Automatyzacja w kolejnictwie

Dzięki automatyzacji w kolejnictwie możliwe jest zapewnienie wysokiej jakości i wydajności usług kolejowych, przy jednoczesnym zachowaniu wymaganego poziomu bezpieczeństwa ruchu. Kluczową rolę odgrywa tu odpowiednio wdrożony system zarządzania ruchem kolejowym.
Stosowanie w Europie różnych systemów zarządzania koleją ? o zasięgu zazwyczaj ograniczonym do jednego kraju, a niekiedy nawet wyłącznie do jednego zarządu kolei ? ma ogromny wpływ na zmniejszenie elastyczności procesu zarządzania ruchem kolejowym. W trosce o poprawę tej sytuacji prowadzone są prace zmierzające do łączenia, integracji i harmonizacji działania narodowych systemów zarządzania, a tym samym ? poprawy międzynarodowego transportu kolejowego, a także zwiększenia niezawodnościoraz konkurencyjności transportu kolejowego w skali całej Europy.
Jeden wspólny system ? wiele korzyści
Europejski System Zarządzania Ruchem Kolejowym ? ERTMS (European Rail Traffic Management System) ? to wspierany przez Unię Europejską projekt, który ma zastąpić wiele różnorodnych krajowych systemów zarządzania. Rozwiązanie to ma zapewnić interoperacyjność transportu kolejowego, czyli możliwość swobodnego poruszania się pociągów w sieciach kolejowych poszczególnych państw, bez konieczności zatrzymywania się na granicach oraz wymiany lokomotyw lub maszynistów.
Zważywszy na to, że obecnie panel sterowania lokomotywy pociągu poruszającego się ze wschodu na zachód Europy (w związku z czym musi on obsłużyć nawet siedem różnych systemów zarządzania ruchem) jest podobny do kokpitu pilota samolotu, wdrożenie systemu ERTMS wydaje się jak najbardziej uzasadnione.
Elementy systemu ERTMS
System ERTMS tworzą dwa główne podzespoły:

  • system łączności radiowej GSM-R (Global System for Mobile Communications-Railways) zapewniający cyfrową transmisję głosu i wymianę danych z pociągiem;
  • system sterowania ruchem kolejowym ETCS (European Train Control System), który jest wykorzystywany zarówno do sygnalizacji kabinowej, jak i automatyzacji procesu prowadzenia pociągów.

W pierwotnym założeniu trzecim elementem miał być ETML (European Traffic Management Layer) ? system obszarowego zarządzania ruchem. Jednak ze względu na sprzeczne oczekiwania poszczególnych zarządów kolei ostatecznie zaniechano prac nad tym projektem.
Szybciej i bezpieczniej dzięki ETCS
Zgodnie z dyrektywami unijnymi wszystkie kraje Unii Europejskiej są zobligowane do wdrażania systemu ETCS w celu zachowania interoperacyjności kolei na Starym Kontynencie. Proces ten dokonuje się prawie w całej Europie, chociaż w poszczególnych krajach przebiega w bardzo różnym tempie.
System ETCS opiera się na tzw. sygnalizacji kabinowej, która umożliwia zobrazowanie sytuacji panującej na linii kolejowej nie jak dotychczas ? jedynie za pomocą semaforów, ale również na pulpicie w kabinie maszynisty. Co ważne, system wykorzystuje cyfrową transmisję sygnału pomiędzy torem i pojazdem. Istotną rolę odgrywają tu zarówno urządzenia pokładowe, jak i przytorowe.
W skład urządzeń pokładowych tworzących tzw. eurokabinę wchodzą urządzenia transmisyjne oraz anteny służące do wymiany danych z terenem. Funkcje te pełnią anteny do odczytu informacji z systemów Eurobalise, Europętli (Europejski System Sterowania Pociągiem ? Tor-Pojazd) oraz cyfrowe urządzenie radiowe GSM-R wraz z urządzeniem powiązania z platformą Euroradio.
Urządzenia przytorowe zawierają natomiast moduły transmisji danych za pomocą balisy (moduł nadajnika w torze), pętli lub GSM-R, a także różne rodzaje indywidualnego powiązania interfejsów ze stałymi instalacjami sterowania ruchem kolejowym.
W przypadku systemu ETCS ważne jest obliczanie statycznych i dynamicznych profili prędkości, które przeprowadza się na podstawie danych o infrastrukturze opisujących drogę przebiegu, a także danych o pociągu opisujących pojazd, takich jak np. siła hamująca. Przy czym profil dynamiczny jest ciągle porównywany z aktualną prędkością w funkcji położenia. Niezbędna do tego funkcja lokalizacji jest realizowana za pomocą wspomnianego systemu Eurobalise ? urządzeń elektromagnetycznych w formie żółtych pojemników umieszczanych między torami, w okolicach semaforów. Służą one do transmisji punktowej i przekazywania sygnałów do kabiny maszynisty.
