunden maximieren und stellen unsere Daten über analoge oder digitale Schnittstellen zur Verfügung. Auch eine vollständige Integration unserer Systeme in übergeordnete Netzwerke ist möglich. Auf Integrationslevel 1 gibt der Radsensor RSR110 ein individuell auswertbares Sensorsignal über eine offene, analoge Schnittstelle aus. Unsere Raddetektionssysteme und Achszähler stellen auf Level 2 ausgewertete Daten als Information über digitale Schnittstellen bereit. Diese können wiederum auf Level 3, etwa mittels Frauscher Safe Ethernet FSE Protokoll oder durch die Implementierung kundenspezifischer Protokolle, vollständig in übergeordnete Architekturen integriert werden. Die Offenlegung von Unternehmens-Know-how wird natürlich kontrovers diskutiert. Aber wir haben uns bewusst dafür entschieden, denn wir sehen den Kundennutzen übergeordnet und wollen sicherstellen, dass er unsere Systeme selbstständig nutzen kann.“

Rudolf Thalbauer, Research & Development Director, Frauscher Österreich

Stefan Lugschitz

Stefan Lugschitz

29.06.2017

Technologien

1402 Wörter

10 Minuten Lesezeit

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