Towards the Internet of Smart Trains: A Review on Industrial IoT-Connected Railways

[Abstract] Nowadays, the railway industry is in a position where it is able to exploit the opportunities created by the IIoT (Industrial Internet of Things) and enabling communication technologies under the paradigm of Internet of Trains. This review details the evolution of communication technologies since the deployment of GSM-R, describing the main alternatives and how railway requirements, specifications and recommendations have evolved over time. The advantages of the latest generation of broadband communication systems (e.g., LTE, 5G, IEEE 802.11ad) and the emergence of Wireless Sensor Networks (WSNs) for the railway environment are also explained together with the strategic roadmap to ensure a smooth migration from GSM-R. Furthermore, this survey focuses on providing a holistic approach, identifying scenarios and architectures where railways could leverage better commercial IIoT capabilities. After reviewing the main industrial developments, short and medium-term IIoT-enabled services for smart railways are evaluated. Then, it is analyzed the latest research on predictive maintenance, smart infrastructure, advanced monitoring of assets, video surveillance systems, railway operations, Passenger and Freight Information Systems (PIS/FIS), train control systems, safety assurance, signaling systems, cyber security and energy efficiency. Overall, it can be stated that the aim of this article is to provide a detailed examination of the state-of-the-art of different technologies and services that will revolutionize the railway industry and will allow for confronting today challenges.Galicia. Consellería de Cultura, Educación e Ordenación Universitaria; ED431C 2016-045Galicia. Consellería de Cultura, Educación e Ordenación Universitaria; ED341D R2016/012Galicia. Consellería de Cultura, Educación e Ordenación Universitaria; ED431G/01Agencia Estatal de Investigación (España); TEC2013-47141-C4-1-RAgencia Estatal de Investigación (España); TEC2015-69648-REDCAgencia Estatal de Investigación (España); TEC2016-75067-C4-1-

Barriers to Implementing Research and Technology into the Rail Industry: A Case Study of TPWS and GSM-R in the United Kingdom

There is considerable pressure for the rail industry to deliver and implement technologies which increase the efficiencies of the railway. The Rail Technical Strategy Europe set out by the International Union of Railways (UIC) outlines what technologies are required to meet future demands. Research is key for such projects to develop, but there is an inherent issue of progressing the research through to the rail industry, with many barriers preventing their implementation. This paper has conducted two retrospective case studies on implementation in the UK; Train Protection Warning System (TPWS) and Global Systems for Mobiles - Railways (GSM-R). Performing a literature analysis has allowed this study to view how the research in the two cases developed and by collecting qualitative data, analysis of the case studies around the topics of technology management, stakeholder management, and human factors from industry and technical experts outline the implementation approach taken. This paper uses the two cases to identify ways to overcome the barriers to implementation and suggests bridging the research - industry gap requires a more collaborative approach earlier in the research cycle to reduce the perceived risk of research and technology implementation, which in-turn increases its economic viability

Wireless Sensor Networks for Condition Monitoring in the Railway Industry : a Survey

In recent years, the range of sensing technologies has expanded rapidly, whereas sensor devices have become cheaper. This has led to a rapid expansion in condition monitoring of systems, structures, vehicles, and machinery using sensors. Key factors are the recent advances in networking technologies such as wireless communication and mobile adhoc networking coupled with the technology to integrate devices. Wireless sensor networks (WSNs) can be used for monitoring the railway infrastructure such as bridges, rail tracks, track beds, and track equipment along with vehicle health monitoring such as chassis, bogies, wheels, and wagons. Condition monitoring reduces human inspection requirements through automated monitoring, reduces maintenance through detecting faults before they escalate, and improves safety and reliability. This is vital for the development, upgrading, and expansion of railway networks. This paper surveys these wireless sensors network technology for monitoring in the railway industry for analyzing systems, structures, vehicles, and machinery. This paper focuses on practical engineering solutions, principally,which sensor devices are used and what they are used for; and the identification of sensor configurations and network topologies. It identifies their respective motivations and distinguishes their advantages and disadvantages in a comparative review

