Subscribe to DeepL Pro to translate larger documents.
Visit www.DeepL.com/pro for more information.
ERTMS/ETCS sistemleri için EURORADIO
protokolünün bir uygulaması
Gabriele Cecchetti, Anna Lina Ruscelli, Filippo Cugini, Piero Castoldi
Özet-Avrupa Demiryolu Trafik Yönetim Sistemi/Avrupa Tren
Kontrol Sistemi (ERTMS/ETCS), Avrupa Birliği tarafından
trenlerin dolaşımı için birlikte çalışabilir ve daha güvenli
sinyalizasyon sistemleri için referans olarak belirlenmiştir.
Otomatik Tren koruma sisteminin gelişmiş bir versiyonudur ve
trenlerin çarpışmasını önlemek, sürücü hatalarını düzeltmek ve
trenlerin dolaşımının güvenliğini ve verimliliğini artırmak
amacıyla çalışan trenleri verimli bir şekilde yönetmek için uygun
verileri sağlayan ray kenarı ve tren kemeri ekipmanları arasındaki
bilgi alışverişini yönetir. Ayrıca, uluslararası trenlerin ulusal
kabin sinyalizasyon sistemleri ve/veya sürücülerle donatılmış
lokomotifleri değiştirmeden uluslararası sınırları geçmesine izin
vermeyi amaçlamaktadır. ERTMS, GSM-R gibi açık bir iletişim
ağına dayalı güvenli bir alt sistem iletişimine izin veren
EURORADIO adlı güvenli bir iletişim protokolü tanımlamıştır.
Bu makalede ERTMS/ETCS Seviye 2 sistemleri için Euroradio
pro- tokolünün bir yazılım uygulaması gösterilmektedir. Bu
uygulama SR-Secure İtalyan projesinin bir parçasıdır. Uygulama,
farklı EURORADIO katmanlarının Uygulama Program
Arayüzleri (API) aracılığıyla iletişim kurduğu bir yapı taşı
mimarisine dayanmaktadır. Mimari, demiryolu kontrol ve koruma
sistemleri için yazılım hakkındaki EN 50128 standardı ile Avrupa
Elektroteknik Standardizasyon Komitesi CENELEC tarafından
belirlenen kodlama yazılımı kuralları ve demiryolu endüstrisi
gereksinimleri tarafından belirlenen güvenlik gereksinimleri
dikkate alınarak uygulanmıştır.
Dizin Terimleri-ERTMS/ETCS, EURORADIO.
I. GIRIŞ
Tren sirkülasyonunun güvenliği ve optimizasyonu, trafik
demiryolları yönetim sistemlerinin güncel hedefleridir.
Karmaşık teknoloji mimarileri, Otomatik Tren Koruma
sistemleri (ATP'ler), trenlerin çalışmasını otomatik olarak
kontrol etmek, insan hatalarını kurtarmak ve önlemek ve tren
çarpışmalarını önlemek için ayarlanmıştır. ATP, sürücü
hatalarını düzeltmek ve sirkülasyon koşulları veya güzergah
durumu değiştiğinde mevcut tren hızını düzeltmek için uygun
olan t r e n l e r i n çalışması ve güzergah koşulları
hakkında bilgi toplayan ray kenarı ekipmanlarına
dayanmaktadır. Bu bilgiler farklı teknolojiler kullanılarak tren
üstü sisteme gönderilir. Yerleşik ekipman da bu verileri
detaylandırır ve sürücünün kullanımına sunar (kabin
sinyalizasyonu). Bunu yapmak için ATP, önceden var olan
sinyalizasyon sistemlerini, güzergah boyunca önemli
konumlarda bulunan v e dolaşımı koruma işlevine sahip bilgi
noktaları ile entegre eder. Böylece, tren bu işaretlerin
yakınından geçerken (bkz. Şekil 1), tren alt sistemi ray
sisteminden telgraf olarak gönderilen tren sirkülasyonuna
ilişkin bilgileri alır ve bunları tren sürücüsüne gösterir.
Bununla birlikte, benimsenen teknolojiye bağlı olarak, kabin
sinyalizasyonunun değişen koşullara uyarlanması bir miktar
ataletle gerçekleştirilir ve ATP, hız eğrisini ve/veya
benimsenen yavaşlama profilini değiştirmek için yeterince
reaktif değildir.
treni yavaşlatmak ve/veya durdurmak için gereklidir. Bu
yanlış davranış, optimize edilmemiş trafik sirkülasyonunu,
güç tasarrufunu ve yolcu konforunu etkilemekte ve tren
sirkülasyonunu daha iyi yönetmek için uygun, geliştirilmiş bir
sinyalizasyon sisteminin k u l l a n ı l m a s ı n ı
önermektedir. Ayrıca, uluslararası trenler söz konusu
olduğunda, bu sistemin farklı ulusal ekipmanlarla birlikte
çalışabilir olması gerekmektedir.
Şekil 1. ATP sistemi örneği. ATP sistemi örneği.
Sınır ötesi birlikte çalışabilir demiryolları sinyalizasyon
sistemleri ile ilgili ilk çalışmalar 80' l i yılların sonunda
başlamış ve 90'lı yılların başında iki adet ray kenarı-araç üstü
iletişim sistemi tasarlanmıştır: biri ray kenarından araç üstüne
kesintisiz ve tek yönlü EuroBalise, diğeri ise sürekli ve çift
yönlü
Euroradio.
