Komunikační systémy ve veřejné dopravě

Článek se zabývá vazbami komplexního informačního systému pro veřejnou dopravu a způsoby propojení těchto systémů (dispečink, vozovny, zastávky, vozidla, cestující a technologie na dopravní cestě) a popisem jednotlivých typů komunikací a technologií.

Historie a budoucnost komunikací ve veřejné dopravě

Tento příspěvek si klade za cíl ukázat dnes velmi složité propojení systémů pro řízení veřejné dopravy a informování cestujících o jejím aktuálním stavu. Taktéž nedílnou součástí se stávají systémy odbavení cestujících, řízení dopravní cesty a reklama ve vozidlech a na zastávkách. Přestože jsou některé systémy „rádoby nezávislé“, přesto používají shodné komunikační cesty a protokoly. Proto je třeba hovořit o komplexních informačních systémech a tyto systémy budovat univerzálně s využitím komunikačních cest.

Ostrovní systémy do roku 2000

První komunikační systémy ve vozidlech veřejné dopravy (systémy I. generace) se v ČR objevily v druhé polovině 90 let minulého století a představovaly jednoduchou strukturu založenou na pomalé sběrnici IBIS (německý standard z 70 let o rychlosti 1200 bit/s). Systém zajišťoval v podstatě nastavování vnějších a vnitřních tabel pro informování cestujících.

Obecný informační systém vozidla do roku 2000 – typ „samostatný ostrov“.

Základní prvky „ostrovního systému“ byly:

• Palubní počítač
• Vnější informační panely (optická tabla)
• Vnitřní informační panely (optická tabla)
• Vícenásobný digitální hlásič zastávek a ostatních hlášení, akustická ústředna
• Optický zobrazovač tarifního pásma a času (ukazatel času a pásma)
• Označovače jízdenek (odbavovací systém)
• Přijímače signalizace o nástupu či výstupu nevidomého (první vnější radiová komunikace)
• Tachograf (pouze snímá údaje z palubní informatiky)
• Radiová stanice (samostatně ovládaná – mimo sběrnici IBIS a palubní počítač)

Rychlá sběrnice a dispečerské řízení

Dalším krokem zavedení změny komunikačního systému (systém II. generace) byly změny probíhající po roce 2000, kdy se ve vozidle objevila tzv. „rychlá sběrnice RS 485“, která svojí komunikační rychlostí 115 kbit/s a spolehlivostí umožnila integrovat nové funkce – zejména napojit vnější radiové komunikace vozidla (hlasové i datové) a to jak pro komunikaci s centrálním dispečinkem, tak i ve vozovnách pro aktualizaci dat. Současně ji začal používat i nově se vyvíjející odbavovací systém.

Ve vozovnách se tak začaly používat pro aktualizaci dat ve vozidlech rychlé radiové komunikace o rychlostech od 80 – 200 kbit/s a za tímto účelem byly vyvíjeny speciální komunikační protokoly. Změnil se i způsob napájení těchto systémů a tyto začaly být připojovány na trvalé napájení s tím, že vozidlo bylo schopno ve vozovně automaticky vyměňovat data v tablech a v digitálním hlásiči.

Informační systém vozidla po roce 2002 – typ „dispečerské řízení“ – koncept použitý v DPMB a.s. a DPO a.s.

Použití principů výpočetní techniky

Další výraznou změnou bylo zavedení standardních principů výpočetních techniky a sítí do vozidel veřejné dopravy (systémy III. Generace). Tato významná změna začala probíhat od roku 2009 a přinesla do vozidel:

• Palubní počítače obsahující počítače PC a tím i standardní vyšší programovací jazyky a včetně operačních systémů, tj. urychlení vývoje v oblasti SW.
• Standardní způsob směrování v počítačových sítích a nutnost používání Firewallů a inteligentních směrovačů. Je nutno od sebe oddělit interní počítačovou síť vozidla od sítě aktualizační WiF a od dat přicházejícíh přes GSM sítě (tehdy v podstatě jen GPRS, později UMTS (3G)).
• Nový způsob aktualizace vozidel založený na vozovenských sítích WiFi – oproti předchozím způsobům až 100 vyšší rychlost přenosu a možnost aktualizace kdykoliv během pobytu vozidel ve vozovně.
• Rychlé přenosy velkých objemů dat uvnitř vozidel do/z komponentů pomocí sběrnice ethernet, které to potřebují – zejména vozidlové LCD, tachografy a příp. i odbavení.
• Možnost doplňkového přenosu on-line dat přes GSM sítě mobilních operátorů.
• Integraci několika dříve samostatných jednotek do jednoho palubního počítače (např. inteligentních jednotek napájení, digitálních hlásičů, jednotek GPS, palubního počítače, paměťového média, apod.).
• Užití univerzální radiostanice komunikující hlasově i datově s dispečinkem.

