A vasúti közlekedési rendszerekben központi szerepet lát el a vasúti biztosítóberendezés, egy speciális, biztonságkritikus irányítástechnikai rendszer, melynek feladata a váltók, jelzők és további vasúti objektumok vezérlése és felügyelete, továbbá a működtetések veszélytelenségének ellenőrzése, szükség esetén végrehajtásuk megakadályozása, az emberi hibák kiszűrése. A projekt célja egy 100 %-ban magyar fejlesztésű és gyártású elektronikus vasúti biztosítóberendezés kifejlesztése, neve PRORIS-E.

A PRORIS-E elosztott logikájú biztosítóberendezés lesz, az objektummodulok önállóan valósítják meg a vasúti biztosítóberendezési pálya menti objektumok vezérlését és felügyeletét. Az elosztott logikájú kialakítás nagyfokú skálázhatóságot, rendelkezésre állást, megbízhatóságot és üzembiztonságot tesz lehetővé. A pályázatban megvalósuló kutatás és fejlesztés eredménye a magyar szabályozásokban lefektetett követelményeknek és a hazai igényeknek jobban megfeleltethető. Emellett a hazai szakemberek tudása is itthon használható fel, növelve a mérnökszakma hazai hozzáadott értékét. A tervezett fejlesztés olyan szakmai kihívást jelentő feladat, amely hozzájárul a hazai mérnöki tudás itthon tartásához.

A PRORIS-E elsődleges piaca Magyarország két legnagyobb vasúttársasága a MÁV és a GySEV. Itt mutatkozik piaci lehetőség az új elektronikus vasúti biztosítóberendezés telepítésére. A tervezett biztosítóberendezés fejlesztése a hazai vasút igényein alapul, és a Magyarországon működő vasúttársaságok követelményeinek megfelelve készül el, leegyszerűsítve a későbbi engedélyeztetési folyamatot, felgyorsítva a projektek megvalósítását. A PRORIS-E megvalósítása során olyan, az iparágban új megoldásokat kutatunk fel, melyekkel a berendezések modell alapú metodológiával tervezhetőek. Ez a vasúti mérnökök számára gyorsabban áttekinthető leírásokat és megvalósítást eredményez. Ez mind a fejlesztési, kivitelezési idő csökkentésében, mind pedig a tervek minőségének javulásában jelent előrelépést.

---

A 2019-es évben a munkát követelmény elemzéssel kezdtük, ahol a hazai vasúttársaság (MÁV) feltétfüzeteit és előírásait elemeztük. Ezek a dokumentumok főleg jelfogós megoldásokból származtatottak, így néhol a mélyebb összefüggések, szabályok feltárására és az elektronikus berendezésre való adaptációra volt szükség. A leendő rendszer számára architektúrát, majd protokollokat terveztünk a biztonsági és robusztussági követelmények figyelembevételével. Algoritmusokat írtunk, specifikációt készítettünk a rendszer funkcióira. A tervezői team előzetes hibahatás és sztochasztikus elemzést készített. Modelleztük a biztosítóberendezési funkciókat. Kísérleti rendszert terveztünk, integráltunk, paramétereztünk.

Biztonsági Szabvány követelmények alapján minőségbiztosítási folyamatokat, lépéseket terveztünk. Tesztelési stratégiát alkottunk, tervezést végeztünk a tesztelrendezések számára. Kiválasztott elemek számára teszteseteket vezettünk le, tesztkódokat fejlesztettünk. Team alapú review-kat folytattunk a specifikációkra, tervekre.

A modell alapú tervezőrendszer (ProrisCAD), valamint a ProSigma-B** alrendszer beüzemeléséhez, karbantartásához és diagnosztizálásához szükséges szoftvereket specifikáltunk és terveztünk.

Egy részletes statisztikai elemzés született a hazai elektronikus biztosítóberendezések 2004 óta rögzített meghibásodási adataiból, valamint a jelentősebb külsőtéri elemek eseményeiből, ezzel támogatva a rendszer műszaki tervezését és karbantartási koncepció és utasítás kialakítását.

