Přichází nová generace palubních počítačů MHD

Nové požadavky na chování vozidel veřejné dopravy, a zejména MHD, vyžadují opětovně měnit koncepci zapojení vozidel. Aby je bylo možno splnit, je třeba uspořádání vozidla více přiblížit standardnímu počítačovému prostředí. Nové nároky kladené na vozidlo spojené zejména s moderními systémy odbavení, sběrem dat z vozidla, rychlými přenosy dat do/z okolí vozidla a novými funkcemi přenosu video hovorů či kamerových záznamů mění dosavadní uspořádání. Aby bylo možno tyto nároky splnit a systémy dále systémově rozvíjet, musí přijít nová generace palubních počítačů určených pro realizaci všech výše uvedených funkcí. Aby bylo možno realizovat nové požadavky na palubní techniku vozidla, vznikl systém EPIS 4.0C, který obsahuje mnoho nadstandardních funkcí.

Nová koncepce datových rozvodů vozidla

Na výstavě Czechbus v roce 2016 zazněla naše přednáška o postupné změně zapojení informačních systémů vozidel z hlediska historického vývoje (viz: Komunikační systémy ve veřejné dopravě), která zachycovala tehdejší stav. Za jeden rok se výrazně zvýšily nároky na přenosy dat od dopravců, a to například na data pro odbavení (např. databáze fotek o kapacitě několika GB), přenosy videozáznamů z vozidel, přenosy různých logů (např. dění na CAN sběrnici vozidla) a záznamů z vozidel (tachografy), přístupy cestujících na veřejný Internet v rámci zatraktivnění veřejné dopravy, on-line reklama nebo přímé přenosy zpravodajství (vozidla jsou přímo napojena na servery zpravodajství).

V současné době probíhá mnoho výběrových řízení pro nové uspořádání vozidlové informatiky a zejména řídicího palubního počítače. Jeho výběr ovlivní další rozvoj služeb ve vozidle na minimálně 10 let. Proto je vhodné dobře vybírat řešení vozidla z pohledu počítačových sítí, zejména tehdy, pokud chceme využít všech možností dnešní techniky.

Budoucí uspořádání palubního systému ve vozidlech veřejné dopravy.

Principiální schéma nového systému, který odráží nové požadavky, je uvedeno na Obr. 1.. Nově do vozidel veřejné dopravy vstupuje sběrnice 1 Gbit/s, kterou známe pouze z pevných rozvodů v budovách. Proč je toto nutné? Všichni známe standardní počítačové rozvody 100 Mbit/s. Již málokdo však ví, že takto rychlý ethernet (100 Mbit/s) díky metodě vyjednávání na sběrnici dosahuje reálně pouze 30% efektivní komunikační rychlosti, tj. skutečná komunikační rychlost mezi zařízeními pak bude okolo 30 Mbit/s. Tato rychlost se již ukazuje jako nedostačující pro skutečně rychlé přenosy a tudíž by mohlo docházet k přetížení (ztrátám) komunikace.

Důvody, proč tomu tak je, jsou jednoduché – nově se vyžaduje ve vozovnách wifi dle standardu IEEE 802.11 ac, který umožňuje komunikační rychlosti 1 Gbit/s, příp. i vyšší, přes radiové rozhraní. Pokud tedy má wifi komunikace pracovat smysluplně a využít těchto rychlostí, je třeba mít ve vozidle vhodné prostředky,  které budou schopny tento datový tok přenášet i po vozidle – tj. ethernet 1 Gbit/s (např. dřívější wifi standardy umožňovaly reálně přenos dat o rychlosti max. 27 Mbit/s protokolem UDP, což bylo reálně okolo 8 Mbit/s mezi vozovenským serverem a palubním počítačem).

Dalším důvodem je použití kamer zobrazující „nezpožděné“ obrazy při couvání nebo „natrolejování“ sběrače, které je nyní možno zobrazovat na LCD terminálu řidiče. Pokud kamerové záběry mají být kvalitní a mají se zobrazovat u řidiče se zpožděním 100-200 ms a v dostatečném rozlišení, pak mohou nastat nárazově datové toky i 25 Mbit/s (simulují analogový signál). Použití těchto datových toků již omezuje použití i jiných komunikací, které mohou po sběrnici probíhat.

