Comunicaciones digitales en medios de transporte
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Comunicaciones
digitales en
medios de transporte
Este artículo expone las repercusiones de los avances de la tecnología en los medios
de transporte. Desde hace algunos años, el Instituto de Investigación Tecnológica de
la Universidad Pontificia Comillas de Madrid, en colaboración con la empresa Sistemas
Electrónicos de Potencia S.A., desarrolla sistemas digitales de comunicaciones para el
mundo ferroviario basados en un estándar de comunicaciones abordo de un tren
(IEC 61375). A raíz de esto, ha surgido una tesis doctoral, que se está desarrollando
en el Instituto de Investigación Tecnológica, cuyo objetivo es modelar y validar un sis-
tema digital de comunicaciones que compatibilice los rápidos avances de la tecnología
con los antiguos sistemas de comunicaciones embarcados en los trenes.
A nadie se le escapa el hecho de que la los teléfonos móviles, los cuales cada vez se
tecnología (circuitos digitales integrados, hacen más pequeños y con más funcionali-
microprocesadores, comunicaciones, equipos dades tales como sincronización con el co-
electrónicos digitales…) avanza a gran velo- rreo electrónico, calendario, cámara fotográ-
cidad tanto en su desarrollo como en su co- fica, Bluetooth1… capaces de almacenar cada
mercialización. Cada día aparecen noticias en vez más información y de comunicarse con
los medios de comunicación sobre nuevas los dispositivos que le rodean. Otro ejemplo
tecnologías digitales, teléfonos móviles con son las agendas electrónicas, también conoci-
nuevos servicios multimedia, sistemas “inteli- das como PDA (Personal Digital Assistant),
gentes” con más prestaciones, ordenadores que permiten almacenar tareas, citas, contac-
personales con más capacidad de procesa- tos, enviar y recibir correos electrónicos, edi-
miento, sistemas de navegación para automó- tar textos, realizar hojas de cálculo, etc., y
viles, y así un sin fin de nuevos dispositivos comunicarse con distintos tipos de redes de
que cada día utilizamos en casa, en el trabajo, datos mediante conexiones inalámbricas. Por
en el transporte… y a los que nos amolda- último, se pueden mencionar los ordenadores
mos y habituamos a cambio de una mejora personales por tátiles, cada vez más ligeros
en la calidad de vida. y autónomos, con mayor potencia de proce-
El uso de las nuevas tecnologías conlleva samiento que los anteriores.
factores socio-económicos muy importantes, Otra línea de avance tecnológico se basa
tales como: en las comunicaciones entre dos terminales o
• mayor productividad en la industria, equipos. Las comunicaciones por cable son
• aumento de la necesidad de trabajar fuera cada día más rápidas, lo que favorece un ma-
de la oficina (en casa o en la calle), yor intercambio de información en menos
• incremento de la “dependencia” de los or- tiempo. Sirvan como ejemplo las redes Giga-
Carlos Rodríguez-Morcillo García denadores personales, del correo electróni- bit-Ethernet, capaces de transmitir 1.000 millones
Ingeniero Industrial del ICAI (Promo- co, del fax y de las grandes bases de datos. de bits por segundo a larga distancia; o el USB
ción 2001) es investigador en forma- Los avances tecnológicos están impulsados (Universal Serial Bus) en su versión 2.0, capaz
ción en el Grupo de Electrónica y por la disminución del tamaño y del consu- de transmitir 480 millones de bits por segun-
Automática del Instituto de Investigación mo de los circuitos integrados, y el aumento do entre dispositivos cercanos, como por
Tecnológica, donde está elaborando de la potencia de cálculo y de procesamien- ejemplo entre un ordenador personal y una
su tesis doctoral. to. Ejemplos claros de estos adelantos son cámara digital o un disco duro externo.
(1) Tecnología de comunicaciones inalámbrica local de corto alcance.
