2005/3. Eurokonform biztonságértékelés a vasútbiztosító technikában. Kéthajtómûves kitérõk üzemeltetési tapasztalatai

Átírás

1 Ungarische Bahntechnik Zeitschrift Signalwesen Telekommunikation Elektrifizierung Hungarian Rail Technology Journal Signalling Telekommunication Electrification Eurokonform biztonságértékelés a vasútbiztosító technikában 2005/3 Kéthajtómûves kitérõk üzemeltetési tapasztalatai Rádiófrekvenciás vezérlõrendszerek

2 VEZETÉKEK VILÁGA Magyar Vasúttechnikai Szemle Címlapkép:???????????????????????????????????????????????????????????????????????? Megjelenés évente négyszer Kiadja: Magyar Közlekedési Kiadó Kft. Felelôs kiadó: Kiss Pál ügyvezetõ igazgató Lapigazgató: F. Takács István Szerkesztõbizottság: Dr. Tarnai Géza, BME Közlekedésautomatika Tanszék Dr Héray Tibor, Széchenyi István Egyetem Automatizálási Tanszék Dr. Parádi Ferenc, Tran-Sys Kft. Molnár Károly, PowerQuattro Teljesítményelektronikai Rt. Koós András, BKV Rt. Dr. Rácz Gábor, Stellwerk Kft. Dr. Erdõs Kornél, Heinczinger István, Siemens Rt. Machovitsch László, HTA Kft. Lõrincz Ágoston, MAUMIK Kft. Ruthner György, OVIT Rt. Marcsinák László, PROLAN-alfa Kft. Dr. Hrivnák István, Vossloh IT Fõszerkesztõ: Jándi Péter Tel.: Felelõs szerkesztõ: Tóth Péter Tel.: , Fax: Alapító fõszerkesztõ: Gál István Szerkesztõk: Kirilly Kálmán, Tanczer György, Tari István Tel.: , , Felvilágosítás, elôfizetés, hirdetésfeladás Magyarországon: Magyar Közlekedési Kiadó Kft. H 1134 Budapest, Klapka u. 6. Tel.: (1) , fax: (1) magyarkozlekedes@w-mobil.hu Ára: 500 Ft Nyomás: CEP Nyomdaipari Rt. Felelõs vezetõ: Solti György elnök-vezérigazgató Elôfizetési díj 1 évre: 2000 Ft Kéziratokat nem ôrzünk meg, és nem küldünk vissza. ISSN X. ÉVFOLYAM 3. SZÁM OKTÓBER Tartalom / Inhalt / Contents 2005/3 Dr. Erdõs Kornél Rádiófrekvenciás vezérlõ rendszer és alkalmazási lehetõségei Das Funk Rundsteuerung System die Möglichkeiten seiner Verwendung Radio Ripple Control System and Possibility of Application 3 Garai Zoltán ETCS rendszer táviratkifejtése, pakettek és aszpektek grafikus és numerikus értelmezése Exponierung der Telegramme des ETCS-Systems, grafische und numerische Auslegung Packets und Apsects The display of telegrams of the ETCS system, graphical and numerical explanation of packets and aspects 8 Dr. Keresztes Péter Regiszter-szintû szintézis a digitális VLSI tervezésben Synthese der Register-Ebene im Entwerfen von VLSI-Stromkreisen Register-level synthesis in digital VLSI-planning 13 Lantos Péter, Dr. Mosó Tamás Biztonságigazolás az európai szabványok szerint Sicherheitsbescheinigung mit CENELEC Standards Safety certification procedure according to CENELEC standards 18 Palásti Ferenc Két hajtómûves nagysugarú kitérõk üzemeltetési tapasztalatai Betriebserfahrungen von Weichenantriebsystemen mit zwei Antrieben für Weichen mit grossem Radius Operating experiences on points with two point-machines 22 Dr. Tarnai Géza, Dr. Sághi Balázs Eurokonform biztonságértékelés a vasútbiztosító technikában Eurokonform Sicherheitsbewertung Eurokonform Safety assessment 31 Vincze Béla György, Dr. Tarnai Géza Vonatbefolyásoló rendszerek funkcionális és biztonsági vizsgálata szimulációval Analyse von Zugbeeinflussungssystemen mit der Hilfe von Simulationen Analyzing train control systems with simulation 36 A CIKKEK SZERZÕI 41

3 Csak egy szóra Görög Béla TEBI mûszaki szakértõ 2 A sajtóból mindenki értesülhetett róla, hogy a minap Mosonmagyaróváron ünnepélyesen bemutatták a Bécs-Budapest vasútvonal Európai Vonatbefolyásoló Rendszerét (ETCS). Az ETCS üzemszerû mûködéséhez természetesen még számos feladatot, vizsgálatot végre kell hajtani, ki kell adni több szabályzatot, sok oktatást kell tartani, hatósági és más engedélyeket kell megszerezni Mégis nagy dolog, hogy már idáig eljutottunk, hiszen az ETCS bevezetése nem is hasonlítható az eddigi mûszaki, technológiai vagy más újdonságok bevezetéséhez. Közismert, hogy egy-egy nagyobb horderejû mûszaki fejlesztés elõtt mindegyik vasút meghatározza annak mûszaki-technológiai feltételeit. Ez legtöbbször elég bonyolult feladat, amelynek eredményeként létrejövõ feltétfüzetekre alapozva válik lehetõvé aztán az új eszköz, berendezés megfelelõségének megítélése. A MÁV Rt például az elektronikus biztosítóberendezések bevezetéséhez feltétfüzetet hagyott jóvá, amelyben nyilván figyelembe vette a forgalmi utasításkörnyezetet, a csatlakozó biztosítóberendezések tulajdonságait, valamint a MÁV Rt gyakorlatában szokásos, a gördülõállomány-infrastruktúra kompatibilitást szolgáló feltételeket (fékutak, jelzési és forgalmi utasítás figyelembe vétele). A kidolgozók egy sor feltételt magától értetõdõnek tekintettek, így a feltétfüzet külön nem szabályozza pl. a vasúti kerékpár átmeneti ellenállását, vagy a megengedhetõ legrövidebb szigeteltsínhosszakat A helyesen összeállított feltétfüzet a meglévõ berendezésekkel, utasításokkal való biztonságos együttmûködés záloga, ezért a jóváhagyásuk elõtt ezeket széleskörûen egyeztetni kell, ami bonyolult, idõigényes folyamat. A mai menedzserszemléletû világunkban a hosszadalmas egyeztetéseknek okkal-ok nélkül már teljesen elveszett a tekintélye, a maradiak utolsó bástyájának szokták tekinteni, pedig látni kell az ETCS példáján, hogy a jó munkához tényleg kell az idõ. Az ERRI (Európai Vasúti Kutatóintézet) ugyanis 15 éve, 1990-ben kezdett el az egységes európai vonatbefolyásolással foglalkozni az A 200 szakértõi csoportban. A Funkcionális Követelményspecifikációnak (FRS) 1994-ben jelent meg a második, 1999-ben pedig a jelenleg is érvényes jelû verziója. A jelenleg érvényes Rendszerkövetelmény-specifikáció (SRS), amely az ETCS mûködésének alapja, jelenleg a verziószámmal fut, február 1-tõl van érvényben. Az ETCS esetében történt meg szakmánkban elõször, hogy a nemzeti vasutak egymástól is rendkívül különbözõ utasításkörnyezetét, mûszaki feltételeit, történelmileg kialakult heterogén berendezésállományát egy huszárvágással tételesen figyelmen kívül hagyva meghatározásra, jóváhagyásra került egy közös VEZETÉKEK VILÁGA 2005/3 feltételrendszer egy kifejlesztendõ új vasúti alrendszerhez. A figyelmen kívül hagyott nemzeti feltételek mindegyikét nemzeti szinten természetesen teljesíteni kell, a hagyományos berendezéseket is illeszteni kell az új alrendszerhez, de ezeket a problémás területeket már nem az új alrendszer feltételrendszerében kellett megoldani, így az kiszabadulhatott a hagyományos vasutak hagyományos kötöttségeibõl. Az európai szintû siker, a huszárvágás árát a MÁV Rt részérõl például most kezdjük részletekben fizetgetni: egy számunkra ismeretlen ismerõst, az ETCS-t a családba fogadva igyekszünk kiszolgálni egyelõre csak részben ismert igényeit, meghatározni azokat a szabályokat, amelyek között biztonságosan tehet-vehet családi bútoraink között, és legfeljebb csak az indokolt mértékben korlátozza régi barátaink és új családtagunk ismeretlen ismerõseinek mozgását Nagy lecke ez. Még nem is kezdtünk bele igazából ebbe a házi feladatba, már itt a következõ: az átjárhatóság többi feltételének teljesítése. Megszûnnek, vagy már meg is szûntek azok a nemzetközi szerzõdések, ajánlások, közös, kõbe vésettnek tûnt elõírások, amelyek az alapját képezték eddigi biztosítóberendezési, távközlési, forgalmi, gépészeti gondolkodásunknak. Új, egyértelmûen nem ismindig levezethetõ elõírásoknak kell eleget tenni, új, eddig nem figyelt összefüggésekre kell felfigyelni, éberen figyelve észre kell venni minden újraszabályozandó eltérést, összeférhetetlenséget a meglévõ berendezéseink infrastruktúránk és az átjárhatóság feltételeinek eleget tevõ jármûvek közlekedése között. Óriási felelõsségû feladat, amelynek a mai vasúti nincstelenségben mindössze egyetlen feltétele lenne adott (ma még): a vasúti szakértelem. Az interneten hozzáférhetõ adatok szerint több országban külön intézet foglakozik a nemzeti vasútnak az interoperabilitással összefüggõ feladataival, szakértõ bevonásával. Nálunk erre sajnos egy mindössze fõs ad-hoc bizottság szolgál, természetesen a résztvevõk napi munkája mellett Szükség van hát mindannyiunk tudására, éberségére, hogy azt a tudást, elõíráshalmazt, szabvány- és utasításrendszert, és jelentõs részben íratlan szokásjogot, amit elõdeink 160 év alatt felhalmoztak, és amely a mai biztonsági színvonalat biztosítja, nagyobb zökkenõk és fõként balesetek nélkül alakíthassuk át az interoperabilitásnak megfelelõen. A feladat megoldása jelentõs részben a pályavasúti üzletági irányításra vár, hiszen meg kell alakítani azokat a megfelelõ felhatalmazással rendelkezõ szervezeteket, amelyek a ma még államvasúti vasútgépészeti, személyszállítási, árufuvarozási üzletágakkal és ilyen profilú vállalatokkal együttmûködve megteremtik a biztonságos együttmûködés mûszaki és utasítási kereteit.

