Aktuální vydání

celé číslo

08

2019

MSV 2019 v Brně

celé číslo

Dálkový dohled nad stavem kolejových obvodů v londýnském metru

Londýnské metro každý rok obslouží 1,7 miliardy cestujících, z čehož 213 milionů připadá na trasu Victoria Line. Jde o nejvytíženější trasu londýnského metra, a to zvláště v dopravních špičkách. V průběhu posledních osmi let byl realizován investiční program v celkovém objemu jedné miliardy liber, v jehož rámci byl obnoven vozový park na této trase a všechny zabezpečovací systémy. Tím bylo dosaženo kapacity 33, popř. i více vlaků za hodinu. Nový zabezpečovací systém využívá 385 kolejových obvodů JTC (Jointless Track Circuit), které umožňují sledovat pozice vlaků a udržovat mezi nimi bezpečné rozestupy a pomáhají tak dodržovat i velmi náročný jízdní řád. Kolejové obvody představují jediný způsob sledování vlaků a mají kritickou úlohu při zajišťování bezpečnosti a spolehlivosti provozu, ale při vypracovávání jejich návrhu a jejich instalaci nebylo vůbec počítáno s monitorováním stavu obvodů samotných. Vzhledem k velké důležitosti tohoto zařízení má selhání kolejového obvodu zásadní vliv na celý provoz a pro cestující na trase Victoria Line je nejvýznamnějším zdrojem problémů. Dopady takovýchto selhání byly od uvedení linky do provozu vyčísleny na 1,5 milionu liber (databáze London Underground CuPID obsahující selhání kolejových obvodů od roku 2012).

 
Tým zabývající se monitorováním stavu řídicího systému na Victoria Line, který se skládá ze šesti odborníků (na železnice, software, elektroniku, mechaniku a komunikační sítě), vypracoval řešení: projekt inteligentního systému pro sledování stavu kolejových obvodů na dálku. Systém umožňuje v reálném čase analyzovat napětí a frekvenci pro všech 385 obvodů JTC ve 45km tunelu metra a předvídat tak problémy a následné výpadky dopravních služeb. Technici přitom využili přesnost, spolehlivost a flexibilitu hardwaru a softwaru od společnosti NI (National Instruments). Systém by měl podle odhadů cestujícím ušetřit 39 000 h zmeškaných za rok z důvodu výpadků dopravy, což pro ně představuje odhadovanou úsporu nákladů 350 000 liber za rok.
 

Struktura systému

Na trase Victoria Line jsou používány frekvenčně rozlišené kolejové obvody JTC s proměnnou délkou. Obvody spínají podle toho, jak se na trati pohybuje vlak. Každý obvod JTC má svůj vlastní elektronický přijímač, který je nastaven na frekvenci konkrétního kolejového obvodu (4 až 6 kHz), zpracovává příchozí signál a tím dodává monitorovacímu bodu informace, které lze použít ke sledování stavu kolejového obvodu (obr. 1).
 
Před zavedením tohoto systému bylo nutné pravidelně kontrolovat stav každého kolejového obvodu ručně na místě digitálním multimetrem. Po instalaci systému NI CompactRIO (obr. 2) je nyní možné sledovat signály ze všech obvodů JTC na trati současně, což znamená, že údržbové čety mohou proaktivně předvídat selhání techniky a předcházet mu ještě před tím, než k němu dojde.
 
Technický tým hodnotil různé dodavatele techniky pro sběr dat a došel k závěru, že ačkoliv i další produkty splňovaly stanovené požadavky, žádný jiný nenabízel flexibilitu, výkonnost a dodatečnou možnost rozšíření jako moduly CompactRIO. Široká nabídka snímacích modulů a možnost snadno upravovat aplikační software v prostředí LabVIEW znamenají, že stejný systém lze snadno modifikovat i pro další projekty. Zkrátí se tak doba potřebná ke zhotovení návrhu a vývoji hardwaru a softwaru pro větší rozsah vstupních dat.
 