Birlikte
çalışabilir
sinyalizasyon
sistemlerinin daha da geliştirilmesi, Avrupa Birliği tarafından
Avrupa birlikte çalışabilir demiryolları sinyalizasyonu için
referans olarak belirlenen sinyalizasyon, kontrol ve tren
koruması ile ilgili ATP'nin gelişmiş bir versiyonu olan Avrupa
Demiryolu Trafik Yönetim Sistemi / Avrupa Tren Kontrol
Sistemi (ERTMS / ETCS) [1]- [10] olmuştur. ERTMS,
standartları, prosedürleri ve teknolojileri belirleyen 96/48/EC
[11] sayılı Direktif ve trans-Avrupa konvansiyonel demiryolu
sisteminin birlikte çalışabilirliğini tanımlayan 2001/16/EC
[12] sayılı Direktif ile düzenlenmiştir. ERTMS, farklı ulusal
sınırları geçerken demiryolu trafik sirkülasyonunu kesintisiz
ve daha güvenli hale getirmek için tüm Avrupa ulusları için
ortak bir sinyalizasyon sistemi sağlamayı amaçlamaktadır.
Aslında, her Avrupa ülkesinin kendi ulusal ATP'si vardır ve
bu sayı Avrupa'da neredeyse yirmidir [2]: Almanya'da
endüktif işaretlere dayalı INDUSI sistemi, İspanya'da ASFA/LZB, İngiltere'de AWS sistemi benimsenmiştir [13].
İtalya'da ulusal demiryolu şirketi olan Rete Ferroviaria
Italiana (RFI) iki farklı ATP sistemi geliştirmiştir [7], her ikisi
de süreksiz iletişime dayanmaktadır:
• Sistema di Controllo Marcia del Treno - Koşu Treni
Kontrol Sistemi (SCMT) [14]: ERTMS ile en uyumlu
olanıdır ve en önemli güzergahlar boyunca dağıtılmıştır.
• Sistema di Supporto alla Condotta - Tren Sürüşü için
Destek Sistemi (SSC) [15], hız sınırlamaları ile kalan
güzergahlar boyunca dağıtılmıştır.
Dolayısıyla, ERTMS gibi birlikte çalışabilir bir Avrupa
sinyalizasyon sisteminin yokluğunda, bir tren uluslararası
sınırlardan geçerken, her bir ülke için farklı sinyalizasyon
enstrümantasyonuyla donatılmış lokomotiflerin ve/veya ulusal
sinyalizasyon sistemini kullanmak üzere eğitilmiş kabin
ekibinin değiştirilmesi gerekmektedir. Aksi takdirde farklı
ekipmanların gemiye monte edilmesi gerekmekte, bu da inşaat
maliyetlerini arttırmakta (örneğin yedi farklı sinyalizasyon
sistemine sahip Paris-Brüksel-Köln-Amsterdam'ı birbirine
bağlayan TGV Thalis, normal TGV'den daha pahalıydı) ve
bunların hepsiyle çalışabilecek sürücüler gerektirmektedir.
ERTMS için üç uygulama düzeyi öngörülmüştür. ERTMS
Seviye 1, önceden var olan iletişim altyapısıyla ve ray kenarı
ile tren yolu sistemleri arasındaki kesintili iletişimle
ilgilenirken, ERTMS Seviye 2 ve Seviye 3 sürekli radyo
iletişimine dayanmaktadır. Ayrıca ERTMS, GSM-R [17], [18]
gibi açık bir iletişim ağına dayalı güvenli bir alt sistem
iletişimine izin veren EuroRadio [16] adlı güvenli bir iletişim
protokolü tanımlamıştır. Ayrıca, hızlı bir hız yönetimi
konusunda mevcut ATP'nin gösterilen sınırlarının üstesinden
gelmek için Euroradio, güzergah koşulları daha fazla
değiştiğinde ve bir tren yavaşlaması artık gerekli olmadığında
erken serbest bırakma için RadioInfill adlı başka bir işlevin
uygulanmasını beklemektedir.
Bu makalede ERTMS/ETCS Seviye 2 sistemleri için
EURORA- DIO protokolünün bir yazılım uygulaması
gösterilmektedir. Bu uygulama, "POR FESR 2007 - 2013,
Faaliyet 1.1, A E B eylem hatları, Çevre, Ulaşım, Lojistik,
Enformobilite ve Enerji konularında şirket grupları ve
araştırma kurumları arasında ortak projeler için 2008 Toskana
bölgesel çağrısı" kapsamında geliştirilen SR-Secure ulusal
projesinin bir parçasıdır. Uygulama, farklı EURORADIO
katmanlarının, yığın boyunca ortak bir yapıyı koruyan
Uygulama Program Arayüzleri (API) aracılığıyla birlikte
iletişim kurduğu bir yapı taşları mimarisine dayanmaktadır.
Bu da açık ve modüler bir uygulamaya olanak sağlamaktadır.
Ayrıca mimari, Avrupa Elektroteknik Standardizasyon
Komitesi CENELEC tarafından demiryolu kontrol ve koruma
sistemleri için yazılım hakkındaki EN 50128 standardı ile
belirlenen kodlama yazılımı kuralları ve demiryolu endüstrisi
gereklilikleri tarafından belirlenen güvenlik gereklilikleri
dikkate alınarak p r o g r a m l a n m ı ş t ı r [19]. EN 50128
standardı
yazılım
güvenlik
bütünlüğü
seviyelerini
tanımlamakta, hedefler, girdi belgeleri, çıktı belgeleri ve
yazılım gereksinimleri spesifikasyonu, mimari, tasarım ve
uygulama, doğrulama ve testin yanı sıra yazılım/donanım
entegrasyonu, yazılım doğrulama, kalite güvencesi ve bakım
ile ilgili kodlama kurallarını derinlemesine göstermektedir
[20]. Özellikle SIL4 güvenlik seviyesi benimsenmiştir.
Çalışmanın geri kalanı şu şekilde düzenlenmiştir: Bölüm
II'de ERTMS/ETCS sistemleri derinlemesine açıklanırken,
Bölüm III'te EURORADIO protokolü ve Infill işlevi
gösterilmektedir. Bölüm IV'te SR-Secure projesi kapsamında
EURORADIO protokolü için geliştirilen mimari sunulmakta
ve analiz edilmektedir. Son olarak, Bölüm V'te bazı sonuçlar
çıkarılmaktadır.
