Управление движением поездов
Проект GaLoROI: спутниковая навигация для безопасного определения местоположения поездов Открытие доступа к спутниковой навигации стимулировало изучение возможностей определения с ее помощью местоположения поездов. Однако переход к новой технологии осложняется не только требованиями обеспечения безопасности при использовании спутниковой навигации, но и необходимостью отказа от существующих стационарных систем контроля свободности пути. В рамках проекта GaLoROI (Galileo Localization for Railway Operation Innovation), который осуществлялся при поддержке Европейского союза в течение 27 мес с января 2012 по март 2014 г., изучалась возможность создания перспективной системы определения местоположения поездов с применением комбинации бортовых устройств — в первую очередь аппаратуры спутниковой навигации. Уже в течение длительного вре мени предпринимаются попытки разработать на основе спутниковой навигации технологию для безопас ного определения местоположения поездов с возможностью использо вания получаемой информации для реализации функций обеспечения безопасности. С появлением такой технологии может быть не только повышена точность непрерывного определения местоположения поез дов, но и увеличена пропускная спо собность железных дорог. Реализация проекта GaLoROI позволила добиться существенно го прогресса по сравнению с иссле дованиями, проводившимися ра нее в рамках других проектов. Есте ственно, применение новой тех нологии в системах управления и обеспечения безопасности движе ния поездов требует более широ ких исследований, поскольку про ект GaLoROI был сфокусирован на бортовой подсистеме. Тем не ме нее впервые была подтверждена на
практике возможность безопасного и точного определения местополо жения подвижного состава и были созданы прототипы соответствую щих устройств на основе средств спутниковой навигации. Проект GaLoROI выполнялся международным консорциумом, в который входили: • от Германии — Институт каче ства, безопасности и транспорта (iQST, отвечал за руководство про ектом и создание цифровой карты); Институт безопасности на транс порте и средств автоматизации Тех нического университета Брауншвай га (iVA, проверка безопасности); Технологический институт Карлс руэ (KIT, разработка алгоритмов объединения данных от датчиков); компания BBR Technik (архитек тура системы и анализ технических решений); • от Франции — компания IFSTTAR (анализ на дежности, ремонтопригодности и безопасности);
• от Бельгии — компания Septentrio (поставка антенн и приемника спутниковой навигации).
Цели проекта Основная цель проекта GaLoROI состояла в создании устройства определения местоположения по езда на основе спутниковых техно логий, которое могло бы работать как безопасная система. Техниче ские ограничения спутниковой на вигации (например, невозможность приема сигнала со спутников из‑за местных особенностей на линии) устранялись при этом при помощи бортовых средств, позволяющих по зволяющих с достаточной степенью безопасности определять местопо ложение поезда. Для этого дубли рованные безопасные компьютеры должны обрабатывать данные от не скольких систем позиционирования и формировать конечные данные о местоположении поезда. Прежние проекты в области определения местоположения по ездов на основе спутниковой нави гации уже показали принципиаль ную возможность применения та кой технологии, но не дошли до ее практической проверки. GaLoROI в значительной мере основывается на результатах этих проектов — как национальных, так и международ ных, в частности проектов SATLOC (см. «ЖДМ», 2014, № 6, с. 63 – 67) и 3InSat (см. «ЖДМ», 2015, № 1, с. 58 – 62).
ЖЕЛЕЗНЫЕ ДОРОГИ МИРА — 2015, № 9 61
Управление движением поездов
Путь
Ethernet и подача питания
Ethernet
Ethernet
ECS A
Модуль объединения данных А
ECS DPU A
ECS HIST-V3 A
Ethernet
Ethernet и подача питания
Приемник спутниковой навигации А
Антенна спутниковой навигации B
Антенна спутниковой навигации А
Безопасный сдвоенный компьютер А
Регистрация событий HIST-V3 ECS HIST-V3 B
RS232
Безопасный сдвоенный компьютер В
Безопасное сравнение данных
Модуль объединения данных B
ECS DPU B
RS232
Приемник спутниковой навигации B
Ethernet
ECS B Путь
Рис. 1. Структура бортового устройства определения местоположения поезда: ECS — вихретоковый датчик позиционирования; DPU — модуль обработки; HIST-V3 — промышленный компьютер
Наряду с бортовыми устройства ми необходимо было также под твердить практическую пригод ность разных систем спутниковой навигации для безопасного опреде ления местоположения подвижного состава, чтобы в будущем получить для них соответствующий допуск для применения в железнодорож ных приложениях. Были отобраны глобальные системы спутниковой навигации Galileo, GPS, ГЛОНАСС и Compass. Дополнительно иссле довались системы повышения точ ности определения позициониро вания, такие как WAAS, EGNOS и MSAS.
