Aktuální vydání

celé číslo

03

2021

Digitální transformace, chytrá výroba, digitální dvojčata

Komunikační sítě, IIoT, kybernetická bezpečnost

celé číslo

Řízení a zabezpečení železniční dopravy

Doprava za posledních 30 let zaznamenala obrovský nárůst a rozvoj dopravních sítí s ním nestačí držet krok. Výsledkem jsou mnohakilometrové a mnohahodinové doprav­ní zácpy na silnicích a města přeplněná vozidly. Zaparkovat dnes v jakémkoliv městě je stále větší problém. S kapacitou se však nepotýká pouze silniční doprava, ale i železni­ce, dokonce i letecká doprava začala řešit kapacitní problémy. V tomto článku je popsá­no, jak je zdokonalována železniční doprava informačními a zabezpečovacími systémy jednotnými v celé Evropské unii.

 
Jak řešit problémy spojené s nedostateč­nou kapacitou v dopravě? Možností je ně­kolik:
  • stavět nové dopravní sítě s velkou kapaci­tou,
  • restriktivními opatřeními omezit dopravu v kritických místech,
  • rozložit zatížení v čase,
  • lépe využívat hromadnou přepravu,
  • sdílet vozidla,
  • pomocí informačních a řídicích systémů zvětšit kapacitu dopravních sítí.

Informační a řídicí systémy pro větší kapacitu dopravních sítí

K dílčímu zvětšení kapacity sítí lze pou­žít informační a řídicí systémy. Jde o poměr­ně efektivní způsob, kdy vynaložením rela­tivně malých investic (v porovnání se stavbou nových dopravních sítí) je možné dosáhnout zajímavých výsledků. S informačními a ří­dicími systémy je možné se setkat již dnes, a to v mnoha oblastech. Podívejme se v tom­to článku podrobněji na právě zaváděný in­formační systém ERTMS v železniční do­pravě v Evropě.
 

ERTMS – European Rail Traffic Management System

Informační a řídicí systémy pro zabezpe­čení jízdy vlaku v železniční dopravě byly dříve vyvíjeny samostatně v každé zemi. V důsledku toho je v současné době v Ev­ropě přibližně dvacet navzájem nekompati­bilních systémů. Snaha posledních několika let, aby železnice mohla konkurovat silniční dopravě a hnací vozidla (lokomotivy) moh­la projíždět územími více států, vedla ev­ropské železnice k založení společného pro­jektu, který si klade za cíl vytvořit jednotný informační řídicí systém zajišťující a zabez­pečující jízdu vlaku na hlavních evropských železničních tazích. V roce 1990 iniciovala Mezinárodní železniční unie (UIC) vytvo­ření pracovních skupin, jejichž úkolem bylo vyvinout jednotný evropský systém zabezpe­čení jízdy vlaků ERTMS. Hlavním posláním je dosáhnout interoperability hnacích vozidel na hlavních evropských železničních tazích (postupně má být systém rozšířen na celou železniční síť), zvýšit traťové rychlosti, sní­žit náklady na údržbu a provoz traťové části a rovněž zlepšit propustnost tratí.
 
Systém ERTMS se skládá ze dvou základ­ních částí, evropského vlakového zabezpečo­vacího systému ETCS a mezinárodního sys­tému bezdrátové komunikace GSM-R. Jed­notlivé prvky obou systémů ukazuje obr. 1.
 

Evropský vlakový zabezpečovací systém ETCS

ETCS (European Train Control Sys­tem) by měl postupně nahradit národní sys­témy vlakových zabezpečovačů a umožnit tak vedení vlaků po celém území Evropy bez nutnosti měnit hnací vozidla na hrani­cích. Od roku 2000 je tento systém zkoušen na vybraných úsecích německých, rakous­kých a švýcarských drah, postupně se přidá­vají další železnice.
 

Mezinárodní systém bezdrátové komunikace GSM-R

GSM-R (Global System for Mobile com­munication – Railways) je používán ke komu­nikaci mezi vlakem a dispečerskými centry řízení železnice. Systém je založen na speci­fikacích GSM a EIRENE – MORANE, kte­ré pracují při rychlostech do 500 km/h bez jakéhokoliv výpadku komunikace. Standard GSM-R je založen na sítích GSM, které jsou velmi rozšířeny, a proto jsou cenově přízni­vou digitální náhradou dosavadních nekom­patibilních analogových komunikačních sítí na železnici. Přenos informace o návěstech přímo strojvedoucímu umožňuje zvýšit rych­lost vlaků i zlepšit propustnost tratí při vyso­kém stupni zabezpečení.
 
Od června 2013 je v České republice systé­mem GSM-R kompletně vybaven první a dru­hý národní železniční koridor. Dále byla do­končena další etapa realizace GSM-R na tra­tích Ostrava – Opava, Dětmarovice – státní hranice se Slovenskem a na spojce obou hlav­ních koridorů Přerov – Česká Třebová.
 