II. ERTMS/ETCS SİSTEMLERİ
Modern ATP sistemlerinin rolü, trenlerin çarpışmasını
önlemek, sistem güvenliğini artırmak, sürücü hatalarını
düzeltmek için uygun bilgileri sağlayarak tren sürüşünü
desteklemektir. Ayrıca, sirkülasyon koşulları veya güzergah
durumu değiştiğinde ve trenin yavaşlatılması ve/veya
durdurulması gerektiğinde mevcut tren çalışmasını hız
açısından düzeltmeyi amaçlamaktadır. Sağlanan bilgiler,
güzergah koşullarını ve tren sirkülasyonlarını izleyen ve
toplanan verileri gönderen ray kenarı ekipmanları tarafından
elde edilir. Bu ekipmanlar, önceden var olan sinyalizasyon
sistemlerini, tren sirkülasyon yönetimi için önemli
konumlarda güzergah boyunca dağıtılmış bilgi noktaları ile
entegre eder. Hız limitleri, hızlanma hattı eğimi gibi sabit
verileri gönderen sabit bilgi noktaları ve dinamik
sinyalizasyon verilerini ileten değişken bilgi noktaları olarak
ayırt edilebilirler. Tren bu koruma işaretlerinin yakınından
geçerken, tren tabanlı alt sistemi ray kenarı sisteminden telgraf
olarak gönderilen tren sirkülasyonu hakkındaki bilgileri alır.
Genel olarak, sürücüyü tren hızını değiştirmeye hazırlamak ve
ani hız değişikliklerinden kaçınmak için, sürücüyü olası
gerekli değişiklikler konusunda uyarmak amacıyla koruma
bilgi noktasından yaklaşık 1200 m önce bir "uyarı" işareti
daha yerleştirilir, bkz. Böylece, sürücü kırmızı bir koruma
işaretine karşılık olarak uyarı işaretlerini sarı olarak
gördüğünde, treni frenlemek ve durdurmak için uygun bir
yavaşlama eğrisi benimser. Eğer bu profile ve maksimum hıza
uyulmazsa otomatik frenleme sistemi devreye girer. Bununla
birlikte, güzergah koşullarında ani bir değişiklik nedeniyle hız
değişikliğine artık ihtiyaç duyulmuyorsa ve koruma noktası
tekrar yeşil hale gelirse, bu ATP sistemleri sürücünün hız
eğrisini değiştirmesine ve bir öncekine geri dönmesine izin
verecek kadar reaktif değildir. Gerçekten de, tren alt sistemi
bir sonraki bilgi iĢaretine ulaĢılana kadar durumunu
değiĢtiremez. Bu, gerekli olmasa bile sürücünün hızını
azaltmaya devam etmesi gerektiği anlamına gelir, aksi
takdirde otomatik frenleme sistemi treni durdurur ve ancak bir
sonraki bilgi noktasından sonra tekrar hızlanmak mümkündür.
Bu, yavaşlama artık gerekli olmadığında bile, yavaşlama
sürecinin bir sonraki bilgi noktasına kadar uzatılması gerektiği
ve ancak bu işaretten sonra trenin orijinal hızına geri
dönebileceği anlamına gelir. Buna bağlı olarak trenin
çalışması, trafik sirkülasyonunu düzensiz hale getiren ve
optimize edilmeyen bir dur-kalk davranışı ile süreksiz olabilir.
Bu durum güç tüketimini, yolcu konforunu, seyahat süresini
ve gecikmeleri artırarak güç tasarrufunu da etkilemektedir. Bu
nedenle, demiryolu ağı koşullarının değişkenliğine daha
reaktif olan gelişmiş bir sinyalizasyon sistemi gereklidir.
ERTMS/ETCS sistemleri bu ihtiyaçlara cevap vermektedir.
ERTMS, hem süreksiz bilgi alışverişini, bilgi noktalarını
entegre etmeye uygun bazı ekipmanlar ekleyerek hem de tren
yönetimine yardımcı olmak için daha fazla veri sağlayarak
önceden var olan iletişim altyapısını entegre eder. Ayrıca
ERTMS, demiryolları sinyalizasyon sistemine, Avrupa ulusal
sınırları boyunca kesintisiz uluslararası trafik dolaşımına izin
vermek için gerekli birlikte çalışabilirlik seviyesini sunmak
üzere tasarlanmıştır. ERTMS teknik platformu iki ana bileşeni
kapsamaktadır:
•
Avrupa Tren Kontrol Sistemi (ETCS), bir sinyalizasyon
sistemi,
•
tren tabanlı bir bilgisayar olan Eurocab'ın ray kenarı
sistemi tarafından gönderilen bilgileri detaylandırdığı, hız
eğrisini mevcut hız ve konumla karşılaştırdığı ve
gerektiğinde treni yavaşlattığı kabin içi tren kontrolü için
kontrol ve koruma sistemi ve
Mobil iletişim için Küresel Sistem - Demiryolu (GSM-R)
[17], [18], trenler arası iletişim için Avrupa standardıdır.
GSM-R işlevsel özellikleri Avrupa Entegre Radyo
Geliştirilmiş Ağ (EIRENE) projesi [21] tarafından
belirlenmiş ve daha sonra Avrupa'daki Ağlar için
Demiryolu Mobil Radyosu (MORANE) [22] tarafından
onaylanmıştır. GSM-R GSM ağlarına dayanır ve veri,
ses, güvenilir tren sirkülasyonu ile ilgili mesajları
yönetebilir ve ETCS için geniş aralıklı radyo taşıyıcısı
olarak belirlenmiştir. GSM-R'nin Batı Avrupa'daki
yayılımı için Şekil 2'ye bakınız.