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En cuanto a las comunicaciones inalám- Figura 1. Comunicaciones en los transportes
bricas los avances han sido acogidos espec-
tacularmente por la sociedad, la cual deman-
da cada vez más ser vicios digitales en
cualquier lugar y en cualquier momento
aprovechando la potencia de estas comuni- c
ho
caciones. Un ejemplo de este desarrollo se ad
GSM, 3G,
puede constatar en el tremendo auge de las WLAN,
tecnologías inalámbricas para redes de área Bluetooth,…
local (LAN-Local Area Network), concreta-
mente del estándar IEEE 802.112, aplicadas PDA, portátil, teléfonos
móviles, GPS, sensores
en pequeños espacios públicos altamente
ocupados, como hoteles, centros de con-
venciones, aeropuertos, universidades, etc.
Algunos de los factores que contribuyen a
la evolución de este tipo de conexiones in-
alámbricas son: Figura 2. Conexión interna entre los dispositivos de un automóvil
• componentes baratos y fáciles de instalar,
• espectro de frecuencias sin necesidad de
licencia,
• banda ancha,
• interoperabilidad entre equipos garantiza-
da por estándares y certificaciones.
La unión entre el rápido avance tecnológi-
co de los componentes y el de las comunica-
ciones, especialmente las inalámbricas, po-
tencian la movilidad y el carácter remoto de
los sistemas, bien para uso personal, bien pa-
ra el control de sistemas electrónicos.
Los transportes
Los medios de transporte no son ajenos al
rápido avance tecnológico, ni al aumento de
la necesidad de los usuarios de estar conec-
tados a las redes de información (Internet),
ni a la demanda permanente de ser vicios tráfico denso, etc.) y estando localizable para
multimedia o de control en cualquier lugar y la central en todo momento. Este servicio lo
en cualquier momento. ofrecen, por ejemplo, las empresas de men-
Las redes de transporte están experimen- sajería y paquetería, las cuales permiten co-
tando un crecimiento que tendrá un impor- nocer, en tiempo real, la ubicación del paque-
tante impacto social en el transporte a nivel te que se ha enviado.
global, lo que hace que sean objetivo priori- En cuanto a sistemas embarcados en me-
tario de la investigación a nivel europeo para dios de transporte, el ejemplo más claro está
los próximos años. en el automóvil. Todos los dispositivos del
El dibujo de la Figura 1 muestra un ejem- vehículo (sensores, airbags, frenos, pedales,
plo de las comunicaciones utilizadas en los climatizador, etc.) están conectados mediante
medios de transporte. un bus de comunicaciones3 a un ordenador
Por ejemplo, para las flotas de camiones y central, que es el encargado de controlar
autobuses se están empleando sistemas de todos los subsistemas del vehículo, como
control que mantienen comunicación per- por ejemplo los de seguridad: airbag, ABS
manente entre la central y el conductor, pu- (Antilock Braking System), controles de estabi-
diendo éste solicitar cualquier tipo de infor- lidad y de tracción, entre otros.
mación en tiempo real (por ejemplo, mapas En la Figura 2 se muestra un esquema in-
de carreteras, áreas de descanso, zonas con terno de un automóvil en la que se puede
(2) Comúnmente conocido como WLAN (Wireless LAN) o Wi-Fi (Wireless Fidelity) en sus diferentes versiones.
(3) El más empleado es el bus CAN (Controller Area Network), aunque actualmente se están desarrollando otro tipo de buses más rápidos y fiables que éste.
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Figura 3. Dispositivos de una locomotora y de un vehículo ferroviario
Para ello, los operadores de la red ferro-
viaria necesitan comunicarse rápidamente
línea con las tripulaciones de los trenes y mante-
radio potencia cabina ner la comunicación por voz o mensajes de
Bus tren
datos en cualquier punto de la red donde
diagnósticos
estén.
Esto requiere un alto grado de innovación
en el uso de nuevas tecnologías, en la mejora
frenos electrónica control señales de la calidad del servicio y en el incremento de
potencia motores tracción la capacidad de transpor te. Para ello son
información necesarios importantes esfuerzos que permi-
puertas pasajero luces Bus tren tan solucionar las necesidades más urgentes,
como la interoperabilidad entre los equipos
embarcados en los trenes, el soporte tecnoló-
gico para la supervisión y el mantenimiento
aire acondicionado
potencia frenos de dichos equipos, la comunicación con la in-
reserva de
asientos fraestructura ferroviaria en tierra para acce-
der a las redes de información y la posibilidad
de dar nuevos servicios digitales a los clientes.
