Грядет новое поколение бортовых компьютеров для городского общественного транспорта

Грядет новое поколение бортовых компьютеров для городского общественного транспорта

Новые требования к транспортным средствам общественного транспорта, в частности, городского общественного транспорта, требуют дальнейшего изменения концепции взаимодействия с транспортными средствами. Для этого необходимо приблизить комплектацию транспортного средства к стандартной компьютерной среде. Новые требования, предъявляемые к транспортному средству, связанные, в частности, с современными системами регистрации, сбором данных с транспортного средства, быстрой передачей данных в/из окружения транспортного средства и новыми функциями для передачи видеосвязи и записей с камер, требуют изменить текущую комплектацию. Чтобы соответствовать этим требованиям и систематически развивать системы, необходимо разработать бортовые компьютеры нового поколения, которые будут выполнять все вышеперечисленные функции. Чтобы иметь возможность реализовать новые требования к бортовой технике транспортного средства, была создана система EPIS 4.0C, содержащая множество дополнительных функций.

Новая концепция распределения данных транспортного средства

На выставке Czechbus в 2016 году нами была прочитана лекция о том, как исторически постепенно осуществлялись изменения касательно участия информационных систем в транспортных средствах (ссылка https://www.herman.cz/cs/produkty/clanky-2/clanky/komunikacni-systemy), в которой запечатлена тогдашняя ситуация. За один год существенно увеличились требования к передаче данных от перевозчиков, например, в отношении данных о регистрации пассажиров (к примеру, база данных фотографий объемом в несколько Гб), передача различных журнальных данных (например, событий на CAN шине транспортного средства) и записей с транспортных средств (тахографы), доступ пассажиров к общественному Интернету с целью повышения привлекательности общественного транспорта, онлайн-рекламы или прямых трансляций новостей (транспортные средства напрямую подключены к новостным серверам).

В настоящее время проводится много тендеров на новую систему информатики транспортного средства и особенно на бортовой компьютер управления. Его выбор повлияет на дальнейшее развитие сервиса в транспортных средствах как минимум на ближайшие 10 лет. Поэтому необходимо выбирать решения для транспортных средств с точки зрения компьютерных сетей, особенно, если мы хотим использовать все возможности современных технологий.

Рис.1: Будущая комплектация бортовой системы в транспортных средствах общественного транспорта.

Рис.1: Будущая комплектация бортовой системы в транспортных средствах общественного транспорта.

Принципиальная схема новой системы, отражающая новейшие требования, показана на Рис. 1. Впервые в транспортные средства общественного транспорта входит шина объёмом 1 Гбит/с, которую мы знаем только по фиксированным распределительным системам в зданиях. Почему это необходимо? Все мы знаем стандартные компьютерные линии 100 Мбит/с. Однако мало кому известно, что такой быстрый Ethernet (100 Мбит / с), благодаря методу согласования на шине, фактически достигает только 30% от эффективной скорости связи, то есть фактическая скорость связи между устройствами составляет около 30 Мбит/с. Такая скорость уже является недостаточной для реально быстрой передачи данных, поэтому возможны случаи перегрузки (потери) связи.

Причины, по которым это происходит, просты – теперь в депо требуется Wi-Fi, соответствующий стандарту IEEE 802.11 ac, обеспечивающий скорость передачи данных 1 Гбит / с, или даже большую, через радио-интерфейс. Следовательно, если связь Wi-Fi должна работать осмысленно и использовать эти скорости, необходимо иметь в транспортном средстве подходящие средства, способные передавать этот поток данных по транспортному средству – то есть ethernet 1 Гбит/с (например, более ранние стандарты Wi-Fi позволяли реальную передачу данных со скоростью до 27 Мбит/с по протоколу UDP, что в действительности составляет около 8 Мбит/с между сервером депо и бортовым компьютером, “задержанные”или “отложенные” изображения при движении задним ходом или «прокрутке» пантографа, которые теперь могут отображаться на ЖК-терминале водителя. Если изображения с камер должны быть высокого качества и отображаться для водителя с задержкой 100-200 мс и с достаточным разрешением, то могут возникать пакетные потоки данных до 25 Мбит/с (имитация аналогового сигнала). Использование этих потоков данных ограничивает использование других типов связи, которые могут проходить по шине.