Funkce ETCS

Zabezpečovač ETCS má za úkol za­jistit bezpečnost vla­kové dopravy a dovo­lit aktivně zasahovat do řízení vlaku při selhání nebo omylu strojvedoucího. Na zákla­dě přenášených informací je sledováno dodr­žování návěstí, což v případě ETCS znamená dodržení oprávnění k jízdě (MA – Movement Authority), které obsahuje zejména informaci o délce úseku, pro který je MA platné. Dále sleduje uvedený zabezpečovač tyto ukazatele:
  • maximální traťovou rychlost v daném úseku,
  • maximální rychlost vlaku,
  • dodržení trasy vlaku,
  • směr jízdy,
  • přechodnost vlaku pro daný úsek (dodrže­ní hmotnostního zatížení vlaku na nápra­vu, popř. na běžný metr),
  • dodržení přechodných omezení.
Zařízení ETCS se skládá z traťové a vozi­dlové části (obr. 2). Informace mezi nimi se vyměňují pomocí datových přenosů.
 

Zařízení v traťové části ETCS

  • Balíza nebo také eurobalíza (z francouzštiny: balise – bóje) pro přenos informací na vozi­dlo. Balíza se umísťuje v ose koleje (obr. 3) a je napájena bezkontaktně z vozidla při jeho průjezdu. Jakmile je aktivována, vysílá opa­kovaně telegram zpět kolejovému vozidlu. Používány jsou dva typy balíz: pevná a pře­pínatelná. Pevná balíza v podobně perma­nentního magnetu vysílá konstantní informa­ci a je využívána pouze k popisu tratě. Pře­pínatelnou balízu lze pomocí cívek nabudit a měnit tak kód, který vysílá. Přepínatelná balíza přenáší např. polohu návěstidla.
    Délka úseku pro přenos dat z balízy je při­bližně 1 m. Pro rozlišení směru se používají skupiny a postupným načtením balíz je mož­né odvodit směr jízdy, např. kód 01 značí jíz­du vpřed a kód 10 jízdu opačným směrem.
  • Traťová elektronická jednotka LEU (Lineside Electronic Unit) se používá pouze u přepínatelných balíz a je určena k pře­nosu informací z existujícího staničního nebo traťového zabezpečovacího zařízení (návěstidel) do přepínatelné balízy.
  • Eurosmyčka (Euroloop) umožňuje liniový přenos informace o postavení návěstidla, resp. o změně jeho návěsti tam, kde je to účel­né – např. v místech pravidelných zastavení.
  • Radiobloková centrála RBC (Radio Block Centre) je procesorový elektronický sys­tém, který na základě informací získaných z pevné části zabezpečovacího zařízení a z informací z jednotlivých vozidel vy­pracovává a prostřednictvím sítě GSM-R vysílá zprávy se signálem MA.
  • Doplňkový rádiový obvod (Radio in-fill unit) přenáší informace o postavení nej­bližšího návěstidla.

Zařízení ve vozidlové části ETCS

  • Centrální počítač EVC (European Vi­tal Computer), který vyhodnocuje přijaté údaje a vypočítává brzdné křivky, dohlíží na jízdu vlaku a v případě potřeby aktivu­je brzdy, je jádrem systému.
  • Záznamová jednotka JRU (Juridical Recor­ding Unit) je určena k záznamu všech za­daných informací z provozu. Její konstruk­ce vyžaduje vysokou odolnost pro případ mimořádné události.
  • Zobrazovací jednotka MMI (Man-Machi­ne Interface) je tvořena dotykovou obra­zovkou a zobrazuje potřebné údaje (rychlosti, délku povolení k jízdě, průběh rych­lostního profilu, režim atd.).
  • Přenosový modul balízy BTM (Balise Trans­mission Module): anténa pro komunikaci s balízami nepřetržitě vysílá signál o kmi­točtu 27 MHz k napájení balíz, přijímá te­legramy z balíz v pásmech 3,9 a 4,5 MHz.
  • Zařízení pro přesné měření rychlosti a uje­té vzdálenosti (odometrie) je naprosto ne­zbytné pro správnou a bezpečnou funkci zařízení. ETCS vyžaduje alespoň tři nezá­vislé způsoby měření. K měření rychlosti se používají snímače otáček na nápravách doplněné o Dopplerův radar pro měření vzdálenosti.

Aplikační úrovně ETCS

Zabezpečovač ETCS je tvořen oddělenými staveb­ními prvky. Jejich kom­binací a zapojením do již existujícího zabezpečovacího zařízení je možné dosáhnout různých úrov­ní funkce tohoto systému. Aplikační úrovně se značí písmenem L (level):
 

ETCS L0

Vozidlo s mobilní částí ETCS se pohybuje po tra­tích, které nejsou vybave­ny vlakovým zabezpečo­vačem. Zařízení tak hlídá pouze maximální rych­lost.
 

ETCS L STM

Vozidlo s mobilní částí ETCS se pohybuje po tra­tích vybavených národ­ním vlakovým zabezpe­čovačem. Zařízení ETCS z něj přijímá informa­ce prostřednictvím STM (Specific Transmission Module).
 

