TEKNİK YAZI

Güvenilir Bir Akıllı Ulaşım Ağının Vazgeçilemez 3 Unsuru

İçindekiler

    Ethernet haberleşme teknolojisindeki hızlı ilerleme ve yayılma sayesinde, dünyada gittikçe daha fazla ulaşım planlamacısı trafik akışını rahatlatmak amacıyla akıllı ulaşım sistemlerine (intelligent transportation systems, ITS) başvuruyor. Video gözetim yeni ITS kurulumlarında en büyük katalizör olsa da görüntü aktarımı mevcut ağın bant genişliğini çok kısa sürede harcayarak ITS ağlarının ölçeklendirilmesi önünde bir engel oluşturabiliyor.

    ITS ağlarında göz önünde bulundurulması gereken diğer kritik unsurlar arasında ise zorlu dış mekân koşullarının ağ bileşenleri üzerindeki etkileri, kurulum ve bakım giderleri, mevcut ekipmanın sisteme entegrasyonu, mevcut ağların birleştirilmesi ve izinsiz erişimi engelleyecek güvenlik önlemleri ihtiyacı bulunuyor. ITS’in güvenilir dayanıklılıkta olması ihtiyacı ise alışılagelmiş firma ağlarının ihtiyaçlarından çok daha önemli. Bunun ise tek bir sebebi var: İnsan hayatının bu ihtiyaca bağlı olması. Bu yazıda ITS ağ dayanıklılığı ile ITS işletim ve bakımının verimli yönetilmesini garantileyen çözümler, son zamanların ITS endüstrisinde görülen eğilimler ve en iyi uygulamalarla beraber inceleniyor.

    ITS’e Genel Bakış

     

    ITS’in muhtemelen en ilkel formu olan trafik ışıkları 1920 yılında icat edildiğinde bu buluşun temeldeki amacı günümüzün ileri teknoloji ITS ağları ile özünde aynıydı: Yolcular için güvenli ve hızlı hareket imkânı sağlamak. Ancak artık modern ITS altyapıları basit bir 3 renkli ışık döngüsünden çok daha karmaşık olduğu kadar, bu altyapıların eski düzeneğin sunduklarından çok daha fazlasını sunması da bekleniyor. Dünyanın dört bir yanında ulaştırma yetkilileri istikrarlı biçimde ITS ağlarını, özellikle ana arterler boyunca genişletiyor. Yetkililer böylece trafik sıkışıklığını azaltırken yolcu güvenliğini artırıyor, araç karbon salınımlarını düşürüyor.

    ITS uygulamalarının birçok farklı tür uç cihaz kullanılan çok sayıda varyasyonu olmakla beraber, en yeni ITS ağları öncelikli olarak video gözetim sistemleri içeren otoyol uygulamalarına odaklanıyor. Bu uygulamalarda video gözetim kurulması gereken en basit ve en öncelikli bileşen olarak görülüyor. Öte yandan uygulama türü ne olursa olsun herhangi bir ITS ağının temelinde yatan uç-merkez altyapısının toplam sahip olma maliyetini önemli ölçüde düşürmesi, kurulum süresini en aza indirmesi ve gelecek ihtiyaçlara kolaylıkla uyum sağlayabilmesi için üç önemli unsura sahip olması gerekiyor.

    I. Çok Yönlülük 

    Belki de her ITS planının ihtiyacı olan bir şey de var ise mevcut ağ ve cihazların ITS ağına nasıl dâhil edileceğine karar verilmesidir. ITS uygulama örneklerine uzaktan trafik yönetimi merkezlerinde (traffic management center, TMC) bir araya getirilen video gözetim, hava-yol durumu bilgi sistemleri (road-weather information systems, RWIS), ücret toplama, farklı hız limitleri için gelişmiş trafik yönetim sistemleri ve değişken mesaj işaretleri dâhildir. Bu merkezlerde birleşen uygulamalar, uygulayıcının bilgiye dayalı karar almasını ve uygun biçimde harekete geçmesini sağlar.

