ETCS уровня 3
Концепция быстрого перехода к ETCS уровня 3 в масштабе сети Стратегия перехода к европейской системе управления движением поездов ETCS в масштабе железнодорожной сети зачастую сдерживается необходимостью дооснащения имеющегося парка подвижного состава, обучения персонала, отказа от части имеющихся средств сигнализации, вывода технических средств из эксплуатации на продолжительное время, привлечения значительных инвестиций. Из-за организационных и технических ограничений проекты практической реализации завершаются, как правило, на внедрении ETCS уровня 2. Вместе с тем при планировании внедрения в национальном масштабе в качестве финального этапа в большинстве случаев называют развертывание ETCS уровня 3. В Нидерландах разработана концепция быстрого перехода к ETCS уровня 3, позволяющая использовать преимущества этой системы и минимизировать риски, связанные с ее внедрением. Концептуальные выгоды от ETCS уровня 3 Операторы крупных железнодорожных сетей и парков подвижного состава всегда стремятся минимизировать расходы на эксплуатацию и техническое обслуживание средств СЦБ. С этой точки зрения ETCS уровня 3 обладает следующими преимуществами. Минимальный комплект обо‑ рудования. ETCS уровня 3 работает на базе радиосвязи; в состав его напольного оборудования не входят светофоры, путевые устройства локомотивной сигнализации и контроля свободности пути. Непосредственно на пути располагаются только пассивные приемоответчики. Поезда определяют свое местоположение самостоятельно и отправляют данные о нем в централизованную систему. Расход кабеля в ETCS уровня 3 на 80 % ниже, чем в традиционных системах сигнализации. Высокая пропускная способ‑ ность. Реализуемые в ETCS функции непрерывной сигнализации в кабине машиниста и обеспечения
безопасности движения поезда способствуют существенному повышению пропускной способности линии. ETCS уровня 3 (в отличие от ETCS более низких уровней) не имеет ограничений с точки зрения проектирования и использует виртуальные блок-участки, которые могут быть как фиксированными, так и подвижными. При этом напольные средства обнаружения поездов не требуются. Минимальное проектирование напольного оборудования. Отсутствие необходимости проектировать (или перепроектировать) напольное оборудование контроля свободности пути существенно упрощает и ускоряет переход к ETCS уровня 3. Низкая стоимость внедрения. Во многих источниках отмечается сложность расчета экономического эффекта от внедрения системы ETCS на высокозагруженной железнодорожной сети. Однако в случае ETCS уровня 3 речь идет об установке сравнительно простого и недорогого оборудования на пути и демонтаже большинства существующих устройств. В результате вложения в
ETCS уровня 3 окупаются быстрее за счет экономии на техническом обслуживании и повышении пропускной способности линий.
Уязвимости ETCS уровня 3 Железные дороги воздерживаются от планов практической реализации системы ETCS уровня 3, поскольку для ее внедрения необходимо решить ряд технических проблем. Контроль полносоставности по‑ езда — риск появления «потерянных» вагонов. В любой системе централизации предусмотрен контроль свободности пути. При помощи этой ответственной функции проверяется наличие или отсутствие подвижного состава на участке. В системе ETCS уровня 3 информация о занятии участка пути поступает с поезда; рельсовые цепи или счетчики осей подвижного состава при этом не используются. Если информация о местоположении поездов в зоне действия ETCS уровня 3 теряет достоверность (нарушена полносоставность одного из поездов), то система в целях обеспечения безопасности считает занятым протяженный участок. Таким образом, нарушение полносоставности одного поезда будет влиять на движение значительного числа других поездов в зоне действия системы. Контроль полносоставности бортовыми средствами без труда реализуется в пассажирских поездах, но не в грузовых, для которых это не только техническая, но и организационная проблема. Радиопокрытие — риск появле‑ ния «потерянных» поездов. В ETCS уровня 3 предусмотрена регистрация в стационарной части системы
ЖЕЛЕЗНЫЕ ДОРОГИ МИРА — 2013, № 12 47
ETCS уровня 3
всех поездов, находящихся в ее зоне действия. Если стационарная часть системы выходит из строя или перезагружается, происходит потеря информации обо всех поездах. При безопасном восстановлении системы принимается, что все пути в зоне ее действия заняты. Поэтому до окончательной регистрации в системе всех поездов должны быть выполнены длительные и сложные процедуры. Резкое снижение производитель‑ ности из‑за сложных процедур. Выдача разрешений на движение в случае отказа системы ETCS уровня 3 требует выполнения сложных процедур с участием человека, которые отличаются от действий, необходимых при отказе традиционной системы сигнализации или ETCS уровня 2. Если по каким‑либо причинам система не располагает информацией о местоположении одного или нескольких поездов, поездной диспетчер не может уверенно управлять перевозочным процессом. Он вынужден выдавать по радио машинистам устный приказ об остановке всех поездов и в дальнейшем пропускать поезда по одному. Таким образом, ETCS уровня 3 предъявляет очень высокие требования к отказоустойчивости
основных бортовых и напольных компонентов системы. Целесообразно рассмотреть меры, направленные на повышение этого показателя в ETCS уровня 3.