ETCS L1

Zařízení pracuje na tra­ti vybavené přepínatelný­mi balízami. Jeho zaříze­ní pracuje podobně jako bodový vlakový zabezpe­čovač1), avšak s tím rozdí­lem, že balízy ještě předá­vají informace o následujícím traťovém úseku, což umožňuje průběžně sledovat nejvyšší dovolenou rychlost vlaku. K přenosu návěstí mohou být kromě balíz ješ­tě použity smyčky a rádiové obvody.
 

ETCS L2

Zařízení (obr. 4) pracuje s pevnými balíza­mi, které fungují jako referenční body, k nimž jsou vztaženy informace týkající se polohy předávané vozidlu ze stacionární části systé­mu, zejména reprezentované radioblokovou centrálou, RBC. Oprávnění k jízdě (MA) tedy vlak získává přímo z RBC prostřednictvím GSM-R. Vozidlová část ETCS dostává infor­mace o ujeté vzdálenosti od poslední balízy průběžně prostřednictvím impulzních sníma­čů otáček na nápravách a Dopplerova radaru na spodku vozidla. Návěstidla pro tuto aplikač­ní úroveň nejsou zapotřebí, avšak ke zjišťování volnosti úseků jsou ještě používány konvenční prostředky (kolejové obvody, počítače náprav).
 

ETCS L3

Rozdíl oproti L2 spočívá v tom, že vlak je lokalizován a jeho celistvost kontrolová­na průběžně rádiovými prostředky (obr. 5). Tato aplikační úroveň umožňuje zrušit tra­ťové oddíly a nahradit je „pohyblivým oddí­lem“. Znamená to, že volnost vlakové cesty v délce zábrzdné vzdálenosti pro daný úsek, druh a rychlost vlaku jsou sledovány prů­běžně, což dovolí zlepšit propustnost tratí. Ve stadiu výzkumů je interoperabilní a bez­pečná detekce celistvosti vlaku tzv. svěše­ných souprav skládajících se z jednotlivých zapojených vagonů (nikoliv ucelených jed­notek), což brání zavedení této aplikační úrovně do provozu.
 

ETCS LC

Tato levnější varianta (Low Cost) za­bezpečovače ETCS (obr. 6) je určena pro vedlejší tratě. Systém by měl pracovat stej­ně jako L3, jen počet balíz je minimalizo­ván. Balízy jsou využity pouze v obvodech s kolejovým rozvětvením, v úvahu připadá i satelitní navigace pro lokalizaci polohy vlaku na trati.
 

ETCS v České republice

Zástupci ČSD, resp. ČD, se účastnili pra­cí na vývoji evropského zabezpečovače již od samého počátku. Zároveň byly zastaveny práce na vlastním vývoji přídavného bodo­vého systému k dosavadnímu liniovému za­bezpečovači a vývoj dále probíhá v součin­nosti s evropskými standardy. České dráhy již v roce 1995 předložily přípravnou studii pro pilotní projekt ETCS na trase Drážďany – Praha. Postup při budování systému ETCS na tratích České republiky stanovuje národní implementační plán ERTMS, který byl zapra­cován do evropského plánu rozvoje ERTMS. Tento národní implementační plán zahrnuje vybudování ETCS (obr. 7) na tratích:
  • st. hr. s Rakouskem/st. hr. se Slovenskem – Břeclav – Kolín,
  • Kolín – Praha – Děčín – st. hr. s Němec­kem,
  • Břeclav – Přerov – Petrovice u Karviné – st. hr. s Polskem,
  • Česká Třebová – Přerov,
  • Praha – Plzeň – Cheb,
  • Dětmarovice – Mosty u Jablunkova – st. hr. se Slovenskem,
  • Polanka nad Odrou – Český Těšín,
  • Praha – České Budějovice – Horní Dvo­řiště – st. hr. s Rakouskem.
Budování systému ETCS na dalších tra­tích bude záviset na přístupu orgánů Evropské unie, státních orgánů ČR a dopravců. Předpo­kládá se, že vybavení traťovou a palubní čás­tí ETCS bude podmínkou pro jízdy rychlostí vyšší než 160 km/h.
Pavel Pinkas
 
Obr. 1. Prvky evropského vlakového zabezpečovacího systému ETCS a mezinárodního systému bezdrátové komunikace GSM-R
Obr. 2. Schéma zabezpečovače ETCS
Obr. 3. Umístění eurobalízy v kolejišti
Obr. 4. ETCS L1 na trati vybavené přepínatelnými balízami (zdroj: www.wikpedia.cz)
Obr. 5. ETCS L2 s pevnými balízami (zdroj: www.wikpedia.cz)
Obr. 6. ETCS L3 – vlak je lokalizován a jeho celistvost kontrolo­vána průběžně rádiovými prostředky, průběžně jsou sledovány i volnost vlakové cesty a rychlost vlaku (zdroj: www.wikpedia.cz)
Obr. 7. Tratě, na nichž se počítá se zavedením ETCS