    Mevcut eski cihazlar seri bazlı olmakla beraber ITS haberleşmesinin çoğunda standart bağlantı seçeneği Ethernet’tir. Seri-Ethernet cihaz sunucuları, bu mevcut seri cihazlara Ethernet bağlantısı sağlayabilir, ancak hâlihazırda fiber/bakır kablolama bulunmayan konumlarda ulaştırma yetkililerinin fiber kablolama sağlaması veya kablosuz haberleşmeye başvurulması gerekir.

    Fiber bağlantı masrafları önemli ölçüde düşmüş olmasına karşın yeni fiber kablolama hala uzun zaman ve emek isteyen bir iştir. ITS planlamacıları artık uç cihazlarla haberleşmede daha ucuz bir çözüm kullanıyor: Bakır üzerinden Ethernet (Ethernet over copper, EoC). DSL Ethernet uzatıcılar kullanılarak Ethernet bağlantısının mevcut bakır kablolar üzerinden sağlanması mümkün. DSL aktarımının en yaygın iki örneğinin özellikleri aşağıdaki tabloda özetleniyor.



    Tablo 1. DSL Aktarım Özellikleri

    Kablolaması zor konumlar ise kablosuz haberleşme gerektirebilir. Köprü ve tünel gibi mevcut fiber bağlantı veya bakır kablolama altyapısı olmayan bu tür konumlarda özel hücresel Ethernet ağ geçitleri ve haberleşme yazılımları, ITS ağlarına esneklik ve hareket olanağı sağlar. Açık IP ağ geçitlerine kurulduğunda bu yazılım TMCler ve uç cihazlar arasında özel hücresel ağlar aracılığıyla köprü görevi görerek bağlantı sağlayabilir. Ethernet üzerinden besleme (Power over Ethernet, PoE) cihazları da ayrı güç kablosu ihtiyacını ortadan kaldırarak maliyet azaltmaya yardımcı olabilir. Ancak bağlantı için hücresel ağlar kullanıldığında, veri kullanım bedelleri de ortaya çıkacaktır.

    Hücresel hizmet bedelleri çoğu ITS uygulaması için asgaridir, fakat bu noktada WiFi (IEEE 802.11) kablosuz teknolojinin kullanılması çok daha maliyet etkin olacaktır. WiFi belli bir aktarım genişliğine sahiptir ve çoğu zaman altyapının inşası ön ödemede daha fazlaya mal olabilir, ancak uzun vadede toplam sahip olma maliyeti çok daha düşük kalacaktır. Eğer video uygulamalarında kablosuz bir teknolojiye ihtiyaç varsa, sahip olduğu mevcut bant genişliğinin göreceli yüksekliği nedeniyle (Her iki yönde 150 Mbps) WiFi en iyi seçenektir.

    II. Dayanıklılık

    Herhangi bir ağın en önemli unsuru dayanıklılıktır. Eğer ağ dayanıklılık ve güvenliğini sağlayacak gerekli hazırlık yapılmadıysa sık sık ağ arızasıyla karşılaşmak, yüksek ve tekrarlayan bakım masrafları ve muhtemelen sistem saldırıları sonucu büyük olumsuz etkiler beklenmelidir.

    Ağ yedekleme, kritik uygulamalarda kesintisiz bir bağlantı sağlamada en sık başvurulan yöntemdir. Ancak, ağ topolojisi üzerinden basit yedekleme, çoğu ITS uygulaması için yetersiz kalır. Hızlı Kapsayan Ağaç Protokolü (Rapid Spanning Tree Protocol, RSTP)’nün sağladığı geri kazanım süresi 6 saniye civarında olup ağ başına en fazla 40 Ethernet anahtarı destekler. Trafik sinyal uygulamalarında ise 6 saniye içinde, özellikle de yoğun trafik saatlerinde çok şey olup bitebilir. İleri ağ yedekleme teknolojisi ile ise 250’den fazla yönetilebilir Ethernet anahtarı içeren ağlarda 20 milisaniyeden kısa sürede geri kazanım sağlanabilir.

    İleri yedekleme teknolojileri, ağ geri kazanımını 20 milisaniyenin altına indirmekle kalmaz, aynı zamanda kablolama masraflarını önemli ölçüde azaltma, ağ esnekliği sağlama, son derece ölçeklendirilebilir olma ve ağ genişletmede yeniden konfigürasyon gerektirmeme –ki bu işlem ağ kesintilerine ve hatta tüm sistemin aksamasına neden olabilir- avantajlarına da sahiptir. Bu ileri yedekleme teknolojileri arasında yer alan, Moxa tarafından geliştirilmiş Turbo Ring ve Turbo Chain’in alışılagelmiş halka topolojileriyle karşılaştırması, Şekil 1’de gösterilmektedir.