4 Rádiófrekvenciás vezérlõ rendszer és alkalmazási lehetõségei Dr. Erdõs Kornél Az áramszolgáltatás megjelenésével egyidejûleg felmerültek olyan igények, mint pl. az egyes fogyasztók központi vezérlése; fogyasztók meghatározott idõbeni mûködtetése; hálózati túlterhelések korlátozása; fogyasztók meghatározott idõben történõ be és kikapcsolása; a csúcs és minimál terhelési idõszakok közötti különbség minimalizálása stb. Az ilyen jellegû feladatok teljesítésére szolgáló berendezések fejlesztésének egyik fõ célkitûzése az volt, hogy ne kelljen az információátvitel céljaira külön vezeték-hálózatot kiépíteni, hanem pl. az energiatovábbításra használt, meglévõ vezetékhálózaton keresztül lehessen a szükséges információt eljuttatni a végrehajtásának helyszínére, a fogyasztóhoz. Különféle vezérlési módokkal folytak kísérletek a központi vezérlés megoldására már az 1800-as évek végén, illetve az 1900-as évek kezdetén (pl Franciaország, Ukrajna, Anglia, Franciaország, Németország). Magyarországon csak 1952-ben kezdtek foglalkozni ezzel a kérdéssel. A hazai fejlesztési törekvések a külföldön meghonosodott rendszerek tanulmányozására és átvételére irányultak. Ennek alapján a kialakított és még ma is mûködõ rendszer a hangfrekvenciás parancstovábbítás mûködési elvét alkalmazza, mely Európában is csak a második világháború után alakult ki és terjedt el. HANGFREKVENCIÁS VEZÉRLÕ RENDSZER A rádiófrekvenciás vezérlõ rendszer ismertetése elõtt tekintsük át a hangfrekvenciás vezérlõ rendszer felépítését a két rendszer összehasonlításának megértése céljából. Mint minden vezérlõ rendszer, így a hangfrekvenciás rendszer is három fõ egységbõl épül fel. Ezek: az adóberendezés, az átviteli út és a vevõ berendezés. Az adóberendezés a kiadni kívánt parancsot megfelelõ jelalakra való átalakítás után a csatoló berendezéseken keresztül az átviteli útra viszi. A vevõ berendezés a villamos jelként érkezõ információt viszszaalakítja a vezérlendõ berendezés által értelmezhetõ parancsra, majd a vezérlendõ berendezés a parancsot végrehajtja. A rendszer jellegzetessége a két végpont közötti átviteli útban van. Az információ átvitele nem külön vezetéken történik, hanem az energiaátvitel céljaira kiépített erõsáramú hálózaton keresztül valósul meg. Ez gazdaságilag jelentõs elõnyt jelent még a mellett is, hogy pl. a középfeszültségû hálózatoknál is az átviteli úthoz való csatlakozásra megfelelõ csatoló berendezéseket kell telepíteni, valamint a hangfrekvenciás generátorok teljesítményét a nagy átviteli távolságokra tekintettel kell méretezni. A vázolt megoldásból viszont egyértelmûen következik a rendszer egyik elõnye, hogy megfelelõ címzési rendszer és információátviteli szoftver alkalmazásával a rendszer alkalmas tömegvezérlés végrehajtására, de az egyirányú információátvitelbõl következik az is, hogy a parancs végrehajtásáról nincs közvetlen visszajelentés a központ felé, hanem közvetett úton, pl. a villamos energiafelhasználás változásából lehet következtetni a parancs végrehajtására. A rendszer hátrányi közé tartozik még, hogy az adóberendezéseket alállomási transzformátoronként kell telepíteni, mert a szomszédos alállomás területére a vezérlõ jelek nem vihetõk továbbíthatók. A rendszer blokksémaszerû felépítése az 1. ábrán látható. Az egyes egységek feladatait az alábbiakban foglalhatjuk össze. Központi egység: Rutin jellegû vezérlési programok tárolása, kiadása; Központi számítógép utasításainak végrehajtása; Kézi parancs kiadás; Program futások koordinálása, elsõbbség biztosítása; Pontos idõ mérése, kiadása; Kiadott parancsok naplózása. Távközlési csatorna: Biztosítja az összeköttetést a központi egység és az adóberendezés között az információ átvitelére, valamint az adóberendezés üzemkészségének visszajelentésére. Ez a csatorna normál telefon összeköttetés is lehet. Adóberendezés: Mivel az adóberendezés közép, vagy nagyfeszültségû hálózatra dolgozik, így a hangfrekvenciát elõállító inverterek feszültségének s teljesítményének ehhez a feltételhez kell igazodni (pl V, 125 kva); Az adóberendezés feladata a hangfrekvenciás jel elõállítása, a jel információ tartalommal való kódolása. Csatolás: Az adóberendezés jelét csatolja az energiaátviteli hálózatra, de mint 1. ábra. A hangfrekvenciás vezérlõ rendszer blokkvázlata X. évfolyam, 3. szám 3

5 rezgõkör, egyben elõsegíti a tirisztorok négyszögimpulzusai alapharmónikusának kiválasztását. A felcsatolt jel így lesz szinuszos hangfrekvencia; A csatolás soros, vagy párhuzamos módon történik a középfeszültségû hálózatra. Vevõkészülék: Feladata az információ vétele az energiahálózatról; A készülékbe programozott cím szerint kiválasztja a neki szóló táviratot; Dekódolja a fogadott információt; Végrehajtja az információban lévõ parancsot. A vevõkészülék alkalmas úgynevezett menetrendek tárolására is, melyek alapján külön vezérlõ parancsok vétele nélkül is képes ellátni vezérlõ funkcióját beépített belsõ órája segítségével. A belsõ óra szinkronizálható egy távirat segítségével. Ugyan így a beprogramozott menetrend is megváltoztatható távirat segítségével a nélkül, hogy a vevõkészülék telepítési helyszínére ki kelljen utazni. Hálózat kimaradás esetére a vevõkészülék külön áramforrással rendelkezik úgy a belsõ óra, mint pedig a parancs végrehajtó áramkörök táplálására. Ezzel biztosítható, hogy a hálózati feszültség visszatérése után a beprogramozott menetrendnek megfelelõ fogyasztói áramköri kapcsolás jöjjön létre. Így a vevõkészülék kapcsolóóraként is képes üzemelni. A rendszer számtalan elõnye mellet vizsgálni kell azokat a hátrányos tulajdonságo-kat, amelyek új rendszerek kifejlesztésére ösztönözték úgy a gyártókat, mint pedig a rendszer üzemeltetõit. Ezek közül a legfontosabbakat említjük meg, melyek az alábbiak: A vezérlés lehetõsége egy adóberendezéssel egy villamos alállomásra korlátozódik. Az adóberendezéseket villamos alállomásonként kell telepíteni; A rendszer a kiépített villamos hálózat miatt topológia függõ; A rendszer létesítése igen költségigényes; Az adóberendezés és a csatoló szûrõkör karbantartás igényes, idõnként cserélni kell; A rendszer adatátviteli sebessége lassú; A vezérlés pont pont-szerû, de a vezérlõ szoftver segítségével tömegvezérlés is megvalósítható a rendszerben; A vezérlési távolságot befolyásolja az energiaátvitel céljaira szolgáló vezetékhálózat csillapítása a kiválasztott hangfrekvencián. A fentiek figyelembe vételével, valamint a hosszúhullámok ipari vezérlési célra történõ felszabadítása után a fejlesztés az 1990-es évek elején a hosszúhullámú rádiós vezérlés irányába fordult és dolgozta ki az RKV (Rádiófrekvenciás Központi Vezérlés) rendszert. RÁDIÓFREKVENCIÁS KÖZPONTI VEZÉRLÉS A rádiófrekvencia alkalmazása a központi vezérlés céljára gyakorlatilag kiküszöböli a fentebb felsorolt hátrányos tulajdonságokat. A rendszer felépítése topológia függetlenné válik. Szükségtelenné válik a költséges adóberendezés és csatoló telepítése, ezzel csökken a karbantartási igény, növekszik az adatátviteli sebesség. Meglévõ mûsor szóró adó is felhasználható a vezérlõ parancsok kiadására. A rendszer az alkalmazott szoftver segítségével alkalmas úgy pont pont-szerû vezérlésre, mint pedig egyidejû tömegvezérlésre egyaránt. Rádiófrekvenciás rendszerben a hoszszúhullámokat használják vezérlésre. A hosszúhullámú rádiófrekvencia kiválasztását az alábbi szempontok indokolják: A hosszúhullámok terjedése a föld felszínével párhuzamosan megy végbe (felületi hullámok), de a térhullámok az ionoszféra rétegrõl visszaverõdnek, ezzel tovább növekszik a vételi távolság; A hosszúhullámok képesek a földfelszín domborzati viszonyait követni, a terepakadályokat kikerülni; A hosszúhullámok behatolnak a föld alá is, mennél alacsonyabb a frekvencia, annál mélyebbre, lehetõvé téve a vevõkészülék föld alatti vezérlõ, illetve kezelõ helyiségben való elhelyezését. Figyelembe véve, hogy a rendszer alapvetõ feladatai nem változtak meg, csak az információátvitel útja cserélõdött ki a hangfrekvenciás rendszerhez képest, a vevõkészülékek tudása is gyakorlatilag megmaradt, csak az információk fogadása cserélõdött az átviteli út változása miatt, valamint a belsõ felépítés az építõelemek korszerûsödése miatt korszerûbbé vált. A rendszer blokksémája a 2. ábrán látható. Az egyes egységek feladata az alábbi. Felhasználói munkaállomások: A munkaállomás telepítési helye a felhasználó területe; Biztosítják a kezelõszemélyzet számára a parancs kiadás lehetõségét, a vevõ készülékekbe programozott menetrend megváltoztatása lehetõségét, az átprogramozás lehetõségét, a beépített óra szinkronizálását stb; Megvalósítása egy hagyományos számítógéppel, speciális szoftverrel történik; A rendszer biztosítja, hogy egy adott felhasználó csak a hozzá rendelt vevõkészülékeket vezérelheti. Más felhasználó ezekhez a vevõkészülékekhez nem fér hozzá. Kommunikációs vonal: Feladata a munkaállomások és a központi számítógép közötti adatátvitel biztosítása. Megvalósítása egy csomagkapcsolt adatátvitel X25, ISDN X31, vagy Internet kapcsolat lehet; Az adatátvitel integrálható a meglévõ adatátviteli rendszerbe TCP/IP, vagy HTML protokollon keresztül; Adatátviteli sebesség Bd. 2. ábra. A rádiófrekvenciás vezérlõ rendszer blokkvázlata 4 VEZETÉKEK VILÁGA 2005/3

6 Központi számítógép: Kétkomputeres rendszer teljes redundanciával; Feladata a felhasználói állomásokkal a forgalom, valamint a hosszúhullámú átvitel buszvonalának és az ellenõrzõ komputernek a vezérlése; Mintegy 10 mp-enként szinkronizáló távirat kiküldése az adásszünetekben; A kiadott táviratok automatikus egyszeri megismétlése, de többszöri ismétlés is beállítható. Adatmodulátor: Feladata a vivõ frekvencia digitális frekvencia modulációja (FSK moduláció) a kisugárzandó táviratoknak megfelelõen. Ezen moduláció elõnye az egyszerûsége és zajtûrõsége. Adóberendezés, antennaillesztés és antenna: Feladata a vivõfrekvencia elõállítása, a modulált jel antennára való csatolása és kisugárzása. A távirat továbbítás sebessége 200 Bd. Felhasználói vevõ berendezés: Feladata a kisugárzott táviratok vétele, a vevõnek címzett táviratok demodulálása, dekódolása, az érkezett parancs értelmezése és végrehajtása; A feladatokat különbözõ terhelhetõségû relé érintkezõk segítségével hajtja végre; Tartalmazza az antennát is, de külsõ antenna is csatlakoztatható; Tartalmazza a belsõ órát és a beprogramozott menetrendet is. Az óra távirati úton szinkronizálható, illetve a menetrend is átírható. Az intelligens vevõkészülék az alábbi fõbb tulajdonságokkal rendelkezik. Egy egységbe kerül beépítésre a rádió vevõkészülék és a kapcsoló óra. Alkalmas a rádión érkezett parancsok végrehajtására, de a vezérlés kimaradásakor kapcsolóóraként is képes mûködni az elõre beprogramozott menetrend szerinti parancsok végrehajtására. A menetrendeket EPROM tárolja, melyek tetszõleges számban átírhatók táviratokkal, vagy közvetlen programozással. Egy távirattal több relé is vezérelhetõ, így egy három relével szerelt készülék alkalmas közvetlenül a háromfázisú hálózat vezérlésére. A vevõkészülék intelligenciája révén az elõre programozott idõfüggõ kapcsolásokat helyben el tudja végezni a beépített belsõ óra segítségével, felszabadítva az átviteli utat más parancsok számára. A vevõkészülék alkalmas többféle kódrendszerrel való mûködtetésre (Versacom, Semagyr-top, EFR-szinkron), azonban egyidejûleg az eltérõ kódszerkezetek miatt csak egy fajta kódrendszer használható. Magyarországon a fenti kódrendszerek közül a Versacom rendszert használják, ezért csak ennek rövid ismertetésére szorítkozunk. VERSACOM KÓDRENDSZER A kódrendszer az elõzõekben ismertetett vevõkészülékek mûködtetésére lett kifejlesztve, mivel a hagyományos bitszervezésû táviratokkal a vezérlés rendkívül nehézkes és egy sereg funkció nem volt megvalósítható. A Versacom táviratok lehetõséget adnak a vevõk távirati úton való paraméterezésére, az egyedi címzésre, valamint a vevõk egyedi mûködés letiltására, vagy mûködés engedélyezésére. A kódrendszerbe beépített ellenõrzõ byte-ok védelmet biztosítanak a téves parancs végrehajtás ellen, a távirat sérülése esetén. A parancs kiadáshoz csak a vezérelni kívánt eszköz címét, funkcióját és a szükséges paramétereket kell megadni, a táviratot a központi számítógép automatikusan állítja össze. A távirat általános felépítése a 3. ábrán látható. Hossz: Az adatblokk hossza Byte-okban, binárisan kódolva (max. 15 Byte). Hossz CRC: Adatblokk: Adat CRC: Az adatblokk hosszadatát biztosító fél Byte A távirat információ hordozó része. Az adatblokk védelmét biztosító Byte. Az adatblokk tartalmazza a funkciókódot, melyhez az alábbi funkciók lettek hozzárendelve. 1. Naptár, 5 Byte. (64 dátum pár 15 menetrend mûködtetésére.) 2. Menetrendi idõpontok, 4 Byte. (Menetrendek kapcsolási idõpontjainak meghatározása. Menetrendeknek a hét napjai szerinti mûködtetése.) 3. További funkciók (egyéb, jövõbeni feladatokra). 4. Menetrendváltás, 2 Byte. (Vevõk menetrendjeinek tiltása, engedélyezése.) 5. Óraszinkron, 4 Byte. (A szinkronizálás elvégezhetõ a hét napjai szerint, vagy konkrét dátummal.) 6. Kapcsolási parancs A. (Kapcsolási parancs a címzett objektum kapcsolására.) 7. Kapcsolási parancs B. (Inverz kapcsolási parancs a címzett objektum kapcsolására.) 8. Gyártó által meghatározott funkciók, max. 5 Byte. (A gyártó által specifikálható.) 9. Dinamikus bekapcsolás max sec. vagy perc idõtartamra, 2 Byte. (sec perc váltás programozható.) 10. Ciklusindítás I. 1 Byte. (Ciklusidõ és ciklusszám a vevõbe elõre programozva. Programozható a ciklusidõ kitöltési %-a, 1-99 %) 11. Ciklusindítás II. 3 Byte. (Ciklusidõ, ciklusszám és a ciklusidõ kitöltési %-a szabadon programozható.) 12. Számláló nullázása, 1 Byte. (A vevõ üzemi számlálóinak nullázása.) 3. ábra. Versacom távirat általános felépítése X. évfolyam, 3. szám 5