Vzhledem k požadavkům na bezpečnost kolejových obvodů (úroveň funkční bezpečnosti SIL 4) bylo nutné vytvořit nezávislé galvanické oddělení mezi přijímačem a zařízením CompactRIO. Ve spolupráci se společností Dataforth z USA byl vyvinut oddělovací modul SCM5B, který zajišťuje galvanické oddělení modulů CompactRIO od sledovaných kolejových obvodů. Izolační moduly SCM splnily přísné požadavky při testování bezdrátového přijímače a zároveň věrně replikují výstupní signál obvodu jako vstup pro měřicí systém CompactRIO. Oddělovací bariéra spolu s malou poruchovostí hardwaru NI zajistily, že systém bylo možné nainstalovat bez narušení integrity bezpečnosti SIL 4 zabezpečovacího systému. Pro schválení projektu byla nutná důkladná bezpečnostní analýza v souladu s normami CENELEC pro drážní dopravu.
 
Sběr dat ze zařízení CompactRIO projektanti rozdělili na čtrnáct geograficky oddělených lokací, které jsou propojeny širokopásmovou optickou sítí nainstalovanou speciálně pro tuto úlohu. Flexibilita hardwaru CompactRIO ve spojení se softwarem LabVIEW také umožnila přenášet data na centrální server, zajišťující sledování stavu obvodů v reálném čase prostřednictvím jednoduchého protokolu pro přenos dat.
 
Centrální server nepřetržitě zpracovává datový tok o frekvenci 10 Hz z každého modulu CompactRIO, což v součtu znamená více než 7 000 vzorků za sekundu. Protokol pro přenos dat ze systému CompactRIO serveru umožňuje data rychle analyzovat a monitorovat kolejové obvody z hlediska odchylky sledovaných parametrů od ideálního stavu. Systém porovnává každou přijatou sadu vzorků s danými standardními hodnotami frekvence a napětí a server nezávisle rozhoduje o stavu každého kolejového obvodu připojeného k systému. Kromě toho server ukládá všechna data do místní i vzdálené databáze, takže lze sledovat dlouhodobé trendy. Centrální server dokáže odesílat varování o stavu zařízení na uživatelské rozhraní, jímž je velká dotyková obrazovka, která přesně zobrazuje konfiguraci kolejových obvodů na trase Victoria Line. Uživatel může pomocí dotykového ovládání procházet zobrazené informace, jednoznačně hodnotit stav bezpečnostního zařízení a také sledovat výstrahy upozorňující na předpokládané problémy (obr. 3).
 
V plánu je pro rychlejší reakci na případnou chybu použít dva uživatelské terminály – jeden v řídicím centru provozu linky Victoria Line a druhý v řídicím centru údržby. Oba mohou být využívány zaměstnanci údržby zabezpečovacího zařízení. Uživatel dokáže jediným kliknutím získat informace z každého kolejového obvodu a v podobě grafů sledovat aktuální efektivní napětí, frekvenci a informaci o obsazení trati, kterou server dostává z modulů CompactRIO.
 
Kromě uživatelských terminálů lze data z modulů CompactRIO zobrazovat na zařízeních s dotykovým displejem v dozorčích místnostech podél trati a prostřednictvím chytrého telefonu či tabletu (obr. 4). Znamená to, že data ze systémů CompactRIO jsou dostupná kdekoliv podél trasy Victoria Line prostřednictvím připojení k nové síti pro monitorování stavu kolejových odvodů.
 

Závěr

Projekt byl dokončen podle plánu za jediný rok od začátku vývoje, včetně návrhu, ověření, schválení i instalace. Podstatně k tomu přispěla i společnost Simplicity AI, National Instruments Silver Alliance Partner.
 
Instalovaný systém využívá obvody FPGA a dokáže pracovat v reálném čase. Umožňuje na dálku sledovat stav kolejových obvodů a proaktivně předcházet poruchám dříve, než nastanou. Vedení metra dává dobrý přehled o životním cyklu zařízení.
 
Technici metra po instalaci tohoto systému získali lepší přehled o skutečném chování obvodů JTC. To jim pomohlo lépe porozumět kriticky důležitému vybavení, rozpoznat chování porouchaného kolejového obvodu, identifikovat obvody, které by mohly selhat, a upozornit údržbu dříve, než taková situace nastane.
 
Sam Etchell,
London Underground Limited
 
Obr. 1. Struktura systému pro sledování stavu kolejových obvodů na dálku
Obr. 2. Po instalaci systému NI CompactRIO je nyní možné sledovat signály ze všech obvodů JTC na trati současně
Obr. 3. Uživatelské rozhraní s podrobnostmi ze stanice Blackhorse Road s porouchaným kolejovým obvodem a data ze čtyř kolejových obvodů v reálném čase
Obr. 4. Data z kolejových obvodů na dotykové obrazovce v dozorčí místnosti a na displeji telefonu a tabletu