Управление движением поездов
Спутниковая навигация и открытые IP-сети в системе ERTMS Европейская система управления железнодорожными перевозками ERTMS, составной частью которой является система управления движением поездов (ETCS), уже превратилась в стандартное решение, направленное на обеспечение эксплуатационной совместимости национальных систем сигнализации в международном сообщении. Благодаря применению унифицированных компонентов ERTMS получила признание не только в Европе, но и за ее пределами. Адаптация ERTMS к условиям малодеятельных линий, где необходимы экономичные средства сигнализации, предусматривает применение спутниковой навигации для определения местоположения поездов и IP-технологий для передачи информации. Разработки в этой области ведутся в рамках проекта 3InSat, реализация которого с участием Европейского космического агентства (ESA) началась в 2012 г. ERTMS стала крупнейшим европейским проектом, установившим стандарт де-факто в сфере систем сигнализации. В настоящее время она применяется преимущественно на высокоскоростных и высокозагруженных линиях. В апреле 2012 г. был подписан меморандум о
взаимопонимании между Европейской комиссией, Европейским железнодорожным агентством (ERA) и европейскими ассоциациями, действующими в сфере железных дорог (МСЖД, CER, UNIFE и др.) и вошедшими в группу EFRA. Меморандум предусматривает тесную
Центр управления
Спутниковая навигация
Контроль свободности пути
Система централизации
RBC
Передача данных по протоколу IP через сети разных операторов GSM-R MSC/BSC
GSM-R Определение местоположения поезда
EVC
DMI
Базовая станция
Рис. 1. Интеграция спутниковой навигации и телекоммуникационных IP-технологий в систему ERTMS: RBC — центр радиоблокировки; GSM-R MSC/BSC — центральный коммутатор и контроллеры базовых станций сети GSM-R; EVC — бортовой компьютер системы ERTMS/ETCS; DMI — пользовательский интерфейс машиниста
кооперацию в развитии системы ERTMS и указывает на то, что в составе ERTMS может использоваться спутниковая навигация, способная сыграть решающую роль в повышении надежности и сокращении стоимости средств определения местоположения поездов. Меморандум поддерживает также усилия по внедрению современных технологий на базе IP-протоколов, которые в долгосрочной перспективе должны прийти на смену устаревающей системе GSM-R. В мае 2012 г. между ESA и компанией Ansaldo STS было подписано соглашение о начале реализации проекта 3InSat. При этом Ansaldo STS выступала в качестве руководителя консорциума, в который вошли RFI (оператор инфраструктуры железных дорог Италии), компании Radiolabs, AZD, и Traiagnosis, а также Германский центр аэронавтики и космонавтики (DLR). В декабре 2013 г. к проекту присоединилась компания DB Netz (оператор инфраструктуры железных дорог Германии). Цель проекта состоит в интеграции спутниковых технологий в системы сигнализации и формировании условий для создания новых систем управления движением поездов для европейского и международного рынков на основе эволюционирующей платформы ERTMS (рис. 1). Компания Ansaldo STS (наряду с компанией Siemens, в частности) также участвует в схожем исследовательском проекте SATLOC, реализуемом под руководством МСЖД (см. «ЖДМ», 2014, № 6, с. 63 – 67). Для адаптации ERTMS к малодеятельным линиям, на которые
58 ЖЕЛЕЗНЫЕ ДОРОГИ МИРА — 2015, № 1
приходится примерно 50 % протяженности железнодорожной сети в Европе, особенно важно использовать новые технологии, реализующие виртуальные телекоммуникационные функции и функции определения местоположения поездов. Многие линии региональных и местных сообщений оснащены устаревшим оборудованием и работают под ручным управлением с минимальной поддержкой со стороны технических средств. Для развития инфраструктуры этих линий необходимы недорогие современные системы управления движением поездов. Функционал полноценной системы ERTMS для этих линий избыточен, а ее внедрение на таких линиях займет длительное время и будет экономически неоправданным. Опытная эксплуатация европейской системы спутниковой навигации Galileo с восемью рабочими спутниками началась в декабре 2014 г. Наличие такой сокращенной спутниковой группировки очень полезно для тестирования первых услуг, предоставляемых Galileo, в составе системы ERTMS. С точки зрения ЕС, важно, что Galileo разработана европейцами и ее оба центра управления находятся в Италии и Германии.