7 13. Mûködéstiltás. (A vevõ mûködésének tiltása.) 14. Teszt. (Távirat vételekor a teszt számláló értékét egyel növeli.) 15. Mûködésengedélyezés. (Üzemelés engedélyezése a letiltott vevõben.) 16. Kikapcsolás és menetrendtiltás. (A végrehajtó relék kikapcsolása és menetrendjeiknek letiltása.) A fenti felsorolás az egyes funkciók belsõ tartalmának általános ismertetését tartalmazza. A tényleges paraméter tartalommal való kitöltés a felhasználási terület függvénye, így annak részletes tárgyalása meghaladja jelen cikk terjedelmét. A vevõkészülékek és azon belül az egyes relék címzése kétféle módon lehetséges, egyedi címzéssel, illetve csoportos (hierarchikus) címzéssel. A vevõkészülék egyedi címzése egy decimális szám. Ennek maximális értéke a címzés 3 Byte-jának figyelembe vételével 2 24 = vevõkészülék. A címzés negyedik Byte-ja a vevõkészüléken belüli relét választja ki kapcsolási parancs esetén (6,7,9,10,11 funkciók). Egyéb esetekben, pl. paraméterezésnél a címzés csak 3 Byte. Csoportos (hierarchikus) címzés esetén 4 címzési szint van, melyek a következõk: Terület 1 6 Körzet 1 32 Típus 1 16 Csoport 1 16 A címzési szintek tetszés szerint csoportosíthatók, illetve több csoport is mûködtethetõ. A csoportos címzés biztosítja annak lehetõségét, hogy az egy csoportba sorolt vevõk rövidített címzéssel egyidejûleg vezérelhetõk legyenek. Pl. a Terület és Körzet cím megadása esetén az abba a körzetbe tartozó összes vevõ végrehajtja a táviratban szereplõ parancsot. Célszerû a csoportok olyan összeállítása, ahol a gyakran együtt mûködtetett vevõk, vagy relék egy csoportba tartoznak. A csoportos címzés is lehetõséget ad a vevõkészülékek címzésére, vagy a vevõkben elhelyezett relék címzésére. Tömeg és egyedi vezérlésre egyaránt használható. A rendszer szolgáltatásként vehetõ igénybe, illetve értékesíthetõ. A felhasználóknál nincs szükség költséges adó és egyéb járulékos berendezés beruházásokra. Nincs szükség jelentõs költségeket jelentõ karbantartásra, kevesebb szakszemélyzet is elegendõ, nincs szervizköltség, illetve a villamos veszteség is csökken. Liberalizált piacon a végfelhasználói berendezések könnyen követhetõk (pl. a vevõegység vezérlésének más felhasználói terminálra való átcsoportosításával.) A rádió adóberendezés meglévõ mûsorszóró adó is lehet, ahol csak a parancsok kisugárzásáért kell díjat fizetni, beruházás nélkül. Alkalmazásával jelentõs megtakarítás érhetõ el a vezérlõ kábelek elmaradása miatt. A vevõkészülék önbeálló antennája lehetõvé teszi a rádióadó karbantartási idejére a táviratok kisugárzásának más rádióadóra történõ ideiglenes áttelepítését bármilyen egyéb kiegészítõ tevékenység nélkül. A hangfrekvenciás és rádiófrekvenciás rendszerek néhány fõbb paraméterének összehasonlítása a 4. ábrában látható. FELHASZNÁLÁSI CÉLOK A rendszer általános felhasználási céljait tevékenységi körök köré csoportosítva az alábbiakban foglalhatjuk össze. Természetesen a felsorolt példák csak néhány alkalmazási lehetõséget takarnak, de hasonló feladatokra még számtalan helyen alkalmazható ez a vezérlési rendszer. Közvilágítás (új rendszer létesítése, meglévõ rendszer felújítása, korszerûsítése): Közterületi világítás, ezen belül a kandeláberek egyedi, vagy csoportos vezérlése; Díszkivilágítás; Fényreklámok fel és lekapcsolása. Tarifaváltás: Háztartások: éjszakai hõtárolós fûtése, melegvizes bojlerek kapcsolása; Villamos energia elõrefizetési rendszer vezérlése. Polgári védelem: Egységek riasztási rendszere; Személyhívás; Szirénák vezérlése. Egyéb ipari vezérlések: Vízátemelõk, nyomásfokozok vezérlése; Gravitációs vezetékek szennyvíz átemelõinek vezérlése; Klímaberendezések vezérlése; Ipari, mezõgazdasági berendezések, kemencék, kályhák, hûtõ, szárí- A RÁDIÓFREKVENCIÁS VEZÉRLÕ RENDSZER ELÕNYEI A rádiófrekvenciás vezérlõ rendszer elõnyeit a vezetékes rendszerekkel szemben az alábbiakban foglalhatjuk össze. A rendszer független a villamos elosztó hálózat, vagy bármilyen más hálózat topológiájától. Nem csak villamos hálózat, hanem bármilyen más hálózat egyedi, vagy csoportos vezérlésére is használható. 6 VEZETÉKEK VILÁGA 2005/3 4. ábra. A hangfrekvenciás és rádiófrekvenciás rendszerek néhány fõbb paraméterének összehasonlító táblázata

8 tó berendezések, légcserélõk vezérlése; Szivattyútelepek, öntözõmûvek vezérlése; Egyéb rendszerek ki- bekapcsolásos vezérlése (üzemi vezérlések). Terhelésgazdálkodás: Fogyasztók ki bekapcsolása; Terhelés átcsoportosítás; Teljesítménytényezõ javítására kondenzátortelep be-kikapcsolása; Szélerõmûvek vészlekapcsolása. Vasúti felhasználás néhány területe: Vasútállomások peronvilágításának be ki kapcsolása a vasúti menetrend függvényében; Vasúti helyiségek hõtároló kályhás fûtésének vezérlése kéttarifás rendszerben; Forróvíztárolók vezérlése kéttarifás rendszerben; Klímaberendezések vezérlése; Vízellátási, vagy vízátemelõ szivatytyúk vezérlése; Személyi riasztások különleges esetekre, pl. baleset, hófúvás, árvíz stb; A felsorolt példákon kívül még további számtalan felhasználási terület elképzelhetõ, ahol kapcsolási, vagy riasztási feladatot kell végrehajtani. A RENDSZER BEVEZETÉSE ÉS ÜZEMI TAPASZTALATAI A rendszert az EFR GmbH cég szakemberei között fejlesztették és próbálták ki Németországban. Két hosszúhullámú adóval lefedik a teljes németországi területet, Svájcot, valamint Ausztria és Csehország egy részét. A kísérleti üzem befejezése, azaz 1997 óta a vevõkészülékek, tehát a vezérelt objektumok száma 2003-ig több, mint 15-szörösére nõtt. A rendelkezésre álló adatok szerint ban több mint vevõkészülék üzemelt Németországban. Az üzemeltetési tapasztalatok rendkívül kedvezõek és mindenben igazolták a rendszer elõnyeinél számba vett és felsorolt adatokat. A rendszer szerzõi jogvédelem alatt áll. A rendszer magyarországi beindítását folyó évre tervezi az EFR CEE cég. Jelenleg az engedélyezési eljárások folynak. A magyarországi hosszúhullámú adó (Lakihegy) rajtunk túlmenõen biztosítja a lefedettséget Szlovákiára, Ausztria és Csehország lefedetlen részére, valamint részlegesen Szlovénia, Horvátország és Románia egy-egy részére. A rendszer rendkívül széleskörû felhasználhatósága és a csatlakoztatható több mint 16 millió vevõkészülék sok felhasználó számára képes biztosítani a rendszerhez való csatlakozást elõfizetéses formában, melyet az EFR CEE Budapest cég szervez Magyarországon. A legkorszerûbb elemekbõl felépülõ vevõkészülékek hazai gyártás beindítása is folyamatban van. IRODALOM 1. Hangfrekvenciás központi vezérlés a villamos energia iparban. Szakirodalmi tájékoztató. Szerkesztette Oswald Károly 2. GmbH): Tarif und Lastmanagement via Langwellenfunk. (Funk- Rundsteuerung Dipl. Ing Heinrich Wienold (EFR) 3. EFR GmbH: Tuning into tariff and load management. (Power Industry Development) 4. Rádiófrekvenciás központi vezérlés konferencia (MEE). Elõadás kivonatok február, Budapest. * Szakmai konzulens: Sági József villamosmérnök. Das Funk Rundsteuerung System die Möglichkeiten seiner Verwendung Der Article führt die kurze Geschichte von der Entwicklung von Rundsteuerung ein auf dem Gebiete der ersten Verwendung in Energiemanagement. Es wird die Ursache des Tausches von Audiofrequenz System auf den Langwellenfunk System aufgegeben. Vorlegen die Vorteile und die Möglichkeiten von die Verwendungen von der Funk Rundsteuerungen. Radio Ripple Control System and Possibility of Application This Article presents the short history of development of the ripple control system on the first field of application in the field of energy management. The Article gives information about the reason of switch-over from the audio frequency system to the radio ripple control system. Presents the advantages of the radio ripple control rather then audio frequency system and the possibility of application in the field of railway transport and the different other field of industry. X. évfolyam, 3. szám 7

