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Capitolo 1. Requisiti del sistema

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Academic year: 2021

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Capitolo 1.

Requisiti del sistema

Dopo una prima introduzione sugli sviluppi delle telecomunicazioni nel mondo ferroviario, necessaria per inserire la rete in progettazione nel contesto d’applicazione, saranno esposte le principiali caratteristiche che il sistema deve possedere per soddisfare le esigenze della sperimentazione.

1.1 Le telecomunicazioni nel mondo ferroviario

“L’esercizio ferroviario è sempre stato strettamente legato ad un efficiente sistema di telecomunicazioni. Possiamo ricordare come il telegrafo e la ferrovia siano praticamente coetanei, essendo il primo stato realizzato nel 1837 da Morse e cioè poco dopo la nascita delle prime linee ferroviarie. La strettissima connessione tra ferrovia e telecomunicazioni è d’altra parte facilmente spiegabile ove si pensi che la regolazione della circolazione ferroviaria è stata per moltissimi anni effettuata esclusivamente mediante accordi stabiliti, a mezzo del telefono, tra stazioni contigue” [1]

Con l’adozione del meccanismo di distanziamento treni detto Blocco Automatico il ruolo delle telecomunicazioni in ferrovia si è modificato ma è rimasto di primaria importanza. L’aumento del traffico ferroviario ha richiesto sempre più un coordinamento tra i vari impianti, questo è stato realizzato mediante l’installazioni di reti telefoniche e telematiche che coprono l’intero sistema ferroviario. Queste reti di telecomunicazioni sono spesso interconnesse con reti analoghe delle ferrovie confinanti o con la rete pubblica. La nuova era è iniziata per le ferrovie con le comunicazioni radio GSM-R (Global System for Mobile Communication – Railways) e con i collegamenti con cavi a fibre ottiche. Il GSM-R è un sistema di comunicazione radiomobile privato, ideato per reti di trasporto ferroviario, che gestisce comunicazioni in fonia e dati per tutti gli operatori addetti all’esercizio e, in particolare, quelle destinate ai sistemi di comando e controllo della circolazione ferroviaria con il sistema ERTMS1.

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L’ERTMS (European Railway Traffic Management System) è un sistema di gestione e controllo del traffico ferroviario, progettato con lo scopo di sostituire i molteplici sistemi di circolazione delle varie ferrovie europee e garantire l'interoperabilità dei treni soprattutto sulle nuove reti ferroviarie ad Alta Velocità.

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1.2 Verso le reti di sensori wireless

In un settore dove le telecomunicazioni sono diffuse su tutti i livelli, si inizia a pensare ad un tipo di collegamento che sia efficiente a prescindere dallo stato dell’arte e che sia facilmente espandibile e modificabile con interventi e costi di piccola entità.

Il primo passo verso questo risultato, nonché obiettivo del progetto, è quello di concentrarsi sulla capillarità della rete a livello di località di servizio2, per poi valutare l’estendibilità lungo alcuni tratti della linea ferroviaria. L’idea è quella di realizzare una rete alternativa a quelle già presenti per la diagnostica di apparati di sicurezza e segnalamento ferroviario3. Il mezzo di comunicazione che si vuole testare per questo fine è quello wireless, andando quindi ad implementare una Wireless Sensor Network (WSN).

1.3 Requisiti del progetto

Come detto, la sperimentazione in questione sarà orientata in un’ottica di rilevamenti diagnostici, per questo motivo, a differenza di un eventuale utilizzo per il segnalamento ferroviario, il sistema non necessiterà di requisiti troppo stringenti in termini di sicurezza. Si cercherà comunque di effettuare uno studio generale con riferimenti alle normative vigenti in merito alle caratteristiche che dovranno possedere le apparecchiature utilizzate. L’ambiente in cui avrà luogo la sperimentazione è quello ferroviario e nello specifico le installazioni avverranno in alcuni locali tecnici e nel piazzale4. Questo ambiente è da considerarsi ostile per più aspetti: interferenze elettromagnetiche, temperatura d’esposizione, perturbazioni atmosferiche, vibrazione e quant’altro.