Отказоустойчивая ETCS уровня 3 и существующие средства контроля свободности пути Как уже отмечалось, одной из уязвимостей ETCS уровня 3 является необходимость выполнения сложных процедур при возникновении отказов. Далее будет рассмотрена возможность применения напольных средств контроля свободности пути для смягчения последствий выхода системы из строя. При переходе к ETCS уровня 3 можно использовать существующие напольные средства контроля свободности пути там, где в этом есть необходимость, причем важно, что в процессе перехода требуются только минимальные инженерные работы на путях. Таким образом можно стимулировать ускоренный переход к ETCS в масштабе национальной железнодорожной сети. При отказе ETCS уровня 3 напольные устройства контроля свободности пути могут быть исполь-
Поезд № 3 (полносоставность подтверждена, режим L3 FS)
зованы в качестве резервного оборудования. В нормальных условиях эксплуатации ETCS уровня 3 обеспечит максимальное использование пропускной способности линий, а в случае ее отказа (или нарушения полносоставности одного или нескольких поездов) сохраняется возможность применения традиционных блок-участков с выполнением процедур, близких к используемым в ETCS уровня 2. Наконец, когда будет достигнута достаточная надежность критичных компонентов ETCS уровня 3 и средствами контроля полносоставности поездов будет оборудован весь парк подвижного состава, можно будет отказаться от напольных устройств контроля свободности пути и сократить до минимума расходы на стационарное оборудование.
Концепция отказоустойчивой ETCS уровня 3 Режим нормальной эксплуата‑ ции. В системе ETCS уровня 3 на линии, разделенной на виртуальные блок-участки, возможна оптимизация интервала попутного следования поездов (рис. 1). Все поезда на линии успешно подтверждают свою полносоставность. Статус виртуальных блок-участков не зависит
Поезд № 2 (полносоставность подтверждена, режим L3 FS)
Поезд № 1 (полносоставность подтверждена, режим L3 FS)
Виртуальные блок-участки Традиционные блок-участки (рельсовые цепи или счетчики осей)
Занят
Замкнут, движение разрешено
L3 FS — режим ETCS уровня 3 с полным контролем
Рис. 1. Отказоустойчивая ETCS уровня 3 в режиме нормальной эксплуатации Поезд № 2 (полносоставность подтверждена, режим L3 FS)
Поезд № 1 (полносоставность не подтверждена, режим L3 FS)
Виртуальные блок-участки Традиционные блок-участки (рельсовые цепи или счетчики осей)
Занят
Свободен
Замкнут, движение разрешено
L3 FS — режим ETCS уровня 3 с полным контролем
Рис. 2. Режим разграничения поездов традиционными блок-участками при отсутствии бортового контроля полносоставности одного из поездов
48 ЖЕЛЕЗНЫЕ ДОРОГИ МИРА — 2013, № 12
ETCS уровня 3
Поезд № 1 (полносоставность подтверждена, режим L3 FS)
Не зарегистрирован, устройство радиосвязи неисправно
Виртуальные блок-участки Традиционные блок-участки (рельсовые цепи или счетчики осей)
Занят
Свободен
Замкнут, движение разрешено
L3 FS — режим ETCS уровня 3 с полным контролем
Рис. 3. Поезд без устройства ETCS уровня 3 или с неисправным устройством занимает ограниченное число виртуальных блок-участков Поезд № 1 (полносоставность подтверждена, режим L3 FS)
Поезд № 2 (полносоставность подтверждена, режим L3 FS)
Не зарегистрирован
Не зарегистрирован
Виртуальные блок-участки Традиционные блок-участки (рельсовые цепи или счетчики осей)
Занят
Свободен
Замкнут, движение разрешено
L3 FS — режим ETCS уровня 3 с полным контролем
Рис. 4. Начало движения поездов после восстановления системы ETCS уровня 3
