Reti ferroviarie: maggiori velocità e sicurezza grazie ai computer industriali

Per gli operatori ferroviari si tratta di adottare nuovi sistemi che aumentano la produttività, riducono i costi e migliorano la sicurezza essendo in grado di funzionare anche in condizioni ambientali estreme. [...]
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Gli operatori del settore ferroviario hanno oggi a disposizione nuove tecnologie basate sull’AI in grado di assicurare al trasporto su rotaia maggiore velocità e sicurezza. Parliamo di innovazioni come gli industrial pc, sempre più performanti in termini di edge computing, predictive diagnostics & maintenance, di software suite di artificial intelligence e machine learning adatti per unità di controllo delle rotaie (Rail Control Unit – RCU), di sistemi di informazione dei passeggeri (Passenger Information System – PIS), di elaborazione elettronica delle immagini per la guida dei convogli in modalità driverless, di asset management, video analytics e scheduling system e di IoT & network communication.

Le tecnologie stanno rilanciando il sistema ferroviario come soluzione moderna e sostenibile per la mobilità. L’evoluzione del materiale rotabile e della rete infrastrutturale deve mantenere il passo con l’evoluzione digitale, sicché le moderne reti ferroviarie, utilizzando sempre più le tecnologie avanzate, diventano sempre più veloci e performanti, oltre a garantire collegamenti più sicuri.

Inoltre, dobbiamo ricordare che il trasporto ferroviario è una strategia di sistema su cui sta scommettendo l’Europa, uno strumento d’integrazione continentale sempre più necessaria, una leva per lo sviluppo economico sostenibile (dal punto di vista sia sociale sia ambientale) per contrastare una crisi dura a riassorbirsi. Pertanto, la scelta dei sistemi di industrial pc è centrale e strategica in termini di modalità di utilizzo di queste tecnologie e di garanzia della sicurezza e dell’efficienza del trasporto su rotaie.

Un sistema di computer industriali che aumentano la produttività, riducono i costi, migliorano la sicurezza essendo in grado di funzionare anche in condizioni ambientali estreme e in grado di sopportare shock, vibrazioni e interferenze elettromagnetiche.

Computer industriali per reti ferroviarie più performanti

Gli industrial pc, a differenza dei normali personal computer, sono progettati per resistere alle sollecitazioni di vario tipo; inoltre, è da sottolineare il fatto che, per quanto riguarda i convogli su rotaia, questi sistemi devono essere anche conformi agli standard in materia di apparecchiature elettroniche del settore.

La nuova ferrovia, sempre più digitale, fa quindi uso di tecnologie intelligenti che connettono il sistema di segnaletica, i centri di controllo, oltre a permettere di rilevare i ritardi, di regolare automaticamente la velocità dei convogli per garantire un utilizzo efficiente del carburante, di gestire il viaggio in modo integrato, migliorando la gestione del traffico sulla rete e aumentandone l’efficienza e la qualità globale del servizio.

Interessante è notare come i nuovi treni intelligenti possano fornire supporto anche in caso di eventi atmosferici in grado di compromettere il servizio e colpire la rete, utilizzando i software di gestione del traffico che raccolgono i dati, analizzandoli in tempo reale, migliorando la gestione degli orari, delle piattaforme e dei servizi ferroviari, oltre a garantire o a ripristinare rapidamente il normale servizio.

Queste “operazioni” – se effettuate dal personale – richiederebbero normalmente un tempo quattro volte superiore rispetto al sistema di gestione del traffico da parte degli industrial pc. Simulazioni hanno, di fatto, dimostrato che in caso di rottura di un treno, affidandosi solamente al personale, si impiegano circa quattro ore e mezza per riuscire a recuperare il ritardo; al contrario, il sistema digitale, basandosi sulla capacità di calcolo e su soluzioni di gestione di big data analytics, riesce a elaborare 400 possibili soluzioni alternative, risolvendo la situazione in meno di un’ora. Ciò si traduce in viaggi più veloci, più affidabili per i passeggeri e in meno reclami a carico degli operatori.

