24th Telecommunications forum TELFOR 2016 Serbia, Belgrade, November 22-23, 2016.
Situation Awareness Service based on Mobile Platforms for Multilevel Intelligent Control System in Railway Transport
Andrey V. Chernov, Member, IEEE, Maria A. Butakova,
Vladimir D. Vereskun, and Oleg O. Kartashov
Abstract — The paper is devoted to the design of mobile situation awareness service for multilevel intelligent control system in railway transport and its implementation in telecommunication infrastructure of JSC “Russian Railways”. The technical platform of situation awareness service with providing secure mobile communication is described. The paper describes information interactions between multilevel intelligent control system and mobile devices. Some practical results concerning human-computer interface of mobile situation awareness service are presented.
Keywords — intelligent transport system, mobile service, situation awareness.
I. INTRODUCTION
Рervasive mobile computation is rather a new paradigm of network computation which in many respects defines future development of intelligent systems and Internet technologies. According to the vision of this paradigm and by estimates of the analytical company Gartner [1] the number of the mobile computing devices connected to the Internet will increase in 2016 by 30% in comparison with 2015, having exceeded 6,4 billion devices. In more extended perspective period by 2020 the connection over 20,8 billion mobile devices, including Internet of Things is expected. The use of computing technology on the go, through devices such as portable computers, smartphones, tablets opens new perspectives in railway infrastructure management, costs, and risk
analysis [2].
In our previous work, we considered a system architecture of multilevel intelligent control system (MICS) in rail transport [3]. MICS is the main automated control system oriented on the improvement of transport quality, service and efficient functioning of all departments, enterprises, and organizations of JSC “Russian Railways”. We focused our attention on security incident detection [4] in MICS. It is a new research direction in computer security problems treated as 'security awareness'. However, in MICS, we also need
The work was financially supported by Russian Foundation for Basic Research (projects 15-01-3067-a; 15-01-4995-a, 16-07-00888-a, 16-01-00597-a).
The authors are with the “Information Technologies of Controlling” Faculty of Rostov State Transport University, Rostovskogo Strelkovogo Polka Narodnogo Opolchenya 2, 344038 Rostov-na -Donu, Russia (phone: 7-8632-726595; e-mail: A.V.Chernov@ieee.org).
methods related with “situation awareness” in Endsley [5,6] meaning. The term “situation awareness” we define in [7] as “the possibility of obtaining a complete and accurate set of required for the decision information about the situation in real time, including its nature and characteristics”. Incident detection and generally speaking the “incident awareness” occupies the strategic level of decision support in the MICS, and next, lower level is applied to the tactical level in the MICS referred as “situation awareness”. At this level, we ensure such capabilities of the MICS as safety management and risk management in life cycles of rail transportation processes [8]. Moreover, finally, the MICS development is executed basing on Reliability, Availability, Maintainability and
Safety (RAMS) methodology [9] and according to EN and IEC standards.
From the technical point of view, various mobile devices communicating with MICS are mobile objects equipped with programs that implement intelligent data processing. Recently, in our paper [10] we proposed a cloud-assisted architecture to enable the communication among mobile objects and MICS subsystems, organizing a local area low-cost, low-power and low-range wireless network.
Combining methods and technologies above mentioned we have got the fusion of the research and practical findings as situation awareness service on several mobile devices platforms. We embedded of developed service into the MICS as a subsystem.
Considering the completeness our work in the paper we describe the main parts of new mobile situation awareness service in the following way. Section 2 contains some permitted detailing of technological platform, underlying telecommunication network, and computing equipment. Section 3 describes the basic interaction principles between MICS and remote mobile devices viewed as automated mobile workplaces for various maintenance staff of JSC “Russian Railways”. Section 4 is intended to present some practical results and screenshots of developed human-computer interface in the mobile operating system. We conclude our work by summarizing achieved results.