    Şekil 1. Turbo Ring ve Turbo Chain ile Alışılagelmiş Halka Topolojisinin Karşılaştırılması

    ABD Ulaştırma Bakanlığı’nın sahip olduğu, ulaşımla ilgili birim maliyetlere dair veritabanının 2009’a ait bir veri girişine göre 1 mil (1,6 km) single mode fiber optik kablo (96 fiber), 11.880 dolara kadar maliyet çıkarabiliyor. Yukarıdaki ağda bulunan her halkanın birinci ve sonuncu düğümü arasının 1 mil olduğunu varsayarsak, Turbo Chain teknolojisinin yukarıdaki kurulumda 47.520 dolar tasarruf sağlayacağı sonucuna ulaşırız.

    Zorlu dış mekân koşulları, özellikle de gece sıcaklık sıfırın çok altına düştüğünde veya gün içinde 50°C’nin üstüne çıktığında ITS ağlarını çok kısa sürede çalışmaz duruma getirebilir. Yol kenarı kabin içi sıcaklıklar ise 60°C’nin de üstünde sıcaklıklara erişebilir. NEMA TS2 ve E-mark gibi ITS sertifikalarına ek olarak IP (ingress protection) koruma sınıfı da nem ve atıkların cihaz performansını etkileyebileceği uygulamalarda büyük önem taşır.

    Video gözetim, herhangi bir ITS ağı için, birçok paydaşın uygulamalarını temellendirdiği, en önemli bileşendir. Bazı ITS planlamacıları yüksek çözünürlük, yaklaştırma özelliği ve hatta görüntü iyileştirme özellikleri isteyebilir. Ancak tüm bu özelliklerin olup olmaması, kamera çalışmadığı takdirde önemsiz kalacaktır. ABD’nin önde gelen bir eyalet ulaştırma departmanı, eyaletteki çevre yolları üzerine kurulu mevcut CCTV kamera ağı üzerinden canlı trafik video yayınına erişimi halka açmış, web sitesinde yer alan sıkça sorulan sorular kısmında ise en çok “Neden görüntü veya ‘Kısa Süreli Olarak Hizmet Dışıdır’ mesajı yok?” sorusuyla karşılaşmıştır.

    Kameranın çalışmaması yolcu güvenliği ve çoğu ITS faaliyeti için kritik olmamakla beraber, kameraların yenilenmesi maliyetli bir işlemdir. Yine ABD Ulaştırma Bakanlığı’nın verilerine göre yeni bir CCTV kamerasının trafiğe yönelik kullanım için kurulumu 9.000 ile 19.000 dolar arasında bir maliyete neden oluyor. Bu harcama, kamera direği, renkli video kamera, PTZ donanımı ve kurulumu içerir. Verilere göre bir kameranın yenilenmesi, kurulum işgücü maliyeti hariç 2.500 dolara mal olmaktadır.

    Tipik dış mekân kameraları, aslen iç mekân kameralarının soğutucu/ısıtıcı içeren bir kasaya yerleştirilmiş halinden çok farklı değildir. Bu tasarımla ilgili en büyük sorun, bu soğutucu veya ısıtıcı bozulduğu takdirde kameranın da bozulmasıdır. Yeni geliştirilen IP kameralar artık soğutucu/ısıtıcı ihtiyacı olmayan ITS uygulamaları için kullanılabilir durumdadır. Sıfırın altı veya çok yüksek sıcaklıklara dayanıklı özel tasarımlar sayesinde son derece dayanıklı hale gelen kameralardan zorlu sıcaklık koşullarına sahip ortamlarda da yüksek performans alınabilmektedir.