Hat Tarafı Elektronik Birimi, Eu- robalises ve Euroloop'u
sinyalizasyon sistemine bağlayan enkoderler.
• ERTMS Seviye 1'de tren yönü bilgisini GSM-R
şebekesine aktarmak için kullanılan Radyo Dolum
Ünitesi (RIU).
• Demiryolu hattı boyunca dağıtılan ray kenarı telsiz
iletişim ekipmanları.
• Radyo Kontrol Bloğu (RBC), kilitleme ve ERTMS'nin
kendisi tarafından alınan verileri dikkate alarak yerleşik
sisteme bilgi gönderen bilgisayar tabanlı bir sistemdir.
• GSM-R iletişimi için anahtarı yapılandıran ve dağıtan
Anahtar Yönetim Merkezi (KMC).
ERTMS üç uygulama seviyesi belirler:
• ERTMS Seviye 1, bkz. Şekil 3, önceden var olan iletişim
sistemini (ERTMS Seviye 0) kullanarak, gerektiğinde
trenin çalışmasını değiştirmek ve/veya treni frenlemek
için ışık sinyallerini kullanarak sürücüye bilgi sağlar.
Ayrıca, bilgi noktaları olarak çalışan endüktif işaretler
(Eurobalise) trenin güzergahı boyunca önemli konumlara
yerleştirilmiştir. Tren alt sistemi olan EVC, kabin
sinyalizasyon bilgilerini tutar ve detaylandırır; trenin
çalışmasını yalnızca bu noktalara uygun olarak,
dolayısıyla süreksiz olarak değiştirebilir. Bu da hız
eğrisinin optimize edilmemesine ve tren sirkülasyonunun
verimli olmamasına neden olmaktadır. ERTMS Seviye
1' e sahip ilk demiryolu hattı 2004 yılında ZaragozaHuesca İspanyol yüksek hızlı demiryolu hattı olmuştur.
•
Şekil 2. GSM-R'nin GSM-R'nin Avrupa'da yayılması (UIC).
Trafik yönetimiyle ilgili üçüncü bir katman olan Avrupa
Trafik Yönetimi Katmanı (ETML), Europtirail pilot projesi
kapsamında
trans-Avrupa
ağının
Kuzey-Güney
koridorunda
(Rotterdam-Milano)
gösterim
aşamasındadır. Operasyon yönetimi seviyesinde, tren
hareketleri ile ilgili verileri kullanarak tren hareketlerini
optimize etmeyi ve gerçek zamanlı tren yönetimi ve rota
planlamasını geliştirmeyi amaçlamaktadır [4].
Gemideki ERTMS komuta/kontrol ekipmanının ana
bileşenleri şunlardır [23]:
•
•
•
•
•
Tren sirkülasyonu ve hareket otoritesi hakkındaki
bilgileri detaylandıran, araç içi bilgisayar tabanlı sistem,
Avrupa Hayati Bilgisayarı (EVC).
ERTMS tren sistemi ile Radyo Kontrol Bloğu (RBC)
arasındaki çift yönlü telsiz iletişimi için GSM-R mobil
ünitesi.
EVC'ye trenin konumu, hızı ve sürüş yönü hakkında bilgi
sağlayan odometri.
Sürücüyü EVC ile arayüzleyen ve tren devresi için hayati
bilgileri görüntüleyen Sürücü Makine Arayüzü.
Eurobalis
ve
Euroloop'tan
(işlevleri
aşağıda
açıklanacaktır) bilgi alan Balise İletim Modülü ve Tren
iletim Modülü.
Demiryolu kenarı ERTMS komuta/kontrol ekipmanının ana
bileşenleri şunlardır:
•
•
Eurobalise, dağıtılmış işaretler.
Euroloop.
Şekil 3. ERTMS Seviye 1. ERTMS Seviye 1.
•
ERTMS Seviye 2 [10], bkz. Şekil 4 ve ERTMS Seviye 3,
bkz. Şekil 5, ray kenarı sistemleri tarafından gönderilen
bilgileri toplayan, tren hareketlerini izleyen ve bir GSMR bağlantısı kullanarak trene sürekli olarak tren
pozisyonları ve yönleri, ilerleme veya durma izni
hakkında bilgi gönderen bir Radyo Blok Merkezine
(RBC) dayanan dijital radyo tabanlı sinyalizasyon
sistemleridir. Bu veriler kabinde görüntülenir. Bu
mimaride pasif işaretçiler, mesafe ölçüm hatalarını
düzeltmek için konum tren sensörleri olarak
kullanılabilir. Ayrıca, sürekli bir bilgi alışverişini garanti
etmek için Baz Alıcı-Verici İstasyonlarına (BTS) ve
akslar, burçlar ve frenler için bazı sıcaklık sensörlerine
ihtiyaç vardır.
Özellikle ERTMS Seviye 3 sadece radyo sinyallerine
dayanmaktadır.
Şekil 4. ERTMS Seviye 2. ERTMS Seviye 2.
Şekil 6. ERTMS Seviye 2'nin 2009'da Avrupa'da ERTMS Seviye 2'nin
yaygınlaşması.
Şekil 5. ERTMS Seviye 3. ERTMS Seviye 3.
iletişim kurar, arka uç konumunu g ö n d e r e r e k
sirkülasyonun optimizasyonunu kolaylaştırır ve yol
kenarı ekipmanını azaltır, bkz. Şekil 5.
ERTMS Seviye 2'ye sahip ilk demiryolu hattı 2005
yılında Roma-Napoli yüksek hızlı demiryolu hattı
olmuştur.
Şu anda ERTMS Seviye 2 Avrupa'da yaygınlaşmaktadır,
bkz. Şekil 6 ve Güney Kore, Tayvan, Avustralya ve aynı
zamanda Cezayir, Suudi Arabistan, Türkiye ve Libya'da
olduğu gibi dünya çapında birçok ERTMS ticari projesi
devam etmektedir. Ayrıca Orta ve Doğu Avrupa arasındaki
uzun vadeli entegrasyon ile Asya ve Orta Avrupa koridorları
için de düşünülmektedir [23].