Перспективы безопасного определения местоположения поездов по технологии GaLoROI Напольные устройства опреде ления местоположения подвижно го состава характеризуются высо кими затратами жизненного цикла. Сквозное оснащение ими предус мотрено, как правило, только на интенсивно используемых участках
пути или на участках, где повышен риск безопасности движения. На малодеятельных или второстепен ных линиях, которые по протяжен ности составляют примерно 50 % европейской железнодорожной се ти, занятость участка пути между раздельными пунктами определя ется зачастую при помощи логиче ских алгоритмов без возможности точно определить местоположение поезда в реальном времени. При менение на таких линиях техноло гии, разработанной в рамках проек та GaLoROI, могло бы существенно повысить привлекательность же лезных дорог. В частности, подоб ные линии могли бы без дорого стоящей модернизации напольно го оборудования использоваться для разгрузки высокозагруженных магистралей. Системы управления движением поездов на основе тех нологии GaLoROI и применения ра диоканала для обмена информаци ей между поездом и системой цен трализации способны обеспечить интервальное регулирование с ди намическим расчетом безопасных тормозных путей.
Технические решения В рамках проекта GaLoROI по движной состав был оснащен систе мой точечной АЛС PZB-222 ком пании BBR, в архитектуру которой был интегрирован приемник спут никовой навигации. Инновацион ность проекта GaLoROI состояла не только в определении абсолютно го местоположения поезда при по мощи двух приемников спутнико вой навигации, но и в их совмест ном использовании с двумя борто выми вихретоковыми датчиками и цифровой картой участка, кото рая была подготовлена институтом iQST по стандарту railML (рис. 1). При создании комплекса бор товых устройств стремились к то му, чтобы компоненты, добав ленные в рамках проекта GaLoR OI, взаимодействовали с системой PZB-222 так же, как обычное обо рудование, в расчете на которое она разрабатывалась (рис. 2). Система спутниковой навигации в сочета нии с электронной картой участ ка предоставляла PZB-222 данные, соответствующие информации от
62 ЖЕЛЕЗНЫЕ ДОРОГИ МИРА — 2015, № 9
Управление движением поездов
виртуальных напольных приемо ответчиков, а вихретоковые датчи ки позиционирования подключали к интерфейсу, предназначенному для сертифицированных ранее им пульсных колесных датчиков типа PZB-224 GMU. В рамках проекта разработан специальный алгоритм объеди нения данных от навигационных спутников и вихретоковых датчи ков. Модуль, реализующий этот алгоритм, предоставляет также ин формацию о точности определе ния местоположения (в виде дове рительного интервала), который должен учитываться при форми ровании той или иной ступени за щитной реакции АЛС. Безопасный сдвоенный компьютер А212 систе мы PZB-222 оценивает полученные данные о местоположении и прини мает решение об ограничении ско рости в соответствии с установлен ным режимом эксплуатации и дру гой имеющейся информацией. Ком пьютер А212 соответствует уровню безопасности SIL4.
Критерии защитной реакции Получение информации о ме стоположении через спутниковые антенны и приемники зависит от погодных условий и особенностей местности — наличия домов, де ревьев, тоннелей и других препят ствий. Ухудшение приема сигнала от спутников означает одновремен но потерю возможности определе ния абсолютного местоположения. Для поддержания высокого уров ня эксплуатационной готовности чисто бинарная оценка ухудшения приема сигнала от спутников не приемлема, поскольку потребует частых остановок поезда из‑за при нудительного торможения. Поло жение облегчается наличием элек тронной карты, предоставляющей информацию о топологии впереди лежащего участка пути, и датчиков пройденного пути, характеристи ки которых позволяют безопасно
рассчитать кривую торможения поезда. В отличие от исходной си стемы PZB-222, в которой защит ная реакция прописана для каждой эксплуатационной ситуации, для модифицированного ее варианта необходимо в каждом случае при менения анализировать, каким об разом обеспечить безопасность по езда с учетом возможных ограниче ний при приеме сигналов от навига ционных спутников.
Сертификация датчиков Использованные в рамках про екта антенны и приемники спутни ковой навигации сертифицирова ны для применения на воздушном транспорте. Поэтому необходимы их испытания с целью проверки пригодности для работы на желез нодорожном транспорте в услови ях циклических и ударных нагрузок, работоспособности на электрифи цированных линиях и т. п. Вихрето ковый датчик ECS разработан ком панией Bombardier для железнодо рожного подвижного состава.