    Güvenlik zayıflıkları ve boşlukları çoğu ITS ağında maalesef ancak bir güvenlik aşımı olduğu takdirde keşfedilebilmektedir. Mevcut ulaşım kontrol sistemleri, geçmişte uzaktan yönetime kapalı veya izole durumdaydı. Ancak bu mevcut sistemlerin bilgi teknolojisi veri ağları ile entegrasyonu, bu sistemlerde var olan birçok ağ riski ve zayıflıklarını da su yüzüne çıkaracaktır.

    ABD İçişleri Bakanlığı, yakın zamanda yayınladığı bir raporda, bu alanda ortaya çıkan güvenlik sorunlarını ortaya koydu. Raporda modern endüstriyel kontrol sistemlerindeki kritik yönetim hatalarına ve muhtemel zayıflıklara işaret edilirken, siber atakların engellenebilmesi için VPN’ler ve güvenlik duvarları kullanılması gerektiğine dikkat çekiliyor. Aşağıda, ITS ağlarına yönelik öne çıkan birkaç saldırı örnek veriliyor. 


    Tablo 2. ITS Ağlarında Karşılaşılan Güvenlik Sorunu Örnekleri

    ITS ağları yüzlerce kilometrekareye yayılmış binlerce uç cihazı kapsayabilir. İleri yedekleme teknolojilerine sahip dayanıklı cihazlar, güvenilir bir ITS ağına eklenebilir, ancak buna rağmen cihaz bozulmalarının yaşanması kaçınılmazdır. Ağ segmentleri kesintiye uğradığında ITS operatörleri kesintinin tam yerinden anında haberdar olabilmeli ve bakım personelini bölgeye yönlendirebilmelidir.

    III. Ölçeklenebilirlik

    ITS ağlarının birleştirilmesi ve genişletilmesi, bu ağların yönetimini daha da zor hale getirecektir. Çok katmanlı bir altyapıda 2. ve 3. Katman Ethernet anahtar kullanımı, operatörlerin ağ yönetimi ve sistem bakımını sağlamasına yardımcı olur, ancak farklı katmanlı Ethernet anahtar kullanımı tek başına büyük ölçekli ITS ağlarını yönetmede yetersizdir. Katmanlı bir ITS ağ altyapısı ITS ağ genişlemelerini düzene sokmak ve ağ ölçeklenebilirliğini optimize etmekle kalmaz, hiyerarşik bir uç-merkez tasarımı (Şekil 2) ile operatörlerin verimli bir biçimde ITS ağlarını yönetebilmesini ve denetleyebilmesini de sağlar.

    Şekil 2. Hiyerarşik Uç-Merkez ITS Ağ Tasarımı

    Şekil 3. Endüstriyel Ağ Yönetim Yazılımlarında Gerçek Zamanlı Ağ Durumu Görüntüleme

    Gelişmiş Endüstriyel Ağ Yönetim Yazılımları, ağda bulunan cihazların otomatik tespiti, gerçek zamanlı denetim olanağı, ağın topolojik olarak görüntülenmesi, ağda meydana gelen olayların daha net anlaşılmasına olanak sağlar biçimde durum değişikliklerinin oluşumunun görüntülenmesi ve portların gerçek zamanlı durumunun görüntülenmesinde kullanılır (Şekil 3).

    Büyük ölçekli gözetim sistemleri, yüksek genişbant gerektirir. Çoğu ITS yetkili birimi, ağ ölçeklenebilirliğini garanti altına almak için Gigabit altyapısına yatırım yapmıştır. Her video kamera,  ortalama bir çözünürlük ve kare oranında yaklaşık olarak 3 Mbps bant genişliği kapsar. Bu, 100 Mbps bir ağın kaldıramayacağı bir hacim gibi görünmeyebilir, fakat 20 kamera civarı bir büyüklüğe ulaşıldığında ITS planlamacılarının Gigabit ağa geçiş yapmayı düşünmeleri gerekecektir. Bazı ulaştırma birimleri 250-300 kamera içeren büyük ağlara sahip olup hâlihazırda 10 Gigabit omurga ağlara yatırım yapmış bulunmaktadır.