AI, machine learning e Edge Computing: nuove opportunità per il settore ferroviario

Gli operatori del settore ferroviario si sono fatti via via sempre più consapevoli dei vantaggi dell’utilizzo di tecnologie come l’artificial intelligence, il machine learning e l’Edge Computing. Lo dimostra il fatto che, se da un lato le regolamentazioni vigenti possono talvolta ostacolarne l’impiego, dall’altro, sempre di più spesso, gli innovativi industrial pc per il settore ferroviario utilizzano queste tecnologie trasformando il mercato e migliorando notevolmente la gestione dei costi e la sicurezza sui binari.

L’European Union Agency for Railways (ERA), in un documento tecnico sui big data delle ferrovie, ha fornito una valutazione dei vantaggi derivanti dall’impiego di machine learning nel settore ferroviario giungendo alla conclusione che – con la quantità di dati ora a disposizione degli operatori ferroviari – si possa ipotizzare l’utilizzo di machine learning algorithms anche per sviluppare ulteriormente modelli di rischio.

A fronte di una crescente domanda di capacità di edge computing, monitoraggio avanzato delle rotaie e dei crescenti cyber attack, sono ora più che mai indispensabili processori e GPU’s più performanti. In particolare, grazie ai processori più “avanzati” sarà possibile elaborare tutti i dati dei sensori provenienti da fonti quali telecamere e radar IP per garantire una maggiore “visibilità granulare” delle operazioni ferroviarie.

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Inoltre, poiché questi componenti generano un’enorme quantità di calore, per ovviare a questo problema l’hardware deve essere attentamente progettato, dato che le vite delle persone dipendono dall’affidabilità di questi sistemi e l’hardware tradizionale non è in grado di eseguire in modo sicuro le applicazioni avanzate.

La raccolta di dati tramite sensori ha, altresì, indotto a progettare industrial pc in grado di connettersi a reti wireless 5G/4G/LTE/WI-FI e trasmettere i dati in modo più efficiente.

A che punto è l’Italia

Il Gruppo Ferrovie dello Stato (FS) ha lanciato lo scorso maggio 2019 il “Piano Industriale 2019-2023” che prevede investimenti per un totale di 58 miliardi di euro, dei quali oltre 6 miliardi con particolare focus per il settore delle tecnologie e dell’innovazione, della qualità dei servizi e delle infrastrutture, trasversali a tutti i settori (i.e. reti ferroviarie, treni, bus, metropolitane). L’obiettivo è quello di trasformare la mobilità collettiva del nostro Paese, migliorando significativamente il livello di servizio alle persone in termini di qualità e personalizzazione dell’offerta.

Aggiungiamo che il Sistema ERTMS (European Rail Traffic Management System) già utilizzato sulle linee AV/AC sarà progressivamente esteso anche alle rete minori, con il conseguente aumento della capacità dei binari e la riduzione della congestione sulle linee; mentre gli investimenti nelle nuove tecnologie in termini di robotica e droni, Internet of Things (IoT), artificial intelligence, blockchain, predictive diagnostics & maintenance – sia per l’infrastruttura sia per i treni – permetteranno a queste attività di ridurre l’incidenza dei guasti, migliorando l’esperienza di viaggio.

La società FS Technology, del Gruppo Ferrovie dello Stato (FS), operativa dallo scorso agosto, si pone l’obiettivo di potenziare e supportare l’innovazione, rendendo le Ferrovie un polo di innovazione digitale e un punto di riferimento nel mondo della mobilità e delle infrastrutture sostenibili. Ne è una riprova il sistema denominato “SOI” per la digitalizzazione del monitoraggio della rete ferroviaria basato su HxGN OnCall, il software di ultima generazione per la gestione delle sale operative, presentato da FS Technology, unitamente a Rete Ferroviaria Italiana (RFI), allo Smart City Expo World Congress tenutosi a Barcellona lo scorso anno.