System ETCS w praktyce
Komunikowanie się urządzeń przytorowych z lokomotywą umożliwia otrzymywanie informacji dotyczących m.in. maksymalnej dozwolonej prędkości na danym odcinku toru. Ponadto system kontroluje też reakcję maszynisty na nadawane komunikaty, reagując adekwatnie do sytuacji: np. w przypadku zignorowania przez maszynistę sygnału ?stój? następuje automatyczne wyhamowanie pociągu. Na uwagę zasługuje to, że ETCS pozwala na rozpędzenie pociągów powyżej 160 km/godz. Przy takiej prędkości percepcja wzrokowa maszynisty jest oczywiście mocno zaburzona ? nie jest on w stanie odczytać wszystkich sygnałów i ostrzeżeń znajdujących się na trasie. Problem ten rozwiązuje zastosowanie systemu ETCS, który wyręcza maszynistę w części zadań, wpływając znacząco na poprawę bezpieczeństwa. Ma to szczególne znaczenie nie tylko w przypadku pokonywania tras z dużą prędkością, ale także w nocy czy przy trudnych warunkach pogodowych.
Warto dodać, że zgodnie z polskimi regulacjami, jeżeli pociąg trakcyjny przekracza prędkość 130 km/godz. i funkcjonuje bez systemu ETCS, wówczas do jego obsługi konieczne są dwie osoby ? maszynista i pomocnik. Natomiast stosując system, wystarczy tylko jeden maszynista w lokomotywie, nawet w przypadku zachowania prędkości 160 km/godz.
Poziomy ETCS ? trzy główne i dwa pomocnicze
Można wyodrębnić trzy główne poziomy systemu ETCS, które są dobierane w zależności od potrzeb istniejącej infrastruktury. Oprócz tego zdefiniowane zostały dwa dodatkowe poziomy wyposażenia toru: poziom zero, oznaczający brak wyposażenia stanowiącego źródło informacji dla pokładowego systemu ETCS, oraz poziom STM. W przypadku tego ostatniego tor jest wyposażony w narodowe urządzenia ATP lub ATC (automatyczne sterowanie i prowadzenie pociągu), z których za pośrednictwem Specyficznego Modułu Transmisyjnego ? STM (Specific Transmission Module) ? mogą być pobierane dane stanowiące źródło informacji dla pokładowego systemu ETCS.
Poziom pierwszy ? elementy wyposażenia
W pojeździe trakcyjnym wyposażonym w urządzenia pierwszego poziomu ETCS znajdują się: bezpieczny komputer EVC (European Vital Computer), pulpit maszynisty DMI (Driver Machine Interface), rejestrator prawny JRU (Juridical Recording Unit), odometr, czyli układ pomiaru drogi i czasu, a także antena do odbioru informacji z systemu Eurobalise.
Lokomotywa poziomu pierwszego może być opcjonalnie wyposażona w urządzenia do odczytu informacji z Europętli oraz w cyfrowe urządzenia radiowe GSM-R lub specjalizowane moduły transmisyjne. W przypadku poziomu pierwszego instalowane są w osi toru grupy modułów balis. Zazwyczaj stosowane są dwie balisy w grupie, przy czym jedna jest nieprzełączalna, a jedna przełączalna. Balisa przełączalna podłączana jest do kodera LEU (Lineside Electronic Unit).
Ogólnie urządzenia ETCS poziomu pierwszego zapewniają to, że pociąg nie przejedzie poza miejsce ograniczające ustawioną i utwierdzoną drogę przebiegu oraz nie przekroczy prędkości dopuszczalnej na żadnym odcinku drogi przebiegu.
Z uaktualnieniem bądź bez
Poziom pierwszy ETCS może być realizowany bez uaktualniania lub z uaktualnianiem informacji. W poziomie pierwszym do sygnalizatora za pośrednictwem kodera dołączana jest przełączalna balisa, która, w zależności od wskazania sygnalizatora, przekazuje do pokładowego urządzenia ETCS zezwolenie na jazdę. Zadaniem pokładowego wyposażenia ETCS jest ustalenie, na podstawie otrzymanych informacji, czy maszynista prowadzi pojazd zgodnie ze wskazaniem sygnalizatora. Jeśli brakuje uaktualniania, wówczas przepustowość linii ulega ograniczeniu oraz wymagana jest od maszynisty znajomość sygnalizacji obowiązującej na danej kolei. Stosowanie tej wersji systemu przewiduje się przede wszystkim na liniach drugorzędnych i słabo obciążonych, gdzie nie kursują pociągi międzynarodowe lub pociągi osiągające duże prędkości i nie ma problemów z przepustowością linii.