    Merkez katmanda bulunan Ethernet anahtarlar çoğunlukla TMC ve ağ işletim merkezlerinde kullanılmaktadır. ITS ağının büyüklüğüne bağlı olarak, merkezi katman Ethernet anahtarları, dağıtım katmanındaki bağlantıları kaldırabilmek için daha yüksek port sayısına sahip olmalı, 10 Gigabit portlar ile veriyi ağ omurgasına çabucak aktarabilmeli ve port artırım esnekliğine izin veren modüler tasarım içermelidir. Port yoğunluğu yüksek rackmount Ethernet anahtarlar genellikle asıl olarak merkez ve dağıtım katmanlarında kullanılır. Ancak, sistemlerin birleşmesinin açık yararları ve merkezi uzaktan kontrol gereksinimleri günümüzde rackmount Ethernet anahtarları, saha cihazlarını entegre etmek ve bağlamak için gerekli port sayısına erişilebilmesi için gittikçe yerel yol kenarı kabinlerine itmektedir.

    Vazgeçilemez Olmanın da Ötesinde ITS Ağları

    TÜİK Ulaştırma istatistiklerine göre Türkiye’de 2012 yılında 1.296.634 trafik kazası, bu kazalarda ise 3.750 ölü ve 268.079 yaralı meydana gelmiştir. Otoyol üzeri çoğu ITS uygulaması, güvenlik açısından hayati önem taşımaktadır. Yurtdışı örneklerinde de görüldüğü üzere, sistemde oluşacak bir aksaklık ciddi yaralanmalarla, hatta ölümle bile sonuçlanabilmektedir. Demiryolu ve havayolu gibi ITS bağlantılı diğer uygulamalar ise doğrudan hayati önem taşımaktadır. Bu uygulamalarda plansız bir sistem aksaklığı felaketle sonuçlanabilmekte ve birçok yolcunun hayatını tehlikeye atabilmektedir. İşte bu, ITS ağları ile alışılmış kurumsal ağlar arasındaki en büyük farkı oluşturur.

    Bazı ITS planlamacılarının göz ardı edebileceği bir gerçek, endüstriyel olmayan bileşenlerin görünmez zayıflıklar içerdikleri için çoğu ITS ağ aksaklığına sebep olduğudur. Trafik yönetim merkezleri ve çok uç hava koşullarına sahip bölgelerde bulunan yerel kontrol odaları iç mekân sıcaklığını kontrol edebilmek için klima sistemlerine ihtiyaç duyar. Ancak klima sistemleri bozulduğu takdirde, binada bulunan cihazlar aşırı ısınma riski ile karşı karşıya kalır. ITS ağlarının güvenilirliği, bir klimanın bozulmasıyla risk altında kalmamalıdır. Yüksek öneme sahip uygulamalarda ITS planlamacıları tamamen endüstriyel bir ITS ağı kurmayı da düşünmelidir.

    Yerel kontrol odaları ve TMC’lere uzanan tamamen endüstriyel bir ITS ağı ilk başta bir miktar yatırım gerektirebilir, ancak iyileştirilmiş ağ geri kazanım süresi, optimize edilmiş ağ performansı ve düşük bakım masraflarının yararları, toplam sahip olma maliyetini düşürmede de önemli rol oynayacaktır.

    Milisaniye düzeyinde ağ geri kazanım hızı, ileri seviye endüstriyel ağ yönetim yazılımları ile optimize edilen ağ yönetim ve bakımı, endüstriyel geniş çalışma sıcaklık aralıkları gibi ITS’e özel mevcut teknolojilerin tümünden yararlanmak, bu teknolojileri destekleyen cihazların hiyerarşik katmanlı kurulumunu gerektirir. Farklı tedarikçilerden edinilen ağ altyapıları basit video denetim sistemleri için kabul edilebilir olmakla beraber, ITS uygulamalarının ihtiyaçlarına yönelik son teknolojiyle üretilmiş cihazların tüm faydalarından yararlanabilmek için ağ altyapılarının tek bir tedarikçiden sağlanması daha sağlıklı olacaktır. GSL Mühendislik, bu alanda sayısız çalışması bulunan Moxa’nın video gözetimden endüstriyel ağ yönetim yazılımına, DSL Ethernet uzatıcılardan her katmandan Ethernet anahtarlarına kadar tüm çözümlerini Türkiye’deki müşterilerine sunmaktadır.


    Kaynak: Chen, Alvis; Wu, Mark (2012) “Three Key Elements of a Robust Intelligent Transportation Network”, Moxa Inc.