(Bild: SuperCubePL)
Erschienen in: E&E Mai 2011, S. 51
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Zügig informieren

Ob Informationen zur nächsten Verbindung, Bilder von Sicherheitskameras oder Daten zur Ferndiagnose – der Informationsbedarf bei Zügen ist groß. Immer häufiger sorgen WLAN-Anwendungen für die sichere und schnelle Übertragung der Daten. Sogar ganze Züge lassen sich heute schon über WLAN steuern. * Olaf Meier, freier Autor für E&E

Nächste Station: Luz. Die Metro Richtung Jabaquara verspätet sich um 5 Minuten“. So oder so ähnlich werden die Passagiere der Linie 7 in Sao Paulo vor dem Eintreffen im Bahnhof über ihre Anschlüsse informiert. Auch falls unerwartete Ereignisse den Fahrplan des Vorortzuges der CPTM (Companhia Paulista de Trens Metropolitanos) durcheinander bringen, werden sie auf dem Laufenden gehalten. Die Daten dazu erhält der Zug per WLAN: Jede der 17 Stationen auf der Strecke ist dazu mit Access Points ausgestattet. Fährt der Zug in einen Bahnhof ein, wird automatisch eine WLAN-Verbindung etabliert und Daten aus dem stationären Netz des Bahnhofs an den Zug übertragen. Mit einem derartigen System können nicht nur Passagierinformationen übermittelt werden, sondern auch Statusinformationen des Zuges oder Videos zum Beispiel aus dem Fahrgastraum. „WLAN bietet dabei den Vorteil, dass die Daten innerhalb des Netzwerks der Bahngesellschaft bleiben“, erklärt Lars Jaeger, Business Development Manager bei Moxa. Sein Unternehmen hat die Wagen der Linien 7, 9 und 12 der CPTM mit WLAN-Technologie ausgerüstet. „Man ist also nicht wie zum Beispiel bei 2G oder 3G auf fremde Dienste von Mobilfunkanbietern oder externe Basisstation angewiesen, für die dann auch noch Zusatzkosten anfallen. Zudem kann man mit den heute genutzten a/b/g-Standards Nettodatenraten von bis zu 20 MBit/s erzielen.“ Diese hohen Datenraten sind insbesondere Voraussetzung für die On-Board-Videoüberwachung. Mit Mobilfunkanwendungen wären im Upload dagegen gerade einmal 360 bis 380 kBit/s, im Download zwischen 1 und 7 MBit/s möglich – sofern 3G zur Verfügung steht.

Verfügbarkeit oberste Priorität

Immer mehr Bahn-Betreiber rüsten daher ihre Nahverkehrszüge mit WLAN aus. Dabei werden auch immer mehr sicherheitsrelevante Daten übertragen: In Sao Paulo stellt WLAN eine wichtige Komponente des automatischen Zugbetriebes (Automatic Train Operation) und der automatischen Zugbeeinflussung (Automatic Train Control) dar. Über die Funkverbindung werden zum Beispiel Daten übermittelt, ob der Bahnhof frei ist oder sich die Abfahrt eines vorausfahrenden Zuges verzögert. Durch derartige Systeme konnte CPTM die Abstände zwischen zwei Zügen auf der Linie 7 von bisher neuen Minuten auf drei reduzieren. In einem derart sicherheitsrelevanten Bereich ist eine kontinuierliche Verfügbarkeit des Netzes unabdingbar. „Eine hohe Verfügbarkeit wird in modernen Netzwerken mit Hilfe redundanter Systeme sicher gestellt“, so Jaeger. Dabei bedeutet Redundanz für ihn nicht nur, Geräte in doppelter Ausführung aufzubauen, sondern gegebenenfalls auch zwei Übertragungsmedien einzusetzen.

