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Ende der Proprietät ist sinnvoll

Offene Standards für Railway-Computing

22. Oktober 2019, 11:06 Uhr   |  Von Markus Wiersch, Head of Product Management von MEN Mikro Elektronik

Offene Standards für Railway-Computing
© Bild: MEN

Auf offenen Standards basierende COTS-Systeme sind bis SIL 4 zertifizierbar und können zusätzlich zu den vielen Komfortsystemen auch für sicherheitskritische Zug­steuerungs- und Kontrollaufgaben eingesetzt werden.

Im Bereich des Railway-Computings, das immer komplexere Aufgaben zu erfüllen hat, erleichtern offene Standards die nahtlose Interoperabilität von Systemlösungen bis hin zur Koexistenz von heterogen Applikationen auf nur einer einzigen, modularen Railway-Computing-Plattform.

Elektronik in Schienenfahrzeugen und am Schienenstrang bedeutet bislang eher geschlossene, proprietäre Systeme einzelner Hersteller. Diese erfüllen zwar alle Anforderungen gemäß den Standards im internationalen Schienenverkehrswesen DIN EN 45545 sowie DIN EN 50155; mit welcher Embedded-Computing-Technologie die einzelnen Anwendungen aber umgesetzt wurden, ist bislang nicht spezifiziert worden.

Dabei wäre eine Standardisierung nötig, um smarte Züge und Fahrwege zu entwickeln. So erweitert sich die bislang hermetisch abgeschlossen betriebene Zug- und Waggonelektronik um zahlreiche IoT-Lösungen für das Predictive Maintenance und Tracking der Züge. Auch die Zugcockpits werden immer smarter und binden zudem eine umfassende Videoüberwachung des Fahrwegs sowie des gesamten Zugs ein. Für die Fahrgäste gilt es die Klimaanlagen zu regeln sowie Durchsagen und Anzeigen zu steuern sowie Infotainment-Angebote und Internetzugänge bis hin zu smarten Ticketing- und Billing-Systemen mit Walk-by-Payment anzubieten.

Ist es wirklich sinnvoll, für jede einzelne dieser vielen Funktionen ein eigenes, in sich geschlossenes System zu entwickeln? Ist es nicht sinnvoller, den smarten Zug oder Waggon als eine IT-Einheit mit mehreren verteilten Subsystemen zu betrachten, die man modular zusammenstellt?

Schaut man auf den Telekommunikationsmarkt, so vollzieht sich hier schon seit Jahren ein Wandel von dedizierten Hardwarelösungen hin zu Plattformen, die über Software-Defined-Network- und Network-Function-Virtualisierungs-Technologien die Ressourcen der verfügbaren Rechenleistungen flexibel allokierbar machen. Dadurch wird sehr erfolgreich die Funktion von der Hardware separiert. Gleichzeitig hat man bei der Entwicklung solcher Plattformen den Anspruch, dass sie konvergent ausgelegt sein müssen, um bei sich verändernden Anforderungen entsprechend bedarfsgerecht austauschbar zu sein. Das Ziel ist eine agile Closed-Loop-Entwicklung, bei der Entwickler konstant auch Informationen aus dem laufenden Betrieb nutzen kann, um im Zuge des Engineerings die Plattformen stetig weiterzuentwickeln und zu optimieren.

Nun wird man Systeme, die einer Zertifizierung unterliegen, nicht alle paar Monate mit einem neuen Update versehen können – zumindest nicht, was den zu zertifizierenden Teil betrifft. Der Grundgedanke der zunehmend flexibleren Computing-Plattformen kann aber ein wertvoller Leitgedanke sein. Wie weit lässt sich die Railway-IT standardisieren und dadurch flexibler und universeller einsetzbar und besser austauschbar machen?

Und: Wie kann es gelingen, diese Plattformen wirklich offen auszulegen? Man kann ja nicht Telekommunikations- und Rechenzentrumstechnologien, die für wohlklimatisierte Umgebungen entwickelt sind, an den Schienenstrang oder in Züge portieren, wo hohe Schock- und Vibrationsfestigkeit in erweiterten Temperaturbereichen und bei schnellen Temperaturschwankungen gefordert sind. Das führt zu der Frage: Welche offenen Standards haben die passenden Voraussetzungen bereits integriert?

Im Schienenverkehrswesen ist heute bereits eine Vielzahl von Embedded-Computing-Standards im Einsatz – selbst in proprietären Systemen. Zu nennen sind PCI Express, USB, I2C und Ethernet als Kommunikationsbusse sowie M12-Steckverbinder für eine robuste physische Konnektivität. Diese Teillösungen werden in den dafür geschaffenen Gremien weiterentwickelt. Dabei wird auch auf eine hohe Langzeitverfügbarkeit mit Abwärtskompatibilität geachtet, um bestehende Lösungen durch ihre Nachfolger ersetzen zu können. Hohe Langzeitverfügbarkeiten für Züge, die über viele Jahrzehnte hinweg im Einsatz sind, können so sichergestellt werden.