Použití sběrnice IBIS zůstalo v podstatě shodné jako v předchozích letech a rychlá sběrnice RS 485 je určena spíše pro technologické řízení či komunikaci mezi spřaženými tramvajemi.

Uspořádání vozidla po roce 2009 – koncept použitý v PMDP a.s.

Současný stav uspořádání komunikací ve vozidle

Současná doba (systémy IV. generace) je charakteristická široce dostupným veřejným internetem šířeným zejména prostřednictvím mobilních operátorů za použití sítí 4G, tj. LTE (Long-Term Evolution) určené pro vysokorychlostní bezdrátovou technologii pro mobilní telefony a datové terminály. Komunikační linka do vozidel může dosáhnout rychlosti dle standardu LTE až 300 Mbit/s (download) a odesílání dat z vozidel do 75 Mbit/s (upload) přičemž komunikace je možná i pro rychle se pohybující se vozidla a podporuje skupinové datové toky.

Modemy pro užití technologie LTE jsou již dostupné i v průmyslovém provedení. LTE je ve městech široce rozšířená a cenově dostupná. Proto se nově mění pohled na vozidlovou infrastrukturu a umožňuje vzniknout novým konceptům řešení vozidlové datové infrastruktury, která byla před několika lety naprosto nemyslitelná (viz. obr. č. 4).

V rámci IV. generace těchto systémů dochází následujícím změnám:

1. Vznikají dvě nové ethernetové sítě ve vozidle:
   • Síť kamerového systému ve vozidle (Ethernet_3) – je dána připojením a integrováním bezpečnostního kamerového systému ve vozidle k palubnímu počítači, přičemž kamerový systém obsahuje vlastní nezávislé řízení a záznam dějů z vozidla. Počet kamer připojovaných do systému u vícekloubových tramvají může dosáhnout počtu 20.
   • Síť pro připojení veřejné wifi (Ethernet_4) – zajišťuje připojení cestujících přes systém WiFi k veřejnému internetu.
   • Základní vlastností těchto sítí je, že z bezpečnostního a výkonového hlediska je vhodné, když tyto dvě sítě budou odděleny směrovačem (router) od základní vozidlové palubní sítě pro odbavovací a informační systém.

2. V síti se objevují jednoznačná směrovací pravidla, pomocí kterých je možné jednotlivé sítě propojit. V tomto případě nakreslená komunikační jednotka obsahuje již minimálně 4 samostatná směrovací pravidla:
   • Směrování a komunikace na palubní odbavovací a informační systém (směrovací pravidlo č. 1), to je on-line předávání informací o průběhu odbavení či přenos dopravních informací řidiči či cestujícím.
   • Směrování a komunikace na bezpečnostní kamerový systém (směrovací pravidlo č. 2), kdy je možno on-line přenášet toky dat z kamer na dispečink (videohovor), nebo na policii, případně stahovat vyžádané zaznamenané krizové úseky z vozidla.
   • Veřejný internet do vozidel (směrovací pravidlo č. 3) – to je směrování požadavků cestujících do veřejného internetu a naopak příjem dat z něj. Zde je vhodné z hlediska datového tarifu omezit přístup na servery, kde se dají „stahovat“ videosoubory
   • Veřejná reklama do vozidel (směrovací pravidlo č. 4) – to je nezávislé reklamní LCD (systém) ve vozidle, kde je promítána reklama, obecné zpravodajství, krátká videa, apod.

Možné uspořádání systému IV. generace s veřejným internetem.

Na obrázku jsou popsána dnes známá možná propojení v systému vozidla a je zřejmé, že uspořádání vozidla již vyžaduje zručné IT techniky pro přípravu dat, údržbu a servis. Taktéž uspořádání není takto jednoznačné a již dnes existuje několik možných variant uspořádání vycházejících z potřeb dopravních společností a jejich historického vývoje. Uvedený obrázek č. 4 tak představuje možné přehledové řešení vozidel.

