Op het juiste spoor

Wanneer TU/e-informaticus Mark Bouwman in de trein zit – en dat is best vaak, hij heeft bewust geen auto – wordt zijn aandacht bijna automatisch richting spoorberm getrokken. De diverse kastjes langs de rails hebben na jaren onderzoek weinig geheimen meer voor hem. In een onderzoeksconsortium met Universiteit Twente en spoorwegmaatschappijen ProRail en Deutsche Bahn bekeek Bouwman hoe er voor de aansturing van seinen en wissels veilig naar een nieuw communicatiesysteem overgestapt kan worden.

Sein op rood

Zie je nu een sein op rood springen, dan wordt deze aangestuurd door een centrale computer – in vaktermen de interlocking – via een directe kabel, legt Bouwman uit.

“De interlocking zorgt ervoor dat treinen niet botsen. Elk Europees station heeft zijn eigen interlocking met in de basis hetzelfde aansturingsprincipe. Maar toch zijn ze allemaal net iets anders. En daar willen de Europese spoorwegmaatschappijen vanaf. Over een aantal jaar moeten de veldelementen binnen Europa door hetzelfde protocol worden aangestuurd.”

Er wordt daarom overgestapt naar een andere manier van communiceren. Niet meer via een directe kabel, maar met een glasvezelnetwerk. Zo moet de interlocking dan pakketjes informatie aan een specifiek sein kunnen adresseren: je gaat nu op rood. Dat dat systeem binnen Europa hetzelfde gaat worden, heeft volgens Bouwman meerdere voordelen. “De apparatuurmarkt wordt ineens veel groter. Een Nederlands sein kan dan ook in andere landen gebruikt worden, wij kunnen gebruik maken van buitenlandse wissels. Innovaties komen zo sneller op de markt. En door het gebruik van een glasvezelnetwerk is het geheel minder gevoelig voor kabelbreuken. Gaat er nu bij graafwerkzaamheden een kabel door dan resulteert dat in een seinstoring, met alle ellende van dien. Een glasvezelnetwerk is veel flexibeler zodat er eenvoudiger signaal-omleidingen kunnen worden gemaakt. En qua duurzaamheid is het ook fijn dat interlocking en bedrading losgekoppeld worden, nu moet altijd het geheel vervangen worden.”

Steentje tussen de wissel

Veel voordelen dus. Maar voordat er gewerkt kan worden met een nieuwe communicatiestandaard, moet de veiligheid tot in het miniemste detail gegarandeerd zijn. En daar kwam de wiskunde van Bouwman bij van pas. “Door een protocol logisch te specificeren ga je alle mogelijkheden na waardoor je precies weet hoe het werkt en kun je een systeem zo dichttimmeren.” Voor deze stap-voor-stap aanpak had Bouwman een hele toolkit tot zijn beschikking, zoals de aan de TU/e ontwikkelde modelleertaal mCLR2. “Die herprogrammering is heel belangrijk. Als je iets opschrijft in gewone taal, kun je te maken krijgen met ambiguïteiten. Maar in dit geval moet het zo eenduidig mogelijk zijn. Daarna konden we gaan doorrekenen wat al het mogelijke gedrag van het systeem zou kunnen zijn. Een wissel kan op het juiste moment omspringen, maar er kan ook een steentje klem zitten, of iemand zet er een koevoet tussen. Je doet geen aannames, maar beschrijft alle toestanden waarin het terecht kan komen.”

Supercomputer

Om specificaties efficiënt om te zetten naar mCLR2-taal zette Bouwman een nieuw systeem op. Een hele uitdaging waar veel rekenkracht voor nodig was, legt hij uit. “Je moet miljoenen, miljarden toestanden doorrekenen, dat zijn al die paden waarin het systeem zich ooit zou kunnen bevinden. Binnen onze vakgroep gebruiken we de Mastodont, een supercomputer waar we alle complexe berekeningen mee kunnen doen. Maar omdat de toestandsruimte – alle mogelijkheden en paden daartussen – ondertussen zo groot was geworden had, liep ook de Mastodont daar op vast.”

En dus moest de toestandsruimte kleiner. Bouwman pakt een vel papier en zet dat vol kleine stippen. Vervolgens deelt hij de grote wolk in vieren, en streept binnen de kleinere wolken een flink aantal stippen weg. “Door het model te fragmenteren konden we wel berekeningen uitvoeren en zo de toestandsruimte van elk component verkleinen. Vervolgens voegden we de geminimaliseerde delen weer samen tot een geheel. Erg belangrijk, want uiteindelijk wil je eisen checken die over het hele systeem gaan; wanneer een wissel van positie verandert zijn daar vele sensoren en componenten bij betrokken.”

Een succesvolle aanpak, zo bleek. Waar in het begin de supercomputer geregeld vastliep en in het gunstigste geval er weken over deed, is de rekentijd door de fragmentatie van Bouwman nu teruggebracht naar enkele uren. ProRail en DB zijn enthousiast. “De toolkit is voor hen nu nog net te complex, hopelijk kunnen we het in een vervolgproject toepasbaar maken zodat ze het kunnen inzetten om een soepele overstap naar de nieuwe communicatiestandaard te maken. Mooi dat we hier de eerste, grote stappen voor gezet hebben.”

Vervolgpuzzel

Hoewel zijn promotieonderzoek afgerond is, blijft Bouwman een fanatiek puzzelaar. Niet alleen op zijn werk waar hij nu bij Rijkswaterstaat de softwarebetrouwbaarheid van waterkering- en sluisbesturing onderzoekt, maar ook voor zijn eenmanszaak Brickonomics. Een uit de hand gelopen hobbyproject, bekent Bouwman lachend, waar hij momenteel een dag per week aan spendeert.

“Ik wilde graag mijn LEGO Star Wars modellen op dezelfde schaal bouwen, en moest daar flink wat extra steentjes voor bestellen. Maar door de vele online winkeltjes, die allemaal weer een ander aanbod hebben, raak je snel het overzicht kwijt. Met een algoritme dat ik schreef, is steentjes bestellen nu een stuk eenvoudiger. Je kunt je eigen ontwerp uploaden, bekijken waar je het goedkoopste terecht kunt en je steentjes direct in het winkelmandje plaatsen. Met een beetje puzzelen heb je zo minder frustratie en meer bouwplezier.”

Bron: Cursor.