Требования к системе Местоположение поезда определяется при помощи функции одометрии — одной из ключевых подсистем бортового устройства ETCS. Спутниковая навигация используется для замены путевых приемоответчиков Eurobalise на виртуальные реперные точки, размещенные вдоль линии и позволяющие компенсировать ошибку определения местоположения, накапливаемую пропорционально пройденному пути. Функция определения местоположения поезда использует информацию о месте препятствия,
Скорость
Управление движением поездов
Время реакции Допустимая скорость
Тормозной путь
Защитный участок
Кривая скорости при торможении по неблагоприятному сценарию
Направление движения Контроль полносоставности поезда
Служебное торможение Место остановки Местоположение и скорость
Центр управления
Местоположение и скорость
Допустимая скорость и место остановки
Безопасное расстояние Виртуальная рельсовая цепь
Рис. 2. Контроль полносоставности поезда с использованием виртуальной рельсовой цепи
содержащуюся в разрешении на движение, полученном из центра радиоблокировки, и привязанную к предыдущей группе путевых приемоответчиков, через которую проследовал поезд. При формировании каждого разрешения на движение центр радиоблокировки применяет так называемый механизм контроля маршрута (linking mechanism) и анализирует последовательность пройденных поездом виртуальных приемоответчиков, основываясь на отправленных поездом сообщениях о местоположении. Если эта последовательность прохода виртуальных приемоответчиков нарушена, срабатывает механизм перехода в защитное состояние. Такая технология позволяет снизить риски, обусловленные получением ошибочной информации от системы спутниковой навигации. Вместе с тем и при сценарии, когда спутниковая навигация работает в автономном режиме без поддержки со стороны механизма контроля маршрута, обеспечивается достаточный уровень безопасности в том числе при разделении состава поезда вследствие разных причин. Для контроля полносоставности поезда бортовыми средствами,
необходимого в системе ETCS уровня 3, возможно использование виртуальной рельсовой цепи, реализуемой средствами спутниковой навигации (рис. 2). Для этого приемники сигналов от навигационных спутников устанавливают не только в голове, но и в хвосте поезда.
Итальянский сценарий На сети компании RFI — оператора железных дорог Италии насчитывается 7400 км местных и региональных линий (44 % всей протяженности сети). Эти линии не оборудованы сетью радиосвязи GSM-R, требуемой для внедрения ETCS. Кроме сети RFI, в собственности регионов находятся линии общей протяженностью 3600 км, в качестве их операторов выступают 26 частных компаний. По этим линиям со штатом 12 тыс. работников перевозится 211 тыс. пассажиров ежегодно. Многие из таких малодеятельных линий нуждаются в модернизации, и система ERTMS со спутниковой навигацией и передачей информации через открытые сети на базе IP-протоколов является для них подходящим недорогим решением.
ЖЕЛЕЗНЫЕ ДОРОГИ МИРА — 2015, № 1 59
Управление движением поездов
140 120 100 80 60 40 20 0
2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021 Годы
GAGAN (Индия)
EGNOSS (ЕС)
QZSS (Япония)
COMPASS (Китай)
GLONASS (Россия)
MSASS
WAAS (США)
IRNSS (Индия)
Galileo (ЕС)
GPS (США)
Рис. 3. Планируемое наращивание группировок навигационных спутников
Германский сценарий На сети DB Netz протяженность малодеятельных линий составляет 12 000 км, из которых 2000 км не оборудованы сетью радиосвязи GSM-R. Кроме того, еще 4000 км линий с грузовым движением также не оснащены GSM-R. Росту эффективности работы этих линий препятствуют устаревшие системы
СЦБ с высокими затратами на эксплуатацию (вследствие необходимости держать большой штат персонала) и техническое обслуживание. Максимально допустимая скорость движения на этих линиях ограничена 50 – 80 км/ч, а пропускная способность ограничена до 1 поезда/ч в каждом направлении. На многих из этих линий внедрение полноценной системы СЦБ и
Навигационные спутники GPS-EGNOS-Galileo
EGNOS
Спутники связи
Центр радиоблокировки
LDS OBU
TALS EDAS TAAN-CC TAAN-RIM RS
RS 1
RS 2
…
RS n
TAAN Национальные и региональные опорные станции спутниковой навигации
Рис. 4. Базовая архитектура системы управления движением поездов по проекту 3InSat: TALS — сервер системы определения местоположения LDS; LDS OBU — бортовое устройство определения местоположения поезда; TAAN — система коррекции местоположения поезда на пути; TAAN-CC — центр управления системой TAAN; TAAN-RIM RS — опорные станции RS1, RS2, ..., RSn системы TAAN
60
сети GSM-R экономически невыгодно. Поэтому DB Netz занята поиском экономически эффективных альтернатив, способных обеспечить требуемый уровень безопасности движения поездов и надежности при использовании вместо устаревших устройств сигнализации или в случаях, когда на линиях нет систем сигнализации. Существенной проблемой при выборе системы сигнализации является нецелесообразность оснащения части малодеятельных и грузовых линий сети DB Netz сетью радиосвязи GSM-R. На тех малодеятельных линиях, где сеть GSM-R все же внедрена, она рассчитана, как правило, только на передачу голоса и требует дорогостоящей модернизации в случае реализации на этих линиях региональной ETCS (ETCS Regional — см. «ЖДМ», 2014, № 1, с. 39 – 42). Кроме того, региональная ETCS хотя и позволяет существенно сократить объем напольного оборудования, предполагает размещение на линии большого числа приемоответчиков. DB Netz пока не накопила достаточного опыта, позволяющего судить об их надежности и стоимости технического обслуживания, а также возможном ущербе вследствие краж и вандализма.