Gran parte de la investigación en el trans-
Figura 4. Buses de tren y de vehículo instalados en un tren porte ferroviario “moderno” se centra en un
sistema de comunicaciones de gran ancho
de banda que sea capaz de interconectar
todos los subsistemas electrónicos embarca-
dos en el vehículo, cubriendo así las necesi-
Bus de tren dades mencionadas anteriormente.
Nodo Nodo Nodo Estándar IEC 61375
Bus de vehículo Bus de vehículo Bus de vehículo
Al igual que en un automóvil, el tren em-
barca numerosos dispositivos tanto en la lo-
dispositivos dispositivos comotora como en los vehículos (véase la
Figura 3). Estos equipos deben estar conec-
tados al ordenador central del tren para que
apreciar la conexión entre los diferentes éste gestione sus tareas convenientemente,
dispositivos del vehículo4. como por ejemplo la apertura y el cierre de
puertas, la actuación sobre los frenos, la cli-
El ferrocarril matización de los coches, el anuncio de las
Particularmente, el transporte ferroviario estaciones en los paneles informativos, etc.
está adquiriendo una creciente importancia Dentro de las redes de comunicaciones
en Europa y en el mundo, ya que es capaz empleadas para conectar los dispositivos de
de enfocar y resolver parcialmente algunos de un tren, la más utilizada es la red TCN (Train
los problemas más extendidos de la socie- Communication Network), que se desarrolló
dad moderna, como por ejemplo: para permitir la compatibilidad y la comuni-
• problemas de movilidad, cación entre los dispositivos de diferentes
• exceso de tráfico privado (automóviles), fabricantes instalados en el mismo coche o
• polución y protección del medio am- en diferentes vehículos del tren.
biente, Esta red de comunicaciones es un sistema
• mejor uso de los recursos existentes (efi- estandarizado en el año 1999 como IEC
ciencia energética)… 61375-1 [1] y como IEEE 1473-T [2], y ha
Cada vez más, el ferrocarril necesita sido objeto de un profundo estudio en el
desplazar gran número de personas y de Instituto de Investigación Tecnológica de la
mercancías a velocidades mayores. Esto Universidad Pontificia Comillas de Madrid
sólo se puede conseguir de una forma efi- [3]. Bajo este estándar se han desarrollado
caz mediante comunicaciones rápidas y varios equipos [4], y es el punto de partida
efectivas. de una tesis doctoral del Instituto.
(4) Figura obtenida de la página web http://www.brauer-it.de/laguna-lounge/bilder/elektronischesysteme/index.html.
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El estándar define una arquitectura de dos La tercera y última parte de pruebas de la
buses para las comunicaciones de los equi- red TCN es EuRoMain (European Railway
pos embarcados en un tren. Esta arquitectu- Open Maintenance System) [8], cuyo objetivo
ra consta de un bus de tren y de un bus de es definir, implementar y validar un completo
vehículo (véase la Figura 4). sistema de soporte de mantenimiento para
El bus de tren especificado en el estándar ferrocarriles, el cual permitirá la monitoriza-
es el WTB (Wire Train Bus), que permite la ción y el diagnóstico remoto de equipos em-
comunicación entre los equipos de diferen- barcados en trenes, dentro de una locomo-
tes vehículos del tren. Este bus se conecta a tora determinada.
los nodos, que son dispositivos que actúan
como puertas de enlace entre el bus de tren Trabajo de investigación
y los diferentes buses de vehículos de cada Como se ha comentado anteriormente, el
coche, localizados en cada vehículo. La infor- estudio del estándar ferroviario TCN y el
mación se transmite a la velocidad de 1 Mbps desarrollo de dispositivos para el bus MVB
y es autoconfigurable ante cambios de la en el Instituto de Investigación Tecnológica
composición del tren, es decir, detecta el son la base de la tesis doctoral titulada
enganche y desenganche de vehículos en “Modelado y validación de un sistema digital
el tren y configura automáticamente los dis- de comunicaciones de gran ancho de banda de
positivos de la nueva red. aplicación en vehículos de transporte”. La Aso-
El otro bus especificado en el estándar, que ciación/Colegio Nacional de Ingenieros del
forma la arquitectura de dos buses de la red ICAI participa en la misma mediante una be-
TCN, es el MVB (Multifunction Vehicle Bus), ca de investigación.