от показаний напольных устройств контроля свободности пути. Виртуальные блок-участки за поездом отображаются как свободные сразу после получения извещений о местоположении поездов. Затем немедленно устанавливается и запирается маршрут для следующего поезда, и на этот поезд передается разрешение на движение. Работа в условиях неподтвер‑ ждения полносоставности поез‑ да. Диспетчер разрешает выход на линию грузового поезда № 1, не оборудованного бортовыми средствами контроля полносоставности (рис. 2). С этого поезда передается сообщение о его местоположении. При этом два виртуальных блок-участка за поездом не признаются свободными, поскольку соответствующая рельсовая цепь сигнализирует о состоянии занятости. Пассажирский поезд № 2 может следовать за грузовым поездом, но только с разграничением традиционным блок-участком. На экране монитора диспетчера виртуальные блок-участки отображаются как занятые, индикация о статусе полносоставности поезда отсутствует. Обнаружение поезда, не заре‑ гистрированного в системе. Если в исключительном случае на линию с выполнением установленной
процедуры выезжает поезд, не оборудованный аппаратурой ETCS уровня 3 или с неисправной аппаратурой, виртуальные блок-участки безопасно индицируются как занятые, что обеспечивается работой занятой рельсовой цепи в сочетании с извещением об освобождении предыдущей рельсовой цепи (рис. 3). Другие поезда не могут выехать на занятые виртуальные блок-участки в режиме полного контроля (Full Supervision, FS) со стороны ETCS уровня 3. Диспетчер может полагаться на безопасную работу системы централизации и устанавливать маршруты для следующих поездов. Начало движения первого поезда после восстановления системы. После выхода ETCS уровня 3 из строя и ее восстановления все поезда в зоне действия системы находятся в состоянии завершившегося действия последних принятых разрешений на движение. Теперь все остановившиеся поезда должны повторно зарегистрироваться в стационарной системе. При этом традиционные напольные средства контроля свободности пути помогают диспетчеру определить, какие виртуальные блок-участки заняты поездами. На рис. 4 поезда № 1 и № 2 уже повторно зарегистрировались в системе и готовы к движению.
Поезд № 1 может начать движение по условиям видимости с пониженной скоростью. Поезд № 2 может двигаться в нормальном режиме, поскольку напольные устройства сигнализируют о свободности виртуальных блок-участков между ним и поездом № 1. При этом виртуальные блокучастки, увязанные с традиционными блок-участками, отображаются как занятые, если не установлено (по фактическому состоянию или анализу логических правил), что на традиционном блок-участке нет других поездов. Так, виртуальные блок-участки за поездом № 2 (см. рис. 4) сигнализируются как занятые и после проследования по ним этого поезда. Работа системы при отказе рельсовой цепи. В условиях, когда по линии преимущественно курсируют поезда с бортовыми устройствами полносоставности и эта полносоставность подтверждена, выход из строя рельсовой цепи воздействует на перевозочный процесс лишь в минимальной степени: система может временно игнорировать эту рельсовую цепь по специальной команде диспетчера (рис. 5). Стационарная система ETCS уровня 3 может управлять поездами в режиме FS при их движении по участку с неисправной
ЖЕЛЕЗНЫЕ ДОРОГИ МИРА — 2013, № 12 49
ETCS уровня 3
Поезд № 1 (полносоставность подтверждена, режим L3 FS) Виртуальные блок-участки Отказ напольного устройства контроля свободности пути игнорируется при движении поезда с подтвержденной полносоставностью
Традиционные блок-участки (рельсовые цепи или счетчики осей)
Занят
Свободен
Замкнут, движение разрешено
L3 FS — режим ETCS уровня 3 с полным контролем
Рис. 5. Временное игнорирование отказа рельсовой цепи Длина поезда по извещению в RBC Фактическая длина поезда
Поезд № 1 (полносоставность подтверждена, режим L3 FS)
Виртуальные блок-участки Традиционные блок-участки (рельсовые цепи или счетчики осей)
Занят
Свободен
Замкнут, движение разрешено
L3 FS — режим ETCS уровня 3 с полным контролем
RBC — центр радиоблокировки
Рис. 6. Эффективное размыкание маршрута при использовании напольных устройств контроля свободности пути
рельсовой цепью. Естественно, ремонтный персонал должен предпринять действия, направленные на восстановление нормальной работы рельсовых цепей. В случае появления на линии поезда с неподтвержденной полносоставностью происходит автоматическое переключение на приоритетное использование напольных средств контроля свободности.