Базовая архитектура Во всех секторах транспорта наблюдается тенденция к широкому применению спутниковой навигации и беспроводных технологий. Быстрый рост числа навигационных спутников (рис. 3) и приложений, направленных на взаимодействие технических систем друг с другом, создает благоприятные условия для создания систем управления движением поездов, основанных на беспроводных технологиях. В связи с этим была разработана и предложена базовая архитектура новой системы с целью поддержки эволюционирования ERTMS в направлении современных спутниковых и общедоступных сетей связи, основанных
ЖЕЛЕЗНЫЕ ДОРОГИ МИРА — 2015, № 1
Управление движением поездов
на IP-технологиях. Базовая архитектура системы 3InSat показана на рис. 4. Для определения местоположения поезда предназначена система LDS (Localizer Device System), способная принимать сигналы от разных спутниковых группировок (GPS, GLONASS, Galileo, BEIDOU) и взаимодействовать с приемниками других спутниковых навигационных систем и с другими бортовыми датчиками (гироскопами, акселерометрами и тахометрами). Система LDS соответствует уровню безопасности SIL 4. Она будет использовать европейскую спутниковую систему дифференциальной коррекции EGNOS в сочетании с наземными системами дифференциальной коррекции для повышения точности и надежности навигации. Кроме того, в LDS будет предусмотрена независимая бортовая подсистема контроля ошибок спутниковой навигации на случай недоступности внешних систем дифференциальной коррекции. Ожидается, что новая версия EGNOS будет удовлетворять требованиям железных дорог (в настоящая время эта система сертифицирована только для воздушных сообщений) и будет
предоставлять операторам железнодорожной инфраструктуры услуги с гарантированным уровнем сервиса, включая аспекты безопасности. В сфере телекоммуникаций концепция системы 3InSat предусматривает использование комбинации телекоммуникационных сетей разных провайдеров, включая сети спутниковой связи и сети сотовой связи стандартов 3G и 4G, чтобы обеспечить требуемые уровень покрытия и качество сервиса. При наличии разных сетей сотовой и спутниковой беспроводной связи появляется возможность организовать надежную и устойчивую к отказам виртуальную телекоммуникационную систему, удовлетворяющую требованиям ERTMS, но свободную от недостатков сети GSM-R.