Это же касается использования модемов LTE, способных обеспечивать потоки данных до 40 Мбит /с. И в этом случае может произойти перегрузка шины Ethernet, где поток данных радио-интерфейса будет ограничен передачей данных по транспортному средству. Таким образом, мы могли бы показать и другие причины, по которым одна шина транспортного средства работает на более высоких скоростях, чем те, которые обеспечивает Ethernet 100 Мбит/с.

Пример подобной ситуации показан на Рис. 2.

Рис. 2: Принцип подключения системы транспортного средства по шине 1 Гбит/с.

Рис. 2: Принцип подключения системы транспортного средства по шине 1 Гбит/с.

Следует учитывать, что согласно новым спецификациям технического решения в будущем в тендерах в транспортных средствах станет создаваться большой объем данных, которые будут собираться на SSD-дисках. В случае проблем с радиосвязью необходимо будет выполнить чтение/обновление вручную. Чтобы это считывание было эффективным и не ограничивало ручное управление во времени, необходимо иметь доступ к новому типу USB 3.x для обновления. Он поможет производить считывание/обновление данных на скорости несколько Гбит/с.

Новые виды регистрации пассажиров

В городах и регионах начинают появляться новые методы регистрации пассажиров, основанные на банковских картах, и новый тип проверки пассажиров, основанный на фотографиях, содержащихся в транспортных средствах, черных списках, белых списках и т.д.…. Транспортное средство должно регулярно загружать данные о регистрации пассажиров из «Центра расчетных данных». К примеру, только для региона Южная Моравия, требования следующие – в транспортном средстве может храниться до 500 тыс. фотографий или данных из белых списков и контент баз данных в учетном центре может составлять 5-10 Гбайт данных. Если возникает ситуация, когда систему регистрации пассажиров необходимо обновить один раз, такое обновление может занять менее часа с использованием LTE и нескольких минут с использованием Wi-Fi в соответствии с IEEE 802.11 ac. Для того чтобы такая скорость стала возможной, необходимо наличие в транспортном средстве шины ethernet со скоростью 1 Гбит/с.

Рис. 3: Демонстрация регистрации пассажиров на бортовом компьютере, содержащем фотографию.

Рис. 3: Демонстрация регистрации пассажиров на бортовом компьютере, содержащем фотографию.

Таким образом, бортовой компьютер нового типа должен иметь средства для быстрой обработки данных и соответствующую мощность для поиска нужной фотографии в базе данных, чтобы показать ее водителю. Возможная схема подключения системы регистрации пассажиров отображена на рис. 4, из которого видно, что сама  регистрация пассажиров в форме «самообслуживания» в валидаторах транспортного средства, за исключением места у водителя, уже не требует быструю ethernet шину. При регистрации пассажиров фотография должна отображаться у водителя, поэтому больше нет необходимости распространять ее дальше в транспортном средстве к устройствам регистрации пассажиров.

На картинке показана часть транспортного средства исключительно для регистрации пассажиров. Таким образом можно через шину Ethernet 100 Мбит/с подключить отдельные валидаторы с принтером билетов (например, при использовании Карты города Пльзень) или без принтера билета (например, без использования ODIS). Затем при продаже билетов водитель использует передний блок регистрации, проверяющий фотографии пассажиров. В этом случае присутствует несколько решений – от подключения отдельного валидатора до подключения отдельных устройств непосредственно к бортовому компьютеру (так называемый пассивный блок регистрации пассажиров).

Регистрация пассажиров также вызывает обратную связь с транспортным средством — on-line связь с backoffice, где информация регулярно отправляется в центр, или откуда отправляется в центр связи, а оттуда обратно в транспортные средства.

В этом случае необходимо выбрать подходящий размер ЖК-дисплея водительского терминала, в зависимости от количества тарифов – можно и размер 8″ (небольшое количество тарифов) и 10,1″ (полная регистрация пассажиров). Пример подключения автомобиля показан на следующем Рисунке 4.

Рис. 4: Демонстрация подключения системы регистрации пассажиров на шине транспортного средства 100 Мбит/с.

Рис. 4: Демонстрация подключения системы регистрации пассажиров на шине транспортного средства 100 Мбит/с.

Какой тип процессора выбрать для бортового компьютера?