9 ETCS rendszer táviratkifejtése, pakettek és aszpektek grafikus és numerikus értelmezése Garai Zoltán 1. Az ETCS rendszer 1 szintjének áttekintõ hardver-szoftver jellemzése Az ETCS rendszer 1 szintû kiépítésénél pályaoldalon a jelzõk fényáramköreibõl vett jelek adják a félautomatikus vonatvezetéshez szükséges információkat. Ezen információk átvételét a LEU (Lineside Electronic Unit) végzi, mely egy kettõzött processzorú speciális PLC. E specialitást egyrészt az adja, hogy az egyes fényáramkörök hurokáramát a PLC analóg bemenetein méri, és csak az aktuális érték megléte esetén minõsíti az adott fényt mûködõnek, s értékeli logikai 1-nek az adott bemenet állapotát. A specialitás másrészrõl abban nyilvánul meg, hogy a LEU olyan kimenettel is rendelkezik (C interfész), aminek segítségével az a hozzá csatlakozó balizon keresztül tudja feladni a jármûre az általa ellenõrzött jelzõ jelzési képének megfelelõ táviratot. A baliz a pálya-jármû kapcsolat lebonyolítására szolgáló olyan intelligens eszköz, amely mûködésének energiáját a mozdonyon lévõ vevõfejbõl lesugárzott MHz-es jelbõl nyeri. Ugyanakkor ez az eszköz is rendelkezik egy a LEU hoz hasonló mikrovezérlõ együttessel, valamint egy megfelelõ antennával. Így ezek segítségével a baliz önállóan is képes egyetlen távirat jármûre juttatására. Ha a baliz nem vezérelhetõ, akkor csak ezt az egyetlen táviratot adja át az éppen fölötte levõ mozdonynak. Ha a baliz vezérelhetõ és a LEU csatlakozás is mûködik, akkor a baliz csak a LEU antennájaként funkcionál. Ha vezérelhetõ esetben a LEU csatlakozás nem mûködik, akkor a baliz a benne lévõ un. default táviratot adja fel, ha viszont a LEU és az általa figyelt jelzõ csatlakozásánál lép fel valamilyen hiba, akkor a LEU a baliz segítségével az un. LEU default táviratot adja fel a fölötte elhaladó jármûnek. A LEU nem tesz mást, mint az elõre összeállított és beletöltött komplett táviratok közül kiválasztja a jelzési képnek megfelelõt, s azt a már ismertetett módon a jármûre juttatja. Ott az ugyancsak kettõzött processzorú fedélzeti számítógép-együttes, az EVC (European Vital Computer) veszi a táviratot, azt kiértékeli, majd a felvett távirat és a mozdonyvezetõ által korábban bevitt adatok alapján a mozdonyvezetõ számára egy olyan grafikus-numerikus diszpléképet generál, amely a vonatvezetéshez szükséges adatokat a mozdonyvezetés igényeinek megfelelõen jeleníti meg. Ugyanakkor ellenõrzi, hogy a mozdonyvezetõ a képernyõn megjelenítetteknek megfelelõen vezeti-e a vonatot, s eltérés esetén elõbb figyelmeztet, majd kényszerfékezést alkalmaz. Úgy a LEU, mint a baliz és az EVC elõbb ismertetett mûködése a duplikálás miatt vasútbiztos mûködést valósít meg, de bármely eszköz mikroszámítógép-duója valamelyikének hardverszoftver hibája miatt az adott egység automatikusan selejtezi magát. A LEU-k centralizált esetben az állomási biztosítóberendezés jelfogótermében vagy annak közelében helyezendõk el, s a hozzájuk csatlakozó balizok a jelzõkhöz hasonló kábelezésen át köthetõk be. Decentralizált esetben a LEU az adott jelzõ közelében helyezendõ el, és a hozzá tartozó balizhoz csápkábelen keresztül csatlakozik. A balizokat az adott vágány vágánytengelyébe telepítik az õket mûködtetõ jelzõktõl adott, de egységesen megszabott távolságra. 2. Az ETCS 1 szintû kiépítése táviratainak numerikus elemzése Mint az már az eddigiekbõl is kitûnik, a baliz memóriája egy, míg a LEU é több kész táviratot tartalmaz. A LEU egyes táviratait aszpekt-nek nevezzük. Ezek száma decentralizált esetben a jelzõn megjeleníthetõ összes jelzési kép plusz egy darab, míg centralizált esetben ez a szám a kitérõ irányban beállítható menetek száma mínusz kettõvel bõvül. A plusz egy aszpektet a LEU default, míg az egyik mínusz egyet a kurrensre mutató, a másikat pedig a határozatlan célpontú eset elmaradása miatt adódó aszpekt jelenti. A határozatlan célpont itt azt jelenti, hogy mivel kettõnél több vágányú állomáson kitérõ irányú menetbõl több is van, decentralizált LEU-s kiépítés kitérõ irányú meneténél a célpont ismeretének híján konkrét távolság érték nem adható fel a jármûre. (Ilyen menetek esetén a LEU vagy a legközelebbi, vagy a legtávolabbi célpont távolsága adja fel a jármûre, s a céltávolság pontosítás a háttal álló kijárati jelzõ balizánál történik meg.). Természetesen 80 vagy 120 km/ó sebességgel járható kitérõk esetén az aszpektek számának növekménye az e sebességgel járható vágányok számával tovább nõ, s az aszpektek számát az is növeli, ha egy kijárati jelzõn a második térközjelzõ jelzési fogalma is figyelembe van véve. Az egyes aszpekteket A betû és az azután irt arab szám jelöli. Így az A0 aszpekt rendszerint a Megállj állású jelzésiképhez, míg az A1 vonatvágányutas biztosítóberendezés esetén a Hívójelzéshez tartozik. A többi aszpekt számozása ugyan egységes rendszerben, de vonalanként változó módon történik. Az egyes aszpektek un. paket-ekre bonthatók. A paket egyfajta makróként felfogható olyan információ-csomagot jelent, amely egy adott részfeladat ellátását vezérli. A paket funkcióinak megadására és vezérlésére szolgáló, tovább nem bontható alapelem az ún. Változó, mely a számítógépes terminológiában az utasításának felel meg. A változók különbözõ hosszú bájtokban olyan értékeket adnak meg, amik mindegyikéhez jól definiált jelentések tartoznak. A paketek szerkezete és mûködése, s ezáltal változóinak száma, a változók fajtái és azok sorrendje egy vasúton belül kötött. Az 1. ábra egy bejárati jelzõ példáján a táviratszerkezet formáját és értelmezését mutatja. Minden aszpektnek rendelkeznie kell egy távirat elejét, és végét jelentõ pakettel. A távirat elejét a Távirat fej /Balise Telegram Header, a távirat végét pedig a Távirat vég/end of Telegram (255) nevû paket jelzi. A távirat tényleges tartalmát jelentõ paketsorozat az elõzõkben meghatározott két, kötelezõen meglévõ paket közé kerül. Minden paketnak van egy neve és egy azonosító száma. Ez utóbbi a továbbiakban a név után tett zárójelben található. A paketek a következõ, az 1. ábrán is jól követhetõ szabályok szerint épülnek fel: 1) A packet elején az ún. Packet fej található. Ez mindig négy változóból áll, melyek jelentése a következõ: A NID_PACKET változó a paket azonosító számát tartalmazza. A Q_DIR változó a paket vizsgált menetirányhoz való viszonyát adja meg. E változónak négy értéke lehet, melyek: az: ellentétes, a normál, a mindkét irányra való érvényességet jelölõ, s van egy tartalék. Az L_PACKET változó a paket bitekben mért hosszát adja meg. E változónak csak informatikai jelentése van, forgalomtechnikailag nem hordoz érvényes adatot. A Q_SCALE változó a paket távolság adatainak értelmezési mérõszámát adja meg. E változónak négy értéke lehet, melyek: a 10 cm, az 1m és a 10 m szerinti osztást jelentik, s itt is van egy tartalék. 8 VEZETÉKEK VILÁGA 2005/3

10 pes terminológia szerint assembler szintû programlista, amely aszpekt, paket és változó szerinti bontásban van strukturálva és kommentálva. Ebbõl már igaz elég nehezen elvégezhetõ a táviratok numerikus értelmezése és elemzése. Az 1. ábra így a táviratszerkezet bemutatásán kívül a numerikus táviratkifejtés egyik lehetõségét mutatja be. 3. A táviratok táviratszerkezet alapján való kifejtése Ha az 1. ábrán megadott struktúrát vizsgáljuk, láthatjuk hogy az alapján igazi elemzés csak nehezen végezhetõ el. Ennek oka az, hogy egy olyan teljeskörû vizsgálatnál: ahol több, egymást horizontálisan és vertikálisan követõ baliz és balizcsoport átlapoltan eltolt adatait kell egybelátni, ott egy ilyen manuálisan készített numerikus-elemzés még áttekinthetetlenebb és értelmezhetetlenebb lesz. Ráadásul az ilyen elemzésnél az is fontos 1. ábra. Egy balizcsoport táviratainak Részletes tartalomban leírt formája és annak értelmezése 2. ábra. Egy balizcsoport táviratainak filmszerû és összerajzolt kifejtése, valamint a közöttük lévõ kapcsolat 2) Egy paket a vasútvonal egy adott, rövidebb-hosszabb szakaszára vonatkozó adatokat tartalmaz. Mivel egy távirat távolságadatainak legalább egy vonatmenetnyi hosszra kell vonatkozni, ezért abban az esetben, ha valamely paket csak ennél rövidebb hosszú szakaszt tudna megjelölni, akkor abból a paketbõl legalább annyit kell a táviratba beépíteni, amennyi legalább egy vonatmenet hosszt felölel. Az ugyanazon paket növekvõ indexszel való ismétlése a paket iterációja. A paketek iterálható részének ciklusszámát az iterációs szám jelzi, melyet az N_ITER változó értéke ad meg. Ha az N_ITER = 0 eset áll fenn, akkor a paket csak a (0) indexû változókat tartalmazza, ha az N_ITER = 0 eset áll fenn, akkor a paket minden a (0) indexnél nagyobb indexû változóra nézve az éppen aktuális indexszel ismétli a változók (0) index alatt determinált csoportját. Az aszpektek és azokon belül a paketek és a változók a memóriában egy adott fizikai sorrend szerint helyezkednek el. A táviratok tartalmát összeállító rendszertervezõk által rendelkezésünkre bocsátott ún. Részletes távirat tartalom nevû dokumentáció lényegében ebben a sorrendben jeleníti meg a táviratokat. Ez a dokumentáció egy olyan a számítógé- X. évfolyam, 3. szám 9