Redundant gefunkt

Das in Sao Paulo eingesetzte WLAN-System funkt daher die Informationen gleich auf zwei Frequenz-Bändern: Auf 2,4 GHz und auf 5 GHz. „Unser System arbeitet mit zwei RF-Karten“, erklärt Lars Jaeger. „Diese beiden RF-Karten schicken parallel die gleichen Paketinformationen auf zwei verschiedenen Frequenzen.“ Kommt das erste Paket ohne Probleme an, wird es weitergeleitet und die Information des zweiten verworfen, ansonsten wird das zweite Paket weitergeleitet. „Wir haben damit ein aktives Redundanz-System, das nicht einfach reagiert, sondern von vorneherein Paketverluste auf Grund einer Interferenz ausschließt“, so Jaeger. Und Interferenzen sind im 2,4 GHz-Band bei Anwendungen in Bahnhöfen und Zügen eine Herausforderung, wie der Business-Development-Manager betont: Consumer- und viele Industrie-Applikationen laufen meist auf 2,4 GHz, die vom Zug beim Beschleunigen erzeugten elektromagnetischen Felder liegen in diesem Frequenzbereich, Hochspannungsentladungen können stören oder auch Schlechtwetterlagen. Der 5 GHz-Bereich bietet daher eine gute Ausweichmöglichkeit. Um auch bei ein- oder ausfahrenden Zügen eine optimale Verbindung zu gewährleisten, werden Bahnhöfe üblicherweise im Abstand von 200 bis 400 Metern mit mehreren Access-Points ausgestattet. Der Zug „springt“ dann von einem Access-Point zum nächsten. Entsprechend wichtig ist die Leistungsfähigkeit bei diesem Roaming: Ein Übergabezeit von mehreren Sekunden, wie Consumer-Geräte hierfür üblicherweise benötigen, sind bei Bahnanwendungen nicht akzeptabel. „Viele Bereiche erwarten hier Roaming-Zeiten von 50 bis 100 Millisekunden“, so Jaeger. Der in Sao Paulo eingesetzte Wireless AP/Bridge/Client AWK-5222 schafft in Verbindung mit einem Wireless-Access-Controller von Moxa sogar Roaming-Zeiten von unter 50 ms.

Hohe Anforderungen

Um im Bahnverkehr eingesetzt werden zu können, müssen die Geräte hohe Anforderungen insbesondere an Vibrationen, Elektromagnetische Verträglichkeit und Temperatur erfüllen, wie Jaeger betont: „Diese Anforderungen sind deutlich höher, als die für den Industrie-Bereich geltenden, die ja wiederum schon deutlich höher sind als für den Consumer-Bereich.“ Es müssen jedoch nicht nur diese in den Bahnnormen EN50155 und EN50121 geregelten Grenzwerte eingehalten werden, sondern auch hohe Sicherheitsstandards wie sie durch zum Beispiel WPA2 und IEEE 802.1x-Authentifizierung erreicht werden. Des Weiteren erwartet der Nutzer eine stabile Verfügbarkeit bei gleichmäßig hoher Datenrate. Jaeger: „Das dafür erforderliche Produktdesign fängt sicherlich mit dem passenden Gehäuse an – Stichwort Faradayscher Käfig. Typisch sind auch magnetisch und elektrisch isolierte Platinen und darauf montierte industrietaugliche Komponenten. Sämtliche Steckverbindungen müssen starke Vibrationen aushalten. Und Temperatur ist ein großes Thema: So ein Gerät muss auch dann noch hochfahren, wenn es draußen minus 40° C sind.“

WLAN-Anwendungen nehmen zu

Dabei sind Funk-Anwendungen bei der Bahn nicht wirklich etwas Neues, wie Jaeger zugibt: „Allerdings wurden bisher doch immer sehr stark proprietäre Lösungen eingesetzt, also von Systemintegratoren in Auftrag gegebene vergleichsweise teure Box-Lösungen. Doch der gesamte Bahnmarkt verändert sich: Es wird immer mehr standardisiert, um die Kosten zu reduzieren, und es wird immer häufiger das Ethernet statt proprietärer Lösungen bevorzugt.“ Standardisierte WLAN-Systeme ermöglichen nicht nur deutlich geringere System-Kosten, sondern reduzieren auch den Aufwand für Inbetriebnahme und Instandhaltung. „Das Vertrauen in WLAN ist gestiegen, die Lösungen sind reifer geworden und man kann heute zuverlässigere Systeme bauen als vielleicht noch vor zehn Jahren“, so Jaeger. „Wir sehen zunehmend Installationen, bei denen die Metros komplett, also auch entlang der gesamten Bahntrasse, mit Access-Points ausgestattet sind.“ Damit ist dann zum Beispiel auch eine permanente Ferndiagnose möglich – oder sogar der vollständig automatisierte Betrieb des Zuges, ganz ohne Zugführer.☐

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