Ezzel párhuzamosan összegyűjtésre és rendszerezésre került a vasúti biztosítóberendezések forrásnyelvei, definiálásra és implementálásra került a leírási módokból egy szakterület-specifikus nyelv (DSL) absztrakt szintaxisa és lehetséges szöveges és grafikus szintaxisa. Meghatározásra kerültek a modell alapú fejlesztéshez kötődő formális verifikáció, tesztgenerálás és sztochasztikus biztonsági analízis végrehajtásához szükséges formalizmusok és eszközök. Kidolgozásra került a rendszerszintű szintézis eszközzel végezhető tervezési folyamat. Kidolgozásra került a modellezési nyelvek megadása, valamint ezek használatával formális verifikáció, tesztgenerálás és hibagyakoriság analízisek.

---

A VKE pályázat keretein belül a 2020-as évben is (a pandémiás időszak ellenére) tovább folytatódtak a munkák, a tervezés és már a megvalósítás is. A korábban kialakított kísérleti rendszeren vizsgálatokat folytattunk és meghatároztuk a kritikus pontokat, ezek alapján rendszertervek átgondolásra, frissítésre kerültek.
Az elfogadott modulok szoftverét és hardverét fejlesztettük, dokumentáltuk és már a gyártás előkészítő dokumentumokkal is foglalkoztunk többek között elkészült a Főszál-pótszál átkapcsoló, a váltó és jelző külsőtéri elemeinek csatlakoztatásának koncepciója is kialakult.

A biztosítóberendezési függőségek leírására az előző mérföldkő kutatási eredményei alapján új nyelv lett meghatározva PIL (Prolan Interlocking Language) néven. A nyelv folyamatos fejlesztés alatt áll, nyelvi szintaktikai és szemantikai értelmezők és végrehajtók prototípusai készültek a BME bevonásával, ahol részletesen megtervezésre kerültek az immutable fordító keretrendszer szintaktikai, deklarációs, szimbólum, operáció és szemantikai modell komponensei.

Az elosztott logikájú elektronikus biztosítóberendezés kezelő és megjelenítő felület rendszerének moduljait és köztük lévő interfészeket terveztük meg, alapmodulok implementációját végeztük el. A berendezés modell alapú tervezőrendszere, a beüzemeléséhez, karbantartásához és diagnosztizálásához szükséges szoftverek terveinek továbbfejlesztése és Java alapú implementálása is zajlott, részben megtörtént.

A tesztelési stratégiák, tesztelrendezések és tesztelési tervek felhasználásával elvégeztük az elkészült szoftverek és hardware modulok tesztelését, ill. folytattuk a dokumentum- és kódverifikációit. A fejlesztés biztonsági szabvány szerinti validációja és értékelése is elkezdődött. A modell alapú egység- és integrációs teszteléshez fedettségi kritériumok szerinti tesztgenerálási algoritmusokat valósítottunk meg. A biztonsági analízishez hatékony megoldási módszereket és sztochasztikus modelleket dolgoztunk ki, valamint szoftverértékeléseket végeztünk.

Megvizsgáltuk a vasúti forgalomirányítás módszereit és a résztvevők kapcsolatait. Feldolgoztuk a zavart menetrend újratervezésével kapcsolatos nemzetközi szakirodalmat. Infrastruktúra modelleket és optimalizációs algoritmusokat fejlesztettünk klasszikus (MILP) és gépi tanulás alapú módszerekkel.
A modell alapú egység- és integrációs teszteléshez fedettségi kritériumok szerinti tesztgenerálási algoritmusokat valósítottunk meg.
A tervezett elosztott logikájú biztosítóberendezésben felhasználni tervezett technológiák, módszerek és protokollok előzetes tesztelésére alkalmas prototípus eszközök kerültek elkészítésre.