11 szempont, hogy az egymástól nagyon eltérõ struktúrájú olykor több tízezres darabszámú és nagymértékben ismétlõdõ adatot kell az informatikai, biztosítóberendezési, forgalmi és gépész-gondolkodású emberek számára is értékelhetõ formába hozni. Ha az 1. ábrán megadott struktúra egyes aszpektjeit és paketjeit a 2. ábra bal oldalán látható módon rajzoljuk öszsze, akkor azon filmszerûen jelennek meg az egyes távirat-összetevõk. Ez a fajta kifejtés lényegében megegyezik a Részletes távirat tartalom laponként kiprintelhetõ standard formájával, s így ezen sem különülnek el jól látható és áttekinthetõ módon az egyes távirati elemek. Ezek jól látható és elkülöníthetõ módja a 2. ábra jobb oldalán található ún. Összerajzolt kifejtésen szemlélhetõk. Ezen az ábrán ugyanakkor a filmszerû és az összerajzolt kifejtés elemeinek kapcsolata is jól látható. A 2. ábra megmutatja, hogy az egyes balizok és balizcsoportok táviratainak áttekinthetõ elemzése csak egy számítógépes kifejtés segítségével végezhetõ el eredményesen. Az ETCS rendszer kifejtésének számítógépes programja a rendszer struktúrájának grafikus kivetítésére, fõ jellemzõinek megjelenítésére és ellenõrzésére szolgál. Így az a mûködtetendõ, vagy a már mûködõ rendszer ember számára érthetõ általános vagy célorientált vizsgálatát, javítási, átalakítási lehetõségeinek kipróbálását, elemzését teszi lehetõvé. Ugyanakkor arra is alkalmas, hogy a különbözõ struktúrájú és forrású, sok esetben párhuzamosan jelenlévõ adatok konzisztenciáját is ellenõrizze, és az adódó javítandó eltéréseket jelezze. Az ETCS rendszer kifejtésének számítógépes programja bemenetéül egyrészt az adott vonal torzított helyszínrajzának szelvényhelyes adatai és képe, másrészt a balizokba illetve a LEU-kba betöltendõ vagy betöltött táviratok adatai szolgálnak. Az ETCS rendszer kifejtésének számítógépes programja kimenetét viszont a Távirati struktúra, valamint a Paket kifejtés típusrajzai jelentik, melyek képernyõn vagy kinyomtatott formában egyaránt megjeleníthetõk. A kimenet eme kétféle típusát az igények különbözõsége szülte, de az áttekinthetõség is fontos momentum volt a programok ilyen megjelenítési bontásban való megalkotásánál. Idõközben azonban kiderült, hogy a kétféle kifejtés során keletkezett, jól strukturált adathalmaz más célokra is felhasználható. Így a kifejtés számítógépes programjának egy harmadik kimenete is létrejött, nevezetesen a Vizsgálati lapokat gyártó modul. Ez utóbbi kimenet a vizsgálati tevékenység elõkészítését és automatizálását hivatott ellátni. Mivel a LEU baliz EVC 10 vizsgálatok elõkészítése azon adatok jelentõs részét igényli, amelyeket a kifejtés számítógépes programjának rendszere immár üzemszerûen hordoz, van mód a vizsgálati lapok különbözõ struktúráinak gépi legyártására. Így e programrendszerrel egyedi, csoportos és grafikus vizsgálati lapok egyaránt készíthetõk. 4. A távirati struktúra szerinti kifejtés VEZETÉKEK VILÁGA 2005/3 Már az 1. ábrán is látható, hogy a MÁV ETCS rendszernél egy fõjelzõhöz egy fix, és egy vezérelhetõ baliz tartozik, ahol a fix balizt #1, míg a vezéreltet #2 index jelöli. (Az elõ és a hívásfeloldó jelzõkhöz egy, vezérelhetõ baliz tartozok, s az #1 indexszel bír.) Vagyis egy fõjelzõhöz egy balizcsoport van rendelve. A 2. ábra jobb oldalán látható összerajzolt táviratforma a balizcsoport jelzõjéhez tartozó balizok Távirat struktúráját igaz kissé sematizáltan de mutatja. Ezen a grafikailag megjelenített formulán nagyon jól látható a táviratok aszpektjeinek és pakettjeinek neve, sorrendje, egymáshoz való viszonya és minden más olyan jellemzõje, ami fontos információ a rendszer struktúráját elemzõ szakembernek. Ezek a más jellemzõk: a paketek mûködési iránya, valamint az iterálható paketek iterációs ciklusszáma. Ugyanakkor ez a kifejtési forma azért is fontos lépcsõje a rendszer elemzésének, mert az lesz forrása a vizsgálat következõ lépcsõjét jelentõ Paket szerinti kifejtésnek. A 2. ábra jobb oldalán látható összerajzolt táviratforma azaz a Távirat struktúra ugyan önmagában is nagyon jól használható, azonban az állomási vagy a részleges illetve a teljes vonali bontásban való megjelenítéshez szükség van a távirathoz tartozó vasúti környezet ismeretére, s célszerûen annak a kifejtéssel ugyanazon lapon való megjelenítésére is. Ez a probléma ugyan látszólag úgy is megoldható volna, hogy a képernyõre vagy lapra nyomtatott kimeneti dokumentumhoz egyszerûen hozzánézzük a helyszínrajzot. Ez a megoldás azonban nemcsak eléggé nehézkes, hanem méltatlan is egy ilyen szintû programrendszerhez annál is inkább, mivel ez a vasúti környezet az adatbázisban numerikusan és grafikusan már egyaránt rendelkezésre áll. Így az ETCS rendszer kifejtésének számítógépes programja kimenõ rajzolatának vonali viszonylatba való behelyezése az un. kimenõ megjelenítõ lapra való rajzolással lehetséges. A Távirat struktúra kimenõ megjelenítõ lapon való elhelyezését a 3. ábra mutatja. A 3. ábrán látható, hogy a kimenõ megjelenító lap a felsõ és alsó margókon és az Üres helyeken kívül még három vízszintes munkasávot is tartalmaz. A két margó és az üres hely természetesen nem kihasználatlan felület, erre kerülnek a különbözõ állandóan és ideiglenesen megjelenõ feliratok és számok. Az elsõ ún. Vonali megjelenítõ sávba kerül a vonal aktuális részének torzított rajzolata, s így ezzel valósul meg a vasúti környezet kifejtéshez való hozzárajzolása. Ezt a rajzolatot egyelõre ugyan manuálisan kell 3. ábra. Zalalövõ állomás A és B bejárati jelzõihez tartozó balizok Távirat struktúrájának kimenõ lapon való elhelyezése

12 bevinni, de ha megteremtõdnek a CADbõl való közvetlen bevitel lehetõségei, akkor ez a mûvelet is kvázi automatikusan megy végbe. A kézi bevitel azonban nem gond, mert a tapasztalatok azt mutatják, hogy a helyszínrajz tüzetes áttanulmányozására egyrészt szükség van, másrészt pedig e bevitelnél derülnek ki a helyszínrajzok esetleges anomáliái. Ez utóbbi funkciót a programrendszer azzal támogatja, hogy összeveti az éppen bevitt grafikus elem jellemzõit a baliz-leu táviratainak aktuális adataival, s jelzi, ha eltérést talál. A 2. ábrán látott távirati struktúra a 3. ábrán a Forrás oldali megjelenítõ felületre kerül. Azért ide, mert ez a rajz lehet a további gépi elemzések forrása, és ezek az elemzések akkor a Rendeltetés oldali megjelenítõ felületen kapnak helyet. A függõleges multiplikációs vonal szerepe viszont igazából akkor domborodik ki, amikor egy állomás vagy vonalrészlet balizainak távirati struktúráit rajzoljuk ki. Ebben az esetben a vízszintes multiplikációs vonalak is szerepet kapnak, mivel a Távirati struktúrák és a vonali rajzolatok nem mindig vannak térbeli szinkronban, s e két összetartozó jellemzõ együttfutását ezek a vonalak biztosítják. kapcsolódó részeket nem tartalmaz. Ugyanakkor ez az egyszerûsítés gépi úton nagyon könnyen elvégezhetõ, és ennek 4. ábrán látható grafikai megjelenítése is probléma nélkül megoldható. Természetesen mindez a Paket kifejtés kimenõ lapon való elhelyezésére vonatkozik, ahol a Forrás oldali megjelenítõ felületre a távirat kifejtés stilizált formája kerül mint a kifejtés állandó része, a Rendeltetés oldali megjelenítõ felületre pedig maga az adott paket kifejtése rajzolódik ki mint a kifejtés változó része. A változó rész kitétel itt azt jelenti, hogy egy adott távirat kifejtésbõl mint állandó részbõl annyiféle paket szerinti kifejtést lehet generálni, ahány különbözõ paketet az adott távirat tartalmaz. A 4. ábra mutatta esetben a Rendeltetés oldali megjelenítõ felületre a Menetengedély (12) paket-kifejtése kerül. Azért ez, mert a gyakorlat azt mutatja, hogy ezt az ETCS attribútumot kell a leggyakrabban elemezni, s így ennek kifejtése a legkiforrottabb. A Menetengedély grafikus ábrázolása egy stilizált, vonatkoztatási téglalap oldalai mentén értelmezhetõ a leglátványosabban. Ha e téglalap bal oldalára a startponti sebesség, jobb oldalára a célponti sebesség, alsó oldalára pedig a menetengedély hosszának vektorát mérjük fel, akkor a bal és jobboldali sebességvektorok csúcsai közé beszerkeszthetõ a Menetengedély vektora. A Menetengedély grafikus kifejtésének így ez a metódusa. Mivel egy távirat minden (12) paketet tartalmazó aszpektjének így szerkeszthetõ egy-egy külön vektor, az egyes vektorokat közös vonatkoztatási téglalapon ábrázolva látható, hogy a vektorok túlnyomó részénél vagy a start, vagy a cél vagy mindkét oldalán lesznek közös, fonódó részek. A 4. ábra esetében, mivel ott egy startpont és több célpont viszonylata áll fenn, három startoldalában közös, hosszában különbözõ vonatkoztatási téglalappal van dolgunk. Így az ID14 baliz és a B, a V3, illetve a V2 jelzõk között értelmezett Menetengedélyek vonatkoztatási téglalapjai a következõ képen adódnak. A téglalapok alsó oldalait a Vonali megjelenító sávon kiadódó távolságokba szerkesztett függõleges szelvényvonalak metszik ki. A közös start oldalt az ID14 baliz, a céloldalakat pedig az egy bejárati, és a két kijárati jelzõ függõleges szelvényvonalai jelentik. A start és céloldali sebességvektorok végpontjai e szelvényvonalakra vannak 5. A paket kifejtés szerinti formula A 3. ábra szerinti megjelenítés a rendszer nagyvonalú áttekintésének, fõbb jellemzõi együttlátásának nagyon jó és hatékony eszköze. Az ETCS rendszerkifejtés számítógépes programjának igazi haszna azonban a paket szerinti kifejtéseknél jelentkezik. Mivel a MÁV ETCS rendszer a zalalövõi vonalon 11 paketet használ, és mivel az egyes paketek mûködése nagyban különbözõ, ezért a paket szerinti kifejtési formának is annyi variánsa létezik, ahány paket a MÁV-nál használatban van. A paket szerinti kifejtésnél a célirányosságot, az érthetõséget és a könnyû áttekinthetõséget szem elõtt tartva a használat során születtek és születnek meg, illetve alakulnak át és finomodnak az egyes kifejtési módok. Mint ahogy arról az elõzõ fejezetben már szó volt, a paket szerinti formula kiinduló forrása a távirat struktúra szerinti kifejtés. Ezen ugyanis jól látszik, hogy mely aszpektek tartalmazzák azt a paketet, amelyiknek mûködésére kíváncsiak vagyunk. Mivel a továbbiakban csak ezekre az aszpektekbõl kiemelhetõ paketekre van szükségünk, ezért a Forrás oldali megjelenítõ felületre a távirat kifejtésnek célszerûen egy egyszerûsített, stilizált formája kell hogy kerüljön. Ez a megoldás azonban azért is kedvezõ, mert azáltal teszi áttekinthetõbbé a kifejtést, hogy az fölösleges, oda direkte nem 4. ábra. Zalalövõ állomás B bejárati jelzõje balizai Menetengedély (12) paketjainak kifejtése, és a kifejtés kimenõ lapon való elhelyezése X. évfolyam, 3. szám 11