978-1-5090-4086-5/16/$31.00 copy;2016 IEEE
II. THE TECHNICAL PLATFORM OF MOBILE SITUATION
AWARENESS SERVICE
Requirements for rapid creation of primary documents in “field conditions” are imposed to the modern automated control systems, including MICS. In JSC “Russian Railways” the necessary infrastructure providing the legal significance of electronic technological document management has been created. In the conditions of absence of steadily communications and impossibility of connection to local area networks the automated workplace shall provide the creation and the signing of documents with qualified digital signature both online, and offline, with the subsequent info
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第24届电信论坛TELFOR 2016 塞尔维亚，贝尔格莱德，2016年11月22日至23日。
基于移动平台的用于铁路运输中的多层智能控制系统的情景意识服务
Andrey V. Chernov，IEEE成员，Maria A.Batakova，
Vladimir D. Vereskun和Oleg O. Kartashov
摘要：本文致力于铁路运输多层智能控制系统移动状况意识服务的设计及其在“俄罗斯铁路”电信基础设施的实施。 描述了提供安全移动通信的情境意识服务的技术平台。 本文描述了多层智能控制系统和移动设备之间的信息交互， 提出了关于移动情境意识服务的人机界面的一些实际结果。
关键词：智能交通系统, 移动服务, 情景意识
I. 介绍
非侵入式移动计算是网络计算的一种新范例，它以许多方式定义了智能系统和互联网技术的未来。根据模型视觉分析公司Gartner [1]的估计，连接到互联网的移动计算设备的数量将在2015年增加30％，超过64亿个设备。从更广泛的角度来看，到2020年，将有超过208亿移动设备（包括物联网）连接。如便携式计算机、智能手机、平板电脑等这些使用计算机技术的设备。这将为铁路基础设施的管理、成本和风险分析打开了新的视角 [2].
在我们以前的工作中，我们考虑了铁路运输中的多层智能控制系统（MICS）的系统架构[3]。 MICS是领先的自动化控制系统，旨在提高JSC“俄罗斯铁路”在所有部门、企业和组织中的运输质量、服务和高效运行。我们专注于MICS中的安全事件检测[4]，这是一个新的研究方向，被称为计算机安全问题的“安全意识”。然而，在MICS中，根据Endsley [5,6]的解释，我们也需要方法将其与
这项工作由俄罗斯基金会研究基金会资助（项目15-01-3067-a; 15-01-4995-a，16-07-00888-a，16-01-00597-a）。
作者是“Rostovsk国立交通运输控制技术大学”Rostovskogo Strelkovogo波尔卡Narodnogo Opolchenya 2,344038 Rostov-na -Donu，俄罗斯（电话：7-8632-726595;电子邮件：AVChernov @ ieee .org）。
“上下文意识”相关联。在[7]中，我们将“情景意识”定义为“实时获取关于情境的决策信息，包括具有完整和准确的属性和特征集的可能性”。一般来说，事件检测和“事故意识”占据了MICS决策支持的战略层次，而被应用于MICS中较低的层次被称为“情境意识”的战术层次。在这一层面上，我们确保MICS管理风险的能力并且是在轨道进程的生命周期中管理[8]。此外，MICS的发展是基于可靠性，可用性，可维护性和安全（RAMS）方法[9]，并根据EN和IEC标准。