Il sistema è uno strumento di monitoraggio innovativo che garantisce l’accesso alle informazioni in tempo reale in modo da garantire una gestione sempre più efficace e tempestiva degli eventi legati alla circolazione ferroviaria. La sala operativa nazionale di RFI, che coordina le 14 sale operative territoriali, è tra le prime a livello mondiale ad utilizzare questa tecnologia di nuova generazione che permette di migliorare, semplificare e ottimizzare le attività di monitoraggio e gestione della circolazione ferroviaria dialogando con le piattaforme già in uso e ottimizzando la gestione delle risorse in relazione al verificarsi di eventi specifici. Di fatto, nel caso in cui si verifichi un’anomalia sulla rete ferroviaria, il sistema è in grado di ricevere informazioni dettagliate sull’ evento dai tecnici di RFI sul campo e dai sensori installati sull’intera rete tramite un’apposita interfaccia IoT, supportando il personale di sala operativa nella gestione dell’evento.

I Coordinatori Esercizio Infrastruttura (CEI) vengono allertati e prendono in gestione l’evento, verificando le informazioni ricevute e valutando la segnalazione con il supporto delle informazioni rese disponibili dal sistema sulla tratta ferroviaria di interesse. Quindi, il sistema propone la risorsa disponibile più indicata per la gestione dell’evento.

La sfida principale che ci attende è quella della standardizzazione, della governance, dell’integrazione dei processi esistenti, di tipo non core specializzati su ogni cliente, in processi trasversali che invece saranno comuni a tutti. Alla sfida dell’innovazione si affianca, dunque, in parallelo, anche quella della semplificazione.

È stata studiata, inoltre, un’applicazione innovativa per dare più sicurezza a chi lavora per attività di manutenzione vicino alle linee ferroviarie: si tratta di soluzioni wearable da indossare al polso e da applicare al casco di protezione, in grado di dare l’allarme quando un manutentore inavvertitamente esce dal perimetro dell’intervento, andando su linee dove è attivo il traffico ferroviario.

Sempre per i processi di manutenzione sono stati impiegati augmented reality glasses che guidano gli interventi del personale ferroviario nel modo più corretto possibile, indicando, per esempio, quando intervenire su un quadro elettrico ad alta tensione accompagnando in ogni fase il manutentore e indicando cosa deve verificare e le operazioni che deve compiere per garantire il massimo della sicurezza possibile.

Bluetooth e 5G

Le nostre ferrovie sono tra i primi operatori in Europa ad aver implementato un’esperienza cliente completamente seamless di utilizzo del trasporto pubblico, basata su beacon (i.e. trasmettitori hardware a basso consumo basati su Bluetooth che interagiscono con dispositivi elettronici portatili vicini) in grado di riconoscere il cliente che sta aspettando vicino alla fermata dell’autobus del servizio pubblico, comunicargli quali mezzi stanno arrivando e i tempi di attesa, riconoscere se l’utente è salito sul mezzo prescelto, se ha pre-acquistato il biglietto giusto oppure no, e quindi, convalidarlo digitalmente o chiedendogli se lo vuole acquistare. Questa modalità permette anche l’acquisto del biglietto al momento, in modo automatico, scaricando l’importo dal wallet digitale del cliente, naturalmente se questo ha settato la permission specifica sul suo smartphone.

Non dobbiamo dimenticare il 5G. L’esperienza più importante legata a questa tecnologia non si limita allo scaricare i dati più velocemente, grazie alla banda più larga, ma consiste nell’implementare sempre più l’edge computing, grazie al quale si possono inventare nuovi servizi da erogare ai clienti, oltre a reinventare quelli esistenti.

Inoltre, è già in sperimentazione a Milano l’analisi video di sicurezza basata sul 5G, mentre a Roma si stanno studiando modelli di edge computing su mobile per fornire al cliente, in tempo reale, informazioni e servizi di prossimità una volta uscito dalla stazione. L’adozione dell’edge computing ha molte potenzialità di trasformazione delle architetture e dei processi IT esistenti, rendendole più veloci e, al contempo, permettendo di ridurre i costi.