13 felmérve, bejelölve és km/ó -ban értendõ mérõszámokkal beszámozva. Mivel a zalalövõi vonalon a Menetengedély az adott jelzõhöz tartozó balizcsoport #1 indexû balizától indul és a következõ jelzõig tart, valamint hogy itt decentralizált LEU-s rendszer van felszerelve, ezért: az A0 aszpekt (12) 0/0 értelmû paketja az ID14 #1 baliztól a B jelzõig tart 23 m hosszon, az A1 aszpekt (12) 15/0 értelmû paketja az ID14 #1 baliztól a V2 jelzõig tart 1058 m hosszon, az A2 aszpekt (12) 40/0 értelmû paketja az ID14 #1 baliztól a V2 jelzõig tart 1058 m hosszon, az A3 aszpekt (12) 40/40 értelmû paketja az ID14 #1 baliztól a V2 jelzõig tart 1058 m hosszon, az A5 aszpekt (12) 120/0 értelmû paketja az ID14 #1 baliztól a V3 jelzõig tart 1336 m hosszon, és végül az A7 aszpekt (12) 120/120 értelmû paketja az ID14 #1 baliztól V3 jelzõig tart 1336 m hosszon. A 4. ábrán jól látható az egyes Menetengedély vektorok fonódása, valamint a 40 km/ó startponti sebességnél adódó határozatlan célponti kezelés mûködése. A start és célponti sebességek lépcsõzése a 4. ábrán csak az adott példában megkívánt esetekre van bekottázva. A MÁV általános gyakorlatában a 80, és a Vmax is felvételre kerül, ha az adott eset ezt megkívánja. A Forrás oldali megjelenítõ felület egyes aszpektjei és a hozzájuk a Rendeltetés oldali megjelenítõ felületen tartozó menetengedély vektorok közötti kapcsolatot a vízszintes és függõleges multiplikációs vonalak teremtik meg. A paket szerinti kifejtés hasonlóan a távirati struktúrához több egymás melletti objektumra nézve is elvégezhetõ. Az ilyen típusú kifejtésnél nyer értelmet e programrendszer azon elõnye, amely az egyes balizok adatainak eltolt átfedését is jól tudja ábrázolni. A 4. ábrán ez a Bej balizának Menetengedély (12) paketjaival való azon összefüggésre utal, melyet a szaggatott multiplikációs vonalak mutatnak. Az aszpektek többi paketjai részére természetesen teljesen más szerkezetû, mûködésorientált paket kifejtés rajzolható ki e programrendszerrel. A kirajzolás jelenleg laponként nyomtató printerre van kidolgozva, azonban a leporellóra való nyomtatás megvalósítása esetén az állomási és a vonali kifejtések is egyszerûen, ragasztgatás nélkül valósíthatók meg. 6. A programrendszer jövõje Az ETCS rendszer kifejtésének számítógépes programja iránti igény a TEB Technológiai Központ Biztosítótóberendezés Osztályán vetõdött fel akkor, amikor az ETCS MÁV rendszerrel kezdtünk foglalkozni. Mivel e rendszer legalább olyan, de valószínû, hogy fontosabb szerepet fog betölteni a MÁV-nál, mint az EVM 120, ezért a rendszernek egy nagyon alapos és a lehetõségekhez mért legmélyebb megismeréséhez kezdtünk hozzá. Ez nemcsak a rendelkezésünkre bocsátott hatalmas mennyiségû dokumentáció (SRS és FRS) áttanulmányozását jelentette, hanem a szintén megkapott Részletes távirat tartalom adatait is vizsgálat és elemzés alá vettük. Mivel ekkor a 2. és 3. Fejezetekben leírt problémákkal kellett szembesülnünk, kezdtük el a grafikus elemzés módszereinek kidolgozását, majd késõbben annak számítógépen való realizálását. A munka természetesen még nem ért a végére, hiszen jelenleg csak a promt elvárások teljesülése jelenti a hasznot. De már ebben a fázisban is látható a szolgáltatások kibõvítésének igénye, valamint az a haszon, ami a rendszer információinak egybelátásából, könnyen értelmezhetõségébõl és a minden egy rajzon elv teljesülésébõl fakad. Azonban már most is látható és remélem a cikkbõl ez jól kiviláglik hogy e programrendszer kompletté válása nemcsak az ETCS-sel rendszer szinten foglalkozók számára lesz egy nagyon jó eszköz, hanem a rendszert használók jóval szélesebb szakemberkörének hasznos eszközévé fog válni. Exponierung der Telegramme des ETCS-Systems, grafische und numerische Auslegung Packets und Apsects Bei der Installation des ETCS-Systems in Ungarn ist eine wichtige Aufgabe neben den Prüfungen auch sich mit dem System bekannt zu machen und Analyse durchzuführen. Da die konvenzionelle, numerische Analyse der Menge von Daten, die durch den System gehandelt wird, kein genügendes Ergebnis dazu gegeben hatte, trat erstens sozusagen aus Zwang verschiedene Exponierung und grafische Auslegung der Systeminformationen in den Vordergrund. Danach wurde ein Analyseund Auslegungssystem entwickelt, dadurch diese Arbeitsphasen mit der Anwendung eines Rechners wirksamer fertig machen zu können. In diesem Artikel wird der logische und sequenzielle Verlauf des Entwicklungsprozesses vorgestellt. Erstens gibt es eine kurze Darlegung über das ETCS-System, dann wird die Telegrammstruktur des Systems und deren Elemente kurz vorgestellt. Dann folgt eine Darlegung über die grafische Verfahrensweise der Exponierung und über Ausgangsabbildungen, bzw. Dokumente, die mit Hilfe dieses Verfahrens bereitgestellt werden. Damit verknüpfend wird manche Eigenartigkeiten des ETCS-Systems beleuchtet, die durch das Exponierungsprogramm am leichtesten veranschaulicht und überblickt werden können. Am Ende des Artikels erhalten wir ein Bild, welche konkrete Vorteile dieses Programm hat, bzw. was für Weiterenwicklungen durch den Anwendungsmöglichkeiten induziert werden. The display of telegrams of the ETCS system, graphical and numerical explanation of packets and aspects In addition to the verification of the Hungarian installation of the ETCS system, getting know and analysing this system is also a task. Since the conventional (numerical) analysing of the great amount of information which is handled by this system hasn t given an appropriate result, at first approach we were pressured to do this different displays and graphical explanations of system information has come to front. After a short period of time this work turned to the direction of developing a computer-aided verifying and interpreting system. This article shows the logical and sequential way of this development. First, it gives a short description about the ETCS system and then explains the telegram structure of the system and its items. After this the graphical way of explanation is showed followed by the resulting output pictures and datasheets. In connection to this, light is thrown to some specific features of the ETCS system which computer-based explanation gives the best overview on the system. At the end of the article we should have a little insight which advantages this computer program has, and what kind of improvements are inducated by the application possibilities. 12 VEZETÉKEK VILÁGA 2005/3

14 Regiszter-szintû szintézis a digitális VLSI tervezésben KIVONAT Dr. Keresztes Péter Akár felülrõl-lefelé (top-down), akár alulról-felfelé (bottom-up) irányú a digitális VLSI áramkörök tervezésének folyamata, a bonyolultság növekedésével elengedhetetlenné válik a számítógépes támogatás. Az automatizált tervezési eljárások azonban nem támaszkodhatnak heurisztikára, tervezõi intuíciókra, az adott feladat kiváltotta nagyszerû ötletekre. Ezek a feladatok és eljárások formális, vagy legalább fél-formális megfogalmazását és kezelését igénylik. A dolgozat áttekinti a digitális rendszertervezés szintjei és tartományai között megvalósuló tervezési eljárásokat, kiemelten a viselkedési leírásból alacsonyabb szintû struktúrát generáló szintézist. A dolgozat nem tárgyalja a kapcsolók, a kapuk szintjén, illetve a rendszer-szinten jelentkezõ speciális szintézis problémákat, kizárólag a regiszter szintû szintézis (HLS) folyamatát mutatja be, azt is inkább csak illusztrálva a fõ lépéseket. 1. A SZINTÉZIS JELENTÕSÉGE A DIGITÁLIS VLSI TERVEZÉSBEN Az utóbbi évtizedekben a mikroelektronikai technológiában végbement óriási fejlõdés átalakította világunkat. Az egy csipen, egyetlen alkatrészként forgalomba hozható digitális eszközök bonyolultságát gyakran jellemzik a csipen lévõ félvezetõ-kapcsolók (tranzisztorok) számával. Ha ez a szám meghaladja az 1 milliót, szokás VLSI (Very Large Scale Integration) áramkörrõl beszélni. Az ilyen áramkörök funkciói, viselkedésük leírása is sokkal bonyolultabb, mint a mikroelektronikai korszak hajnalán. Nyilvánvaló, hogy az ilyen eszközök tervezésének problémája ma kizárólag számítógéppel segített eljárásokkal lehetséges. Ugyanakkor a számítógépes programok hatásossága a bennük megtestesülõ tervezési tapasztalatoktól, algoritmusoktól, eljárásoktól függ. Sajnos rég elmúlt az az idõ, amikor a digitális (logikai) áramkör megfelelõségét pusztán a kapcsoló-algebra tételeire támaszkodva garantálni lehetett. A múlt század nyolcvanas éveinek elejére vált a helyzet kritikussá. Elengedhetetlen volt, hogy a megfelelõ számítógépes programok (EDA : Electronic Design Automation) kifejlesztése érdekében rendet teremtsenek a rendszer-leírások és tervezési módszerek dzsungelében. Az elsõ lépés egy új osztályozási rendszer (taxonómia) megalkotása volt, amely Gajski és Kuhn nevéhez fûzõdik [1]. Ha az 1. ábrán bemutatott tengelyeken a növekvõ absztrakció szerint rendezzük digitális rendszer leírásait, akkor az ún. Y -diagramot kapjuk. Az B (Behavioural) tengelyen olyan leírások helyezkednek el, amelyek az egységek bemenetei és kimenetei között fennálló esemény-kapcsolatokat adják meg, anélkül, hogy azok belsõ felépítésérõl bármit is elárulnának. Az S jelû (Structural) tengelyen a rendszer olyan leírásait rendezzük, amelyek semmit nem árulnak el az egység viselkedésérõl, de a belsõ felépítésérõl mindent megadnak, azaz a szóban forgó egység a megadott komponensekbõl összeállítható. A harmadik P (Physical) jelû tengelyen az adott egység fizikai megjelenésének dokumentációi találhatók, például a layout dokumentációk, tokozási dokumentációk, stb. Az egyes tengelyeken a középponttól egyforma távolságra kerülnek azok a leírások, amelyek az absztrakció azonos szintjén vannak. Legbelsõ körön azok a leírások vannak, amelyek félvezetõ-kapcsolókra, feljebb azok, amelyek logikai kapukra, még feljebb azok, amelyek regiszterekre, multiplexerekre, illetve funkcionális egységekre hivatkoznak, végül azok, amelyek processzorokra, és programokkal felszerelt memória-modulokra vonatkoznak. A tengelyeket szokás tartományoknak, a köröket pedig szinteknek nevezni. A G-K diagramon ábrázolhatók mérnöki tevékenységek is. A 2. és 3. ábrán bemutatjuk azokat a tervezési mozzanatokat, amelyek egyike a jelen dolgozat tárgya. Ha egy adott szintû viselkedési leírásból, amit specifikációnak tekintünk, egygyel alacsonyabb szintû strukturális leírást automatikusan állítunk elõ, ezt szintézisnek nevezzük. Ennek fordítottja, amikor egy adott szintû strukturális leírásból formális módszerrel eggyel magasabb szintû viselkedési leírást állítunk elõ, és ezt összevetjük a specifikációval. Ez a verifikáció, hiszen ennek célja, hogy igazoljuk, az adott struktúra viselkedése lefedi a specifikáció szerint viselkedést, azaz minden olyan esetben, amelyrõl a specifikáció intézkedik, fennáll a megfelelés. A digitális VLSI rendszer tervezési folyamatát akkor tekinthetjük jónak, ha olyan fázisokból áll, amelyek vagy szintézissel, vagy heurisztikus-interaktív tervezési lépésekkel, és azok verifikálásával jut el egy adott szintû specifikációból a célstruktúráig. Igen érdekes, a tudomány és a technológia fejlõdés-történetébõl következõ aszimmetria figyelhetõ meg a szintézis és a verifikáció között. A szintézis módszerei, így az EDA rendszerekben megjelenõ szintézis-implementációk absztrakciós szintenként elkülönülnek egymástól. Így beszélünk logikai, regiszter és rendszer szintû szintézisrõl, egymástól eltérõ specifikációs módszerekkel, targetarchitektúrákkal és szintézis eljárásokkal. Ezzel szemben a formális verifikációs módszerek kutatásának kezdetén a legtöbb absztrakciós szint már gyakorlati tevékenység tárgya volt, így a kutatók egységes, minden szinten használható verifikációs módszerek kialakítására törekedtek. Ebben a dolgozatban a rendszer szintû viselkedési leírásból kiinduló, regiszter-szintû struktúrát eredményezõ szintézis eljárást mutatjuk be. 2. A REGISZTER SZINTÛ SZINTÉZIS FOLYAMATA Azt a szintézis folyamatot, amely rendszer szintû viselkedési leírásból indul ki, és célja egy regiszterekbõl, multiplexerekbõl (sínekbõl) és funkciós-egységekbõl álló struktúra, a szakirodalomban magas-szintû szintézisnek (High Level Synthesis: HLS) nevezik [3]. A specifikáció legtöbbször absztrakt szekvenciális algoritmus leírás, akár pszeudo-kódban, akár valamely ismert magas szintû program-nyelven írva. Az ilyen specifikációk nem teljesek, így számos kiegészítõ résznyelvi szintaxist alakítottak ki. Például a VHDL nyelvet kiegészítették a VSPEC nevû résznyelvvel [2]. A szintézis formális módszerei az intenzív, két évtizedes intenzív kutatások ellenére a mai napig nem alakultak ki. A technológia elképesztõ sebességû fejlõdése nem várta be egy, a kapu-szintû szintézisben alkalmazott kocka-algebrához hasonló elvi erejû formális módszer 1. ábra. A Gajski-Kuhn diagram : a digitális rendszer-leírások tartományai és szintjei X. évfolyam, 3. szám 13