Poziom pierwszy z uaktualnianiem można realizować w różnych konfiguracjach sprzętowych, przy czym uaktualnianie może mieć charakter punktowy (np. uaktualnianie przez dodatkowe balisy) lub odcinkowy (np. uaktualnianie przez Europętlę). Jest także możliwe uaktualnianie informacji z systemu narodowego przez specyficzny moduł transmisyjny.
Poziom drugi ? sterowanie ruchem przy pomocy GSM-R
Z kolei poziom drugi ETCS to sterowanie ruchem w oparciu o ciągłą, cyfrową, dwukierunkową transmisję radiową. Lokomotywa poziomu drugiego, oprócz oprzyrządowania lokomotywy poziomu pierwszego, musi być dodatkowo wyposażona w urządzenia cyfrowej radiowej transmisji danych w systemie GSM-R, co w porównaniu z systemem poziomu pierwszego znacznie zwiększa koszt całego przedsięwzięcia. Tor jest wyposażany nie tylko w balisy, ale także w radiowe centrum sterowania ? RBC (Radio Block Centre). Gdy wszystkie pojazdy poruszające się po danej linii zostaną wyposażone w drugi poziom ETCS, możliwe stanie się usunięcie z toru przytorowych sygnalizatorów świetlnych, które są zastępowane sygnalizacją kabinową opartą na ciągłej transmisji danych. Ze względu na to, że informacje zmienne są przekazywane przez kanał radiowy, zamiast balis przełączalnych stosuje się nieprzełączalne. Nie można jednak zupełnie usunąć balis, ponieważ są one ważnymi narzędziami w procedurze lokalizacji pojazdów.
Poziom drugi ma tę zaletę, że nie ogranicza przepustowości linii i nie wymaga od maszynisty znajomości sygnalizacji obowiązującej na danej kolei. Zgodnie z założeniem rozwiązanie to jest przeznaczone głównie dla linii międzynarodowych, linii dużych prędkości, a także innych linii znaczenia podstawowego.
Wady i zalety poziomu trzeciego
Poziom trzeci to rozwinięcie poziomu drugiego w wyniku przeniesienia kontroli zajętości torów z urządzeń przytorowych do urządzeń pokładowych. Dzięki temu możliwe jest sterowanie następstwem pociągów, według zasady ruchomego odstępu blokowego, a także zrezygnowanie z obwodów torowych i liczników osi. Lokomotywa poziomu trzeciego, oprócz oprzyrządowania z poziomu drugiego, musi być dodatkowo wyposażona w bezpieczny i niezawodnysystem kontroli ciągłości składu. Obok balis najważniejszym wyposażeniem toru pozostają radiowe centra sterowania RBC, aczkolwiek funkcje kontroli dostępności torów są realizowane w nieco inny sposób. Takie rozwiązanie pozwala maksymalnie wykorzystać przepustowość linii, jednak zabrania prowadzenia ruchu mieszanego, czyli innymi słowy ? brak jest możliwości wykorzystywania linii do wspólnej jazdy pociągów wyposażonych i niewyposażonych w pokładowe urządzenia ETCS.
Szeroki wachlarz trybów pracy
Lokomotywa wyposażona w ETCS może pracować m.in. w trybach: rozruchu (Start Up), wprowadzania danych (Data Entry), jazdy na widoczność (On Sight), a także w trybie odpowiedzialności personelu (Staff Responsible), manewrowania (Shunting), wyłączenia awaryjnego (Trip) czy uśpienia (Sleeping). Ponadto praca może także odbywać się w trybie bez wyposażenia (Unfitted) ? całkowicie pozbawionym wyposażenia liniowego ETCS, w trybie ograniczonego nadzoru (Limited Supervision) lub w trybie pełnego nadzoru (Full Supervision). W przypadku ostatniego z wymienionych sposobów prowadzenia ruchu maszynista nie jest już uzależniony od informacji na sygnalizatorach przytorowych. ETCS wyświetla na interfejsie wizualizacyjnym maszynisty (DMI ? Driver Machine Interface) informacje zarówno o prędkości rzeczywistej, jak i o prędkości maksymalnej, dozwolonej dla danego odcinka drogi. Jeśli prędkość pociągu przekracza dozwoloną wartość krytyczną dla tego odcinka drogi, system ETCS oddziałuje automatycznie na hamulce.