Сегодня существует конкуренция в области процессоров для мощных вычислений, особенно между архитектурой PC — x86 и архитектурой ARM (Advanced RISC Machines). Что касается использования процессоров для высокопроизводительного использования, архитектура x86 становится все более и более мощной и, вероятно, такой останется еще несколько лет.  Кроме того, для него не требуются вспомогательные компиляторы (Cross compiler), на нем можно запускать те же приложения, что и на настольных компьютерах, срок использования SW и HW составляет 10 лет и более. Процессоры Intel на базе платформы x86 относятся к типу Compact Instruction Scheduling Computing (CISC), то есть к оптимизированным инструкциям с точки зрения скорости выполнения инструкций, которые могут иметь несколько машинных циклов.

Одна из основных причин использования архитектуры ПК (помимо более высокой производительности) заключается в том, что если мы запустим приложение, например, чтобы найти соединение на настольном ПК, оно также станет работать на бортовом компьютере на основе архитектуры ПК. Для этого нам не нужно менять коды и нет необходимости осуществлять перевод на язык (ассемблер) используемого в текущее время процессора ARM. То есть его можно использовать сразу без необходимости его переписи (перевода) в среду процессора ARM. Это облегчит разработку приложений, хотя необходимо учитывать, что приложение может сталкиваться с интерфейсами, отсутствующими на обычном ПК (шина CAN, шина IBIS и т. д.).

Напротив, процессоры ARM теперь можно найти почти в каждом смартфоне и планшете. Таким образом, портативные устройства представляют собой универсальные миниатюрные компьютеры, для которых написаны приложения, а срок службы исчисляется годами по сравнению с архитектурой x86 (в таком случае и процессор, и операционная система являются устаревшими). Процессоры ARM не предназначены для достижения наивысшей вычислительной производительности, которую можно измерить и выразить с помощью FLOPS (операций с плавающей запятой в секунду). Вместо этого важную роль играют такие параметры, как эффективная конструкция процессора, низкое энергопотребление, обеспечивающее максимально длительное время автономной работы на батарее, минимальные потери тепла (для поддержания низкой рабочей температуры), а также низкие производственные затраты и лицензионные сборы (см. ниже). Здесь мы можем только констатировать, что для транспортных средств общественного транспорта потребление на несколько ватт ниже (3 Вт — 5 Вт) не является аргументом в пользу использования этого типа процессоров по сравнению с мощностью, которую мы получаем.

Философия ARM – это отдельная модель программного обеспечения во многих вариантах, поэтому приложения и операционные системы должны быть скомпилированы специально для данной конкретной архитектуры, данной же конкретной среды программирования и варианта типа процессора ARM.  Недостатком ограниченного набора команд RISC является то, что такие операции, как вычисление деления с движущейся частью, не могут проводиться в одном тактовом цикле, а требуют как минимум нескольких.

Примечание: Компьютер типа ARM – это модель программного обеспечения, предоставляемая в виде лицензии (за плату) отдельным производителям процессоров, которые добавляют свои периферийные устройства к этой модели (существует множество моделей программного обеспечения). Автором и создателем соответствующей архитектуры является британская компания ARM Limited, ранее известная как Acorn. Хотя модель ARM стала широко использоваться в основном в последние годы, самой архитектуре уже 30 лет.

 Новое поколение бортовых компьютеров

Чтобы соответствовать вышеуказанным требованиям, необходимо наличие бортовых компьютеров нового поколения. Их основными свойствами должны быть:

  • постоянная концепция решения – без изменения соединения на транспортном средстве должна существовать возможность заменить все функции предыдущих блоков – нет необходимости изменять соединение транспортного средства и «заменять» все компоненты.
  • такие же размеры, как и у предыдущих типов бортовых блоков, чтобы не было необходимости существенно менять расположение и переделывать «щиты электроники».
  • стандартное решение для бортового компьютера без вентиляторов и без потребности в окружающем воздушном потоке (это компьютеры, у которых нет внутреннего охладителя, но которым для охлаждения крышки требуются внешние вентиляторы). Существуют промышленные компьютеры, которым требуется окружающий поток воздуха, особенно в помещениях.
  • возможность использования процессоров с большим количеством ядер (4 ядра) со значительно большей вычислительной мощностью (каждое ядро ​​можно загружать отдельно), имеющих быструю оперативную память до 4 ГБ – тип DDR3. Эта производительность необходима для быстрой передачи данных (передача необходимых журналов, имитирующих тахографы, обработка видео…).
  • достаточная мощность для обработки более 10 потоков с камер, включая шифрование – они также позволяют делать записи с выбранных камер, видео звонки в диспетчерскую, в том числе защищенные записи с камер. Таким образом, бортовой компьютер может заменить систему видеонаблюдения, в том числе соответствующую требованиям UOOU (Управление по защите личных данных).
  • возможность подключения камер для движения задним ходом или для подключения к сети питания транспортного средства. Чтобы иметь возможность обрабатывать изображение в реальном времени (задержка изображения 100-200 мс), требуется обработка потоков данных со скоростью передачи до 25 Мбит / с, что значительно нагружает сети передачи данных Ethernet транспортного средства со скоростью 100 Мбит / с.
  • возможность использования внутреннего SSD-диска или MLC чипов без необходимости использования значительно более медленных SD-карт (имеющих скорость до 250 Мбит/с). SSD диски являются более надежным решением и могут иметь скорость передачи данных до 3 Гбит/с (определено бортовым компьютером, в то время как их сегодняшняя скорость составляет около 600 Мбит/с (то есть почти в 3 раза быстрее). Это решение значительно улучшает скорость запуска бортового компьютера до 35 секунд при сохранении полноценной операционной системы. В конечном итоге это дает преимущество использования различного программного обеспечения на бортовом компьютере без необходимости изменения операционной системы.
  • новые современные интерфейсы – Ethernet 1 ГБ (обязательно) и USB по стандарту 3.0 (обеспечивает быстрое аварийное считывание данных с бортового компьютера) – они вновь предназначены для быстрой передачи данных.
  • единый интерфейс для различных типов радиостанций – аналоговых, цифровых и TETRA, включая преобразователь 24В/12В. Теперь можно подключить к бортовому компьютеру широко используемые в Чешской Республике радиостанции, включая интерфейс с радиостанциями TETRA. Интерфейс для радиосетей наиболее подходит для городских агломераций, так как обеспечивает работу системы слежения за транспортными средствами независимо от мобильного оператора – безопасное решение для городов в проблемных ситуациях.
  • полная подготовка к регистрации пассажиров у водителя – новый интерфейс для регистрации пассажиров у водителя, связанный с продажей билетов (содержит принтер), считывателем банковских и небанковских карт, считывателем QR кодов. Бортовой компьютер, следовательно, содержит базу данных транзакций продажи билетов.
  • 2-кратный видеовыход с разрешением до 2560 x 1600 с мощным встроенным графическим блоком.
  • интегрированный блок – многоразового использования: содержит интеллектуальный блок питания, цифровой детектор, приемник команд, модуль GPS, модем для инициируемых частот запрашиваемой записи, адаптер радиосвязи и иные ранее присутствующие характеристики бортовых компьютеров известных типов.
  • Встроенное ПО для управления: информационные системы, регистрация пассажиров, системы видеонаблюдения, приоритетного проезда транспортных средств, автоматическое построение маршрута движения, считывание тахографов, решение журналов транспортных средств, полученных с шины CAN, и т. д.

    Рис. 5: Демонстрация бортового компьютера EPIS 4.0C, отвечающего всем условиям, указанным в этой статье (новый тип от компании Herman).

    Рис. 5: Демонстрация бортового компьютера EPIS 4.0C, отвечающего всем условиям, указанным в этой статье (новый тип от компании Herman).

Что написать в заключение?

Если на транспортном средстве нужно использовать действительно мощную бортовую систему, приспособленную к дальнейшему развитию в течение не менее 10 лет, при условии, что на протяжении этого времени будет существовать среда разработки, то есть будет возможно и в дальнейшем осуществлять необходимые модификации программы, определенно рекомендуется выбрать (возможно, многоядерные) компьютеры на основе архитектуры ПК с минимум одной шиной 1 Гбит/с и интерфейсом USB 3. Они позволяют гораздо лучше интегрировать большее количество функций и обеспечивают быструю связь с окружающей средой.

Если необходимо создать узкоспециализированное устройство, которое, как предполагается, будет иметь ограниченное количество функций без ожидаемого значительного развития, то важно использовать одну из передовых архитектур процессоров ARM. Следует учитывать, что в будущем эти системы могут не поддерживаться должным образом производителями процессоров и операционных систем (это индивидуальное решение производителя процессора).

Пользователь должен сам принимать подходящее Решение по выбору бортового компьютера и его компоновке, причем разница в ценах может достигать порядка нескольких тысяч за одно устройство.  В целом можно констатировать, что архитектура ПК больше подходит для городского общественного транспорта, а архитектура типа ARM может успешно использоваться для регионального транспорта.