从技术角度来看，与MICS通信的各种移动设备是配备有实现智能数据处理的程序的移动对象。最近，在我们的论文[10]中，我们提出了云协助架构，以实现移动对象和MICS子系统之间的通信，组织低成本、低功耗和低范围的本地区域无线网络。
结合上述方法和技术，我们将研究和实际发现作为情境感知服务结合在多个移动设备平台上。我们也将开发嵌入MICS服务的子系统。
考虑到我们在本文工作中的完整性，我们将在下面几个小节中描述新的移动上下文感知服务的主要部分。第2节包含一些允许的技术平台，基本电信网络和计算设备的详细描述。第3节描述了MICS和远程移动设备之间的基本交互，这被认为是JSC“俄罗斯铁路”的各种维护人员的自动化移动工作站。第4节旨在介绍在移动操作系统中开发的人机界面的一些实际结果和屏幕截图。我们通过总结所取得的成果完成我们的工作。
978-1-5090-4086-5/16/$31.00 copy;2016 IEEE
II. 基于移动情景意识服务的技术平台
在“现场条件”下快速创建必要文件的要求被应用于现代自动化控制系统，包括MICS。在JSC“俄罗斯铁路”中，建立了提供具有法律规范意义的电子技术文件管理的必要基础设施。在没有稳定的通信和不可能连接到局域网的情况下，自动化工作场所应该在在线和离线地提供具有合格的数字签名的文件的创建和签署，随后的信息传送到中央数据库并且执行所有必要的检查以符合法律规范意义。
成熟的情境意识服务（图1）能实现以下基本功能：
图1 移动情景意识服务的结构
- 根据用户是在线或者是没有与数据通信网络连接这两种不同情况下创建和编辑文件;
- 以在线和离线模式签署具有合格电子数字签名的电子文档，节省签名的法律意义;
- 确保能访问到文档并且提供对已经存在于系统中的文档的简单访问渠道，这些渠道要考虑到由特定用户设置的许可和规则;
- 在离线状态下能操作文档并保存文档中的所有更改，并保证能在数据通信网络连接成功后交付上传到数据库中。
该服务中有关铁路基础设施的维护保养和保修的具体功能如下：
- 通过视觉检查和实施操作收集的快速接收，输入和信息传输，其系统化，存储和各种传输到MICS;
- 对显露和消除的故障进行实时接收，输入和信息传输;
- 快速访问铁路护照数据;
- 关于给定警告的操作数据获取，以及 针对情况警告的预请求的创建和传输以及警告取消的请求的创建;
- 快速接收和传输配备有移动工作场所的工人的位置;
- 通过应用合格的电子数字签名提供具有法律意义的信息。
作为开发服务的技术平台，我们使用IBM zSeries数据库服务器和分布式安全授权节点，配备2 x Intel Xeon 3.4 Ghz处理器，32 Gb RAM内存，4 x 512 Gb SSD RAID存储，2 x 1 Gbit / s千兆以太网网络接口。
分布式安全授权节点（如下图2）在管理和维护我们的服务的中间件方面起着中心作用。因为我们被迫使用全球互联网将移动工作场所接入MICS，分布式安全授权节点将公司的“俄罗斯铁路”网络和公共网络通信分开。讨论的节点的中心部分是防火墙的硬件集群Cisco ASA 5550-K8，在互联网链路和内部公司网络链路之间过滤。
图2 分布式安全授权节点
分布式安全节点服务器具有用于组织集成监视系统和事件管理系统的一组软件模块和工具。服务器的主要功能区域是对基础设施的监视和诊断以及事件管理处理的信息支持的过程的信息支持。
III. 多层智能控制系统和移动设备之间的相互作用
信息交换以如下方式组织。移动设备（在Goole Android或Apple iOS操作系统下）配备有允许在上述分布式安全授权节点中授权的特殊程序。成功授权后，用户可以执行几个操作，即轨道基础设施检查，接收检查对象的参考数据，在检查铁路基础设施对象之后创建报告和文档，创建一系列修复操作，创建基础结构事件规范，创建和编辑可能损坏的设备或设备的一组测量参数。