que se emplea como bus de vehículo para El motivo principal de la tesis es la crecien-
permitir la comunicación entre los equipos te demanda, en el sistema ferroviario, de un
de un entorno cercano. A él se conectan los mayor número de servicios por parte de los
dispositivos de los sensores y actuadores ins- gestores de la red, tanto para ofrecer al usua-
talados en el vehículo. Su tasa de bits es de rio más comodidades como para controlar
1,5 Mbps y no es autoconfigurable. los trenes y los sistemas embarcados.
Existen buses alternativos (no contempla- Algunos de estos nuevos servicios son:
dos por el TCN) para desempeñar las mis- • control remoto de los equipos embarcados
mas funciones que el WTB y el MVB, como en el tren,
el LonWorks o el WorldFIP, pero no presen- • vídeo-vigilancia,
tan ninguna mejora reseñable frente al TCN. • ser vicios multimedia para el pasajero:
El estándar TCN se está probando desde música, vídeo digital, televisión y radio en
hace años con varios proyectos europeos. El tiempo real,
primero de ellos fue ROSIN (Railway Open • acceso a Internet desde el tren.
System Interconnection Network) [5], [6], finan- La mayoría de los trenes actuales no incor-
ciado bajo el programa de trabajo Telematics poran estos servicios pues, cuando se fabrica-
Applications de la Comunidad Europea. Su ron, no existía la demanda ni la tecnología
objetivo consistió en la validación de una pla- capaz de ofrecerlos. Un problema que apare-
taforma completa donde una red estándar ce entonces es el de embarcar, con el mínimo
interconecta todos los sistemas y dispositivos coste posible, los equipos necesarios para
embarcados, buscando la interoperabilidad ofrecer estos servicios en los trenes que circu-
entre los dispositivos de un mismo coche y lan actualmente por la red ferroviaria nacional.
los de diferentes vehículos. Una posible solución consiste en instalar un
La continuación de este proyecto fue Train- cableado nuevo en el tren, por ejemplo fibra
Com (Integrated Communication System for In- óptica, que admita gran ancho de banda y,
telligent Train Applications) [7], financiado por la por lo tanto, resuelva el problema. El inconve-
Comunidad Europea dentro del programa niente está en que implantarlo supone dete-
IST (Information Society Technologies). Su objeti- ner un tren durante varias semanas o incluso
vo fue definir un enlace estándar entre la red meses, para que desmonten el cableado ac-
digital embarcada y los servicios en tierra, tual de comunicaciones e instalen el nuevo.
desarrollando dos importantes aplicaciones Obviamente esto tiene unos costes muy
relacionadas con la información dinámica a los elevados. Por una parte hay que trabajar en
pasajeros y con la interoperabilidad con la lo- el tren, con el coste económico y en personal
comotora, permitiendo así la supervisión del que esto supone, y por otra par te para la
equipo embarcado de forma remota. empresa ese tren no está “produciendo” por-
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que no está dando servicio de transporte, lo para trenes, ha surgido una tesis doctoral que
que se traduce en una pérdida económica. actualmente se encuentra en fase de elabora-
La solución que se pretende desarrollar en ción y que intenta solucionar los problemas
la tesis doctoral es un sistema de comunica- de compatibilidad entre los rápidos avances
ciones que aproveche al máximo la capaci- tecnológicos, es decir, la demanda de servicios
dad de transmisión del cable que actualmen- digitales, con los antiguos sistemas de comuni-
te hay instalado en los trenes y así obtener el caciones embarcados en los trenes.
máximo rendimiento minimizando los cos-
tes. Esta solución sólo le supone, al gestor Agradecimientos
del tren, detenerlo durante pocos días para Agradecemos a la Asociación/Colegio de
intercambiar las tarjetas de comunicaciones Ingenieros del ICAI la colaboración prestada
actualmente instaladas abordo por las del mediante la beca de investigación a la tesis
nuevo sistema. doctoral titulada “Modelado y validación de un
Por lo tanto, el objetivo principal de la tesis sistema digital de comunicaciones de gran
es desarrollar un sistema digital de comuni- ancho de banda de aplicación en vehículos de
caciones de gran ancho de banda que utilice transporte”, que se está desarrollando en el
el cableado actual de los trenes para trans- Instituto de Investigación Tecnológica de la
mitir información. Universidad Pontificia Comillas de Madrid.