Budoucnost systému

Z vývoje zachyceného na obrázcích je zřejmé, že integrace ve smyslu technologie IT se stala jejich běžnou součástí vozidel a dále postupuje velmi rychle. Nově je třeba dále provádět integraci ve smyslu ITS (inteligentních transportních systémů), které jsou nyní ve stádiu výzkumu a vývoje a celosvětově se na jejich rozvoji intenzivně pracuje.

Z toho plyne, že novu koncepci zapojení a komunikace vozidlových systémů a to již V. generace můžeme očekávat v roce 2019. Tehdy bude vozidlo doplněno o další typ komunikace – tentokrát s dopravní infrastrukturou. Tato komunikace probíhá individuálně již dnes, např. radiová komunikace zajišťující preferenci vozidel veřejné dopravy na křižovatky, ale není to převedeno do jednotné „normy“ řízení ITS.

Řešení komunikací ve vozidle a s vozidlem

Toky dat v jednotlivých rozhraních ve vozidle

Komunikace ve vozidle lze rozdělit na vnitřní (vedenou po sběrnicích)a vnější (radiové či světelné vlny).

Vnitřní komunikace mezi rozhraními přes sítě typu ethernet:

1. Data o stavu vozidla – dnes obvykle se sběrnice CAN.
2. Odbavovací a informační systémy připojená na sběrnici ethernet.
3. Reklamní systémy v podobě promítaných spotů na vnitřních vozidlových LCD.
4. Veřejný internet ve vozidlech – v tomto případě musí být zaručeno úplné oddělení dat od cestujících s daty použitými pro ostatní správu vozidla.
5. Kamerový systém a možnost on-line video přenosů z vozidla

6., 7. a 8.  – Další možné komunikace řízené z palubního počítače a ovlivňující chování celého vozidla.

Toky dat mezi jednotlivými sítěmi ve vozidle

Typy vozidel z hlediska vnitřních komunikací

U vozidel MHD je nutno řešit vnitřní datovou komunikaci (do ní nezahrnujeme sběrnice pro řízení vlastního vozidla, např. CAN) a její uspořádání dle typu vozidla:

• Samostatné vozidlo – tramvaj, trolejbus, autobus, které obsahují palubní počítač pro dopravu.
• Dvě spřažená vozidla rovnocenné – obě tramvaje jsou vybavené „komplexním“ systémem (jsou si rovnocenné) a komunikace probíhá po vlakové sběrnici či po sběrnici ethernet (v tomto případě je nutno upravit spojku mezi tramvajemi).
• Dvě spřažená vozidla nerovnocenné – jedno vozidlo je hlavní s plnou komunikační výbavou a další je bez palubního počítače (podřízená) a plní pouze funkci odbavovací a informační.
• Obousměrné tramvaje - systém je ve vozidle pouze jeden a je doplněn o adaptery kabiny „A“ a kabiny „B“. Na jeden systém jsou připojeny dva LCD terminály.

Toky dat na vnějších rozhraních vozidla

Vnější komunikace jsou dány většinou komunikací pomocí radiových signálů. Jedná se o:

1. Přijímače GPS signálu (Global Position System) – poskytují standardní data určená pro vyhodnocení polohy dle satelitních systémů dnes obvykle s přesností několika metrů (technologie SiRF star IV a obdobné),
2. Privátní radiová síť (PMR – private mobile radionetwork) – je dána typem použité privátní radiové sítě na vyhrazených kmitočtech obvykle omezené rozsahem na jedno město. Může být analogová, digitální či smíšená. Množství dat přenášených radiovou sítí je obvykle mezi 10 až 32 bajty na paket pro analogovou síť či až několik stovek bajtů pro digitální síť (záleží na konfiguraci). Při větších paketech jsou tyto kouskovány a přenášeny postupně.
3. Krátký samostatný paket o velikosti několika bajtů odesílaný na křižovatku na vyhrazené frekvenci se sníženým výkonem. Může a nemusí být potvrzován.
4. Vozovenská WiFi může pracovat na kmitočtech 2,4 GHz nebo 5,4 GHz. Oba kmitočty jsou obvykle použity tehdy, pokud ve vozovně tuto síť využívá více systémů (systém pro palubní počítač či systém pro odbavení). Přes tuto sít lze přenášet data pouze v přítomnosti vozidla ve vozovně (pozičně vázaná aktualizace dat). Používá se pro:
   1. Přenos dat do palubního počítače / stahování logů z palubního počítače. Jedná se řádově stovky kilobajtů, a to zejména dle podrobností logovaných palubním počítačem.
   2. Přenos dat pro počítání cestujících – obvykle se zde jednou denně stahuje průběh jízdy týkající se počtu cestujících. Data mají velikost okolo 100 kbajtů.
   3. Kamerové snímky se stahují obvykle pouze na vyžádání – tj. pouze interval, ve kterém se předpokládá vznik nějakého incidentu. Stahovaná data mohou mít velikost i 100 Mbajtů, protože kamerové systémy používají disky s kapacitou v řádech TB.
   4. Záznamy z tachografů (server průběhu jízdy) – pokud není součástí záznamu bezpečnostní kamera, pak je délka záznamu až několik Mbajtů.
5. GSM technologie – zde nastává velký rozvoj v závislosti s nasazením LTE komunikací, které významně mění možnost přenášeného množství dat do/z vozidla. Pro zvýšení bezpečnosti se obvykle používá systém APN (Access Point Name), tj. vnitřní datové sítě uvnitř GSM operátora. Napojené systémy mohou být následující:
   1. Veřejný internet – data o objemu desítek či stovek GB za měsíc
   2. Reklama a zpravodajství – denně může být přenášeno několik desítek Mbajtů
   3. Reklama na veřejné wifi a sledování přístupů cestujících – pouze informační a konfigurační data
   4. On-line odbavení cestujících – až 100 kbajtů za den
   5. Dopravní informace z dané dopravní společnosti či z regionu – až 1 Mbajt.
   6. Webová služba pro získání on-line stavu z dopravy – až 1 Mbajt.
6. Krátkodosahové komunikace pro „buzení“ vozidel ve vozovně a případnou komunikaci za jízdy s dopravní cestou (FHSS). Tato komunikace bude do budoucna nahrazena komunikací dle standardů ITS. Dnes přenáší informace o délce několika desítek bajtů.
7. Povelová frekvence od nevidomých a slabozrakých – pro použití je celostátně vyhrazena řídicí frekvence 86,7 MHz, sám povel je směs bitů o délce 80 ms.
8. Zvláštní postavení pak zaujímají technologie na stavění výhybek – dnes jsou k dispozici tři systémy v ČR a to 125 kHz pro indukční smyčku, 433 MHz (jednodušší systémy typu „garážová vrata“) a 2,4 GHz.
9. Čtečky karet (dopravní a bankovní).

Komunikace vně (antény) a uvnitř vozidla (sběrnice).

Základem celého systému je SW dispečinku s jednotným datovým a fónickým rozhraním, který musí být schopen koordinovat výše uvedené komunikace či pro ně poskytovat přenosový prostor v jednotlivých médiích s omezenou šířkou pásma (viz. níže). Vlastní „server CED“ se může skládat z několika serverů – komunikačního, aplikačního, GPS serveru, nahrávání dat do vozidel, databáze, apod. Ty mohou být organizovány dle velikosti DP do jednoho či více fyzických počítačů. Komunikace zde probíhá po lokálních sítích s dostatečnou kapacitou, problémem je spíše síťové řešení a zabezpečení (firewall, šifrování, apod.).

Pro základní komunikaci s vozidly je vhodné použít privátní radiovou síť. Výhodným řešením je kombinovaná síť s přenosem dat (např. informace o poloze v intervalu 10s) a hlasu pomocí jedné radiostanice. Výhodou je, že privátní síť je nezávislá a může tak splňovat i bezpečnostní prvky při živelných pohromách. Nevýhodu je malá přenosová rychlost 1200/2400 bit/s, ale dostačující pro sledování polohy.

Použití GPRS/3G/LTE sítě je vhodné tam, kde se budou aktualizovat data o odbavení on-line (např. internetový prodej, placení bankovními kartami ve vozidle), a kde chce nabídnout DP služby veřejného internetu a zprovoznit WiFi pro cestující. Pokud jsou tyto technologie použity, lze jimi i provádět některé částečné aktualizace dat vozidlové informatiky. Je vhodné zejména pro datovou komunikaci se zastávkami.

V rámci vozoven se komunikace s vozidly provádí pomocí WiFi sítě. Ta slouží pro aktualizaci dat a pro stahování informací o průběhu jízdy (logy, tachograf, odbavení, apod.). Aktualizace vyžaduje „široký“ kanál pro případ aktualizace dat pro LCD ve vozidlech (např. až 500 MB). Aktualizace dat ve vozidlech je následující:

• buzení na vyžádání u odstaveného vozidla – nutno řešit napájení komunikujících komponentů
• aktuálně při příjezdu či výjezdu do/z vozovny – vhodné pro menší množství dat

Dalšími komunikacemi jsou komunikace s výhybkami včetně automatického stavění výhybek, křižovatkami a elektronickými informačními panely na zastávkách, apod.