ERTMS, GSM-R gibi açık bir iletişim ağına dayalı güvenli
bir alt sistem iletişimine izin veren EU- RORADIO [16] adlı
güvenli bir iletişim protokolü tanımlamıştır. EURORADIO,
Bölüm III'te ve makalenin konusu olan bu protokolün
uygulanmasının sunulduğu Bölüm IV'te derinlemesine analiz
edilecektir.
A. Dolgu işlevi
EURORADIO, mevcut ATP'nin hızlı bir hız yönetimi ile
ilgili gösterilen sınırlarının üstesinden g e l m e k
i ç i n , güzergah koşulları daha da değiştiğinde ve bir tren
yavaşlaması artık gerekli olmadığında erken serbest bırakma
için RadioInfill adlı başka bir işlevin uygulanmasını
beklemektedir, bkz. Şekil 7. Bu, bir sinyalizasyon sistemi için
anahtar çözümdür.
Şekil 7. EURORADIO EURORADIO RadioInfill işlevi.
tren sirkülasyon koşullarındaki değişikliklere karşı reaktiftir.
Infill işlevinin mevcut uygulamaları, önceden var olan
sinyalizasyon sistemlerine veya ray kenarı sisteminin özel
bileşenlerine dayanmaktadır. SCMT, Infill sinyalini, İtalyan
Blocco elettrico Automatico a Correnti Codificate (BACC)
frenleme sistemi gibi çarpışma önleme sistemi tarafından
kullanılan ray devresi üzerinden kodlanmış elektrik sinyali
olarak gönderir. Bu çözüm, bir kilitleme sistemi arayüzüne ve
komşu trenler arasında bir girişim yönetimine ihtiyaç duyar.
ERTMS Seviye 1'de bir döngü olan Euroloop tanıtılmıştır.
Raya paraleldir ve bilgi noktası tarafından gönderilen aynı
telgrafın iletildiği ray kenarından araç içine tek yönlü yarı
sürekli iletim için kullanılır, bkz. Şekil 8. Bu, kabin
sinyalizasyonunu neredeyse sürekli hale getirir, ancak bilgi
noktası yapısının değiştirilmesini ve tren alt sistemine uygun
sensörlerin eklenmesini gerektirir. Ayrıca SCMT ile aynı
parazit sorunlarına sahiptir.
III. EURORADIO PROTOKOLÜ
Bu bölümde Euroradio protokolünün genel bir tanımı
verilmektedir. Protokolün yapısının ve mesaj el sıkışmasının
daha derin bir açıklaması, bu protokolü uygulamamızın
sunulduğu Bölüm IV'te gösterileceğinden, mimari yönleriyle
sınırlıdır.
Şekil 8. Euroloop.
EURORADIO protokolü, çeşitli kurumlar tarafından
sağlanan norma- tif referanslar koleksiyonu ile tanımlanmıştır.
A. EURORADIO genel mimarisi
ERTMS/ETCS sisteminin genel mimarisi, açık iletim
sistemleri kullanan emniyetle ilgili sistemler için referans
mimariyi tanımlayan "Demiryolu uygulamaları - İletişim,
sinyalizasyon ve işleme sistemleri - Sinyalizasyon için
emniyetle ilgili elektronik sistemler" hakkındaki EN 50159-2
Direktifinde [24] gösterilen modelden türetilmiştir. Bu modele
uygun olarak tasarlanan bir emniyet sistemi, uygulama
süreçleri tarafından Radyo İletişim Sistemi (RCS) hizmetlerini
kullanan uzak uygulama süreçleri ile emniyetle ilgili ve
emniyetle ilgili olmayan bilgi alışverişi için kullanılabilir.
Şekil 10. EURORADIO sisteminin referans mimarisi. EURORADIO sisteminin
referans mimarisi.
B. EURORADIO arayüzleri ve seviyesi
Şekil 9. EURORADIO'nun EURORADIO'nun radyo iletişim sisteminin
yapısı.
RCS, EN 50129 tarafından belirlenen ve Şekil 9'da
gösterilen Açık Ağ (kamuya veya demiryoluna ait) ile birlikte
Açık İletim Sisteminin bir parçasıdır. EURORADIO, emniyet
iletişim protokolü olarak RCS'n i n bu mimarisi ile
uyumludur ve bu Şekilde sadece ağ arayüzünde talep edilen
hizmet özelliklerini kapsamaktadır. RCS sırası geldiğinde
bileşenleri de kapsar:
• Güvenlik Fonksiyonel Modülü (SFM), güvenlikle ilgili
iletim sisteminin fonksiyonlarını sağlar.
• GSM-R
PLMN'nin devre anahtarlamalı taşıyıcı
hizmetlerine dayalı iletişim sisteminin işlevlerini
sağlayan İletişim Fonksiyonel Modülü (CFM).
EURORADIO protokol seviyesi, arayüzler aracılığıyla
komşu sıkıcı seviyelerle iletişim kurar.
Şekil 10'a bakıldığında en düşük seviyeli arayüz RCS ile
seçilen iletim ortamı arasındadır ve kullanıcı verilerinin
aktarımı için bir kullanıcı düzlemi ile bağlantı yönetimi için
bir kontrol düzleminden oluşur. Bu arayüz d a h a sonra üç
farklı alt modüle ayrılır: yerleşik GSM PLMN- Arayüzü, Şekil
10'daki arayüz 1a'ya bakınız; RCS ile mobil sonlandırma
(MT) arasındaki yerleşik arayüz 1c ve sabit ağlara (yol kenarı)
giden arayüz 1b.