---

A 2022. évben a ProSigma alrendszerhez tartozó platform korábbi terveknek megfelelő verziója kiadásra került. Ebbe a kiadásba belekerült a kapcsolódó modulok hardver és szoftver implementálása, verifikálása, validálása és biztonság értékelése. A ProSigma alrendszer módosítása során előállt a racionalizált architektúra, kiegészítésre kerültek a protokollok, implementáltuk a módosított modulokat, a váltó, jelző és általános IO terepi illesztő moduljait. PC-s szimulációs környezetben elkészült az előzetes integráció. A platform kiadása tartalmazza a kapcsolódó FMEDA elemzéseket. FMEDA elemzések a terepi illesztőre is készültek.
Megjelenítő alrendszerben tesztelt, verifikált, biztonságértékelt modul kiadására került sor.
Validációs tervek készültek, melyek alapján a validációt végeztük.
A PRORIS rendszerre biztonsági és megbízhatósági elemzések és arra vonatkozó dokumentáció állt elő.PIL és az XSML toolchain integrálva lett. Ezt felhasználva a vágányúti logika számára PIL kódú implementációk és abból Java és C nyelvű kódgenerátumok készültek. Ezek szimulációs környezetbe kerültek integrálásra és tesztelésre.PRORIS CAD valamint WEB diagnosztika újabb verziója került kiadásra, amivel diagnosztikai adatok integrációs környezetbe gyűjtésre és kiértékelésre kerültek. XSML kódból Generált protokoll kódok, valamint Latex dokumentáció is készült. Az valós idejű forgalomirányítási optimalizációs eljárásainkat új megoldásokkal bővítettük, amely nagyságrendi csökkenést eredményezett a futásidőben. Az új algoritmusokat egy valós vasúti csomóponton is teszteltük. Emellett új, gépi tanulás alapú általános megoldást is kidolgoztunk az útvonalak újratervezésének problémájára több állomás esetén. Megvalósult egy verifikációhoz és tesztgeneráláshoz szükséges leképzés, a biztosítóberendezés PIL leíró nyelvének XSML reprezentációjához, kibővítve a párhuzamosan futtatott állapotgép példányok közötti üzenetküldés, az operációk meghívása, valamint az összetett állapotok támogatásával. Elkészült a kiterjesztett szcenárió nyelv, teszt leíráshoz és debuggoláshoz. A módszerek bemutatásra kerültek a RIGEL protokoll állapotgépe alapján történő szisztematikus tesztgenerálással. A szabvány megfelelőség vizsgálatához értékelési jegyzőkönyvek készültek.

---

A 2023. évben a ProSigma alrendszer szoftver/hardver komponenseiben és az adatátviteli interfészek/protokollok esetén kisebb funkcióbővítés, hibajavítás történt. A rendszerkomponensek integrációja a szimulációs környezeten túl valós hardver modulokkal, valós külső téri váltó-, jelző- és generikus IO szimulátorokkal folytatódott. A külső téri szimulátorokat a szoftverbe beépülő szimulátorral is támogattuk. A szoftver-hardver integrációja során a HW modulok több verzió kifejlesztése után érték el a kívánt eredményt és készült el a kísérleti mintarendszer. A váltóhajtóművet kezelő váltó modul kifejlesztése során a komplexitása miatt a vártnál messze több mérést és áttervezés végeztünk, mire sikerült stabil működést elérni. Javításra került a jelző modul, váltó modul, generikus IO modul, logikai modul, hátlapok, szerviz modul és a közös hardver egységek. A szervizfunkciók esetén megvalósult a memória- és eseményelérés, a szoftver- és paraméterezés frissítés minden egység vonatkozásában. Elkészült a szerviz modul operációs rendszer frissítésének környezete, valamint a modul konfigurációs adatainak tárolása és kezelése. A monitorozási funkció áttervezésre került, ahol meglévő technológiából (MQTT) indultunk ki. A platform és a PIL-ben leírt vágányúti logikát megvalósító alkalmazás integrációja során, a program-szervezés, memóriaszervezés és a funkcionális adatátviteli protokoll (Taurus) átalakítására került sor. Biztonsági és megbízhatósági elemzések teljessé tételéhez FMEDA elemzéseket végeztünk a terepi illesztő modulok számára. Validáció során vizsgáltuk a fejlesztési dokumentációkat, a teszteket, ellenőriztük a rendszerintegrációt, a verifikációt és lezártuk a validációs teszteket. Végül kiadásra került a validációs jelentés, elfogadó megállapítással és megtörtént a jelentés keresztellenőrzése.