Испытательный стенд и предварительные результаты тестирования Испытательный стенд (рис. 5) для верификации показателей производительности спутникового сегмента системы размещен на о. Сардиния, где имеется железнодорожная
инфраструктура RFI. Испытательный стенд выполнен в виде лаборатории для интеграции средств спутниковой навигации и телекоммуникационного оборудования, а также подготовки системы ERTMS к вводу в эксплуатацию на пилотном участке. Стенд позволяет верифицировать показатели работы системы EGNOS в условиях железнодорожного транспорта и получить исчерпывающий набор измерительных данных, при помощи которого можно будет стандартизировать спутниковую навигацию в составе экосистемы ERTMS (Ansaldo STS входит в состав рабочей группы UNISIG по стандартизации спутниковой навигации). Еще одной важной функцией испытательного стенда является возможность анализировать показатели работы системы Galileo. Сигналы начальной группировки из восьми спутников Galileo будут доступны на о. Сардиния в течение 2 – 3 ч в сутки. В дальнейшем планируется создание группировки из 30 спутников. Первые испытания выполнялись в отношении телекоммуникационного оборудования (спутникового и сотовых сетей стандарта 3G). При этом
Маршрутизатор системы радиосвязи TETRA Центр радиоблокировки
SATCOM
GSM 3G
Ольбия
TLC Бортовой компьютер
Станционные системы СЦБ
Сассари
Определение местоположения
Чиливани
о. Сардиния
Станционные системы СЦБ
Ористано Сеть передачи по протоколу IP
LDS
Виртуальные приемоответчики
Система ETCS уровня 1 радиосвязи ETCS уровня 2 ETCS уровня 3
50 км Центр радиоблокировки и система централизации
Сан-Гавино
Иглесиас Дечимоманну
Вилламассарджа Управление стрелками
Карбония
Кальяри
Рис. 5. Испытательный стенд для тестирования спутниковой навигации и телекоммуникационного оборудования: TLC — телекоммуникационная система
ЖЕЛЕЗНЫЕ ДОРОГИ МИРА — 2015, № 1 61
Управление движением поездов
проверялась связь между поездом и центром управления в Мюнхене, расположенном в помещении компании Triagnosis. График испытаний и тестовые процедуры соответствовали требованиям, разработанным для ERTMS. Испытания выполняли в течение 23 сут во время челночных поездок по участку Кальяри — Ольбия протяженностью 300 км в разных условиях работы сетей радиосвязи, в том числе при их пиковой загрузке, временном выходе из строя отдельных базовых станций и проблемах с покрытием радиосвязью. Результаты испытаний свидетельствуют об отсутствии значимой разницы в задержке между спутниковой и сотовой системами радиосвязи, что подтверждает возможности их использования для взаимного резервирования. Дополнительного улучшения
показателей спутниковой радиосвязи можно добиться за счет использования сегментированной виртуальной частной сети (VPN) и средств ускорения работы протокола TCP. Важным моментом является также предоставление спутниковым оператором Inmarsat гарантированной ширины полосы пропускания канала, позволяющей выполнить заложенное в спецификацию EIRENE требование об установлении соединения в течение менее 2 с.
Перспективы Основные усилия в рамках проекта 3InSat направлены в настоящее время на изучение и гармонизацию требований для малодеятельных линий в Германии и Италии, чтобы сформировать общую спецификацию
в расчете на дальнейшее применение систем EGNOS и Galileo. Рынок железнодорожных приложений может стать наиболее крупным для европейских систем спутниковой навигации как по объему, так и по общественной значимости и вкладу в повышение безопасности работы железнодорожных линий местных и региональных сообщений. Будут также продолжены испытания на о. Сардиния, которые пока направлены на достижение требуемых показателей работы системы определения местоположения поездов, а затем сосредоточатся на интеграции спутниковых технологий в платформу ETRMS. F. Rispoli et al. Signal und Draht, 2014, № 11, S. 52 – 58; материалы компаний Ansaldo STS (www. ansaldo-sts.com), RFI (www.rfi. it) и Radiolabs (www.radiolabs.it).
п е р в о е м е жд У н а р о д н о е и з д а н и е
СИСТЕМЫ АВТОМАТИКИ И ТЕЛЕМЕХАНИКИ
на железных дорогах мира
ы м е т с Си ки и и т а м авто емеханик и тел ных дорогах мира ез
на жел
о ласенк ергея В С · а г е а Те Грегор акцией д е р д о П
62
В книге, которая получила широкую известность среди российских и зарубежных специалистов, анализируются общие принципы и различия систем автоматики и телемеханики на железных дорогах мира, а также тенденции их развития. Это — единственная книга на русском языке, в которой подробно рассмотрено построение современной системы управления движением поездов на базе радиоканала ETCS. Книгу подготовили ведущие эксперты по СЦБ из семи стран — России, Германии, Австрии, Великобритании, Италии, Словакии и США. Книга выпущена при поддержке Департамента автоматики и телемеханики ОАО «РЖД» и российских компаний — изготовителей систем СЦБ. Она рекомендована Управлением кадров и учебных заведений Федерального агентства железнодорожного транспорта в качестве учебного пособия для вузов. Полноцветное высококачественное издание в твердом переплете, 488 страниц, 389 иллюстраций, 23 таблицы. Подробная информация о книге и возможностях ее приобретения на сайте
www.sat-zdm.intext-book.com
ЖЕЛЕЗНЫЕ ДОРОГИ МИРА — 2015, № 1