Arayüz 3 güvenli uygulamalar (örn. ATP/ATC) ve SFM
(güvenlik katmanı) arasında bir hizmet arayüzüdür. Arayüz 2
güvenli olmayan uygulamalar veya destek uygulamaları ile
İletişim Fonksiyonel Modülü arasında isteğe bağlı bir hizmet
arayüzüdür. Bu seçenek ETCS seviye 1 radyo dolum ünitesi
için gerekli değildir. Bu hizmet arayüzlerinin her ikisi de
birlikte çalışabilirlik için zorunlu değildir ve sadece işlevsel
bir tanım sağlanmıştır.
İletişim Fonksiyonel modülünün koordinasyon işlevi OSI
katmanları 4 (taşıma katmanı), 3 (ağ katmanı) ve 2'yi (veri
bağlantı katmanı) kapsar. Veri bağlantı katmanında GSM-R
modemleri ve sabit ağları idare edebilir ve ağ katmanında
yönlendirme gerçekleştirir. Taşıma katmanında, uzak
varlıklarla birlikte çalışabilirliği de sağlayan X.224 protokolü
kullanılır. SFM tarafından sağlanan güvenli hizmetlere
SaSAP'ta karşılık gelen parametreleriyle birlikte güvenli
hizmet ilkelleri aracılığıyla erişilir. Güvenli hizmet ilkelleri,
bağlantı modu hizmeti için X.224'te tanımlanan hizmet
ilkellerine benzer. Güvenlik katmanı kullanıcısı v e
g ü v e n l i k k a t m a n ı arasındaki hizmet arayüzü birlikte
çalışabilirlik için zorunlu değildir. Güvenli hizmetler sağlayan
Güvenli İşlevsel Modüle giden/gelen veri akışlarını verir.
Aşağıda, güvenli hizmet kullanıcıları SaS kullanıcısı
tarafından belirlenecektir. SaS kullanıcısı SaS sağlayıcısı ile
veri alışverişinde bulunur. Güvenlik hizmetleri güvenli
bağlantı seti sağlar-
ve bağlantı ömrü boyunca güvenli veri aktarımı. Güvenli veri
aktarımı veri bütünlüğü ve veri doğruluğu sağlar. SFM,
güvenlik katmanında meydana gelen hataları raporlar ve alt
katmanlardan gelen hata göstergelerini aktarır.
IV. MIMARLIK
A. Yazılım mimarisi
EURORADIO spesifikasyonu, birbirleriyle iletişim kuran
farklı yazılım katmanlarından oluşan bir yığın aracılığıyla
uygulanabilen farklı katmanlardan oluşur.
EURORADIO yazılım yığını Şekil 11'de gösterilmektedir.
Çekirdek
EVC
Uygulama Veri Tabanı
Şekil 12. EURORADIO iletişim hizmeti modeli.
Oturum
Katman
Alt Küme
037
PTB
EURORADIO Güvenli
L4 - Nakliye (X.224)
GSM 07.07
L2 - Veri
L3 - Ağ
Bağlantısı
GSM 04.04
HW GSM-R
Şekil 11. EURORADIO gelişmiş katmanları.
1
void SaApiRun(void);
Çalışması için her görev döngüsünde çağrılması
gerekir: mesajları Safe'den Transport katmanına ve
geri taşır;
bool t SaApiPutMsg(uint8 t msg);
uygulamanın Güvenli katman tarafından işlenmek
üzere bir SDU'yu sıraya almasını sağlar; sıra doluysa
false döndürür;
uint32 t SaApiGetNumMsg(void);
uygulama için kullanılabilir Güvenli katmanda
kuyruğa alınan mesaj sayısını döndürür;
bool t SaApiGetMsg(uint8 t msg);
kuyrukta bulunan bir sonraki mesajı okumayı sağlar;
mesaj yoksa false döndürür.
SaApiRun(void) davranışı aşağıdaki sözde kod ile iyi bir
şekilde gösterilmiştir:
Katmanlar, aşağıdakilerle başlayan bir işlevsellik hiyerarşisi
oluşturur
void SaApiRun(void) {
fiziksel donanım bileşenlerini (Modem GSM-R) 3
SaTrMsgs = SaTrGetNumMsgs();
yazılım uygulaması düzeyinde kullanıcı arayüzleri (Radyowhile ( SaTrMsgs > 0 ){
SaTrGetMsg(msg)
Dolum
5
TrApiPutMsg(msg)
Uygulama).
SaTrMsgs--;
Her katman bir üstteki katmandan bilgi alır,
7
}
işler ve bunu bir alt katmana aktarır. Her katman şunları ekler
TrApiRun();
kendi kapsülleme bilgisini (başlık) gelen 9
TrSaMsgs = TrApiGetNumMsg();
while ( TrSaMsgs > 0 )
bilgi alt katmana aktarılmadan önce.
11 TrApiGetMsg(msg)
Uygulama seviyesi bir Radyo-Dolum mesajı göndermek istediğinde {
SaPutTrMsg(msg)
başka bir uzak varlığa bir Güvenli Protokol Veri Birimi hazırlar 13
TrSaMsgs--;
(SaPDU) ve bunu bir Güvenli Yazılım Veri Birimi içinde gönderir }
(SaSDU) bitişik alt seviyeye gönderir. EURORADIO 15 seviyesi }
bu mesajı işler ve ardından bunu Taşıma Katmanına gönderir.
Aynı zamanda Güvenlik Katmanı da alt seviyeden gelen
mesajları işler ve sonuçları bağlı uygulamaya geri iletir.