State-of-the-Art Review of Railway Track Resilience Monitoring

In recent years, railway systems have played a significant role in transportation systems due to the demand increase in conveying both cargo and passengers. Due to the harsh environments and severe loading conditions, caused by the traffic growth, heavier axles and vehicles and increase in speed, railway tracks are at risk of degradation and failure. Condition monitoring has been widely used to support the health assessment of civil engineering structures and infrastructures. In this context, it was adopted as a powerful tool for an objective assessment of the railway track behaviour by enabling real-time data collection, inspection and detection of structural degradation. According to relevant literature, a number of sensors can be used to monitor track behaviour during the train passing under harsh environments. This paper presents a review of sensors used for structural monitoring of railway track infrastructure, as well as their application to sense the performance of different track components during extreme events. The insight into track monitoring for railways serving traffic with extreme features will not only improve the track inspection and damage detection but also enable a predictive track maintenance regime in order to assist the decision-making process towards more cost-effective management in the railway industry

MP-CFM: MPTCP-Based communication functional module for next generation ERTMS

184 p. El contenido de los capítulos 4,5,6,7,8 y 9 está sujeto a confidencialidadEl Sistema Europeo de Gestión del Tráfico Ferroviario (ERTMS, por sus siglasen inglés), fue originalmente diseñado para los ferrocarriles europeos. Sinembargo, a lo largo de las dos últimas décadas, este sistema se ha convertidoen el estándar de-facto para los servicios de Alta Velocidad en la mayoría depaíses desarrollados.El sistema ERTMS se compone de tres subsistemas principales: 1) el Sistemade Control Ferroviario Europeo (ETCS, por sus siglas en inglés), que actúacomo aplicación de señalización; 2) el sistema Euroradio, que a su vez estádividido en dos subsistemas, el Módulo de Seguridad Funcional (SFM, porsus siglas en inglés), y el Módulo de Comunicación Funcional (CFM, porsus siglas en inglés); y 3) el sistema de comunicaciones subyacente, GSM-R,que transporta la información intercambiada entre el sistema embarcado enel tren (OBU, por sus siglas en inglés) y el Centro de Bloqueo por Radio(RBC, por sus siglas en inglés). El sistema de señalización ETCS soporta tresniveles dependiendo del nivel de prestaciones soportadas. En el nivel 3 seintroduce la posibilidad de trabajar con bloques móviles en lugar de bloquesfijos definidos en la vía. Esto implica que la distancia de avance entre dos trenesconsecutivos puede ser reducida a una distancia mínima en la que se garanticela seguridad del servicio, aumentando por tanto la capacidad del corredorferroviario. Esta distancia de seguridad viene determinada por la combinaciónde la distancia de frenado del tren y el retraso de las comunicaciones deseñalización. Por lo tanto, se puede afirmar que existe una relación directaentre los retrasos y la confiabilidad de las transmisiones de las aplicaciones deseñalización y la capacidad operacional de un corredor ferroviario. Así pues,el estudio y mejora de los sistemas de comunicaciones utilizados en ERTMSjuegan un papel clave en la evolución del sistema ERTMS. Asimismo, unaoperatividad segura en ERTMS, desde el punto de vista de las comunicacionesimplicadas en la misma, viene determinada por la confiabilidad de lascomunicaciones, la disponibilidad de sus canales de comunicación, el retrasode las comunicaciones y la seguridad de sus mensajes.Unido este hecho, la industria ferroviaria ha venido trabajando en ladigitalización y la transición al protocolo IP de la mayor parte de los sistemasde señalización. Alineado con esta tendencia, el consorcio industrial UNISIGha publicado recientemente un nuevo modelo de comunicaciones para ERTMSque incluye la posibilidad, no solo de operar con el sistema tradicional,basado en tecnología de conmutación de circuitos, sino también con un nuevosistema basado en IP. Esta tesis está alineada con el contexto de migraciónactual y pretende contribuir a mejorar la disponibilidad, confiabilidad yseguridad de las comunicaciones, tomando como eje fundamental los tiemposde transmisión de los mensajes, con el horizonte puesto en la definición deuna próxima generación de ERTMS, definida en esta tesis como NGERTMS.En este contexto, se han detectado tres retos principales para reforzar laresiliencia de la arquitectura de comunicaciones del NGERTMS: 1) mejorarla supervivencia de las comunicaciones ante disrupciones; 2) superar laslimitaciones actuales de ERTMS para enviar mensajes de alta prioridad sobretecnología de conmutación de paquetes, dotando a estos mensajes de un mayorgrado de resiliencia y menor latencia respecto a los mensajes ordinarios; y3) el aumento de la seguridad de las comunicaciones y el incremento de ladisponibilidad sin que esto conlleve un incremento en la latencia.Considerando los desafíos previamente descritos, en esta tesis se proponeuna arquitectura de comunicaciones basada en el protocolo MPTCP, llamadaMP-CFM, que permite superar dichos desafíos, a la par que mantener laretrocompatibilidad con el sistema de comunicaciones basado en conmutaciónde paquetes recientemente propuesto por UNISIG. Hasta el momento, esta esla primera vez que se propone una arquitectura de comunicaciones completacapaz de abordar los desafíos mencionados anteriormente. Esta arquitecturaimplementa cuatro tipos de clase de servicio, los cuales son utilizados porlos paquetes ordinarios y de alta prioridad para dos escenarios distintos; unescenario en el que ambos extremos, el sistema embarcado o OBU y el RBC,disponen de múltiples interfaces de red; y otro escenario transicional en el cualel RBC sí tiene múltiples interfaces de red pero el OBU solo dispone de unaúnica interfaz. La arquitectura de comunicaciones propuesta para el entornoferroviario ha sido validada mediante un entorno de simulación desarrolladopara tal efecto. Es más, dichas simulaciones demuestran que la arquitecturapropuesta, ante disrupciones de canal, supera con creces en términos derobustez el sistema diseñado por UNISIG. Como conclusión, se puede afirmarque en esta tesis se demuestra que una arquitectura de comunicaciones basadade MPTCP cumple con los exigentes requisitos establecidos para el NGERTMSy por tanto dicha propuesta supone un avance en la evolución del sistema deseñalización ferroviario europeo