15 2. ábra. A logikai (kapu-szintû) szintézis, illetve verifikáció a G-K diagramon 3. ábra. A regiszter-szintû szintézis, illetve verifikáció a G-K diagramon kifejlõdését, így ma már a HLS jobb elméleti megalapozására törekvõ kutatás egybeolvadt a sorban következõ szintézis, a rendszer-szintû szintézis módszereire irányuló elméleti háttér kutatásával. A regiszter szintû szintézis rendszerek többsége algoritmus-leírásból indul ki. Ennek konkrét formája igen sokféle lehet, egy jól definiált úgynevezett pszeudo-kóddal történõ leírástól egészen egy konkrét magas-szintû programozási nyelven történõ definícióig terjedhet. Egy ilyen leírás rendszer szintû viselkedési leírásnak tekinthetõ. Az algoritmus regiszterekkel, funkciós egységekkel és multiplexerekkel történõ implementációjának a folyamatát a következõ részfolyamatokra (feladatokra, lépésekre) bontják fel: A kezdeti leírás transzformálása vezérlési folyamat által sorrendezett adatfolyam modulokra; a feladat implementációjának hardver-egységekre való felbontása (partition); ütemezés korlátok figyelembe-vételével (scheduling); erõforrás allokáció (allocation). Az elmúlt évtizedben a fenti lépések végrehajtásának számos változata alakult ki mind a szakirodalomban, mind konkrét EDA rendszerekben. Ahelyett, hogy ezeket részleteznénk és összehasonlítanánk, egy egyszerû példán illusztráljuk az egyes lépések céljait, valamint azok összefüggéseit. Tekintsük az alábbi egyszerû, iteratív négyzetgyök-vonó algoritmus leíráshoz kapcsolódó szintézis folyamatot. A gyökvonás az ismert ny = 0.5(cy + x/cy) ciklus mag ismételgetése mindaddig, amíg az x bemenetre kiszámított következõ gyök-közelítés (ny) és az aktuális gyök-közelítés (cy) közötti különbség egy adott hibánál (e) kisebbé nem válik. A kezdeti közelítést egy look-up-table szolgáltatja; Fi(x). Az algoritmust az itt következõ, VHDL-hez igen közeli nyelven megadott leírással definiáljuk, legfeljebb két-operandusú aritmetikai függvényekkel. Ebben a leírásban a Cm(a: real; b: real) függvény logikai 1-et ad, ha az a valós szám nagyobb a b valós számnál, azaz egy komparátor funkciós egység funkcióját definiálja, a Fi(x : real) look-up table módszerrel egy kezdeti becslést szolgáltat az x valós szám négyzet-gyökére, az MD(md_contr: md_cont_type; a : real; b : real) szorzó-osztó a vezérlés értékétõl függõen megszorozza vagy elosztja a-t b-vel, az AS(as_contr: as_cont_type; a : real; b : real) pedig összeadást vagy kivonást végez. Az algoritmus a következõ: begin read (x, e); cy := Fi(x); while f = '1' loop v := MD(div, x, cy); v := AS(add, cy, v); ny := MD(mult, 0.5, v) ; d := AS(sub,ny,cy); g := Cm(d, 0.0); if g = '0' then d := AS(sub, 0.0, d); end if; cy := ny; f := Cm(d, e); end loop; write y; end; 3. PARTÍCIÓ A szintézis eljárás elsõ lépése, hogy a feladat megoldását hardver építõelemekre bontjuk. Ez azt jelenti, hogy a viselkedési leírásban megadott algoritmust konkurens egységekre bontjuk, hiszen minden hardver elem olyan önálló processzusként jeleníthetõ meg, amely a bekapcsolástól kezdve aktív, és kommunikál a többi processzussal. A VHDL nyelvnél maradva ez annyi, RESET START és READY vezérlõ-jelekkel rendelkezõ VHDL processzus definiálását jelenti, ahány egymástól fizikailag elkülönített áramköri komponensre, például szilícium-lapkára bízzuk a megoldást. A négyzetgyökvonó egységet egyetlen processzussal valósítjuk meg, az alábbi VHDL leírás szerint. Láthatjuk, hogy ez a leírás úgy állítható elõ az algoritmus leírásból, hogy azt körbevesszük a hardverre jellemzõ vezérlõ-jelek mûködésének leírásával, és olyan végtelen hurkot képezünk belõle, (maga a processzus a hurok a VHDLben) amely a START jel felfutó élére (wait until START = 1 ) újra és újra indul. library work; use work.sqrtpack.all; entity SQRT_UNIT is port ( START : in bit; READY : inout bit := '1'; RESET : in bit; pe : in real := 0.0; px : in real:= 0.0; py : inout real := 0.0; ph1, ph2 : in bit); end SQRT_UNIT; architecture BEH of SQRT_UNIT is begin process variable e, x, y, cy, ny, v : real := 0.0; variable d : real := 1.0; variable f : bit := '1'; variable g : bit; begin 14 VEZETÉKEK VILÁGA 2005/3

16 wait until START = '1'; READY <= '0'; wait for 1 ns; e := pe; x := px; cy := Fi(x); wait for 1 ns; while f = '1' loop v := MD(div, x, cy); v := AS(add, cy, v); ny := MD(mult, 0.5, v) ; d := AS(sub,ny,cy); g := Cm(d, 0.0); if g = '0' then d := AS(sub, 0.0, d); end if; cy := ny; f := Cm(d, e); end loop; wait for 1 ns; py <= cy; READY <= '1'; end process; end BEH; 4. A CF VEZÉRELT ÉRTÉKKÖVETÕ DF FELÍRÁSA A HLS-ben második lépésként a leírást vezérlési folyamatra (CF) és adat-folyamatra (DF) bontjuk fel, amelyeket azután speciális módon egy, mindkét fajta folyamatot kifejezõ CDF leírássá egyesítünk. Ez lehet tisztán gráfos, tisztán formális-nyelvû, vagy lehet vegyes összetételû is. A dolgozatban követett módszer szerint a CF leírást egy véges állapotú gép állapot-gráfjával adjuk meg, míg az egyes állapotokhoz tartozó DF leírások a VHDL-ben használatos adat-folyam blokkokhoz hasonló formájúak. Ez azt jelenti, hogy egy adat-folyam blokk egymáshoz képest konkurens jel-értékadó utasításokból (tranzaciókból) áll. A blokkon belül a tranzakciók felírási sorrendje közömbös. A blokk esemény-hajtott (event-driven) tehát a tranzakció akkor hajtandó végre, ha a baloldal értéke nem egyenlõ a jobboldali kifejezés értékével. Az ezen a ponton még csak elvont formában felsejlõ cél-architektúra mûködésének lényege, hogy minden egyes FSMbeli állapot megnyit egy adat-folyamat részletet, majd annak nyugalomba jutása esetén bezárja azt, és a szükséges vég-értékek átmentésével megnyitja a soron következõ FSM állapothoz tartozó adatfolyamatot. Az FSM az algoritmus vezérlési folyamatát reprezentálja, a minimálisan szükséges állapotszámmal. Szabály, hogy az algoritmus minden egyes vezérlés-átadó, illetve a környezettel való kommunikációt kifejezõ utasításához új állapotot kell bevezetnünk. A négyzetgyökvonó algoritmusban ilyen a read a wait until, a while, az end loop és a write utasítás. Az általunk használt adatfolyam blokkok másik sajátossága az értékkövetés (value trace) [3]. Ez azt jelenti, hogy az algoritmus minden egyes változójához annyi, sorszámmal ellátott jelet rendelünk, ahány értéket a változó az algoritmus egyszeri végigjárásával az felvesz. Minden egyes változó-értékadásnak megfelel egy adatfolyam-blokkbeli tranzakció, melynek baloldalán a változó új értékének megfelelõ jel szerepel, jobboldalán pedig a változók az aktuális értékeiknek megfelelõ jelekkel vannak reprezentálva. Belátható, hogy az algoritmusleírás változóihoz rendelt jelek sorrendben utolsó nyugalmi értékei megegyeznek a program lefuttatása utáni változóvégértékekkel. Ebbõl következik, hogy amennyiben a teljes algoritmus átírható egyetlen értékkövetõ DF blokkba, akkor a DF blokk az algoritmus hardver implementációjának tekinthetõ, feltéve, hogy minden egyes felírt függvénynek van hardver-komponens megfelelõje abban a komponens-készletben (könyvtárban) amelybõl a struktúrát felépíthetjük. Ha a transzformáció eredménye több DF blokk, akkor a köztük az adat-csatolást megjelenítõ értékeket meg kell õriznünk, azaz egy adott blokk értéket kell hogy továbbítson egy másik blokknak, ezért regiszterek beillesztésére van szükség. A DF blokkokban így megkülönböztetjük az érték-megõrzõ, azaz regisztertípusú tranzakciókat a többitõl, mégpedig a speciális <<= szimbólummal. A 4. ábra szerinti CDF leírásban nem korlátoztuk a funkciós egységek számát, azaz a struktúrában minden funkciós egységbõl annyi lenne, amekkora az egy adatblokkon belül az adott mûveletre való legnagyobb számú hivatkozás számossága. A gyakorlatban általában korlátoznunk kell a nagy szilícium felületigényû funkciós egységek számát. Emiatt ütemezzük (további részekre bontjuk) az adatfolyamatot (scheduling). Az ütemezés részleteit a következõ pontban mutatjuk be. 5. ASAP ÜTEMEZÉS, FUNKCIÓS EGYSÉG KORLÁTOKKAL Az ASAP (As Soon As Possible) ütemezés lényege, hogy egy tranzakciót az idõben egymást követõ blokkok közül olyan korai blokkba sorolunk, amilyen koraiba csak lehet. Azaz, az ütemezés során egy tranzakciót besorolunk az aktuális megnyitott blokkba, ha jobboldali kifejezésének jelei a korábbi blokkok megnyitása során már felvették stabil értékeiket, és van a tranzakció által elõírt szabad mûveleti egység. Ha ezen feltételek valamelyike nem áll fenn, a tranzakciónak egy késõbbi blokkba kell kerülnie. Az 5. ábrán látható CDF a szorzó-osztó egységek számát 1-ben, az összeadó-kivonó és a komparátor egységek számát 2-2-ben korlátozza. Mivel az ezzel a lépéssel elkülönített DF részfolyamatok adat-kapcsolatait jelentõ értékeket meg kell õriznünk, ezért további regiszter típusú tranzakciók beillesztésére van szükség. 6. A REGISZTEREK ELKÜLÖNÍTÉSE A 6. ábra szerinti CDF abban különbözik az ezt megelõzõtõl, hogy a regiszter típusú tranzakciókat felbontjuk egy nem-regiszter típusú tranzakcióra, amely a realizáló regiszter bemenetét állítja elõ, és egy tiszta regiszter leírásra. Például az 5. ábra f1 <<= Cm(d2, e1) regiszter típusú tranzakciót kettéválasztjuk, az f1_i <= Cm(d2, e1) és az f1 <<= f1_i tranzakcióra. 7. FUNKCIÓS-EGYSÉG ALLOKÁCIÓ A 7. ábra szerinti CDF a következõ lépés. Mivel most a már meghatározott számú mûveleti egységet most konkrétan beültetjük az adatfolyam-blokkokba, ez a lépés funkciós egység allokációnak tekinthetõ. 4. ábra. A négyzetgyökvonó algoritmus elsõ CDF leírása X. évfolyam, 3. szám 15

17 8. TRANZAKCIÓ KIEMELÉS Ebben a tervezési fázisban kiemeljük az FSM állapotoktól független tranzakciókat. Tekintsük például az n1 csomópontra vonatkozó tranzakciók szemantikáját: Ez azt írja elõ, hogy az n1 az MD(n2,n3,n4) kifejezéssel legyen meghajtva a 2-es állapotban, egyébként az MD(n2, n3,n4) kifejezéssel a 3-as állapotban, egyébként pedig más állapotokban számunkra közömbös, hogy mivel hajtjuk meg, azaz akár egyébként is az MD(n2,n3,n4) kifejezéssel lehet meghajtva. Ez a tranzakció tehát állapotfüggetlen, állandó jobboldalú, és kiemelhetõ. Ugyanakkor az f1 <<= f1_i regiszter típusú tranzakció szemantikája más: f1 legyen hajtva az f1_i által, ha az FSM a 3- as állapotában van, egyébként pedig maga az f1 hajtsa meg! Ezeket a kiemeléseket következetesen végrehajtva kapjuk a 8. ábra szerinti CDF leírást. 5. ábra. Ütemezés a funkciós egységekre ki mondott korlátozás figyelembevételével 9. REGISZTER-ALLOKÁCIÓ Ebben a lépésben a tervezés utolsó CDF formájú leírását állítjuk elõ. (9.ábra) A transzformáció célja, hogy a regiszter-típusú tranzakciók számát a minimálisra csökkentsük. Ugyanaz a regiszter típusú target több kifejezés értékének a tárolását is elláthatja, ha ezek élettartománya, tehát az értékek megszületésétõl a felhasználásukig terjedõ idõintervallumok nem fedik át egymást. Ilyen két regiszter target pl. a 8. ábra szerinti v2 és py, így ezek öszevonhatók egyetlen v2_py nevû regiszter-típusú targetté. Ezzel persze két v2_py targetre vonatkozó regiszter-típusú tranzakciót látunk, amelyeket a következõképpen interpretálunk: A v2_py target legyen hajtva az n5 csomópont által, ha az FSM a 2-es állapotban van, egyébként legyen meghajtva a py_i által, ha az FSM a 4-es állapotban van, egyébként pedig legyen meghajtva saját maga, azaz v2_py által. Beláthatjuk, hogy ez az interpretáció egy multiplexerrel meghajtott regisztert reprezentál. 6. ábra. CDF elkülönített regiszterekkel 10. A REGISZTER SZINTÛ HARDVER STRUKTÚRA GENERÁLÁSA A 10. ábra a szintézis végeredményét mutatja be. Ha a 9. ábra szerinti CDF tranzakcióinak fent ismertetett szemantikáját szem elõtt tartva felrajzoljuk az azokat reprezentáló hardver elemeket és azok egymáshoz való kapcsolódását is ábrázoljuk, megkapjuk a regiszter-szintû struktúrát, hiszen az felépíthetõ kizárólag regiszterekbõl, funkciós egységekbõl és multiplexerekbõl [4]. Figyeljünk fel arra, hogy a regiszterek meghajtását (beírását) az állapotokon belüli órajel-fázissal (ph2) szinkronizáljuk, ezzel biztosítva, hogy a regiszterekre elõírt adat-elõkészítési és tartási feltéte- 16 VEZETÉKEK VILÁGA 2005/3 7. ábra. CDF funkciós egység allokációval