Totéž platí i pro použití LTE modemů, které jsou schopny poskytovat datové toky i 40 Mbit/s. I v tomto případě by mohlo vznikat přetížení ethernetové sběrnice, kdy datový tok radiového rozhraní bude omezen přenosem po vozidle. Takto bychom mohli najít i další důvody, proč má být jedna vozidlová sběrnice řešena na vyšších rychlostech, než které poskytuje Ethernet 100 Mbit/s.

Ukázka této situace je zobrazena na následujícím obrázku.

Princip zapojení vozidlového systému na sběrnici 1 Gbit/s

Je třeba si uvědomit, že dle nových zadání technického řešení ve výběrových řízeních bude vznikat v budoucnosti ve vozidlech velké množství dat, které budou shromažďovány na SSD discích. V případě nefunkčnosti (potíží) radiové komunikace bude nutno provést vyčítání/aktualizaci ručně. Pokud má být toto vyčítání efektivní a pokud nemá časově omezovat ruční obsluhu, je třeba mít k dispozici i nový typ aktualizačního USB 3.x. Tím bude vyčítání/aktualizace dat prováděna na rychlostech několika Gbit/s.

Nové typy odbavení

V rámci měst a regionů se začínají objevovat nové způsoby odbavení založené na bankovních kartách a na novém typu kontrol cestujících založených na fotografiích obsažených ve vozidlech, black listech, white listech, apod…. Vozidlo musí pravidelně stahovat údaje o odbavení z „Datového zúčtovacího centra“. Jen nároky např. na region jižní Moravy jsou následující – ve vozidle může být uloženo až 500 tis. fotek či white listu a obsah databází ve zúčtovacím centru může činit 5-10 GBajtů dat. Pokud nastane situace, že se bude muset jednorázově systém odbavení aktualizovat, pak tato aktualizace může trvat necelou hodinu pomocí LTE a několik minut pomocí wifi dle IEEE 802.11 ac. K tomu, aby tato rychlost byla reálná, je třeba ovšem mít ethernetovou sběrnici ve vozidle o rychlosti 1 Gbit/s.

Ukázka odbavení na palubním počítači obsahujícím fotografii.

Nový typ palubního počítače tak v sobě musí mít prostředky pro rychlé zpracování dat a příslušný výkon pro vyhledání správné fotografie v databázi za účelem zobrazení řidiči. Možné schéma zapojení odbavovacího systému je na obrázku č. 4, ze kterého je zřejmé, že samotné „samoobslužné“ odbavení cestujících ve validátorech ve vozidle mimo místa u řidiče již rychlou sběrnici ethernetu nepotřebuje. Fotografie musí být zobrazena při odbavení u řidiče, a proto již není třeba tuto dále po vozidle šířit do jednotek odbavení.

Na obrázku je tak ukázán výřez vozidla pouze pro odbavení. Umožňuje tak napojit přes sběrnici ethernet 100 Mbit/s samostatné validátory buď s tiskárnou lístků (např. při použití Plzeňské karty) nebo bez tiskárny lístků (např. při použití ODISky). Řidič pak využívá jednotku odbavení vpředu při prodeji lístků, kde pak kontroluje fotografie cestujících při prodeji lístku. V tomto případě se naskýtá několik způsobů řešení od napojení samostatného validátoru až po připojení jednotlivých zařízení přímo k palubnímu počítači (tzv. pasivní odbavovací jednotka).

Odbavení cestujících vyvolává i zpětnou komunikaci z vozidla – on-line komunikace s backoffice, kde jsou informace pravidelně odesílány do centrály nebo odkud jsou odesílány do komunikační centrály a odtud zpět na vozidla.

V tomto případě je nutno zvolit vhodnou velikost displeje LCD terminálu řidiče, a to podle množství tarifů – možná je i velikost 8″ (malé množství tarifů) a 10,1″ (plnohodnotné odbavení). Příklad zapojení vozidla je na následujícím obrázku.

Ukázka zapojení odbavovacího systému na vozidlové sběrnici 100 Mbit/s.

 Jaký typ procesoru zvolit u palubního počítače?

V dnešní době probíhá soutěž v oblasti procesorů pro výkonné výpočty, zejména mezi architekturou PC – x86 a architekturou ARM (Advanced RISC Machines). Z pohledu použití procesorů pro výkonné použití je neustále výkonnější architektura x86 a několik dalších let pravděpodobně zůstane.  Navíc nevyžaduje pomocné překladače (Cross compiler), je možno na ni spustit shodné aplikace jako na stolních počítačích, doba použití SW i HW je i 10 let a více. Procesory Intel  založené na platformě x86  jsou typu Compact Instruction Scheduling Computing (CISC), tj. optimalizovaných instrukcí z hlediska rychlosti provedení instrukce, přičemž tato může mít více strojových cyklů.