Intelligent railway transport radio communication based on neural networks

The article is devoted to the features of GSM-R as a basis for organizing a digital radio communication system on the railway to apply the European Integrated Radio Communication for the railways of Uzbekistan. The role of GSM-R for the interaction of digital radio communication with the European integrated system for expanding the functions of railway radio communication and safe movement of high-speed trains is shown. The article identifies the possibilities of building modern digital communication of the railway. The GSM-R communication network, its services and architecture for organizing digital communication were also defined. Recommendations on the use of GSM-R on the railway of Uzbekistan are given. It has been established that mobile communications should be a heterogeneous (heterogeneous) architecture. Also, it must have a variety of access networks that could operate in any frequency ranges

LoRa mesh-5G integrated network for trackside smart weather monitoring

Monitoring of trackside weather is a critical aspect of railway operations, mainly for safety and efficiency reasons. Unfortunately, current cellular networks, including the fourth-generation and fifth-generation (5G) cellular networks, do not provide ubiquitous coverage for rail lines mainly due to an unfavorable cost-benefit realization. In this paper, we propose a Long Range (LoRa) mesh-5G integrated network that tackles this problem by utilizing a 5G network for backhaul, computing and storage, and LoRa mesh to extend coverage. We design a LoRa mesh server that runs on a private cloud of the 5G network to manage the LoRa mesh network. We integrate edge computing into the network and design a cloud-edge-terminal collaborative architecture with three algorithms for timely significant-change updates, packet loss detection, and adaptive thresholds to reduce the packet rate and data volume of the network. We validate the design by implementing a proof-of-concept on the 5G testbed at the University of Glasgow. The experimental results demonstrate the feasibility of the network and the cloud-edge-terminal collaborative architecture

Bridges Structural Health Monitoring and Deterioration Detection Synthesis of Knowledge and Technology