1.3.1 Affidabilità e robustezza

I dispositivi che verranno impiegati sono intrinsecamente soggetti a guasti e la rete dovrà essere in grado di funzionare anche in presenza di alcuni eventi anomali, dovranno perciò essere previste delle ridondanze.

Nelle applicazioni in cui l’unico scopo è il monitoraggio delle grandezze rilevate, si potrà pensare di accettare un determinato livello di guasto, progettando un’architettura

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Località di servizio è una definizione più generale di stazione ferroviaria, comprende infatti anche le fermate i bivi e i posti di movimento.

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Gli impianti di sicurezza e segnalamento ferroviario sono costituiti da una serie di apparati atti a garantire la circolazione dei treni in sicurezza.

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Il piazzale ferroviario è la parte infrastrutturale di una località di servizio, comprensiva degli enti, adibita allo spostamento dei treni.

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che debba continuare a funzionare in generale anche in condizioni di emergenza ma nella quale si potranno tollerare dei ritardi o dei malfunzionamenti puntuali fino al ripristino del guasto. Nel caso di applicazioni legate a determinate performance (si pensi ad esempio al monitoraggio di un nodo che rilevi grandezze che possono influire sulla regolarità della circolazione ferroviaria) l’architettura della rete dovrà presentare un livello di magliatura e una ridondanza tale da garantire in ogni caso, tranne in casi la cui probabilità d’accadimento sia molto piccola (sotto una soglia determinata), il funzionamento dell’intero sistema. La tolleranza ai guasti dovrà essere perciò valutata caso per caso e rappresenterà uno dei parametri da determinare in fase di progettazione in relazione al livello di affidabilità che si vuole ottenere e influirà, ovviamente, sui costi complessivi. Altro fattore da prendere in considerazione, oltre al possibile fuori servizio di alcuni nodi, è la tipologia di ambiente in cui la rete è chiamata a operare. Le stazioni ferroviarie, sono un ambiente fortemente critico ed in fase di progettazione si dovranno perciò considerare tutti questi fattori. Le comunicazioni infatti potranno essere disturbate da interferenze elettromagnetiche legate alle svariate fonti di alimentazioni presenti e da fattori climatici, inoltre i dispositivi verranno sottoposti continuamente a sollecitazioni meccaniche come le vibrazioni o ad agenti perturbanti come sabbia e polvere. Si potranno verificare anche ulteriori situazioni critiche difficilmente modellabili a priori, si pensi ad esempio all’interposizione di un convoglio, quindi di un oggetto metallico di grandi dimensioni (fermo o in movimento) tra due nodi.

Già da questa prima introduzione, s’intuisce che per garantire robustezza alla rete si dovrà realizzare un sistema fortemente ridondato che possa reagire autonomamente ai vari scenari in cui verrà chiamata ad operare.

1.3.2 Autoconfigurazione

Altra caratteristica principale, che va di pari passo con il punto precedente, è la capacità di autoconfigurazione del sistema. La rete dovrà essere capace di riconfigurarsi autonomamente e rapidamente in seguito a determinati eventi come: perdita di nodi, inserimento di nuovi nodi, variazioni della topologia di rete, interruzioni della comunicazione tra due nodi per indisponibilità del mezzo trasmissivo. La capacità di riconfigurazione in caso di degrado delle condizioni è un requisito essenziale richiesto, mentre la capacità di gestire autonomamente le variazioni della rete è un requisito legato alla manutenibilità e alla semplicità di gestione del prodotto da parte dell’utilizzatore.

1.3.3 Sicurezza e segretezza

Questo punto è legato alla sicurezza intesa come protezione ai guasti provocati di proposito, per lo studio della risposta ai guasti accidentali si può fare riferimento al sottoparagrafo 1.3.1 inerente alla robustezza della rete.