Лабораторные и полевые испытания в Брауншвайге Бортовое оборудование, смонти рованное в лаборатории BBR с уча стием партнеров по проекту, было введено в эксплуатацию в конфигу рации со статичным расположением
Модуль регистрации событий
аппаратуры. Задача состояла в том, чтобы убедиться в приемлемом функционировании алгоритмов объединения данных совместно с безопасными компьютерами. Успех испытаний подтвердили показания модуля регистрации данных. Динамические испытания в рам ках проекта GaLoROI были преду смотрены в Чехии, однако было принято решение выполнить пер вые поездки в Брауншвайге, чтобы убедиться в пригодности системы и без больших затрат внести в нее из менения в случае необходимости. Испытания проходили на участке объединения Vereins Braunschwei ger Verkehrsfreunde (VBV), располо женном на территории бывшего за вода по ремонту локомотивов. Бор товое оборудование системы было расположено в прицепном вагоне. Путевое развитие здесь сравнимо со станционным, имеется несколь ко параллельных путей со стрелоч ными переводами. Участок прохо дит через небольшой лес, под сталь ным мостом. Кроме того, один путь оборудован контактной сетью. Для изучения возможности корректно го определения местоположения поезда на параллельных путях по сле проследования стрелочного пе ревода регистрировалась длитель ность соответствующего расчета. На этом этапе испытаний было подтверждено, что модуль на осно ве технологии GaLoROI способен
Безопасный сдвоенный компьютер А212 Приемники спутниковой навигации
Электронная карта
Блоки питания
Модуль Модуль Модуль Модуль датчика объединения датчика объединения ECS A данных А ECS B данных B
Два модуля обработки сигналов вихретоковых датчиков
Рис. 2. Размещение аппаратных средств бортового устройства
ЖЕЛЕЗНЫЕ ДОРОГИ МИРА — 2015, № 9 63
Управление движением поездов
Рис. 3. Переоборудованный моторный вагон во время испытаний в Чехии и путевое развитие станции Опава-Восточная
предоставить точную информа цию о местоположении поезда. Ал горитм сравнительно быстро опре деляет, на каком пути находится поезд после проследования стре лочного перевода. Из 39 просле дований поездом стрелки в проти вошерстном направлении путь, по которому движется поезд, был пра вильно определен на расстоянии не более 150 м от стрелочного перево да в 35 случаях. В одном случае ал горитму потребовалось проследова ние поезда на 230 м за стрелочный перевод, чтобы правильно опре делить путь, занятый поездом, а в трех случаях длины пути 270 м ока залось недостаточно, чтобы завер шить расчет. При этом ни в одном случае результат расчета не при вел к ошибке в определении пути, на который проследовал поезд. Ре зультаты испытаний были призна ны положительными и использова лись для дальнейшего усовершен ствования алгоритма.
Испытания в Чехии В июле 2014 г. в Чехии для испы таний был выделен моторый вагон, который оснастили аппаратурой но вой системы. Переоборудованный вагон получил допуск к эксплуата ции и в течение нескольких месяцев обращался в регулярном сообщении на участке протяженностью 8 км ме жду станциями Опава-Восточная и Градец-над-Моравицей (рис. 3). На участке расположены три станции и один остановочный пункт, макси мально допустимая скорость состав ляет 50 км/ч. Основное внимание в
ходе испытаний уделялось стабиль ной работе модуля определения ме стоположения в течение длительного времени. Из-за ограничений проек та GaLoROI, в котором полносостав ность поезда принимается как дан ность, на модуль определения место положения не возлагались функции безопасности; данные о местополо жении только регистрировались и не использовались для управления поездом. Долговременные испытания в Чехии еще более убедительно под твердили стабильность результатов работы технологии GaLoROI, ее на дежность и безопасность.
Подтверждение безопасности Важной частью подтверждения безопасности была интеграция го товых серийных промышленных компонетов в систему GaLoROI, для которой была разработана кон цепция резервирования и диверси тивности программ. Анализ RAMS, выполненный компанией IFSTTAR, подтвердил, что выбранная в рам ках проекта GaLoROI архитектура отвечает уровню безопасности SIL3. Дополнительно были выработаны предложения для перспективных безопасных приложений и их до пуска к эксплуатации.
Перспективы Проект GaLoROI впервые в хо де полевых испытаний подтвердил возможность безопасного опреде ления местоположения железнодо рожного подвижного состава при
помощи данных спутниковой нави гации. Для реального применения технологии GaLoROI в ответствен ных приложениях необходимо: • п одтвердить безопасность средств контроля полносоставно сти поезда (контроль полносостав ности не был предметом исследова ния в проекте); • оснастить все обращающиеся на полигоне тяговые единицы модуля ми определения местоположения на основе технологии GaLoROI, чтобы отказаться от напольных устройств определения свободности пути; • обеспечить связь по радиока налу между поездами и системами централизации, чтобы последние могли использовать сведения о ме стоположении поездов для форми рования информации о занятости участков пути; • разработать готовые к серий ному производству компоненты на основе опытных образцов модулей GaLoROI и интегрировать их с ми нимальными затратами в бортовые устройства безопасности движения поездов. Кроме того, необходимо конфи гурировать прикладное ПО обеспе чения безопасности для конкрет ных условий применения и адапти ровать его для учета доверительных интервалов определения местопо ложения поездов. Для этого необ ходимо проведение дополнитель ных полевых испытаний. C. Seedorff, A. Linhardt. Signal und Draht, 2015, № 6, S. 27 – 31; материалы компании BBR Verkehrstechnik (www.bbr-vt.de) и института iQST (www.iqst.de).
64 ЖЕЛЕЗНЫЕ ДОРОГИ МИРА — 2015, № 9