INE/AUTC 10.0

MP-CFM: MPTCP-Based communication functional module for next generation ERTMS

184 p. El contenido de los capítulos 4,5,6,7,8 y 9 está sujeto a confidencialidadEl Sistema Europeo de Gestión del Tráfico Ferroviario (ERTMS, por sus siglasen inglés), fue originalmente diseñado para los ferrocarriles europeos. Sinembargo, a lo largo de las dos últimas décadas, este sistema se ha convertidoen el estándar de-facto para los servicios de Alta Velocidad en la mayoría depaíses desarrollados.El sistema ERTMS se compone de tres subsistemas principales: 1) el Sistemade Control Ferroviario Europeo (ETCS, por sus siglas en inglés), que actúacomo aplicación de señalización; 2) el sistema Euroradio, que a su vez estádividido en dos subsistemas, el Módulo de Seguridad Funcional (SFM, porsus siglas en inglés), y el Módulo de Comunicación Funcional (CFM, porsus siglas en inglés); y 3) el sistema de comunicaciones subyacente, GSM-R,que transporta la información intercambiada entre el sistema embarcado enel tren (OBU, por sus siglas en inglés) y el Centro de Bloqueo por Radio(RBC, por sus siglas en inglés). El sistema de señalización ETCS soporta tresniveles dependiendo del nivel de prestaciones soportadas. En el nivel 3 seintroduce la posibilidad de trabajar con bloques móviles en lugar de bloquesfijos definidos en la vía. Esto implica que la distancia de avance entre dos trenesconsecutivos puede ser reducida a una distancia mínima en la que se garanticela seguridad del servicio, aumentando por tanto la capacidad del corredorferroviario. Esta distancia de seguridad viene determinada por la combinaciónde la distancia de frenado del tren y el retraso de las comunicaciones deseñalización. Por lo tanto, se puede afirmar que existe una relación directaentre los retrasos y la confiabilidad de las transmisiones de las aplicaciones deseñalización y la capacidad operacional de un corredor ferroviario. Así pues,el estudio y mejora de los sistemas de comunicaciones utilizados en ERTMSjuegan un papel clave en la evolución del sistema ERTMS. Asimismo, unaoperatividad segura en ERTMS, desde el punto de vista de las comunicacionesimplicadas en la misma, viene determinada por la confiabilidad de lascomunicaciones, la disponibilidad de sus canales de comunicación, el retrasode las comunicaciones y la seguridad de sus mensajes.Unido este hecho, la industria ferroviaria ha venido trabajando en ladigitalización y la transición al protocolo IP de la mayor parte de los sistemasde señalización. Alineado con esta tendencia, el consorcio industrial UNISIGha publicado recientemente un nuevo modelo de comunicaciones para ERTMSque incluye la posibilidad, no solo de operar con el sistema tradicional,basado en tecnología de conmutación de circuitos, sino también con un nuevosistema basado en IP. Esta tesis está alineada con el contexto de migraciónactual y pretende contribuir a mejorar la disponibilidad, confiabilidad yseguridad de las comunicaciones, tomando como eje fundamental los tiemposde transmisión de los mensajes, con el horizonte puesto en la definición deuna próxima generación de ERTMS, definida en esta tesis como NGERTMS.En este contexto, se han detectado tres retos principales para reforzar laresiliencia de la arquitectura de comunicaciones del NGERTMS: 1) mejorarla supervivencia de las comunicaciones ante disrupciones; 2) superar laslimitaciones actuales de ERTMS para enviar mensajes de alta prioridad sobretecnología de conmutación de paquetes, dotando a estos mensajes de un mayorgrado de resiliencia y menor latencia respecto a los mensajes ordinarios; y3) el aumento de la seguridad de las comunicaciones y el incremento de ladisponibilidad sin que esto conlleve un incremento en la latencia.Considerando los desafíos previamente descritos, en esta tesis se proponeuna arquitectura de comunicaciones basada en el protocolo MPTCP, llamadaMP-CFM, que permite superar dichos desafíos, a la par que mantener laretrocompatibilidad con el sistema de comunicaciones basado en conmutaciónde paquetes recientemente propuesto por UNISIG. Hasta el momento, esta esla primera vez que se propone una arquitectura de comunicaciones completacapaz de abordar los desafíos mencionados anteriormente. Esta arquitecturaimplementa cuatro tipos de clase de servicio, los cuales son utilizados porlos paquetes ordinarios y de alta prioridad para dos escenarios distintos; unescenario en el que ambos extremos, el sistema embarcado o OBU y el RBC,disponen de múltiples interfaces de red; y otro escenario transicional en el cualel RBC sí tiene múltiples interfaces de red pero el OBU solo dispone de unaúnica interfaz. La arquitectura de comunicaciones propuesta para el entornoferroviario ha sido validada mediante un entorno de simulación desarrolladopara tal efecto. Es más, dichas simulaciones demuestran que la arquitecturapropuesta, ante disrupciones de canal, supera con creces en términos derobustez el sistema diseñado por UNISIG. Como conclusión, se puede afirmarque en esta tesis se demuestra que una arquitectura de comunicaciones basadade MPTCP cumple con los exigentes requisitos establecidos para el NGERTMSy por tanto dicha propuesta supone un avance en la evolución del sistema deseñalización ferroviario europeo