18 leknek (setup-time, hold-time) eleget tegyünk. A szintézis legutolsó lépése magának az FSM-nek és a ráültetett vezérlõjel-generátoroknak a megtervezése, ennek részletezése azonban felesleges, hiszen a logikai tervezés megszokott módszereivel történhet. Irodalom 1. D.Gajski, N. Dutt, A.Wu, S. Lin High Level Synthesis Introduction to Chip and System Design Kluwer Academic Publishers, ábra. A tranzakció kiemelés eredményeképpen kapott CDF leírás 2. Ed. by C. D. Kloos, E. Cerny Hardware Description Languages and Their Applications Chapman & Hall P. Keresztes Value Trace Data Flow Blocks and their Application in High Level Synthesis Proc. of 2nd Workshop on Libraries, Component Modeling and Quality Assurance, Toledo, Spain 1997 pp Ed by J. M. Bergé, O. Levia, J. Rouillard High Level System Modeling Kluwer Academic Publishers, ábra. CDF regiszter allokáció után 10. ábra. A gyökvonó regiszter-szintû struktúrája, az idõzítõ vezérlõ egység nélkül X. évfolyam, 3. szám Synthese der Register-Ebene im Entwerfen von VLSI- Stromkreisen Der Artikel gibt ein Klassifizierungs- System (eine Taxonomie) zu den formalen und semiformalen Methoden der Synthese und Verifikation der VLSI-Stromkreisen. Durch die Lösung eines einfachen Entwurfsbeispiels stellt der Autor die wichtigsten Phasen der Synthese von der Register-Ebene vor. Die von Autor vorgeschlagene neue Beschreibungs-Methode CDF (=Control-/Data-Flow) kann als eine neue kanonische Form der Beschreibung der Register-Transfer Ebene getrachtet werden. Register-level synthesis in digital VLSI-planning The paper provides a taxonomy for the formal and semiformal tools of the synthesis and verification of digital VLSI circuits. Through the solution of a very simple design problem the author illustrates the main phases of the register level synthesis. The new CDF description proposed by the author can be considered as a new canonical form of register transfer level descriptions. 17

19 Biztonságigazolás az európai szabványok szerint Lantos Péter, Dr. Mosó Tamás Lektorálta: Dr. Tarnai Géza BEVEZETÉS A Prolan Rt ben kezdett hozzá az ELPULT elnevezésû, jelfogófüggéses biztosítóberendezések felülvezérlését lehetõvé tevõ termékének fejlesztéséhez. A fejlesztési célt az ELPULT feltétfüzet V1.01 [P-12033/2000] címen kiadott dokumentum fektette le, specifikálva a hagyományos jelfogófüggéses biztosítóberendezés ember-gép interfészét korszerû, többletszolgáltatásokat, távkezelést lehetõvé tevõ, komplex állomási munkahelyet. Magáról az ELPULT-ról a Vezetékek világa 2003/2 számában jelent meg cikk (1. ábra). A feltétfüzet elõremutatóan megfogalmazta, hogy a berendezés biztonságát, az akkor még csak európai szabványként, illetve szabványtervezetként létezõ CEN- ELEC EN 50126, EN 50129, EN szabványoknak megfelelõen kell igazolni. A fejlesztés során természetesen igyekeztünk betartani a fent említett szabványokat. Még 2000-ben elkészült a Biztonsági Elfogadási Dokumentáció V1.7- es változata, ami ezt a célkitûzésünket részletezte. Sajnos ezek a szabványok akkor még nem álltak rendelkezésre magyar nyelven, hazai ismertségük alacsony volt. A Prolan Rt. a szabványok magyarországi bevezetését fordítási közremûködésével támogatta. A fejlesztés fizikai részének befejezésekor 2002 nyarán elkészült a Biztonsági Ügy V3.0 változata és 2002 decemberére ennek V3.1 változata. Az ELPULT berendezésekkel felépült vasútirányító rendszer a GYSEV Rt. Gyõr- Sopron vonalán ezen idõpont óta (egyelõre ideiglenes engedéllyel) biztonságot érintõ hiba nélkül, megbízhatóan, a vasúttársaságnak jelentõs anyagi hasznot hozva üzemel. A Biztonsági Ügy V3.1-nek még súlyos hiányosságai voltak. Ilyenek például a biztonsági architektúra igazolásának, a biztonsági követelmények felosztásának vagy a verifikációk teljességének hiánya, a szoftver SIL szintjének független értékelõ (assessor) által történõ igazolása stb. A Prolan Rt. az elmúlt három év alatt hatalmas emberi munkabeli és anyagi erõfeszítéseket tett, hogy a fenti Biztonsági Ügynek az újabb verzióját kiadjuk, a szabványok szellemét és betûjét betartva. Ehhez a munkához külsõ segítséget is igénybe kellett vennünk, bizonyos szakterületen való jártasságunk hiánya és a szabvány által elõírt függetlenségek miatt. A óta folyó biztonsági felülvizsgálatban a szabványokat az értékelõkkel közösen újraértelmeztük, a szoftverfejlesztésre az EN nak megfelelõ eljárás és munkautasításokat dolgoztunk ki, figyelembe vettük más szakemberek véleményét, más cégek tapasztalatait is. Ezen óriási, hazai viszonylatban egyedülálló, de nemzetközileg is ritka munkán végigtekintve felmerül a kérdés, mi is ez a hatalmas munka? 1. ábra. ELPULT berendezés Fertõszentmiklós állomáson Miért ekkora munka a korszerû biztonságigazolás? Milyen csapdák vannak ezekben, az elsõ ránézésre nem túl vastag szabványokban? Ezen cikkünkben szeretnénk választ adni ezekre a kérdésekre. SZABVÁNYOK Annyit beszélünk róluk, de mik is ezek a szabványok? EN RAMS követelmények meghatározása, bizonyítása. EN Biztonsági ügy biztonságreleváns elektronikus berendezésekhez EN Biztonságreleváns szoftverek. Ezek a szabványok 1994-ben jelentek meg elõszabványként, ban lettek EU szabványok és ban váltak magyar szabvánnyá. Jelentõségük igen nagy, hiszen a biztonságról és annak igazolásáról egy új szemléletet mutatnak be, és az EU-n belüli egységes érvényesség lehetõvé teszi (pontosabban lehetõvé fogja tenni) a kölcsönös elfogadást és ezzel az egységes EU-piaci követelményrendszer kialakulását. ÉLETCIKLUS SZEMLÉLET Mi az az életciklus és mit írnak róla a szabványok? A szabványok többféle életciklus modellt kínálnak. A 2. ábrán a Prolan Rt. ELPULT szoftverénél alkalmazott fejlesztési életciklus ( V ábra) látható. A baloldali, lefelé haladó ágon történik meg a tervezés, a dekompozíció, a feladatok lebontása. Az ábra alján látható a kivitelezési fázis, jelen esetben a szoftver elkészítése, a jobboldali részén pedig a különbözõ ellenõrzési, integrációs, felhasználási fázisok. A Prolan Rt.-nek a már közel 10 éve jól mûködõ ISO9000 alapú minõségbiztosítási rendszerét át kellett alakítani, hogy megfeleljen a szabványok által megkövetelt életciklus modellnek és teljesítse a biztonsági szabványoknak az ISO9000 szabványcsoportnál jóval szigorúbb követelményeit is. Hogyan növeli az életciklus alapú megközelítés a termék alkalmazásának biztonságát? A biztonság egyik alapeleme az elkészített rendszer minõsége. A minõséget kétféleképen lehet biztosítani: az elkészült terméket megvizsgáljuk, vagy az elkészítés módját felügyeljük. Az életciklus modell nyilván az utóbbit választotta, ahogy a manapság elterjedt minõségbiztosítások általában. Ennek oka az, hogy a piacon nagy és összetett 18 VEZETÉKEK VILÁGA 2005/3

20 rendszerek jelentek meg, ahol a kész rendszer teljes átvizsgálása a komplexitás robbanásszerû növekedése miatt lehetetlen, ráadásul nemcsak a helyességet kell megvizsgálni, hanem az egyes környezeti hibákra való biztonságos reakciót is. HOMOKÓRA ÁBRA ÉS MAGYARÁZATA 2. ábra. A fejlesztési életciklus A 3. ábrán látszik az EN szabványból ismert, híres homokóra ábra, ahol részleteztük a kockázatelemzéssel kapcsolatos feladatokat (az ábra felsõ fele). Azokról a feladatokról van szó, amelyek elvégzése a szabvány szerint nem a szállító feladata lenne, hanem a megrendelõé, hiszen a végeredménye követelmény, a biztonsági követelmények, mégpedig az elviselhetõ veszélyeztetési ráta (Tolerable Hazard Rate THR) formájában. Amint az ábrán is látható, nem is egy THR értéket kell elõállítani, hanem sokat, minden funkcióra és módra külön-külön, hiszen nyilvánvaló, hogy rendkívül gazdaságtalan lenne ugyanolyan követelményt támasztani a vonatadatok megjelenésének késésével, mint egy hívójelzés szándékolatlan kiadásával szemben. De mi a teendõ, ha már ismerjük a THR értékeket, hogyan teljesítsük azokat? Ezt a 4. ábrán próbáljuk meg szemléltetni. Amint az ábrán látható, a THR értékeket azon hibák vonatkozásában, amelyek statisztikailag kezelhetõk ezek tipikusan a hardver véletlenszerû meghibásodásai könnyen értelmezhetjük. Például ismerjük egy képernyõ, egy számítógép MTBF és egyéb értékeit, ezek alapján kiszámolható, hogy teljesíti-e a rendszer a követelményt. Az érdekes kérdés az, hogy mit lehet tenni a statisztikailag nem kezelhetõ hibákkal, tipikusan a szoftver hibákkal, tervezési hibákkal. A szabványnak megfelelõen a THR értékek minden egyes tartományához egy-egy biztonságintegritási szint, ún. SIL érték tartozik, a SIL értékekhez pedig eljárások vannak rendelve. Természetesen a biztonság érdekében egy berendezés fejlesztésénél a legszigorúbb THR értékbõl következõ SIL-nek megfelelõ eljárást kell követni, hacsak nem sikerül még elõbb, olyan független egységeket találni, amelyekre enyhébb a THR érték, és ezért alacsonyabb a SIL. Fontos látni, hogy bár néha ez ugyanolyan eredményt ad, mintha egyszerûen olyan ökölszabályokkal dolgoznánk, hogy Biztosítóberendezés, tehát SIL4, azonban ennél az ökölszabálynál sokkal pontosabb eredményt ad a THR-en alapuló metodika. Ha a kockázatelemzés minden felismert kockázat vonatkozásában olyan THR értékeket ad, hogy abból legfeljebb SIL2 biztonságintegritási szint következik, akkor azon berendezés fejlesztésénél elegendõ a SIL2-höz tartozó eljárásokat betartani. A fenti eljárást következetesen végigvéve az ELPULT berendezés funkcióin, kiderült az, amit mérnöki érzékével mindenki sejtett már 3 évvel ezelõtt is, hogy egy felülvezérlõnek nem kell minden porcikájában SIL4-esnek lennie. Csak igen kevés funkcióra áll ez a követelmény, de ezekre is található olyan független egységekre bontás, hogy az egyes egységekkel szemben már csak SIL2 lesz a követelmény. Ez miért fontos? Csak gazdasági kérdés? Meg akarjuk takarítani a munka nagy részét? 3. ábra. Kockázatelemzés és kockázatkezelés 4. ábra. A THR értékek és a hibák kezelése X. évfolyam, 3. szám 19