Сигнализация свободности при помощи напольных устройств. При остановке поезда вблизи стрелки на станции показаний бортового устройства контроля полносоставности может быть недостаточно для уверенного определения местоположения хвоста поезда в стрелочной зоне (рис. 6). Напольные средства контроля свободности пути могут определить, находится TMS
Примеры реализации
IF
IF
IF
IXL
Релейная система
IXL
GSM-R
Объекты Аппаратные ящики управления и кабели
Постовое оборудование
Сеть передачи
Центр управления
TMS — система управления движением поездов; IXL — система микропроцессорной централизации; IF — интерфейсный модуль
Станция А
Перегон
Съезд
Перегон
Станция Б
Рис. 7. Традиционная система сигнализации до внедрения отказоустойчивой ETCS уровня 3
50
ли последний вагон поезда в стрелочной зоне или вне ее, и в последнем случае — создают условия для безопасного перевода стрелки. На станциях с интенсивными поездными передвижениями сохранение напольных устройств контроля свободности позволяет также обеспечить высокую пропускную способность. Кроме того, наличие этих устройств препятствует переводу стрелки под поездом с неисправной аппаратурой ETCS.
ETCS уровня 3 может быть поэтапно внедрена на любой из существующих линий (рис. 7). Этап 1: дооснащение поездов и подготовка стационарной систе‑ мы. На этом этапе обращающиеся на линии поезда оборудуют аппаратурой ETCS (по возможности — включая бортовые средства контроля полносоставности). Одновременно устанавливают стационарные компоненты ETCS уровня 3, подключая их к существующим выводам устройств управления стрелками и контроля свободности пути. Если существующая система централизации способна реализовать интерфейс с ETCS уровня 3, то
ЖЕЛЕЗНЫЕ ДОРОГИ МИРА — 2013, № 12
IF IXL
GSM-R
Центр управления
IF Релейная система
OIF
OIF
Объекты Аппаратные ящики управления и кабели
Постовое оборудование
TMS — система управления движением поездов; IXL — система микропроцессорной централизации; IF — интерфейсный модуль; RBC — центр радиоблокировки; ATP-STM — специализированный модуль передачи для работы с национальной АЛС
ATP-STM Режим тестирования
Станция А
Перегон
Съезд
Перегон
TMS
TMS
IF
RBC IXL
IXL
OIF
GSM-R
Станция Б
Рис. 8. Независимые монтаж и тестирование ETCS уровня 3
надежности ETCS уровня 3 напольное оборудование контроля свободности пути может быть демонтировано (рис. 11). Демонтаж устройств и соответствующее реконфигурирование программного обеспечения могут проводиться во время плановых работ по обслуживанию оборудования. Центр управления
TMS — система управления движением поездов; IXL — система микропроцессорной централизации; OIF — объектный контроллер; RBC — центр радиоблокировки
Постовое оборудование
Сеть передачи
на адаптация планирования перевозочного процесса в системах диспетчерского управления движением поездов. Этап 3: оптимизация напольно‑ го оборудования. На последнем этапе после оснащения поездов средствами контроля полносоставности и достижения целевых показателей
TMS
RBC IXL
OIF
OIF
Объекты Аппаратные ящики управления и кабели GSM-R
дополнительные устройства увязки не требуются (рис. 8). Длительность перерывов в движении поездов на первом этапе минимальная, поскольку на пути необходим лишь небольшой объем работ (установка пассивных приемоответчиков и сигнальных щитов ETCS). После этого система может быть включена параллельно существующей и тестироваться в режиме, когда поезда будут следовать по показаниям действующей системы локомотивной сигнализации ATP (при использовании соответствующих бортовых специализированных модулей STM), а ETCS не будет подключена к тормозному оборудованию поезда. Этап 2: ввод в эксплуатацию ETCS уровня 3 и оптимизация бор‑ тового оборудования. На этом этапе управление стрелками передается системе ETCS уровня 3 (рис. 9). Светофоры традиционной системы сигнализации выводят из эксплуатации, для обозначения границ виртуальных блок-участков используются