Para llevar a cabo el proyecto se van a es- También queremos agradecer a la empresa
tudiar posibles alternativas de sistemas de española Sistemas Electrónicos de Potencia,
comunicaciones para medios de transporte, S.A. (SEPSA) la colaboración prestada me-
se va a analizar la más satisfactoria mediante diante el apoyo y el material ferroviario, sin
su modelado teórico y matemático, y, por úl- los cuales sería imposible obtener resultados
timo, se va a desarrollar y validar algún pro- fiables.
totipo representativo, con una especificación
orientativa de los requisitos funcionales y no Referencias
funcionales para el desarrollo en este campo.
Como referencia, se van a estudiar las líneas [1] IEC Standard 61375-1, “Electric railway equipment-
DSL (Digital Subscriber Line) y PLC (Power Train bus Part 1: Train Communication Network,”
Line Communication), ampliamente conocidas en International Electrotechnical Commission, Génova
(Italia), 1999, pp. 1-705.
en España por su uso doméstico para cone-
[2] H. Kirrmann, y P.A, Zuber,“The IEC/IEEE train based
xión a Internet: la primera de ellas mediante on the TCN system,” presentado en el 5th World
el cable telefónico; y la segunda mediante el Congress on Railway Research, Colonia (Alemania),
cable de potencia eléctrica del hogar. En ellas 2001.
se emplean unas técnicas de modulación y [3] C. Rodríguez-Morcillo García, S. Alexandres
Fernández, J. D. Muñoz Frías, “Análisis del están-
transmisión de datos que pueden resultar de dar de comunicaciones TCN (Train Communi-
gran interés en el desarrollo de la tesis. cation Network),” póster de la 3ª Conferencia
Internacional de Telecomunicación, Electrónica
Conclusiones y Control (TELEC’04), Santiago de Cuba (Cu-
ba), 2004.
Este artículo comenta la rápida evolución [4] C. Rodríguez-Morcillo García, S. Alexandres
de la tecnología tanto en componentes co- Fernández, y J. D. Muñoz Frías, “Diseño de dos
mo en comunicaciones. Esto aumenta la Controladores de bus MVB para dispositivos de
Clases 1, 2 y 3”. Universidad Pontificia Comillas.
demanda de servicios digitales por parte de Artículo interno. Marzo de 2004.
los particulares y de las empresas. [5] P. Umiliacchi, C. Pentimalli, y A. Piazza, “ROSIN-TR
En los medios de transporte y, particular- 1045-Summary of the Specification and Develop-
mente, en el mundo ferroviario, el gran interés ment Work,” en Telematics Application Programme TR
1045, 1997, pp. 1-40.
suscitado por los avances tecnológicos hace
[6] P. Umiliacchi,“The role of European research in the
que la demanda de nuevos servicios sea muy railways modernisation process: the ROSIN
grande, pues éstos permiten ofrecer un ma- (Railway Open System Interconnection Network)
yor confort a los pasajeros y la empresa de project,” presentado en el 3rd World Congress on
Railway Research, Florencia (Italia), 1997.
transporte puede mantener un mejor con-
[7] E. Renner, “Traincom. Integrated Communication
trol remoto de sus equipos, además de otros System for Intelligent Train Applications,” en el pro-
servicios (por ejemplo, vídeo-vigilancia). yecto europeo IST-1999-20096, 2001, pp. 1-8.
Con la amplia experiencia adquirida en el [8] J.Tiedemann, “Workshop on user requirements for
Instituto de Investigación Tecnológica de la the EuRoMain Project,” en proyecto europeo IST-
2001-34019, 2002, pp. 1-6.
Universidad Pontificia Comillas de Madrid con
el desarrollo de dispositivos de comunicaciones
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