A PIL-XSML toolchain eredményei:

• a Taurus protokoll bővítése XSML nyelven
• a PIL-ben leírt biztosítóberendezési algoritmus (VUL - vágányúti logika) Taurus protokollhoz illesztése céljából diszpécser és transzformációs állapotgép készült XSML-ben leírva
• a VUL, a diszpécser és transzformációs állapotgép, a terepi és felülvezérlő szimulátorok integrálása, a PIL grafikus megjelenítőn lehetővé vált a biztosítóberendezés szimulált kezelése
• a teljes, Taurus protokollon történő szimuláció PC-s környezetben tesztelésre került, a felmerült hibák javítását elvégeztük
• a ProSigma-E platform forráskódjaival történő további integráció elkészült, először PC-s, majd uC-s környezetben élesztve.

---

Projekt zárás, projekt eredmények

Megvizsgáltuk a vasúti biztosítóberendezésekre vonatkozó üzemeltetési és karbantartási utasításokat. Részletes statisztikai elemzés született a hazai elektronikus biztosítóberendezések 2004 óta rögzített meghibásodási adataiból, valamint a jelentősebb külsőtéri elemek eseményeiből. Áttekintettük az aktuális forgalmi utasításokat és a forgalomirányítás folyamatait. Kidolgozásra kerültek azok az optimalizációs metódusok, amelyek menetrendi zavarok esetén képesek az újratervezésre, így támogatva az energiahatékony közlekedést.
A modell alapú fejlesztéshez formális verifikációs technikát dolgoztunk ki, valamint egység- és integrációs tesztgenerálási algoritmusokat valósítottunk meg fedettségi kritériumok alapján.
Elkészült a PIL DSL szintaxisának formális nyelvtani specifikációja és egy leképzés a PIL leíró nyelv XSML reprezentációjához. Megterveztük az immutable fordító keretrendszer komponenseit.
A módszerek bemutatásra kerültek a RIGEL protokoll állapotgépe alapján történő szisztematikus tesztgenerálással. A MSZ EN 50128:2011 fejlesztési szabvány megfelelőség vizsgálatához értékelési jegyzőkönyvek készültek. Új dekompozíciós módszer került kidolgozásra a vasúti objektumok objektum-vezérlőkhöz történő automatikus hozzárendelésének támogatására. Kidolgozásra került egy prototípus illesztőkártya, amely fenti objektumvezérlő kártyák elosztott logikájú RaSTA kompatibilis hálózatra való illesztését végzi el. Modellezési módszerek és állapotfüggő, prediktív karbantartási algoritmusok alkalmazhatóságát vizsgáltuk egyes vasúti biztonsági berendezések esetében. Felmértük a biztonságkritikus vasúti munkahelyen dolgozó alkalmazottak éberségének becslésére alkalmas módszereket.
Elkészültek a PRORIS rendszer követelmény specifikációi, és a rendszer architektúrája. A biztosítóberendezési funkciók szétosztásra kerültek az egyes alrendszerek közt. Specifikáltuk és megvalósítottuk a rendszerben használt biztonsági protokollokat. Megterveztük a ProSigma alrendszer elosztott architektúráját a robusztussági és biztonsági céloknak megfelelően. Hibadetektálási, hibakezelési, javítási algoritmusokat, FMEDA és QFTA elemzéseket sztochasztikus modelleket készítettünk. Minőségbiztosítási és verifikációs terveket írtuk. Szoftverek készültek a ProSigma alrendszer beüzemeléséhez, karbantartásához, diagnosztizálásához és megvalósult a logikai alrendszer diagnosztizálásához szükséges webes szoftver. Elkészültek a ProSigma szoftver komponensek, tesztek, mérések, elemzések. A tervezett biztonsági mechanizmusok beépültek a szoftverbe. Előálltak a PRORIS Biztosítóbenredezés modell alapú tervezőrendszer (ProrisCAD) specifikációi, a funkciókhoz tartozó modulok és azok implementációja. Definiálásra került a biztosítóberendezési függőségek leírására szolgáló nyelv (PIL). Kifejlesztésre kerültek a PIL, XSML fordítók szintaktikai komponensei, valamint a biztonságkritikus programozási szabályokat ellenőrző szemantikai elemzést végző szoftverkomponens. Elkészült a tesztgeneráláshoz és verifikációhoz szükséges leképzés a PIL nyelv reprezentációjához, valamint sztochasztikus biztonsági analízisek meghatározott komponensekhez. A PIL és az XSML toolchain integrálva lett. Ezt felhasználva a vágányúti logika számára PIL kódú implementációk és abból Java és C nyelvű kódgenerátumok készültek. XSML kódból Generált protokoll kódok, valamint Latex dokumentáció is készült. Külső teret szimuláló eszköz fejlesztése is elkészült és a terepi objektumok közvetlen meghajtásához szükséges HW platform, valamint a külsőtéri elemeknek megfelelő hardverarchitektúrái és a terepi illesztők (a váltó, jelző és általános IO).
Felépítettünk egy kísérleti mintarendszert, amiben a tervezett működéseket a rendszer futtatásával és stresszelésével vizsgáltuk. Elvégeztük a ProSigma és kezelő-megjelenítő alrendszer integrációs tesztjét. Az elkészült verifikációs tervek alapján elvégeztük a verifikációt.
A kísérleti mintarendszeren a tervek alapján elvégeztük a validációt és utána kiállítottuk a validációs jelentést.