сигнальные щиты ETCS. После окончательной приемки в эксплуатацию ETCS уровня 3 максимальное использование пропускной способности линии достигается при движении поездов, оборудованных средствами контроля полносоставности (это преимущественно пассажирские поезда). При движении поездов (преимущественно грузовых) без бортовых средств контроля полносоставности обеспечивается пропускная способность, характерная для традиционной системы сигнализации (рис. 10). Оператор инфраструктуры может ввести пониженную плату за доступ к линии поездов с бортовыми устройствами контроля полносоставности, чтобы стимулировать ускоренное внедрение таких устройств. Естественно, при смешанном движении поездов с контролем полносоставности и без него желатель-
Сеть передачи
ETCS уровня 3
OIF
Поезд без контроля полносоставности Станция А
Перегон
Съезд
Перегон
Станция Б
Рис. 9. Ввод ETCS уровня 3 в эксплуатацию после тестирования напольного оборудования и оснащение всего парка подвижного состава устройствами ETCS
ЖЕЛЕЗНЫЕ ДОРОГИ МИРА — 2013, № 12 51
ETCS уровня 3
Поезд № 2 (ETCS)
Поезд № 1 (полносоставность подтверждена)
Поезд № 2 (ETCS)
Пройденный путь Поезд № 1 (полносоставность не подтверждена)
Традиционные блок-участки (рельсовые цепи или счетчики осей) Виртуальные блок-участки Максимальная скорость, км/ч
140
40
Традиционные блок-участки (рельсовые цепи или счетчики осей) Виртуальные блок-участки Максимальная скорость, км/ч
140
40 Пройденный путь
Центр управления
TMS — система управления движением поездов; IXL — система микропроцессорной централизации; OIF — объектный контроллер; RBC — центр радиоблокировки
Постовое оборудование
Сеть передачи
Рис. 10. Регулирование попутного следования поездов с бортовыми средствами контроля полносоставности и без них TMS
RBC IXL
OIF
OIF
GSM-R
Объекты Аппаратные ящики управления и кабели
OIF
Станция А
Перегон
Съезд
Перегон
Станция Б
Рис. 11. Оптимизация ETCS уровня 3: отказ от большинства рельсовых цепей
Перспективы Внедрение ETCS уровня 3 согласно представленной концепции позволяет добиться повышения
системы управления движением поездов. При этом обеспечивается более высокая отказоустойчивость системы и ее меньшая зависимость от особенностей конкретной железной дороги. На начальном этапе оснащение всех поездов бортовыми средствами контроля полносоставности не требуется. Компания ProRail — оператор инфраструктуры железных дорог Нидерландов поддерживает усилия по реализации этой концепции. В конце июня 2013 г. ProRail успешно провела испытания ETCS уровня 3 на опытном участке Лелистад — Алмере вблизи Амстердама. В испытаниях участвовали Alstom, Bombardier, а также нидерландская инжиниринговая и консалтинговая компания Arcadis. Испытания продемонстрировали возможность следования поездов с малым интервалом в зоне действия ETCS уровня 3, а также срабатывание переездной сигнализации в зависимости от скорости приближающегося поезда. Кроме того, было подтверждено, что для перехода к ETCS уровня 3 достаточно обновить программное обеспечение в центрах радиоблокировки и бортовом компьютере. Prorail рассчитывает, что внедрение ETCS уровня 3 позволит полнее использовать пропускную способность железнодорожных линий и сократит число сбоев в движении поездов. Решение о программе развертывания европейской системы управления движением поездов ETCS на железных дорогах Нидерландов планируется принять до конца 2013 г. Ожидается, что программа будет рассчитана на 15 лет.
производительности железнодорожных линий сразу после приемки системы в эксплуатацию и поэтапно перейти к использованию экономически эффективной
M. Bartholomeus, M. Zweers. Signal und Draht, 2013, № 9, S. 43 – 48; IRSE News 2013, № 192, p. 7; отчет университета Твенте и компании Arcadis о сравни‑ тельном изучении сценариев развер‑ тывания и использования европейской системы управления движением поездов (http://essay.utwente.nl/63908).
52 ЖЕЛЕЗНЫЕ ДОРОГИ МИРА — 2013, № 12