Raccolta e archiviazione dei data ferroviari

Le aziende e gli operatori ferroviari stanno memorizzando fino a ca. 15 gigabyte di dati al giorno, dati che variano a seconda dell’applicazione. Dati diagnostici e operativi, ma anche, ad esempio, dati riguardanti il numero di passeggeri o i dati immagine del percorso. A questo si aggiungono i computer industriali, in grado di raccogliere una serie di dati quali temperatura, umidità, interruttore on/off, vibrazioni, rilevazione fumo e allarmi attraverso vari sensori. Il sistema svolge anche attività di monitoraggio e può avvisare l’operatore/driver, indicando quali azioni intraprendere in caso di irregolarità/anomalie.

L’archiviazione dei dati, quando il sito è costantemente in movimento, implica maggiori sfide, rispetto a un centro di natura stazionaria, per cui i produttori di computer industriali utilizzano il flash memory storage che, rispetto ai dischi rigidi, ha il vantaggio di non essere suscettibile a urti e vibrazioni.

Attualmente i dati ferroviari vengono trasmessi a un ufficio centrale (o elaborati direttamente) tramite reti basate sulla tecnologia LTE, tendenza che si sta sempre più diffondendo soprattutto a fronte dell’utilizzo di nuove piattaforme dotate di artificial intelligence-enabled processor.

Difesa dai cyber attack

Inoltre, non dobbiamo dimenticare il fatto che la trasmissione dei dati, su rete, rende vulnerabili ai cyber attack sia le informazioni sensibili sia le operazioni ad esse associate; pertanto si rende necessario accelerare il processo di protezione dei dati inattivi ed in transito per garantire sia una maggiore sicurezza sia l’accessibilità per la trasmissione dei dati per il controllo ferroviario.

L’implementazione di linee guida come il National Institute of Standards and Technology (NIST) Guide to LTE Security (pubblicazione speciale 800-187) garantisce la sicurezza delle reti cellulari ed è un modo per mitigare possibili attacchi hacker. Da parte sua l’Unione Internazionale delle Ferrovie (UIC) ha pubblicato l’International Railway Solutions (IRS) 50405 per la trasmissione di dati diagnostici per i veicoli ferroviari.

Le sfide di sicurezza possono essere affrontate agendo a livello di hardware, ovvero utilizzando switch di rete robusti dotati di moduli di sicurezza IP integrati in grado di crittografare ulteriormente lo spostamento dei dati attraverso un intra-train network. Inoltre, livelli di crittografia multipli unitamente a robusti e sicuri dispositivi collegati alla rete di archiviazione possono proteggere i dati sensibili della rete ferroviaria e dei clienti. Tuttavia, è necessario che l’intera infrastruttura venga “rivista”. Sarà possibile utilizzare gli analytics per attuare strategie di miglioramento solo collegando tutte le parti e le diverse strutture coinvolte nel sistema ferroviario.

Inoltre, tutti devono conoscere il digitale in quanto si può parlare di trasformazione digitale quando tutto il personale dell’impresa sia coinvolto al cento per cento. Ne consegue che tutto il sistema ferroviario dovrà diffondere al suo interno la cultura digitale, organizzare training ad hoc per diffondere i necessari skill oltre a dotarsi di un’infrastruttura completa di security in grado di far dialogare le varie parti tra loro. Questo perché il settore ferroviario può essere facilmente bersaglio di cyber hacker, soprattutto sulle reti wireless. Di fatto i sistemi di monitoraggio e manutenzione a distanza, per non parlare del Wi-Fi per i passeggeri, rischiano di convertirsi in punti deboli e mettere a rischio la continuità operativa causando disagi e perdite economiche oltre a mettere a rischio la sicurezza dei passeggeri.

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La sfida della digitalizzazione e della cyber security del settore ferroviario è prioritaria per l’Italia, dato che il nostro Paese occupa una posizione geografica strategica all’interno dei corridoi del Trans-European Transport Network (TEN-T). Dei nove corridoi “core” che costituiscono l’asse portante della rete TEN-T, quattro interessano l’Italia, attraversandola da nord a sud e da ovest ad est, per cui diventa fondamentale poter garantire la gestione dei rischi e della continuità operativa per rendere il settore ferroviario sempre più resiliente e competitivo.

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