---

Projekt összefoglaló

A Nemzeti Kutatási, Fejlesztési és Innovációs Alap, VKE pályázati felhívására a Prolan Zrt. konzorciumban a Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetemmel közösen, nyújtott be pályázatot az alábbi címmel: Elosztott logikájú vasúti elektronikus biztosítóberendezés fejlesztése.
A vasúti közlekedési rendszerekben központi szerepet lát el a vasúti biztosítóberendezés, egy biztonságkritikus irányítástechnikai rendszer, melynek feladata a váltók, jelzők és további vasúti objektumok vezérlése és felügyelete, továbbá a működtetések veszélytelenségének ellenőrzése, szükség esetén végrehajtásuk megakadályozása, az emberi hibák kiszűrése. A projekt célja egy 100 %-ban magyar fejlesztésű és gyártású elektronikus vasúti biztosítóberendezés kifejlesztése volt: PRORIS-E.
A PRORIS-E egy elosztott logikájú biztosítóberendezés, a terepi illesztő objektummodulok önállóan valósítják meg a vasúti biztosítóberendezési pálya menti objektumok vezérlését és felügyeletét. A topológiai biztonsági függéseket megvalósító alrendszer számára Prolan Interlocking Language (PIL) nevű szakterület specifikus nyelv került kifejlesztésre, amelyben a biztosítóberendezési szakértő mérnökök a hazai szabályozásoknak és igényeknek megfelelő logikákat tudnak leírni. A nyelv objektumokra szervezve elosztott automatákon alapul. Az elosztott logikájú kialakítás nagyfokú skálázhatóságot, rendelkezésre állást, megbízhatóságot és üzembiztonságot tesz lehetővé. A PIL nyelv pedig hatékony, rövid fejlesztési idejű logika programozást tesz lehetővé, amely ki tudja szolgálni a folyamatosan változó igényeket. A PRORIS-E megvalósítása során olyan, az iparágban új megoldásokat kutattunk fel, melyekkel a berendezések modell alapú metodológiával tervezhetőek. Ez a vasúti mérnökök számára gyorsabban áttekinthető leírásokat és megvalósítást eredményez. Ez mind a fejlesztési, kivitelezési idő csökkentésében, mind pedig a tervek minőségének javulásában jelent előrelépést leegyszerűsítve a későbbi engedélyeztetési folyamatot, felgyorsítva a biztosítóberendezési projektek megvalósítását. A sikeres fejlesztésben a BME oktatói és a Prolan Zrt. mérnök kollégái, közel 80 fő vett részt a megvalósításban a projekt 54 hónapja alatt. A fejlesztést nehezítette a COVID járvány, az alkatrész beszerzési nehézségek, de végül a vállalt prototípus kifejlesztésre került.
A PRORIS-E telepítésekor, a szigorú hazai vasúti szabályozásoknak is megfelelő rendszer válhat rövid megvalósítási idővel, hazai szakmai támogatással kivitelezhetővé.