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Il grado di sicurezza richiesto varia, anche in questo caso, da applicazione ad applicazione. E’ indubbio che i sistemi wireless siano meno protetti di quelli cablati nei confronti delle interferenze, si dovranno perciò prevedere, nel caso di applicazioni “vitali”, alcune tecniche di riduzione del disturbo o addirittura sistemi di commutazioni automatica su altri canali, nel caso che quello principale risulti così perturbato da doversi considerare indisponibile. Per questo motivo si può considerare l’ipotesi di realizzare una rete ibrida, in parte wireless ed in parte cablata, in grado di interagire in maniera trasparente per l’utente finale. In alcune applicazioni dovrà anche essere garantita la segretezza del contenuto del messaggio e visto che il canale wireless è disponibile e intercettabile da chiunque, dovranno essere previste tecniche di crittografia dei dati.

1.3.4 Consumo energetico

Nella maggior parte delle applicazioni uno dei requisiti fondamentali è rappresentato dal basso consumo energetico dei nodi della WSN. Questa esigenza è legato al fatto che i sensori vengono spesso installati in scenari in cui l’intervento umano è difficoltoso (parti in movimenti, ubicazioni ostili) si ha perciò l’esigenza, oltre che di una alimentazione a batteria, di consumi costanti e molto bassi in modo da limitare il più possibile gli interventi di ripristino. Nel caso in studio questa necessità non è prioritaria, infatti i sensori sono pensati per l’installazione in un contesto dove sono presenti svariate sorgenti di alimentazione. Il basso assorbimento degli elementi della rete, garantisce comunque un minor grado di intrusività nei confronti dell’apparato da diagnosticare.

1.3.5 Mobilità e scalabilità

Un aspetto importante è rappresentato dalla capacità di poter modificare la rete in modo semplice senza intervenire sull’infrastruttura di trasporto dati. Si deve essere in grado di poter modificare la posizione dei nodi, ridurne il numero o addirittura implementarne di nuovi (almeno fino ad un certo livello) senza stravolgere l’architettura. L’ottimo è rappresentato dall’avere a disposizione una rete di base, costituita da una serie di nodi con un determinato livello di magliatura, progettata in modo da far si che ogni nuova implementazione vada ad aumentare le interconnessioni e a migliorare la robustezza del sistema.

1.3.6 Adattabilità e semplicità

Requisito fondamentale per l’applicabilità del progetto è la semplicità intesa come facilità di adattamento e d’interfaccia con sistemi esistenti senza alterarne le caratteristiche originarie. Si pensa perciò ad un inserimento nel contesto senza stravolgerne lo stato attuale. Il fatto di poter inserire la nuova rete in parallelo ad una

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esistente, prelevando i dati da sensori già in funzione, potrebbe essere ottimale per una prima fase di test e sperimentazione. Sarebbe altresì una buona soluzione per un passaggio graduale tra il vecchio sistema cablato ed il nuovo wireless.

1.3.7 Non intrusività

Il sistema dovrà essere non intrusivo, nel senso che dovrà potersi interfacciare con l’ente da diagnosticare senza perturbare significativamente il normale funzionamento. La non intrusività si traduce, per ciò che riguarda gli impianti di sicurezza e segnalamento ferroviario, con la garanzia che la rete diagnostica non possa in nessun caso (sia in condizioni di normale funzionamento che di guasto) alterare l’impianto in esercizio mediante: invio di tensioni indebite, introduzione di disturbi elettromagnetici, variazioni sulle condizioni di isolamento verso terra e assorbimenti superiori a quelli previsti tali da modificarne le caratteristiche originarie.

1.3.8 Versatilità

Per dare lungimiranza al progetto, in ottica di future applicazioni, è auspicabile che i nodi non siano limitati in termini di funzioni e di connessioni verso il campo.

Avere a disposizione una vasta gamma di soluzioni, facilita lo sviluppo del progetto e aiuta a far fronte a eventuali imprevisti, si ha inoltre maggiore copertura in caso di evoluzioni del sistema non pensate in fase di progettazione. Si vorrebbero perciò dei dispositivi dotati di interfacce verso il campo di vario tipo:

 Ingressi analogici e digitali;  Uscite analogiche e digitali;  Sensori di temperatura e umidità;

E’ inoltre necessario che i moduli comunichino verso il concentratore di raccolta dati negli standard più comuni come per esempio interfacce seriali ed ethernet .

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