Specifické toky dat v celém dopravním systému

V rámci dopravního komunikačního systému je nutno toky dat rozdělit na:

Řízení dopravy a aktuální informování cestujících o jejím stavu

Centrem řízení systému je obvykle „centrální dispečink“ dopravce (dále jen server CED). Z hlediska řízení dopravy potřebují dispečeři základní informace o stavu dopravy – předjetí, zpoždění a příp. počet cestujících (pokud je toto možné). Na základě těchto informací se snaží řídit a zajistit pravidelnost dopravy (neřešíme zde důvody těchto stavů). Novou funkcí dispečinku se dnes stává funkce informování cestujících různými cestami.

Kanály pro informování cestujících jsou:

• Zastávkové informační panely či inteligentní označníky (pravidelný odjezd spoje a zpoždění).
• Webový portál, ve kterém jsou prezentovány odjezdy z jednotlivých zastávek.
• Vozidlové informační panely a zejména řešení návazností jednotlivých spojů.

Pro tuto funkci systému je nutno získat informace o poloze vozidel z GPS přijímače (omezeně pomocí lokalizačních smyček či infračervených majáčků) a tuto přenášet buď pomocí datové (kombinované) privátní radiové sítě DP nebo pomocí GPRS/3G/LTE technologií.

Příprava dat pro informování cestujících a řízení dopravy

Přípravu dat pro systémy v dopravě lze rozdělit na několik úrovní:

• Řešení dopravy jako celku, tj. základních principů fungování, jejichž výsledkem je tvorba jízdních řádů. Snahy o maximální úsporu nákladů na dopravu se projevují budováním přestupních systémů, které jsou založeny na návaznosti jednotlivých spojů a tím zvyšují nároky na řízení systému.
• Z toho se odvíjí příprava dat do vozidel pro řidiče a cestující, do panelů zastávek (on a off line režim) a případně do ostatních informačních kanálů – pro webové prezentace na internetu. Každá z těchto prezentací má jinou podobu danou typem informačního kanálu.
• Doplňkové nastavení – řízení přenosové cesty ve formě automatického stavění výhybek, preference na křižovatkách, apod. Zde je obvykle dostačující vztah k jízdnímu řádu a popisu trasy.
• Odbavení cestujících – tj. přiřazení příslušného ceníku jednotlivým jízdám vozidla.
• Data pro reklamu či obecné informace do vozidel – tj. jejich případné provázání s informacemi o jízdě vozidla.

Součástí této etapy je způsob přenosu těchto dat do vozidel. Přenos se obvykle děje ve vozovně, kde je vozidlo odstaveno. Vozidlo je v nastavené době probuzeno pomocí technologie WiFi/FHSS a je na něj zahájena komunikace s  komunikačním systému ve vozovně.

V dnešní době je možno provádět nahrávání dat ve vozovnách nahradit i průběžným nahráváním během jízy nebo ve vozovně pomocí zejména LTE technologií.

Data spojená s odbavením cestujících

Odbavení cestujících je třetí komunikační systém, který je vhodné budovat u moderních systémů. Komunikace s odbavovacími systémy se provádí zpravidla jednou denně ve vozovně vyčtením dat o platbách a to v mnoha případech samostatným WiFi kanálem. Nově budovaný systém, který by umožňoval placení kartami ve vozidle, by měl mít k dispozici datový kanál za jízdy, a to minimálně GPRS (řádově desítky kb/s).

Uspořádání komplexního informačního systému ve městské veřejné dopravě.

Doplňkové systémy pro dopravu

Protože veřejná doprava obsluhuje mnoho obyvatel, je vhodné do této základní koncepce palubního informačního systémů integrovat i další rozšiřující informační a řídicí systémy, které mají různý cíl a smysl působení. Jedná se o:

• Reklama pro cestující ve vozidlech, příp. na zastávkách (zejména LCD pro cestující).
• Varovné a vyrozumívající systémy pro obyvatelstvo pro případ neočekávaných situací, přičemž při krizových situacích je možno využít i informační systémy vozidel a zastávek.
• Obecné informace z města, regionu řešící lokální situaci (nutno řešit způsob zadávání do systému).
• Informační systémy pro nevidomé (dnes standardně využívané).
• Internet ve vozidlech či na zastávkách (vozidlová wifi).