Jedním z hlavních důvodů použití PC architektury (kromě vyššího výkonu) je, že pokud spustíme aplikaci např. pro vyhledání spojení na stolním PC, bude funkční i na palubním počítači založeném na PC architektuře. Nepotřebujeme pro ni měnit kódy a nemusíme provádět překlad do jazyku (assembleru) právě používaného procesoru ARM. Tj. lze ji okamžitě použít bez nutnosti tuto přepisovat (překládat) do prostředí ARM procesoru. Vývoj aplikací se tak bude ulehčen, ačkoli je nutné počítat s tím, že aplikace se může potýkat s rozhraními, které se na běžném PC nevyskytují (CAN sběrnice, IBIS sběrnice atd.)

Naproti tomu procesory ARM se  nyní nacházejí téměř v každém smartphonu a tabletu.  Přenosná zařízení jsou tak univerzální miniaturní počítače, které mají pro ně psané aplikace, přičemž doba života se počítá na roky oproti x86 architektuře (pak je zastaralý jak procesor, tak i operační systém). ARM procesory nejsou určeny k dosažení co nejvyššího výpočetního výkonu, který lze měřit a vyjadřovat pomocí FLOPS (operace s pohyblivou čárkou za sekundu). Místo toho důležitou roli hrají parametry jako je efektivní konstrukce procesoru, nízká spotřeba energie, která zajišťuje co nejdelší bateriový provoz, minimální tepelné ztráty (s cílem udržet nízkou provozní teplotu), jakož i nízké výrobní náklady a licenční poplatky (viz. níže). Zde nezbývá než konstatovat, že u vozidel veřejné dopravy není o pár watů nižší spotřeba (3W – 5W) argumentem pro použití tohoto typu procesorů, oproti výkonu, který získáme.

Filosofie ARM tvoří samostatný softwarový model v mnoha variantách, takže aplikace a operační systémy musí být kompilovány speciálně pro tu konkrétní architekturu, to konkrétní programovací prostředí a variantu typu procesoru ARM. Nevýhodou omezené řady příkazů RISC je, že operace, jako jsou výpočty a dělení s pohyblivou částí, nemohou být prováděny v jednom cyklu hodin, ale vyžadují alespoň několik.

Poznámka: Počítač typu ARM je softwarový model poskytovaný formou licence (za poplatek) jednotlivým výrobcům procesorů, kteří si k tomuto modelu přidávají své periferie (SW modelů je mnoho). Původcem a tvůrcem příslušné architektury je britská společnost ARM Limited, dříve známá jako Acorn. Ačkoli model ARM  začal být masově používán  hlavně v posledních letech, samotná architektura je stará již 30 let. 

Nová generace palubních počítačů

Aby bylo možné splnit výše uvedené požadavky, je nutno mít k dispozici novou generaci palubních počítačů. Jejich základní vlastnosti musí být:

• stálá koncepce řešení – bez změny napojení na vozidle musí být schopen nahradit všechny funkce předchozích jednotek – není třeba měnit zapojení vozu a všechny komponenty „vyměňovat“.
• shodné rozměry jako předchozí typy palubních jednotek tak, aby nebylo třeba výrazně měnit umístění a předělávat „skříně elektroniky“.
• standardní řešení palubního počítače bez ventilátorů a bez nutnosti okolního proudícího vzduchu (jsou počítače, nemají vnitřní chladič, ale které vyžadují vnější ventilátory pro ochlazování krytu). Existují průmyslové počítače, které okolní proudění vyžadují zejména v uzavřených prostorách.
• možnost použít i více jádrové (4 jádrové) procesory s výrazně vyšším výpočetním výkonem (každé jádro lze zatěžovat samostatně) obsahující rychlé paměti RAM až 4 GB – typ DDR3. Tento výkon je nutný pro řešení rychlých datových přenosů (přenos požadovaných logů simulujících tachografy, zpracování videa, …).
• dostatečný výkon pro zpracování více jak 10 kamerových toků včetně šifrování – umožňují i záznamy z vybraných kamer, video hovory na dispečink včetně zabezpečených záznamů z kamer. Palubní počítač tak může ve vybraných řešeních nahrazovat kamerový systém včetně splnění požadavků UOOU (Úřad na ochranu osobních údajů).
• možnost připojení kamer pro couvání či pro natrolejování. Aby bylo možno zpracovávat obraz v reálném čase (zpoždění obrazu 100-200 ms), vyžaduje zpracování datových toků o rychlosti přenosu až 25 MBit/s, což výrazně zatěžuje vozidlové datové sítě ethernet 100 Mbit/s.
• možnost použít interní SSD disk či MLC čipy bez nutnosti použití výrazně pomalejších SD karet (mají rychlost do 250 Mbit/s). SSD disky jsou spolehlivější řešení a mohou mít komunikační rychlostí až 3 Gbit/s  (dáno palubním počítačem), přičemž  dnešní rychlost je okolo 600 Mbit/s (tj. téměř 3x rychlejší). Toto řešení výrazně zkracuje rychlost náběhu palubního počítače na 35 sekund při zachování plného operačního systému. To má posléze výhodu v použití různých SW v palubním počítači bez nutnosti měnit operační systém.
• nová moderní rozhraní: - 1GB ethernet (nutnost) a USB dle normy 3.0 (umožní rychlé  nouzové vyčítání dat z palubního počítače) – opětovně jsou určeny pro rychlé přesuny dat.
• jednotné rozhraní pro různé typy radiostanic – analogové, digitální a TETRA a to včetně měniče 24V/12V. Nově je tak možno k palubnímu počítači připojit běžně používané radiostanice v ČR, a to včetně rozhraní na radiostanice TETRA. Rozhraní pro radiové sítě je vhodné zejména pro městské aglomerace, protože zajišťuje funkčnost systému sledování vozidel nezávisle na mobilních operátorech – bezpečné řešení pro města v problémových situacích.
• úplná příprava pro odbavení u řidiče – nové rozhraní pro odbavení u řidiče skládající se z jednotky odbavení u řidiče spojené s prodejem lístků (obsahuje tiskárnu), čtečkou bankovních a nebankovních karet, čtečkou QR kódů. Palubní počítač poté v sobě obsahuje databázi transakcí prodeje lístků.
• 2x videovýstup až do rozlišení až 2560 x 1600 s výkonnou integrovanou grafickou jednotkou.
• integrovaná jednotka – vícenásobné využití: obsahuje inteligentní jednotku napájení, digitální hlásič, povelový přijímač, modul GPS, modem pro budící frekvence vyžádaného nahrávání, radiokomunikační adaptér a další předchozí vlastnosti známých typů palubních počítačů.
• Integrované SW pro řízení:informačních systémů, odbavení, kamerových systémů, preferencí vozidel, automatického stavění dopravní cesty, vyčítání tachografů, řešení logů vozidla získaných z CAN sběrnice, apod

Ukázka palubního počítače EPIS 4.0C, který splňuje všechny podmínky uvedené v tomto článku (nový typ od firmy Herman).

Co napsat závěrem?

Pokud se má na vozidle použít skutečně výkonný palubní systém schopný dalšího rozvoje minimálně 10 let s tím, že i po této době bude existovat vývojové prostředí, tj. bude možno i nadále provádět požadované úpravy v programu, je určitě vhodné zvolit (možná vícejádrové) počítače založené na architektuře PC a s minimálně jednou sběrnicí 1 Gbit/s a rozhraním USB 3. Ty umožňují mnohem lépe integrovat více funkcí a zajišťují rychlé komunikace do okolí.

Pokud se má vytvořit jednoúčelové zařízení, u kterého se předpokládá omezený počet funkcí bez předpokládaného významného rozvoje, pak má význam použít některou z vyspělých architektur procesorů typu ARM. Je třeba počítat s tím, že v budoucích letech nemusí být tyto systémy řádně podporovány výrobci procesorů a operačních systémů (jedná se o individuální řešení daného výrobce procesoru).

Rozhodnutí, které řešení palubního počítače a jeho uspořádání je pro uživatele vhodnější, si musí udělat sám, přičemž rozdíl v cenách dosahuje několik tisíc na jedno zařízení. Obecně lze konstatovat, že pro MHD je vhodnější architektura PC a pro regionální dopravu lze výhodně použít architekturu typu ARM.