Hersteller haben bereits Varianten solcher Standards gebildet, um entweder ganz spezifische Problemstellungen zu lösen oder sich über einen Vendor-Lock vom Wettbewerb abzukapseln. So ist nicht jede serielle Schnittstelle gleich ausgelegt und die Vielzahl ganz spezifischer Protokollauslegungen erschwert bisweilen die Interoperabilität innerhalb eines einzigen Standards. Die Zusammenführung von unterschiedlichsten Programmierstandards in die Norm EN 61131 hat es dann letztlich geschafft, heterogene Lösungsansätze in einem Standard zu vereinen und beispielsweise über die objektorientierte Weiterentwicklung für verteilte Steuerungen in eine neue Norm zu gießen: EN 61499.

Die Standardisierung von Embedded-Computing-Plattformen wird derzeit im Wesentlichen von drei Standardisierungsgremien vorangetrieben: von der PICMG, der VITA und der SGET. Die VITA ist das älteste Standardisierungsgremium. Es pflegt VME und VPX, die mittlerweile fast ausschließlich im Militär- und Verteidigungssektor sowie partiell in der Forschung und in der industriellen Automation zum Einsatz kommen. Lösungen auf Basis dieser Standards sind deshalb vergleichsweise teurer, weshalb sie bislang eher selten im Bereich des Schienenverkehrswesens zum Einsatz kamen. Gleichwohl gibt es auch Anwendungen in diesem Bereich und es sind auch heute noch kompatible Boards verfügbar, wie das 6HE-VMEbus-Board A25 von MEN mit Intels Xeon-D-1519-Prozessor. Vorteilhaft ist, dass der VME-Standard von der IEC als ANSI/IEEE 1014–1987 standardisiert wurde. Allerdings bieten die Standards der beiden anderen Standardisierungsgremien einen etwas einfacheren Entwicklungspfad, da sie den PCI-Express-Bus für generische Erweiterungsoptionen verwenden.

Die SGET-Standards Qseven und SMARC sind noch vergleichsweise jung und adressieren vielfach mobile Applikationen, bei denen Module im Scheckkartenformat zum Einsatz kommen. Sie eignen sich prinzipiell für die Verwendung im Schienenverkehrswesen, müssen jedoch noch ihre Stabilität hinsichtlich der Langzeitverfügbarkeit der Spezifikationen unter Beweis stellen. So hat die Spezifikation von SMARC, die aktuell als die aussichtsreichere der SGET-Spezifikationen für neue Applikationen gilt, einen Spezifikationssprung von 1.0 auf 2.0 erfahren, der für bestehende Anwendungen keine uneingeschränkte Abwärtskompatibilität hat.

Die PICMG bietet eine Grundlage für standardisierte Railway-Computing-Plattformen mit den Spezifikationen CompactPCI Serial und der Basisspezifikation COM Express, die die VITA mit der VITA-Standard-95-Erweiterung bahntauglich gemacht hat. CompactPCI Serial ist eine Spezifikation für Systemplattformen, die durch ihren modularen Aufbau eine Vielzahl unterschiedlicher Systeme mit COTS-verfügbaren Standard-Boards, Systemchassis und Backplanes ermöglicht. Er ist bereits in zahlreichen Railway-Anwendungen im Einsatz und bietet alle Grundlagen dafür, als zentraler Edge-Rechner in Zügen und Waggons Verwendung zu finden. Es gibt Standardkomponenten für die Auslegung dieser Systeme und selbst Boards, die zwischen den unterschiedlichen Railway-Interface-Standards (auch für SIL) durch passende FPGA-Implementierungen flexibel angepasst werden können. 

Rugged COM Express ergänzt die im Bereich des Railway-Computings einsetzbaren offenen Standards um eine Spezifikation, die sich für kleinere Systeme eignet, die abgesetzt von den zentralen Railway-Edge-Plattformen in Zug und Waggons zu installieren sind. Module dieses Standards sind Hochleistungssysteme, die trotz ihrer Performance und einer TDP bis rund 50 W komplett passiv gekühlt werden können und dank des Kühlkonzepts auch abrupt auftretende Temperaturschwankungen verkraften können. Rugged COM Express basiert auf dem COM-Express-Standard der PICMG, der über den VITA-Standard 95 mit einem mechanischen und thermischen Design für extreme Temperaturschwankungen erweitert wurde. Hier wird der Vorteil offener Standards deutlich: Man kann sie frei kombinieren, um neue Mehrwerte zu generieren. Rugged-COM-Express-Module erfreuen sich derzeit einer hohen Nachfrage, da der Mobile-Computing-Markt im Bereich der autonomen Fahrzeuge einen sehr hohen Bedarf produziert.

Was bei den offenen Standards jedoch auch heute noch für den Bahnmarkt fehlt, ist ein von einem unabhängigen Standardisierungsgremium spezifiziertes Computer-on-Module in kleinem Formfaktor, das EMV-sicher und Thermoschock-resistent konzipiert wurde. Es warten also auf die Standardisierungs-Community noch einige Aufgaben.

Dennoch gibt es diverse Hersteller auf dem Markt, die für Mobilitätsanbieter und Schienennetzbetreiber, Triebwagen- und Waggonhersteller sowie deren Zulieferer Embedded-Computing-Plattformen bereitstellen, die auf offenen Standards basieren und zudem auch noch alle aktuellen IT-Trends unterstützen. Proprietär ist deshalb kaum mehr akzeptabel. Die Zukunft des Railway-Computings gehört den offenen Standards, denn sie senken die Gesamtkosten für alle Beteiligten.

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