Mesajın biçimi, katmana gönderilen ilkele bağlı olarak
Bu süreç Şekil 12'de gösterilmektedir.
değişir. Güvenli Katman aşağıdaki ilkelleri kabul edebilir: SaGüvenli katman API'si aşağıdaki arayüzlerden oluşur: void
CONNECT.request,
Sa-CONNECT.indication,
SaSaApiInit(const SaInit t* init);
CONNECT.response,
Sa-CONNECT.confirmation,
Sazamanlayıcıdan aşağıdaki işlemleri yapmasını
DATA.request, Sa-DATA.indication, Sa-DATA.confirmation,
istemeden önce çağrılmalıdır
Sa-HP-DATA.request,
Sa-HP-DATA.confirmation,
Saveri yapılarını başlatın;
DISCONNECT.request, Sa-DISCONNECT.indication and
3
5
7
9
11
13
15
17
typedef struct _Sa_CONN_req_MSG {
uint8_t MsgID;
/ / mesaj t y p e Id .
uint8_t AddressType; / / Ağ a d r e s i veya Cep telefonu
.
uint8_t Adres[ADDRESS_SIZE];
uint8_t CalledETCSIDType;
uint8_t
CalledETCSID[ETCSID_SIZE];
uint8_t CallingETCSIDType;
uint8_t
CallingETCSID[ETCSID_SIZE]
uint8_t ApplicationType;
uint8_t QoS;
/ / !< QoS l e v e l
} Sa_CONN_req_MSG_t;
typedef struct _Sa_DATA_req_MSG {
uint8_t MsgID;
/ / mesaj t y p e Id .
uint8_t SaCEPID; / / S a f e t y l a y e r B a ğ l a n t ı s ı I d
entifir.
uint8_t UserDataSize[2];
uint8_t UserData[MAX_AppPDU_SIZE];
} Sa_DATA_req_MSG_t;
Aktarım katmanı, henüz kurulmamışsa Ağ katmanına bir
Bağlantı-İstek TDPU's u göndererek bir aktarım bağlantısı
kurar. Bağlantı kurulduğunda, DT-TPDU içinde kapsüllenmiş
SaPDU'yu yayabilir. Her TPDU, Ağ katmanına bir Taşıma
Hizmeti Veri Birimi (TSDU) kullanılarak gönderilir. Ayrıca
taşıma katmanı, altta yatan Ağ katmanından gelen TSDU'yu
alır. Aktarım Katmanı API'si aşağıdaki fonksiyonlardan
oluşur: Güvenli katman API'si aşağıdaki arayüzlerden oluşur:
TrApiInit, TrApiRun, TrApiPutMsg, TrApiGetNumMsg ve
TrApiGetMsg. Bunların işlevleri Güvenli katman API'si
tarafından sağlanan işlevlere benzer.
Ağ katmanının genellikle sadece iki işlevi vardır:
•
•
GSM-07.07 katmanı için modem API arayüzünü
kullanarak modemi açar/kapatır;
D-Link Katmanına/katmanından NPDU gönderir/alır.
Ağ katmanı API'si aşağıdaki ara yüzlerden oluşur:
NwApiInit,
NwApiRun,
NwApiPutMsg,
NwApiGetNumMsg ve NwApiGetMsg. Bunların işlevleri Güvenli
katman API'si tarafından sağlanan işlevlere benzer.
Veri Bağlantısı katmanı API'si aşağıdaki ara yüzleri dışa
aktarır: DLApiInit, DLApiRun, DLApiPutMsg, DLApiGetNumMsg ve DLApiGetMsg. Bunların işlevleri Güvenli
katman API'si tarafından sağlanan işlevlere benzer.
GSM modem API'si aşağıdaki arayüzleri dışa aktarır:
GSMApiInit, GSMApiPutMsg, GSMApiGet- NumMsg,
GSMApiGetMsg,
GSMModemApiRun,
GSMModemApiPutMsg,
GSMModemApiGetNumMsg,
GSMModemApiGetMsg. GSMApi i ş l e v l e r i GSM
katmanına/katmanından veri aktarmak için kullanılırken,
GSMModemApi işlevleri doğrudan bağlı GSM-R modem ile
etkileşime girer.
EURORADIO yazılımı açık kaynak araçları kullanılarak
geliştirilmiştir ve farklı platformlar arasında taşınabilirliği
sağlamak için Windows, Linux ve FreeBSD gibi farklı İşletim
Sistemleri altında derlenmiştir.
Yazılım, demiryolları ortamı için güvenliği sağlamayı
amaçlayan tasarım ve programlama kurallarını takip
etmektedir: özellikle CEI EN 50128 takip edilmiştir ve
benimsenen Güvenlik Bütünlüğü Seviyesi SIL4' t ü r .
C. Test
Her bir yazılım katmanı hem bilgisayar tabanlı bir simülatör
hem de üretimde kullanılan gerçek bir gömülü sistem
kullanılarak test edilmiştir.
Her bir yazılım katmanı izole olarak test edilmiştir, bkz.
Şekil 13 ve diğer katmanlarla birlikte test edilmiştir, bkz. Şekil
14.
Simülatör
1
B. Uygulama notları
Uyaranlar SaKullanıcı
SDU kontrolü
EURORADI O
Güvenlik Katmanı
Uyaranlar L4
SDU kontrolü
Şekil 13. Tek bir katmanın testi.
Bu testler, uygulanan protokolleri doğrulamıştır.
Uyaranlar SaKullanıcı
SDU kontrolü
EURORADIO Güvenlik Katmanı
Simülatör
Sa-REPORT.indication.
Her bir ilkel farklı bilgi alanlarından oluşur. Örneğin SACONNECT.request ve Sa-DATA.request aşağıdaki gibi
tanımlanmıştır:
L4 - Nakliye (X.224)
L3 - Ağ
Uyaranlar L2
SDU kontrolü
Şekil 14. Çoklu katman testi. Çoklu katmanların testi.
V. SONUÇLAR
Avrupa Demiryolu Trafik Yönetim Sistemi/Avrupa Tren
Kontrol Sistemi (ERTMS/ETCS), Avrupa Birliği tarafından
birlikte çalışabilir sinyalizasyon sistemleri için referans olarak
belirlenmiştir.
