E²Brain Modul übernimmt Monitoringdes Train Management Systems

Der AGC (Autorail Grande Capacité) von Bombardier gehört zur neuesten Generation von Regionalzügen für den Nah- und Fernverkehr. Bis zu 220 Passagiere gleiten im AGC mit einer Höchstgeschwindigkeit von 160 km/h über die Schienen. Komfort, Sicherheit und Wirtschaftlichkeit standen bei der Entwicklung des Zuges für die Bombardier-Ingenieure im Mittelpunkt. Der wesentliche Baustein für die Umsetzung dieser Ziele ist das Train Management System, für das die Kontron AG die Hardware und Kernelfunktionen entwickelt hat. Das Graphical User Interfache (GUI) für die Bedienung und Überwachung des Train Management Systems basiert auf einem E2Brain-Modul der Kaufbeurer Kontron Modular Computers. Das Board ist das RISC-Prozessor-Herz des Bombardier GUI, über das Zugführer und Wartungspersonal auf das Train Management System zugreifen.

Das Train Management System fungiert als zentrales Nervensystem des Zuges, das sowohl die Kernfunktionen des Zuges steuert und überwacht als auch den passagierorientierten Komfortbereich managt.

Zentraler Bedienpunkt des Train Management Systems ist das GUI, das über Ethernet in das Netzwerk eingebunden ist. Der sichtbare Teil besteht aus einem Touchscreen in den Zugführerständen – also an beiden Enden jedes Triebwagens – mit einer ergonomischen Bedienoberfläche für den Zugführer und das Wartungspersonal. Das GUI ist so gestaltet, dass es sich intuitiv zu bedienen ist, Informationen in Echtzeit für die schnelle Entscheidungsfindung übersichtlich aufbereitet und Eingaben über den Touchscreen schnellstens umsetzt.

Neben den bedienungsrelevanten Eigenschaften stellt die Norm EN50155 für elektronische Eisenbahnanwendungen weit reichende Anforderungen an das Bombardier GUI. Die Norm geht davon aus, dass elektronischen Bahnsysteme über 30 Jahre 24 Stunden täglich, das sind ungefähr 250.000 Stunden, ausfallsicher zu funktionieren haben: Das bedeutet, Zugsteuerungssysteme müssen für härteste klimatische Bedingungen ausgelegt sein, große Temperaturschwankungen (-40°C bis +85° C), Feuchtigkeit, Vibrationen und Spannungsschwankungen aushalten. Auch die Hitzentwicklung und damit die Energieaufnahmen müssen sich im engen Rahmen halten: Ausfallanfällige Lüfter sind in der Zugelektronik verboten, nur passive Kühltechniken sind erlaubt.

Zukaufkomponente für hohe Individualität

Um das Bombardier GUI in das Zugcockpit zu integrieren, wurde ein individuelles Gehäusedesign entwickelt. Als IT-Plattform suchte Bombardier eine Lösung, die dreißig Lebensjahre eines Zuge bestand haben kann und Migrationspfade zu leistungsstärkeren Technologien offen lässt. Eingesetzt wird hierfür jetzt eine Lösung, die auf Computer-on-Modules (COM) basiert: Auf einem COM sind der Prozessor und die passenden Chipsätze bereits integriert und zu einer funktionsfähigen Einheit verschmolzen, ausgeführt werden nur bereits voll funktionsfähige Signale, die für die Kommunikation benötigt werden. Die anwendungsspezifischen Features befinden sich auf dem Baseboard, mit dem das COM rüttelfest verschraubt wird.

Wird später einmal eine leistungsfähigere CPU für die Applikation nötig, lässt sich das COM austauschen, ohne dass das Baseboard neu entwickelt werden muss. Umgekehrt kann natürlich auch das Baseboard modifiziert werden, ohne dass das COM ausgewechselt werden muss.

Das COM-Konzept ermöglicht folglich ein über die gesamte Nutzungszeit eines Zuges reichendes Lifecycle-Management und bei hoher Investitionssicherheit. Gleichzeitig konzentriert sich der Aufwand für die Entwicklung der kundenspezifischen Lösung auf das Baseboarddesign, was die Time-to-Market beschleunigt und Entwicklungskosten reduziert.