Pokładowy pulpit DMI
Dla systemów ETCS i GSM-R proponowany jest wspólny interfejs wizualizacyjny maszynisty, który jest miejscem komunikacji operatora z systemem. W urządzeniu tym znajduje się ekran dotykowy podzielony na obszary, na których wyświetlane są różne ikony, symbole, informacje. Pojawiają się one w określonym miejscu ekranu, w kolorze odpowiadającym danej sytuacji. Ikona biała to sytuacja normalna i brak potrzeby reakcji maszynisty. Ikona żółta to wciąż sytuacja normalna, ale wymagająca reakcji maszynisty. Ikona pomarańczowa to sytuacja wyjątkowa, wskazująca na pilną potrzebę reakcji maszynisty. Natomiast czerwona oznacza, że doszło do interwencji systemu, który zastąpił maszynistę kierującego w niewłaściwy sposób pojazdem, wprowadzając odpowiednie nastawy. Kolory są stosowane zarówno do ikon rozumianych klasycznie, jak i do wskazań prędkościomierza.
Ekran DMI składa się z obszarów obejmujących: dane dotyczące hamowania, prędkościomierz, wartości prędkości, planowanie ? opis szlaku, nadzór ? obsługa urządzeń w pojeździe. Jeśli chodzi o klawiaturę, to zawiera ona przyciski umożliwiające m.in. zmianę trybu pracy lokomotywy, przejazd obok sygnalizatora wskazującego sygnał ?stój?, wprowadzenie danych o pociągu, połączenie z dyżurnym ruchu oraz z dyspozytorem zasilania, a także pilne ostrzeżenie dla wszystkich pociągów w danym obszarze.
GSM-R ? więcej niż medium transmisyjne
System GSM-R, bazujący na standardzie telefonii komórkowej GSM, został udoskonalony i dostosowany do warunków pracy związanych z eksploatacją i utrzymaniem infrastruktury kolejowej oraz zarządzaniem ruchem pociągów, gwarantując wymagany poziom jakości świadczonych usług i bezpieczeństwa. System umożliwia m.in. łączność głosową między pracownikami odpowiadającymi za bezpieczeństwo i płynność ruchu ? dyżurnymi, dyspozytorami, maszynistami czy obsługą techniczną, oraz ? o czym była już mowa ? stanowi medium transmisyjne dla systemu ETCS. W odróżnieniu od klasycznego systemu GSM system GSM-R cechuje się bardzo wysokimi wymaganiami odnośnie niezawodności, w związku z czym buduje się go tak, by w razie awarii jednego elementu sieci jego funkcję mógł przejąć drugi.
W skład architektury systemu GSM-R wchodzą następujące elementy: Główny Podsystem Komutacyjno-Sieciowy (Network Switching Subsystem ? NSS) i Podsystem Zarządzania Siecią (Network Management Subsystem ? NMS) na poziomie głównym oraz Podsystem Stacji Bazowych (Base Station Subsystem ? BSS), złożony z peryferyjnych grup Sterowników Stacji Bazowych (Base Station Controller ? BSC) i peryferyjnych grup Radiowych Stacji Bazowych (Base Transceiver Station ? BTS).
Zgodnie z unijnymi regulacjami prawnymi, na transeuropejskiej sieci kolejowej system GSM-R powinien zagwarantować łączność dla prowadzenia rozmów, razem z radiołącznością pociągową, manewrową, obszarową, ratunkową itd. Co więcej, w planach poszczególnych zarządców infrastruktury, biegłych we wdrażaniu systemu GSM-R, znajduje się zastosowanie zunifikowanej platformy komunikacyjnej dla szeregu aplikacji wspomagających usługi kolejowe, m.in. w obszarze: bezpieczeństwa, gromadzenia danych, śledzenia wagonów i przesyłek, a także informacji podróżnych.
W perspektywie najbliższych lat
Zgodnie z planami, do końca 2015 r. sieć GSM-R powinna objąć swoim zasięgiem ponad 1500 km sieci kolejowej zarządzanej przez PKP Polskie Linie Kolejowe. Do tego czasu system wdrożony zostanie m.in. na linii kolejowej E 30 na odcinku Bielawa Dolna ? Legnica ? Wrocław ? Opole, E 65 na odcinku Warszawa ? Gdynia, a także na linii E 20 na odcinku Kunowice ? Terespol.
Natomiast w perspektywie najbliższych lat (20152023) PKP PLK planuje uruchomienie systemu łączności kolejowej GSM-R na większości linii kolejowych w Polsce. Co istotne, w tym czasie spółka będzie odchodziła od instalowania systemu GSM-R na poszczególnych liniach kolejowych w ramach oddzielnych projektów na rzecz kompleksowego projektu obejmującego obszar całego kraju.
Autorka: Agata Abramczyk jest absolwentką filologii polskiej o specjalności edytorskiej na Uniwersytecie Wrocławskim oraz studiów podyplomowych z zakresu redakcji językowej tekstu na Uniwersytecie Warszawskim. Od wielu lat związana jest z branżą dziennikarską i wydawniczą. Jest pasjonatką nowoczesnych technologii.