Uluslararası
trenlerin
ulusal
kabin
sinyalizasyon sistemleri ve/veya sürücülerle donatılmış
lokomotifleri değiştirmeden ulusal sınırları geçmesine izin
vermeyi amaçlamaktadır. ERTMS, Otomatik Sinyalizasyon
Sisteminin gelişmiş bir versiyonudur.
Tren koruma sistemi ve güvenli ve optimize edilmiş
demiryolu trafik yönetimi, sürücü hatalarının giderilmesi ile
ilgilenir. Ayrıca, GSM-R gibi açık bir iletişim ağına dayanan
güvenli bir iletişim protokolü olan Euroradio'yu tanımlar.
Euroradio, ray kenarı ve tren üstü ekipmanlar arasında
trenlerin dolaşımı hakkında güvenli bir şekilde veri alışverişi
yapmak için kullanılır.
Bu makalede, SR-Secure İtalyan projesi için tasarlanan
ERTMS/ETCS Seviye 2 sistemleri için Euroradio
protokolünün
yazılım
uygulaması
gösterilmektedir.
Uygulama, farklı Euroradio katmanlarının Uygulama
Programlama Arayüzleri (API) aracılığıyla iletişim kurduğu
bir yapı taşı mimarisine dayanmaktadır. CEI EN 50128
standardında demiryolu kontrol ve koruma sistemleri için
yazılım konusunda belirtilen kodlama yazılımı kuralları ve
demiryolu endüstrisi gereksinimleri benimsenmiştir.
REFERANSLAR
[1] "Euroradio European Union," http://europa.eu/legislation summaries/
transport/rail transport/l24458 en.htm.
[2] "Avrupa Demiryolu Ajansı," http://www.era.europa.eu/Pages/Home.
aspx.
[3] "Avrupa Birliği ERTMS 10 soru," http://ec.europa.eu//transport/
rail/interoperability/ertms/doc/ertms 10 questions en.pdf.
[4] "ERTMS UIC," http://uic.org/spip.php?article381.
[5] "ERTMS ekonomik grubu," http://www.ertms.be/new/.
[6] A. Jarasuiniene, "General description of european railway traffic management (ertms) system and strategy of ertms implementation in various
r a i l w a y managements," Transport Telecomm., vol. 6, no. 5, pp. 21127, 2005.
[7] F. Senesi ve E. Marzilli, Avrupa Tren Kontrol Sistemi - İtalya'da
Geliştirme ve Uygulama. CIFI - İtalyan Demiryolu Mühendisleri Koleji,
Temmuz 2007, cilt Birinci Baskı.
[8] F. Flammini, "Yüksek hız ferroviaria i ç i n kontrol sistemi,"
Mondo Digitale, no. 4, ss. 18-32, 2010.
[9] I. Korpanec, "Major projects of european railway research," Japan
Railway and Transport Review, s. 16-21, Mart 1996.
[10] E. Marzilli, F. Senesi, D. Caronti, N. Filippini, R. Malangone, U. Foschi,
M. Ciaffi, ve M. Frandi, "ERTMS/ETCS seviye 2 yüksek hızlı/yüksek
kapasiteli hat RAMS ve performans parametreleri hakkında geri
bildirim: İtalya'da iki yıllık ticari hizmet sonrası deneyim ve yeni
HS/HC İtalyan hatlarının özellikleri," WCRR, UIC, Ed., Seul, Kore,
Mayıs 2008.
[11] "Directive
DC
96/48/ec,"
http://eur-lex.europa.eu/LexUriServ/
LexUriServ.do?uri=CELEX:31996L0048:it:HTML.
[12] "Directive DC 2001/16/ec," http://eur-lex.europa.eu/smartapi/cgi/ sga
doc?smartapi!celexplus!prod!DocNumber&lg=en&type doc=
Directive&an doc=2001&nu doc=16.
[13] "ERTMS wikipedia." [Çevrimiçi]. Mevcut: \url{http://it.wikipedia.org/
wiki/ERTMS}
[14] "SCMT
RFI,"
http://www.rfi.it/cms/v/index.jsp?vgnextoid=
7c908c3e13e0a110VgnVCM10000080a3e90aRCRD.
[15] "SCC
RFI,"
http://www.rfi.it/cms/v/index.jsp?vgnextoid=
e3908c3e13e0a110VgnVCM10000080a3e90aRCRD.
[16] S.-. ERTMS/ETCS, "Subset-037 ERTMS/ETCS - class 1 euroradio
functional interface specifications," www.era.europa.eu, UNISIG,
Temmuz 2005.
[17] "GSM-R
RFI,"
http://www.rfi.it/cms/v/index.jsp?vgnextoid=
07b08c3e13e0a110VgnVCM10000080a3e90aRCRD.
[18] C. 2006/679/EC sayılı Karar, "Avrupa konvansiyonel demiryolu
sisteminin kontrol-komuta ve sinyalizasyon alt sistemine ilişkin birlikte
çalışabilirlik için teknik özellikler," Avrupa Birliği Resmi Gazetesi,
Mart 2006.
[19] "EN
50128,"
http://www.cenelec.eu/dyn/www/f?p=104:110:
2912039195125329::::FSP PROJECT,FSP LANG ID:20508,25.
[20] "EN 50128 Indutrial."
[21] "GSM EIRENE UIC," http://www.uic.org/spip.php?article676.
[22] "GSM-R Endüstri Grubu," http://www.gsm-rail.com/technology.
[23] S. Abed, "European railway traffic management - an overview," Iraq J.
Electric Electronic Enginnering, vol. 6, no. 2, pp. 172-179, 2010.
[24] "EN
50129-2,"
http://www.cenelec.eu/dyn/www/f?p=104:110:
1199452564785258::::FSP PROJECT,FSP LANG ID:13550,25.