RISC Computer on Module

Die GUI-Lösungen bei Bombardier basiert auf E2Brain-Modulen von Kontron. E2Brain-Module sind grundsätzlich mit RISC-Prozessoren wie XScale oder PowerPC, ausgerüstet und messen 75 mm x 115 mm. Für die Visualisierung und anwenderspezifische Bedienung des Train Management Systems kam aus verschiedenen Gründen nur eine RISC-CPU in Frage. Da es sich beim Bombardier GUI um eine „harte” Echtzeitanwendung handelt, die einen extrem schnellen Prozessor erfordert, dessen Stromverbrauch und Wärmeabgabe zudem aufgrund der Normen im Eisenbahnbau nur minimal sein darf, fiel ein PC-Prozessor von vornherein aus. Um die erforderlichen Rechengeschwindigkeiten zu erreichen, wäre ein 86-Prozessor mit hoher Taktzahl nötig gewesen, der viel zu viel Energie konsumiert und als Wärme wieder abgibt. Hinzu kommt, dass ein PC-Prozessor bei gleicher Leistung um einiges teurer ist als die entsprechende RISC-CPU. Zudem ist das Bombardier GUI als Thin-Client konzipiert, der die Funktionsfülle eines x86-Chip weder benötigt noch nutzt.
Auch der Faktor Langzeitverfügbarkeit sprach für einen RISC-Prozessor: Mit PC-Prozessoren kann man keine Anwendungen entwickeln, die 30 Jahre funktionieren sollen, da ihre Produktlebenszeit und Verfügbarkeit nicht einmal ein Jahrzehnt beträgt. RISC-Prozessoren dagegen „leben” wesentlich länger – und falls sie doch vorzeitig abgekündigt werden, greift das COM-Konzept, das eine „weiche” CPU-Migration zulässt.

Das Bombardier GUI arbeitet mit dem E²Brain EB8245. Der implementierte Freescale PowerPC Prozessor bietet mit seinen 330 MHz eine Leistung von 465 MIPS Dhrystone (2.1). Das bedeutet höchste Rechenkraft ohne Lüfter bei minimalem Stromverbrauch. Für das Datenhandling stehen auf dem Board bis 512 MB SDRAM, bis zu 32 MB gelöteter Flash (133 MHz, 64 Bit), 1 MByte gepuffertes SRAM sowie E²Prom für Anwender- und Konfigurationsdaten zur Verfügung. Diese Systemperformance reicht aus, um alle Komfort-, Kernsystem- und Wartungsfunktionen jederzeit ohne kritische Systemzustände ausführen zu können. Softwaregesteuerte Priorisierungsroutinen für zeitkritische Befehlsausführungen mussten folglich nicht implementiert werden.

Über die reine Prozessor-Leistung hinaus bietet das E²Brain EB8245 dem Nutzer die Features und Schnittstellen, die für Echtzeit-Anwendungen in der Industrie als auch im Zug nötig sind: Das COM führt vier serielle Schnittstellen, einen Fast-Ethernet-Anschluss und ein CAN-Interface aus. Kundenspezifische Erweiterungen lassen sich über 32 Bit, 33/66 MHz PCI- und/oder LPC-Bus umsetzen. Beide Busse sind - so wie alle anderen Schnittstellen auch - über die vier standardisierten SMD-Steckverbinder zum Baseboard hin ausgeführt.

Die Spannungsversorgung ist “Single Source” mit 3,3 Volt ausgelegt. In der Standardausführung sind die E²Brain Module für den Temperaturbereich von 0°C bis 70°C spezifiziert. Der erweiterte Temperaturbereich von –40°C bis +85°C, wie ihn auch Bombardier benötigt, wird ebenfalls angeboten. Diethermisch und mechanisch robuste Auslegung der Module qualifiziert sie für den Einsatz unter härtesten Umgebungsbedingungen wie sie in Zügen herrschen. Da Linux in einigen Bombardier-Zügen Standard ist, wird auch das User-Interface mit Linux betrieben.

Einmal COM, immer COM

„Da im Markt starker Wettbewerbsdruck herrscht, steht Bombardier vor der Herausforderung, stets bessere Lösungen zu attraktiveren Preisen anzubieten. Deshalb ist es für Bombardier entscheidend, in jedem Fall das beste System mit dem günstigsten Kostengerüst zu erhalten. Das Lösungskonzept mit Modulen und die effiziente Umsetzung der letztendlich erforderlichen GUI-Lösung von Kontron haben dafür gesorgt, dass dies möglich wurde”, so erläutert Freddy Guillaume, Direktor Transportation bei Kontron, „Entscheidend für Bomardier waren sowohl der richtige Lösungsansatz als auch die Umsetzungskompetenz. In den Augen von Bombardier haben wir als Kontron beide Anforderungen mit unseren Produkten, dem Entwicklungs-Know-how sowie der Projektmanagement-Erfahrung für kundenspezifische Lösungen erfüllt.”

E²Brain COM’s bieten für kundenspezifische Lösungen unzählige Ansatzpunkte. Die reiche Auswahl an Prozessoren verschiedener Leistungsklassen gestattet den Einsatz dabei selbst dort, wo es über Bedienen und Beobachten hinaus um besonders schlanke und/oder rechenintensive Steueraufgaben geht, was auch an der Bandbreite der verfügbaren E³Brain-Module ablesbar ist: Sie reicht vom EB860 mit 80 MHz Motorola MPC8xx Prozessor, EB405 mit 266 MHz IBM 405 PowerPC Prozessor über EB8245 mit 330 MHz MPC8245 Prozessor und EB425 mit 533 MHz Intel XScale IPX425 Prozessor bis hin zum EB8540 mit Freescale MPC8540/8541 PowerPC Prozessor und wird kontinuierlich weiter ausgebaut.

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