在检测到事件的情况下，用户可以通过“事件”菜单项输入它们到相关日志。添加事件时，用户定义事件的位置，对其进行分类并确定其参数。在签署通过选择适当菜单项执行的添加事件之后，事件被转移到MICS中。在移动工作场所的同时，创建电子文档。在执行基于事件创建的操作的情况下，事件的状态被认为是“关闭”。用户应确认消除事故或将其送回修订。通过移动软件的相应菜单项设置确认/完成。
此外，我们的移动情况感知服务具有消息跟踪服务。消息跟踪服务正在开启（在子系统第一次启动的情况下是一次性的），接通导航接收器、跟踪器（监控子系统）的服务的连接测试。在接通信息的传输模式之后，具有给定周期的移动设备会将坐标传送到监视子系统。
在接通信息的传输模式之后，具有周期性3分钟的移动设备向监视子系统请求关于该设备的消息的存在。在移动工作场所的任何操作模式中接收到消息之后，出现具有消息的文本和用于引起用户注意的声音信号的程序窗口。接收到的消息在日志中注册，并且可能重复地在单独模式中查看它。
为了将消息发送到管理器，用户输入消息的模式，并使用内置在移动设备中或使他在虚拟键盘上的麦克风来发送消息的文本。然后，用户将消息发送到监视子系统。在接通信息的传输模式之后，具有周期性3分钟的移动设备将坐标传送到MICS web服务。在当前位置附近存在列车的情况下，设备接收该消息，其后是声音信号。在事件日志中获取此类消息寄存器的数据标记了查看或忽略的确认。事件的日志条目存储在一天内。
火车情景包括可能伤害火车本身的潜在问题，例如当火车被撞击，着火，独立汽车超过最大速度。这些情况也可以在代理和列车设备中处理。当设备向代理注册自身时，它接收在其计算期间使用的最新业务规则的值，例如最大允许温度。一旦设备检测到违反此规则，它将触发“自停”命令，并通知代理（也将回应“停止”命令）。应当注意，设备在注册期间从代理获得其值的列车业务规则之一是当设备连接尝试与代理达到后续连接失败的最大数量时的列车“自动停止”，该规则的重要性要求风险最小化，因为火车将不能够确定周围的风险，并且代理将不能够识别确切的火车位置，因此在那种情况下必须启动“自动停止”命令，直到连接是恢复。
设备将使用来自两个不同电信供应商（双SIM设备）的3G互联网连接来提供服务冗余并且最小化沿着铁路线的任何低质量服务覆盖的影响。提供者将根据实际的寿命覆盖评估来选择，以确保在每个铁路线中选择最佳提供者，而不管其他线路的选择。
当设备失去其与代理的连接性时，其持续尝试可配置的时间段，如果所有试验失败，则列车设备将启动“自动停止”命令以停止列车。 如果代理超过可配置的时间段，则代理还监视来自设备的最后一次通信; 它会将设备状态标记为“未知”。因此，例如，如果交叉状态变为“未知”，代理将假定其状态为“已打开”。
该控制系统是关键系统，因此它具有不同的安全措施，以保护所有系统组件之间的通信。 代理和所有系统组件之间的通信信道使用SSL来保护。HTTPS 保护传输的数据。设备使用在每个注册过程期间生成的会话令牌，并且不接受后续消息，除非它们提供正确的会话令牌。 除此之外，系统还提供其他安全措施，如系统审计，认证和授权，所以列车司机需要提供三个不同的参数; 用户名，密码和设备标识符，以便能够登录系统，并且必须有权使用此设备标识符（在这种情况下映射到驾驶员的列车）。铁路道口是铁路系统的主要组成部分;它们也是铁路事故仍然是由于人为操作发生在国内大部分地区的主要原因。交叉设备负责定期更新代理并使用当前交叉状态（开或关）执行接收的命令（打开或关闭命令）。如果代理在可配置的时间段内没有从交叉设备接收到任何更新，则假定交叉口打开（即汽车打开）。特殊类型的交叉口是交换器或轨道交换器，其允许列车在两个可能方向之一上行进，并允许两条不同的铁路线合并成一条线。为了支持这一点，我们将点配置为具备定义过的默认值，并且每个列车方向具有匹配路径。交换机设备默认地或替代地报告其状态，并且代理将该状态与列车的期望方向匹配，以确定是否执行期望动作。
因为事件的处理直接在它们的检测地点附近执行，所以我们的移动服务具有GPS跟踪器。 GPS跟踪器服务旨在用于在移动设备上切换GPS坐标的传输模式。
IV. 一些实践结果
在本节中，我们提出一些关于连接到MICS的移动设备
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